Las combinaciones de gluteninas de los loci Glu-1 y Glu-3 y la calidad de la masa en trigo harinero*

Glutenin combinations of the loci Glu-1 and Glu-3 and the quality of wheat flour dough

Eliel Martínez Cruz¹, Eduardo Espitia Rangel^1§, Héctor Eduardo Villaseñor Mir¹, René Hortelano Santa Rosa¹, María Florencia Rodríguez García y Roberto Javier Peña Bautista²

¹Campo Experimental Valle de México-INIFAP. Programa de Trigo y Avena. (martinez.eliel@inifap.gob.mx; villaseñor.eduardo@inifap.gob.mx; hortelano.rene@inifap.gob.mx; rodríguez.maria@inifap.gob.mx).

* Recibido: febrero de 2013
Aceptado: septiembre de 2013

Resumen

Se estudió el efecto de las combinaciones de gluteninas de alto peso molecular (GAPM) y gluteninas de bajo peso molecular (GBPM) sobre la calidad (fuerza y extensibilidad) de la masa. Se utilizaron tres grupos de 98 líneas, derivadas de Verano S91 x Salamanca S75, Verano S91 x Gálvez M87 y Rebeca F2000 x Bacanora T88. Las variables evaluadas fueron: tiempo y estabilidad al amasado, tolerancia al sobre amasado, fuerza de la masa y la relación tenacidad/ extensibilidad. Las GAPM y GBPM Se identificaron mediante electroforesis en geles de poliacrilamida. En Verano S91 x Salamanca S75, las GAPM 2*, 17+18, 2+12 combinadas con las GBPM e, g?, b; c, h, b y c, g?, b se asociaron con masas de mayor fuerza respecto a 2*, 17+18, 2+12, e, h, b. En Verano S91 x Gálvez M87, 2*, 17+18, 2+12, e, h, c; 1, 17+18, 2+12, b, h, c y 1, 17+18, 2+12, b, h, b presentaron gluten medio fuerte y extensible. En Rebeca F2000 x Bacanora T88, 2*, 7+9, 5+10, c. g, b y 1, 17+18, 5+10, c, g, b mostraron gluten fuerte y extensible, contrario a lo expresado por 2*, 7+9, 5+10, c. j, b. Lo anterior indica que mediante la recombinación genética se pueden generar y seleccionar combinaciones de GAPM y GBPM que se asocian a valores específicos de fuerza y extensibilidad y consecuentemente definen la calidad del producto final.

Palabras clave: Triticum aestivum L., calidad de la masa, combinaciones de gluteninas de alto y bajo peso molecular.

Abstract

Key words: Triticum aestivum L., dough quality, high glutenin combinations and low molecular weight.

Introducción

La calidad de la masa en el trigo harinero (Triticum aestivum L.) en México depende principalmente de dos variables alveográficas, conocidos como W y P/L, siendo W el trabajo (fuerza) mecánico usado para romper una burbuja de masa en el alveógrafo; mientras que P indica la tenacidad de la masa y L la longitud de la curva del alveograma, de tal manera que P/L es un cociente entre la tenacidad y extensibilidad de la masa. Con base en estas variables, la producción del trigo nacional se clasifica en cuatro grupos de calidad : grupo uno que lo conforman variedades de gluten fuerte (F), con W>300 x 10^-4 J; en el grupo dos se clasifican genotipos de gluten medio fuerte (M), con W de 200 a 300 x10^-4 J; el grupo tres de gluten débil o suave (S), está formado por variedades con fuerza de masa W<200 x 10^-4 J, y el grupo cuatro lo forman genotipos de gluten tenaz (T), el cual se caracteriza por mostrar P/L> 1.2. Por lo que este último valor permite clasificar a la masa de la siguiente manera: valores menores a 1 significan mayor extensibilidad, iguales a 1.1 masas balanceadas y valores > 1.2 tenaces (Salazar, 2000).

Por otro lado, la calidad (fuerza y extensibilidad) de la masa obtenida del trigo harinero es parcialmente determinada por la cantidad de proteína y la presencia de variantes alélicas de gluteninas (Liang et al, 2010) y gliadinas (Singh y Khatkar, 2005); de tal manera, que existen alelos específicos de gluteninas de alto peso molecular (GAPM), gluteninas de bajo peso molecular (GBPM) y de α, ß, γ y ω-gliadinas que favorecen la fuerza y extensibilidad de la masa (Cornish et al., 2006). El estudio del efecto de las GAPM sobre la calidad de la masa ha sido el más frecuentes en todo el mundo (Liu et al, 2009; Oury et al, 2010).

