Comparative proteomic analysis amongst seeds of wild and cultivated amaranth species by a gel based approach

Abstract

"Amaranth has been outlined as a promising system for food production since it provides seeds of excellent nutritional quality, mainly due to their proteins with adequate balance of essential amino acids and negligible prolamins content, and the presence of nutraceutical compounds, like encrypted peptides with several biological functions, amongst which the inhibition of dipeptidyl peptidase IV (DPPIV) and angiotensin converting enzyme (ACE) stands out. Amaranth seeds also contain an oily fraction rich in squalene, an unsaturated hydrocarbon, which has been attributed to diverse beneficial health effects. Although the cultivated species destined to grain production have interesting characteristics such as the ability to resist certain types of abiotic stresses, no studies have been carried out on wild species, which are a potential source of genes with agrobiotechnological applicability for crop improvement. Based on the foregoing, this work focuses on the comparison of biochemical and morphological characteristics amongst seeds of wild, A. hybridus and A. powellii, and cultivated, A. cruentus and A. hypochondriacus (waxy and non- waxy cultivars), amaranth species. The first part includes the microscopic characterization, the determination of the proximal composition and the overall total lipid and protein profiles of the seeds, as well as the evaluation of bioactive peptides. In the second section, a polarity based sequential extraction approach was employed for the comparison of one-dimensional protein electrophoretic profiles, their identification by nLC-MS/MS and in silico analysis of the differential accumulated proteins. The third part was given by the analysis of hydrophilic and hydrophobic proteins by two-dimensional electrophoresis (2-DE). Seeds perisperm structure was observed to be dependent on the starch composition and correlates with variations in electrophoretic profiles of total proteins. DDPIV and ACE activity were inhibited by amaranth peptides in a dose-response relationship. Granule bound starch synthase I (GBSSI), storage and late embryogenesis abundant proteins where identified with heterogeneous differential accumulation amongst species. Several paralogs of 7S and 11S globulins were also identified, some of them not reported so far. 2-DE analyses suggest that 11S globulins and GBSSI are subject to post-translational modifications, mainly phosphorylations. A set of carbohydrate and energy metabolism, cell wall polysaccharides, damage and stress response, and genic regulation related proteins displays high accumulation only is wild species."

"El amaranto se ha descrito como un sistema prometedor para la producción de alimentos, ya que proporciona semillas de excelente calidad nutricional, principalmente debido a sus proteínas con un equilibrio adecuado de aminoácidos esenciales y un contenido despreciable de prolaminas, así como a la presencia de compuestos nutracéuticos, como péptidos bioactivos con diversas funciones, entre las que destaca la inhibición de la dipeptidil peptidasa IV (DPPIV) y la enzima convertidora de angiotensina (ECA). Las semillas de amaranto también contienen una fracción de lípidos rica en escualeno, un hidrocarburo insaturado, al que se le han atribuido diversos efectos beneficiosos para la salud. Aunque las especies cultivadas destinadas a la producción de granos presentan características interesantes como la capacidad de resistir ciertos tipos de estrés abiótico, no se han realizado estudios sobre especies silvestres, que son una fuente potencial de genes con aplicabilidad agrobiotecnológica en la mejora de cultivos. Con base en lo anterior, este trabajo se enfoca en la comparación de las características bioquímicas y morfológicas entre las semillas de especies de amaranto silvestres, A. hybridus y A. powellii, y especies cultivadas, A. cruentus y A. hypochondriacus (cultivares tipo ceroso y no-ceroso). La primera parte incluye la caracterización microscópica, la determinación de la composición proximal y los perfiles totales de lípidos y proteínas de las semillas, así como la evaluación de péptidos bioactivos. En la segunda sección, se empleó un enfoque de extracción secuencial basado en polaridad para la comparación de los perfiles electroforéticos de proteínas en una dimensión, su identificación por nLC-MS/MS y análisis in silico de las proteínas diferenciales. El tercer enfoque viene dado por el análisis de proteínas hidrofílicas e hidrofóbicas mediante electroforesis en dos dimensiones (2-DE). Se observó que la estructura del perisperma de las semillas depende de la composición del almidón y correlaciona con las variaciones en los perfiles electroforéticos de las proteínas totales. Las enzimas DDPIV y ECA fueron inhibidas por péptidos de amaranto en una relación dosis-respuesta. Sintasas de almidón acopladas a granulo (GBSSI, Granule Bound Starch Synthase I), proteínas de reserva y proteínas abundantes de la embriogénesis tardía, se identificaron con acumulación diferencial heterogénea entre las especies. También se identificaron varios parálogos de globulinas 7S y 11S, algunos de ellos no reportados hasta ahora. El análisis 2-DE sugiere que las globulinas 11S y GBSSI están sujetas a modificaciones postraduccionales, principalmente fosforilaciones. Algunas proteínas relacionadas con metabolismo energético y de carbohidratos, polisacáridos de la pared celular, respuesta estrés y daño y con regulación génica, mostraron una alta acumulación solo en especies silvestres."