Analyse et spécification des distributions de taille granule d’amidon

Les granules d’amidon sont la structure physique dans laquelle deux polymères homoglucanes de réserve principaux dans les tissus de photosynthèse et de stockage des plantes, l’amylose linéaire ou peu ram ram ramée et l’amylopectine fortement ram ramée, sont emballés de façon ordonnée avec quelques composants mineurs, y compris les lipides et les protéines. Les granules d’amidon de diverses espèces végétales présentent de nombreuses formes tridimensionnelles (3D) (examinées en réf.^1,2),y compris des sphères, des ellipsoides, des polyèdres, des plaquettes, des cubes, des cuboïdes et des tubules irréguliers. Même ceux du même tissu ou de tissus différents d’une même espèce végétale pourraient avoir un ensemble de formes avec des fréquences d’occurrence variables. En d’autres termes, les granules d’amidon d’une espèce végétale peuvent avoir une répartition statistique caractéristique de la forme, plutôt qu’une forme spécifique. Les formes granuleuses non uniformes et non sphériques rendent difficile la mesure et la définition adéquates de la taille des granules d’amidon. En outre, les granules d’amidon provenant des mêmes tissus d’une espèce végétale sont d’une gamme de tailles avec des proportions différentes, c’est-à-dire présentant une répartition caractéristique de la taille. Cette distribution de taille complique encore l’analyse et la description des tailles de granules d’amidon.

La taille des granules d’amidon a été analysée à l’aide de plusieurs catégories de techniques de dimensionnement des particules (examinées à^{l’réf. 3),}y compris la microscopie, la sédimentation/fractionnement du débit de champ stérique (Sd/StFFF), la diffraction laser et la zone de détection électrique (ESZ). Cependant, ces techniques ne sont pas également adaptées à la détermination des tailles de granules d’amidon en présence d’une forme granule et d’une distribution de taille. La microscopie, y compris la microscopie électronique légère, confoccale et à balayage, est excellente pour les études de morphologie^4,5^,6,7, structure^{8,9 et} développement^10,11 de granules d’amidon, mais à peine adapté pour définir leurs distributions de taille en raison de certaines lacunes inhérentes. Les mesures directes d’images microscopiques de granules ou d’analyses d’images assistées par logiciel de données de microscopie optique (IAOM), qui ont été utilisées pour la détermination de la taille des granules d’amidons de plusieurs espèces, dont^{le maïs 12,le blé 13,le 14,la pomme de terre 15 et l’orge 16,}ne peuvent mesurer que des images 1D (généralement de longueur maximale) ou 2D (surface) de nombres très limités (de dizaines à quelques milliers) d’images de granule d’amidon. Les petites tailles d’échantillonnage de granules qui sont intrinsèquement limitées par les techniques pourraient rarement être statistiquement représentatives, compte tenu des énormes nombres de granules par unité de poids de l’amidon (~120 x^{10 6} par gramme, en supposant que les sphères de 10 μm à 1,5 g/cm³ de densité) et, par conséquent, pourraient conduire à une mauvaise reproductibilité des résultats. La technique Sd/StFFF peut avoir une vitesse et une résolution élevées, et des fractions de taille étroite de granules d’amidon¹⁷, mais a été rarement utilisé probablement parce que sa précision pourrait être gravement affectée par des dommages, des formes différentes, et la densité des granules d’amidon. La technique de diffraction laser est la plus largement utilisée, et a été appliquée pour des analyses de taille granule d’amidon pour toutes les grandes espèces^{de cultures 3,14,16}. Bien que la technique présente de nombreux avantages, elle n’est en fait pas adaptée à la détermination de la taille des granules d’amidon en présence d’une distribution de forme granulée. La plupart des instruments simultanés de diffraction laser s’appuient sur la théorie mie de diffusion de la^{lumière 18} pour les particules sphériques uniformes et sur la théorie modifiée de Mie¹⁸ pour d’autres formes d’uniformité. La technique est donc intrinsèquement très sensible aux formes de particules, et n’est pas tout à fait adaptée, même pour certaines formes d’uniformité¹⁹, et encore moins pour les granules d’amidon ayant un ensemble de formes de proportions différentes. La technique ESZ mesure la perturbation du champ électrique proportionnelle au volume de la particule passant par une ouverture. Il fournit des tailles de volume granulés, ainsi que les informations de distribution de nombre et de volume, etc., à haute résolution. Étant donné que la technique ESZ est indépendante des propriétés optiques des particules, y compris la couleur, la forme, la composition ou l’indice réfractif, et que les résultats sont très reproductibles, elle est particulièrement adaptée pour déterminer les distributions de taille des granules d’amidon ayant un ensemble de formes.

La taille des granules d’amidon a également été définie à l’aide de nombreux paramètres. Ils ont souvent été décrits de façon simpliste par diamètres moyens, qui dans certains cas étaient les moyens arithmétiques des longueurs maximales microscopiquement mesurées des images 2D^12,20, ou moyennes de diamètres de sphère équivalents³. Dans d’autres cas, les distributions de la taille du granule ont été spécifiées en utilisant des plages^{de taille 21,22}, le volume moyen de distribution ou le diamètre moyen (équivalent sphère, pondéré par nombre, volume ou surface) en supposant une distribution normale^{14,23,24,25,26}. Ces descripteurs de granules d’amidon provenant de diverses analyses sont d’une nature très différente, et pas strictement comparables. Il pourrait être très trompeur si ces « tailles » de granules d’amidon de différentes espèces ou même les mêmes tissus de la même espèce ont été directement comparés. De plus, le paramètre de propagation (ou de forme) des distributions normales présumées, c’est-à-dire l’écart type σ (ou écart type graphique σ_g)mesurant la largeur de la distribution (c.-à-d. la propagation des tailles), a été ignoré dans la plupart des études.

Afin de résoudre les problèmes critiques susmentionnés liés aux analyses de dimensionnement du granule d’amidon, nous avons décrit une procédure de détermination reproductible et statistiquement valide des distributions de granules des échantillons d’amidon à l’aide de la technique ESZ, et pour bien spécifier les distributions de taillenormales de granules déterminées à l’aide d’une forme multiplicative à deux paramètres^{adoptée 27} avec une précision et une comparabilité améliorées. Pour la validation et la démonstration, nous avons effectué des analyses de dimensionnement de granules de réplication d’échantillons d’amidon de sweetpotato à l’aide de la procédure, et spécifié les distributions différentielles lognormal volume-pourcentage volume-équivalent-sphère diamètre en utilisant leurs moyens géométriques graphiques et multiplicatifs écarts types s* dans ^{un x}/ (multiplier et diviser) s* forme.