Recientemente en trigos harineros mexicanos se ha identificado el efecto individual y por combinación de las GAPM sobre la calidad del gluten y el volumen de pan (Espitia et al., 2008). Caso contrario ha sucedido con los alelos de GBPM, los cuales, debido a su alto polimorfismo, de 35 a 40 genes, que conforman el locus Glu-3 (Cassidy et al., 1998) y al ligamiento entre los loci Glu-3 (GBPM) y Gli-1 (γ y ω-gliadinas), han sido poco analizados. No obstante, se ha iniciado su identificación alélica así como su contribución sobre la reología del gluten (Maucher et al, 2009; Martínez et al, 2010).

Békes et al. (2006) analizaron que la contribución de las combinaciones de GAPM y GBPM, sobre los parámetros de calidad de la masa es mayor, comparado con el efecto individual de sus variantes alélicas, por lo que es necesario ampliar el estudio de dichas combinaciones. Por lo tanto el objetivo de esta investigación fue, identificar el efecto sobre la calidad de la masa de diferentes combinaciones de GAPM y GBPM de líneas recombinantes derivadas de genotipos contrastantes en calidad de la masa.

Materiales y métodos

Se analizaron los progenitores y 98 líneas de las cruzas Verano S91 x Salamanca S75, Verano S91 x Gálvez M87 y Rebeca F2000 x Bacanora T88. Las 98 líneas recombinantes se derivaron por descendencia de una sola semilla de F2 a F₆. Los genotipos se sembraron bajo un diseño experimental de bloques completos al azar con dos repeticiones en el Campo Experimental El Bajío del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP) en Roque, Guanajuato, durante el ciclo primavera-verano 2008. La unidad experimental fue de cuatro surcos de 3 m de longitud con una separación de 30 cm.

Variables medidas en el laboratorio

Las evaluaciones de las características de amasado, de fuerza y la relación tenacidad/extensibilidad así como la identificación de las combinaciones de GAPM y GBPM se llevaron a cabo en el Laboratorio de Calidad del Trigo del Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo (CIMMYT).

Las variables de amasado, tiempo de amasado (min), estabilidad al amasado (min) y tolerancia al sobre-amasado (mm) se determinaron en el mixógrafo de Swanson (National Mfg., EAU) utilizándose muestras de harina refinada de 35 g, mediante el método 54-40A (AACC, 2005). La fuerza general de la masa (W, 10^-4 J) y la relación de tenacidad/extensibilidad (P/L, 0.1- 6) se obtuvieron en el Alveógrafo de Chopin (Chopin, Francia), evaluando una muestra de 50 g de masa de harina refinada, con el método 54-30A (AACC, 2005).

La identificación de las variantes alélicas se realizó mediante el método electroforético descrito por Peña et al. (2004). Los alelos de los loci Glu-Al, Glu-Bl y Glu-Dl, que conforman el Glu-1 y que codifican para las GAPM se identificaron con base en la nomenclatura propuesta por Payne y Lawrence (1983); mientras que los encontrados en los loci Glu-A3, Glu-B3 y Glu-D3, que conforman el Glu-3 y que codifican para GBPM, se nombraron de acuerdo con lo señalado por Jackson et al. (1996) y Branlard et al. (2003).

Análisis estadístico

Se realizó un análisis de varianza para las tres cruzas con todas las variables evaluadas. En cada cruza se realizó un análisis de varianza adicional para obtener los cuadrados medios respectivos por combinación. En la comparación de medias se usó la prueba de Tukey (p≤ 0.05), mediante el procedimiento GLM (SAS, 2002). Para el análisis estadístico se eliminaron las combinaciones que presentaron alelos dobles en alguno de sus loci.

Resultados y discusión

En las tres cruzas analizadas se observaron diferencias altamente significativas para genotipos y combinaciones en todas las variables evaluadas (Cuadro 2), lo que concuerda con Vaccinio et al. (2002) y Martínez et al. (2010), reportaron el efecto de diferentes combinaciones de GAPM y GBPM sobre la calidad de la masa.

