Quantitative estimation of accumulation of protein fractions in unripe and ripe maize grain

Abstract

The changes in amounts per grain of six protein fractions isolated by selective extraction, which had been determined during the development of INRA 260 and opaque 2 maize grains, were again studied by taking as development variable the mount of total protein per grain (N_p), defined as the difference between total and non protein nitrogen content. The accumulation of each protein fraction in grain is depicted with one straight line or aseries of linear segments whose slopes represent the relative rates of accumulation of each fraction with reference to that of total protein.

According to changes in the slopes, four phases of accumulation can be distinguished for the INRA 260 variety. Phase I is characterized by the presence of basic proteins (salt-soluble proteins, G₃ glutclins and residue) alone. During phase II, which begins with the synthesis of endosperm specific proteins (zeins, G₁ and G₂ glutelins), all protein fractions are accumulated. Phases III and IV are concerned with the changes in accumulation of fractions belonging to basic proteins. With opaque 2 variety, phases II, III and IV cannot be differentiated.

For a given variety v and from the second phase, the amount N_i,v of basic proteins, zeins, G₁ and G₂ glutelins is related to N_p by the equation N_i,v=a_p,i,v+b_p,i,vN_p where a_p,i,v and b_p,i,v remain constant throughout development and are independent on cultural pratices. This equation also represents the phenotypic of fraction i as function of total protein of mature grain.

Similar equations for expressing the intra- and intervarietal changes of protein fractions as function of total nitrogen content of ripe grain can be found.

Zusammenfassung

Quantitative Beurteilung der Anhäufungsrate der Eiweißfraktionen um unreifen und ausgereiftem Maiskorn.

Die Schwankungen der Gehalte von sechs Eiweißfraktionen, die im Laufe der Entwicklung der Körner von INRA 260 und Opaque 2 mais (Moureaux & Landry, 1972 a, b) bestimmt wurden, werden wieder untersucht, als die Menge der Gesamteiweisse im Korn, d.h. die Differenz zwischen den Gehalten an Gesamtstickstoff und den an Nichteiweißstickstoff, als entwicklungsvariable berücksichtigt wird. In diesem Falle wird die Anhäufung jeder Fraktion in einem Korn durch eine Gerade oder eine Reihe von linearen Segmenten, deren Neigungen dem relativen Synthesegrad der Fraktion der den Gesamteiweissen gegenüber entsprechen, dargestellt.

Nach den Schwankungen der Segmenteneigungen kann das Verfahren der Anhäufung der Eiweißfraktionen im Korn der INRA 260—Sorte in vier Phasen eingeteilt werden. Die erste Phase wird nur durch die Anwesenheit basischer Eiweisse (salzlösliche Eiweisse, G₃ Gluteline und Rückstand) gekennzeichnet. Während der zweiten Phase, die mit der Synthese der spezifischen Eiweisse des Endosperms (Zein, G₁ und G₂ Glutelin) anfängt, werden alle Eiweißfraktionen in verschiedenen Verhältnissen synthetisiert. Die dritten und vieten Phasen werden durch mehr oder weniger wichtige Änderungen in den Anhäufungsraten der Gruppe der basischen Eiweisse zugehörigen Fraktionen gekennzeichnet.

Lineare Beziehungen wurden auch mit der Opaque 2-Sorte erhalten. Die zweiten, dritten und vierten Phasen können jedoch nicht differenziert werden, und die Synthese der spezifischen Eiweisse des Endosperms fängt an, wenn das Korn eine größere Menge als die normale Sorte an basischen Eiweissen angehäuft hat.

Für eine angegebene Sorte v und ab der zweiten Phase werden die Menge pro Korn N_i für die folgenden Eiweißfraktionen i (basische Eiweisse, Zein G₁ and G₂ Glutelin) durch folgende Gleichung: N_i,v=a_p,i,v+b_p,i,vN_p mit der Menge von Gesamteiweissen im Korn N_p verbunden. a_p,i,v und b_p,i,v, die Merkmale der Sorte darstellen, bleiben konstant, während der Entwicklung des Korns. Sie sind von den Anbaubedingungen unabhängig. Diese Gleichung stellt auch die phänotypsichen Schwankungen des Bestandteils der Fraktion in einem Korn in Abhängigkeit von den der Gesamteiweisse eines reifen Korns da.

Die Gleichung N_i,v=a_g,i,v+b_g,i,v N_g drückt die Änderungen innerhalb der und zwischen den Sorten betreffs der Mengen einer Eiweissfraktion i in Abhängigkeit von der Menge des Gesamtstickstoffes im reifen Korn N_g aus.

Die Verhältnismäßigkeit zwischen den Mengen der Eiweißfraktionen und denen des Gesamtstickstoffs bestätigt das von Bishop für Gerste und Weizen ausgedrückte Prinzip der Regelmäßigkeit der Anhäufung bei Eiweißfraktionen.

Résumé

Les variations des teneurs de six fractions protéiques qui avaient été déterminées au cours du développement du grain de Maïs INRA 260 et Opaque 2 (Moureaux & Landry, 1972 a, b) sont de nouveau étudiées en prenant comme variable de développement, la quantité des protéines totales du grain, définie comme étant la différence entre les teneurs en azote total et celles en azote non protéique. Dans ce cas l'accumulation de chaque fraction dans un grain est représentée graphiquement par une droite ou par une série de segments linéaires dont les pentes correspondent au taux relatif de synthèse de la fraction par rapport à l'ensemble des protéines.

D'après les variations des pentes des segments, le processus d'accumulation des fractions protéiques dans le grain de la variété INRA 260 peut être subdivisé en quatre phases. La première phase est caractérisée par la seule présence de protéines de base (protéines salinosolubles, glutélines G₃ et résidu). Pendant la seconde phase qui débute avec la synthèse des protéines spécifiques de l'albumen (zéines glutélines G₁ et G₂), toutes les fractions protéiques sont synthétisées à des taux variables. La troisieme et la quatrième phases sont marquées par des changements plus ou moins importants dans les taux d'accumulation des fractions appartenant au groupe des protéines de base.

Avec la variété opaque 2, des relations linéaires sont aussi obtenues. Cependant la seconde, la troisième et la quatrième phases ne peuvent être différenciées et la synthèse des protéines spécifiques de l'albumen démarre quand le grain a accumulé une quantité plus importante de protéines de base que la variété normale.

Pour une variété donnée v ct à partir de la seconde phase, les quantités par grain N_i des fractions protéiques i suivantes: protéines de base zéines, glutélines G₁ et G₂ sont reliées à la quantité des protéines totales du grain N_p par l'équation suivante:

$$N_{i,v} = a_{p,i,v} + b_{p,i,v} N_p $$

a_p,i,v ct b_p,i,v, qui sont des caractéristiques de la variété, restent constants pendant le développement du grain et sont indépendants des conditions culturales. Cette équation représente aussi les variations phénotypiques de la quantité de la fraction i dans un grain en fonction de celles des protéines totales du grain mûr.

L'équation N_i,v=a_g,i,v+b_g,i,v N_g exprime les changements intra et intervariétaux des quantités d'une fraction protéique i en fontion de celle de l'azote total du grain mûr N_g.

La proportionnalité entre les quantités des fractions protéiques et celle de l'azote total confirme pour le Maïs le principe de régularité de l'accumulation des fractions protéiques énoncé par Bishop pour l'Orge et le Bié.