Cruza Salamanca S75 x Verano S91

Las combinaciones recombinantes 2*, 17+18, 2+12, c, g?, b; 2*, 17+18, 2+12, c, h, b y la de Salamanca S75 mostraron los valores más altos en tiempo y estabilidad al amasado y mayor tolerancia al sobre amasado (valores bajos, Figura 1). Consecuentemente la combinación de GAPM 2*, 17+18, 2+12 asociada a las variantes alélicas de GBPM e, g?, b y c, h, b así como c, g?, b mostraron valores de gluten medio fuerte (W de 2000 a 300 x 10^-4 J) con excelente extensibilidad (valores < 1), características adecuadas para la industria de la panificación artesanal o semi-mecanizada en México. Por otro lado, las combinaciones recombinantes 2*, 17+18, 2+12, e, g?, b; 2*, 17+18, 2+12, e, h, b y la de Verano S91 se asociaron a tiempos cortos de amasado y estabilidad, así como poca tolerancia al sobre amasado (valores altos, Figura 1), lo anterior reafirma lo encontrado por Park et al. (2011), encontraron que los alelos, e de Glu-A3 y 2+12 de Glu-D1, disminuyeron el tiempo de amasado. Con base en su W y P/L, la combinación recombinante 2*, 17+18, 2+12, e, h, b y la del progenitor Verano S91, se clasificaron como de gluten débil (W < 200 x 10^-4 J) y extensible (P/L>1) adecuada para la industria galletera en México (Cuadro 3).

Con base en lo anterior, las combinaciones que presentaron los alelos 2+12 en Glu-D1 y h en Glu-B3 mostraron tiempos de amasado similares a los reportados por Peña et al. (2004). De tal modo, que los cambios en la fuerza de la masa, de las combinaciones 2*, 17+18, 2+12, e, g?, b; 2*, 17+18, 2+12, c, h, b y 2*, 17+18, 2+12, c, g?, b, reafirman lo reportado por Wesley et al. (2001) y Liang et al. (2010), observaron que mediante la sustitución de GBPM específicas fue posible modificar la calidad de la masa. La combinación recombinante 2*, 17+18, 2+12, e, h, b similar a la de Verano S91, mostró mayor extensibilidad por su P/L < 1, lo cual puede deberse a la presencia de gliadinas que favorecen la extensibilidad de la masa, dichas proteínas no fueron identificadas en este estudio.

Cruza Verano S91 x Gálvez M87

La combinación 1, 17+18, 5+10, b, h, c de Gálvez M87, presentó los valores más altos para tiempo y estabilidad al amasado y mayor tolerancia al sobre amasado (Figura 2), reflejándose en su gluten fuerte y extensible W > 300 x 10-4 J y P/L< 1 (Cuadro 4) apropiado para la panificación mecanizada, lo anterior concuerda con Park et al. (2011) quienes concluyeron que genotipos que presentaron los alelos, 1 ó 2* en Glu-A1, 5+10 en Glu-D1 y h en Glu-B3, mostraron tiempos de amasado mas largos, contrario a los mostrados por las combinaciones 2*, 17+18, 2+12, e, h, c; 1, 17+18, 2+12, b, h, c y 1, 17+18, 2+12, b, h, b, lo que consecuentemente presentó características de gluten medio fuerte y extensible. Las combinaciones de Verano S91 y 1, 17+18, 2+12, e, h y b presentaron los tiempos más bajos de amasado por lo que se asociaron a parámetros de gluten débil y extensible (Figura 2, Cuadro 4). La comparación entre 2*, 17+18, 2+12, b, h, c, vs 1, 17+18, 5+10, b, h, c, donde se sustituyeron los alelos 1 por 2* en Glu-A1 y 5+10 por 2+12 en Glu-D1, aumentaron el tiempo de amasado, lo cual coincide con lo señalado por Radovanovic et al. (2002) y Zheng et al. (2009) asociaron al alelo 5+10 con valores más altos de tiempo de amasado respecto a 2+12; mientras que Yanaka et al. (2007) lo relacionaron con mayor volumen de sedimentación.

Cruza Rebeca F2000 x Bacanora T88

Las líneas que se agruparon en las combinaciones recombinantes 2*, 7+9, 5+10, c. g, b; 1, 17+18, 5+10, c, g, b y la de Rebeca F2000 se asociaron a los valores más altos de tiempo y estabilidad de amasado así como mayor tolerancia al sobre amasado (Figura 3). Por lo que estas combinaciones de GAPM y GBPM se asociaron con valores de gluten fuerte; sin embargo, 2*, 7+9, 5+10, c. g, b tendió a ser tenaz (P/L > 1); mientras que 1, 17+18, 5+10, c, g, b mostró mejor extensibilidad por su P/L < 1 (Cuadro 5). Por otro lado, Bacanora T88, identificado con la combinación 2 *, 7+9, 5+10, c. j, b, presentó los valores más bajos de tiempo y estabilidad al amasado, adicionalmente se caracterizó por presentar poca tolerancia al sobre amasado, lo que determinó tipo de gluten débil y tenaz (P/L > 1.2), impropias para la elaboración de pan, lo cual concuerda con Maucher et al. (2009) y Gobaa et al. (2008) localizaron efectos similares con genotipos asociados con la translocación 1B/1R (alelo j en Glu-B3). Las combinaciones 1, 17+18, 5+10, c, g, b, de Rebeca F2000 y la de las líneas recombinantes, presentaron propiedades excelentes para la panificación, lo cual concuerda con Martínez et al. (2007) y Martínez et al. (2010), reportaron la contribución favorable de las variantes 17+18 de Glu-B1, 5+10 de Glu-D1 y g de Glu-B3.

Las genotipos con combinaciones de gluteninas 1, 17+18, 5+10, b, h, c y 1, 17+18, 5+10, c, g, b son apropiadas para la industria de la panificación en México; mientras que de manera general las combinaciones de las GAPM 1 ó 2*, 17+18, 2+12 con las diversas combinaciones de GBPM, mostraron menor fuerza de masa adecuadas para la fabricación de galletas. La combinación 2*, 7+9, 5+10, c. j, b, que presentó el alelo j en Glu-B3 se asoció a masas de la más baja calidad de las tres cruzas analizadas. Con base en lo anterior, mediante la recombinación y selección es posible generar genotipos con combinaciones específicas de GAPM y GBPM que permitan parcialmente determinar la fuerza y la extensibilidad de la masa y consecuentemente influir en las características de panificación, galletería y repostería.

Agradecimientos

Los autores(a) agradecen al CONACYT el financiamiento parcial (Proyecto: 067698) para la presente investigación.

Literatura citada

American Association of Cereal Chemists (AACC). 2005. Approved Methods of the AACC. 9^th (Ed.). St. Paul, MN, USA.         [ Links ]

Békes, F.; Kemény, S. and Morell, M. 2006. An integrated approach to predicting end-product quality wheat. Eur. J. Agron. 25:155-162.         [ Links ]

Branlard, G.; Dardevet, M.; Amiour, N. and Igrejas, G. 2003. Allelic diversity of HMW and LMW glutenin subunits and omega-gliadins in French bread wheat (Triticum aestivum L.). Gen. Res. Crop Evol. 50:669-679.         [ Links ]

Cassidy, B. G.; Dvorak, J. and Anderson, O. D. 1998. The wheat low-molecular-weight glutenin genes: characterization of six genes and progress in understanding gene family structure. Theor. Appl. Genet. 96:743-750.         [ Links ]

Cornish, G. B.; Békés, F.; Eagles, H. A. and Payne, P. I. 2006. Prediction of dough properties for bread wheats. In: Wrigley, B. F. and Bushuk, W. (Eds.). Gliadin and glutenin. The unique balance of wheat quality. AACCI Press, St Paul, Min. USA. 243-280 pp.         [ Links ]

Espitia, R. E.; Martínez, C. E.; Peña, B. R. J.; Villaseñor, M. H. E. y Huerta, E. J. 2008. Polimorfismo de gluteninas de alto peso molecular y su relación con trigos harineros para temporal. Agric. Téc. Méx. 34:57-67.         [ Links ]

Gobaa, S.; Brabant, C.; Kleijer, G. and Stamp, P. 2008. Effect of the 1BL.1RS translocation and of the Glu-B3 variation on fifteen quality tests in a doubled haploid population of wheat (Triticum aestivum L.). J. Cereal Sci. 48:598-603.         [ Links ]

Jackson, E.A. ; Morel, M. H.; Sontag-Strohm, T. ; Branlard, G. ; Metakovsky E. V and Redaelli, R. 1996. Proposal for combining the classification systems of alleles of Gli-1 and Glu-3 loci in bread wheat (Triticum aestivum L.). J. Genet. Breed. 50:321-336.         [ Links ]

Liang, D.; Tang, J.; Peña, R.J.; Singh R.; He, X.; Shen, X.; Yao, D.; Xia, X. and He, Z. 2010. Characterization of CIMMYT bread wheats for highand low-molecular weight glutenin subunits and other quality-related genes with SDS-PAGE, RP-HPLC and molecular markers. Euphytica. 172:235-250.         [ Links ]

Liu, L.; Wang, A.; Appels, R.; Ma, J.; Xia, X.; Lan, P.; He, Z.; Bekes, F.; Yan, Y and Ma, W. 2009.A MALDI-TOF based analysis of high molecular weight glutenin subunits for wheat breeding. J. Cereal Sci. 50: 295-301.         [ Links ]

Maucher, T.; Figueroa, J. D. C.; Reule, W. and Peña, R. J. 2009. Influence of low molecular weight glutenins on viscoelastic properties of intact wheat kernels and their relation to functional properties of wheat dough. Cereal Chem. 86:372-375.         [ Links ]

Martínez-Cruz, E.; Espitia-Rangel, E.; Benítez-Riquelme, I.; Peña-Bautista, R. J.; Santacruz-Varela, A. y Villaseñor-Mir, H. E. 2007. Efecto de gluteninas de alto peso molecular de los genomas A y B sobre propiedades reológicas y volumen de pan en trigos harineros. Agrociencia 41:153-160.         [ Links ]

Martínez-Cruz, E.; Espitia-Rangel, E.; Villaseñor-Mir, H. E.; Molina-Galán, J. D.; Benítez-Riquelme, I.; Santacruz- Varela, A. y Peña-Bautista, R. J. 2010. Diferencias reológicas de la masa de trigo en líneas recombinantes II. Relación con combinaciones de los loci Glu-1 y Glu-3. Agrociencia 44:631-641.         [ Links ]

Oury, F-X.; Chiron H.; Faye, A.; Gardet, O.; Alex, G.; Heumez, E.; Rolland, B.; Rousset, M. ; Trottet, M. ; Charmet, G. and Branlard, G. 2010. The prediction of bread wheat quality: joint use of the phenotypic information brought by technological tests and the genetic information brought by HMW and LMW glutenin subunits. Euphytica. 171:87-109.         [ Links ]

Park, C. S.; Kang C. S.; Jeung, J. U. and Woo, S. H. 2011. Influence of allelic variations in glutenin on the quality of pan bread and white salted noodles made from Korean wheat cultivars. Euphytica. 180:235-250.         [ Links ]

Payne, P. I. and Lawrence, G. J. 1983. Catalogue of alleles for the complex loci Glu-A1, Glu-B1 and Glu-D1, which code for high-molecular-weight subunits of glutenin in hexaploid wheat. Cereal Res. Commun. 11:29-35.         [ Links ]

Peña, R. J.; González, S. H. and Cervantes, F. 2004. Relationship between Glu-D1/GluB-3 allelic combinations and breadmaking quality-related parameters commonly used in wheat breeding. In: Lafiandra, D.; Masci, S. and D'Ovidio, R. (Eds.). The Gluten Proteins. RSC Publishing, Cambridge, UK. 156-157 pp.         [ Links ]

Radovanovic, N.; Cloutier S.; Brown D. and Humphreys D.G. Lukow O.M. 2002. Genetic variance for gluten strength contributed by high molecular weight glutenin proteins. Cereal Chem. 79:843-849.         [ Links ]

Statistical Analysis System (SAS) Institute. 20012 SAS user's guide. Statistics. Version 8. SAS Inst., Cary, NC. USA. Quality, and elemental removal. J. Environ. Qual. 19:749-756.         [ Links ]

Vaccino, P.; Redaelli R.; Metakovsky, E. V.; Borghi B.; Corbellini, M. and Pogna, N. E. 2002. Identification of novel low M_r glutenin subunits in the high quality bread wheat cv Salmone and their effects on gluten quality. Theor. Appl. Genet. 105:43-49.         [ Links ]

Salazar, Z. A. 2000. Calidad industrial del trigo para su comercialización. In: Villaseñor, M. H. E. y Espitia, R. (Eds.). El trigo de temporal en México. Libro técnico Núm. 1. INIFAP-CIRCE-CEVAMEX. 289-311 pp.         [ Links ]

Singh, M. and Khatkar, B. S. 2005. Structural and functional properties of wheat storage proteins: a review. J. Food Sci. Technol. 42:455-471.         [ Links ]

Wesley, S. A.; Lukow, O. M.; McKenzei, R. I.; Ames, H. and Brown, N. D. 2001. Effect of multiple substitution of glutenin and gliadin proteins on flour quality of Canada prairie spring wheat. Cereal Chem. 78:69-73.         [ Links ]

Yanaka, M.; Takata, K.; Ikeda, T. M. and Ishikawa, N. 2007. Effect of the high molecular weigh glutenin allele, Glu-d1d, on Noodle quality of common wheat. Breeding Sci. 57:243-248.         [ Links ]

Zheng, S.; Byrne, P. F.; Bai, G.; Shan, X.; Reid S. D.; Haley S. D. and Seabourn B. W. 2009. Association analysis reveals effects of wheat glutenin alleles and rye translocations on dough-mixing properties. J. Cereal Sci. 50:283-290.         [ Links ]