Картофель является источником не только диетических углеводов для человека, но и крахмала для многочисленных применений в промышленности. Техасские ученые A&M AgriLife изучают, как можно изменить соотношение двух молекул крахмала в картофеле — амилозы и амилопектина — для увеличения кулинарного и промышленного применения этой культуры.
Например, восковой картофель с высоким содержанием амилопектина применяется в производстве биопластиков, пищевых добавок, клеев и спирта.
В двух статьях, недавно опубликованных в журналах International Journal of Molecular Sciences и Plant Cell, Tissue and Organ Culture, рассказывается, как технология CRISPR может улучшить использование картофеля.
Обе статьи включают работу, проделанную Стефани Тойнгой, доктором философии, которая была аспирантом в лаборатории Кирти Ратор, доктора философии, биотехнолога растений AgriLife в Техасском институте геномики и биотехнологии растений A&M и Департаменте почв. Также соавтором обеих статей была Изабель Вейлс, доктор философии, селекционер картофеля AgriLife Research в Департаменте садоводческих наук Техаса A&M.
«Информация и знания, которые мы получили в результате этих двух исследований, помогут нам внедрить другие желательные признаки в эту очень важную культуру», — сказал Ратор.
Факты о картофеле
Картофель выращивается более чем в 160 странах на 40,8 млн акров и служит основным продуктом питания для более чем миллиарда человек.
По словам Ратор, картофель среднего размера содержит около 160 калорий, в основном полученных из крахмала, поэтому клубни являются важным источником энергии для многих людей во всем мире. Картофель также содержит другие необходимые питательные вещества, включая витамины и минералы.
Крахмал имеет ключевое значение как для диетического, так и для промышленного использования.
Количество крахмала в клубнях картофеля является основным фактором, определяющим использование картофеля.
По словам Вейлс, картофель с высоким содержанием крахмала часто используется для производства полуфабрикатов, таких как картофель фри, чипсы и сушеный картофель.
По ее словам, картофель с низким и средним содержанием крахмала часто используется в свежем виде или в качестве столового. Для употребления клубней в свежем виде дополнительными важными факторами являются внешний вид клубня, включая текстуру кожуры, цвет кожуры, цвет мякоти и форму клубня. В последнее время появились специальные сорта картофеля различной формы, такие как беби; с красным, фиолетовым или желтым цветом кожуры и мякоти становятся популярными из-за их удобства в приготовлении и повышенной питательной ценности.
Кроме того, из картофельного крахмала можно производить этанол для топлива или алкогольных напитков; биоразлагаемый заменитель пластика; или клеи, связующие вещества, текстурирующие агенты и наполнители для фармацевтической, текстильной, деревообрабатывающей и бумажной промышленности и других секторов экономики.
Для промышленного применения важно учитывать количество и тип крахмала в картофеле.
Тойнга считает, что крахмалы с высоким содержанием амилопектина желательны для пищевых продуктов и другого промышленного применения из-за их уникальных функциональных свойств. Например, такие крахмалы являются предпочтительной формой для использования в качестве стабилизатора и загустителя в пищевых продуктах и в качестве эмульгатора в заправках для салатов. Из-за стабильности при замораживании-оттаивании амилопектиновый крахмал используется в замороженных продуктах. Кроме того, картофель, богатый амилопектиновым крахмалом, дает более высокий уровень этанола по сравнению с картофелем с другими крахмалами.
Преимущества селекции картофеля с отборным крахмалом
По словам Тойнги, создание сортов картофеля с модифицированным крахмалом может открыть новые возможности. Картофель с высоким содержанием амилопектина и низким содержанием амилозы, такой как Yukon Gold с отредактированным геном, который она описала в Международном журнале молекулярных наук, имеет промышленное применение помимо традиционного использования.
Напротив, картофель с высоким уровнем амилозы и низким содержанием амилопектина был бы желателен для употребления в пищу человеком, сказала Валес. Амилоза действует как клетчатка и не высвобождает глюкозу так же легко, как амилопектин, что приводит к более низкому гликемическому индексу и делает картофель более приемлемым для людей с диабетом.
CRISPR/Cas9 создает новые возможности
Как отмечает Вейлс, технология CRISPR/Cas9 расширила набор инструментов, доступных селекционерам, и представляет собой более прямое и быстрое средство для включения желаемых признаков в популярные коммерческие сорта сельскохозяйственных культур. Традиционная селекция – длительный процесс, который может занять 10-15 лет.
Кроме того, по ее словам, из-за сложной природы генома картофеля, создание новых сортов с правильным набором желаемых признаков является сложной задачей для традиционной селекции. Молекулярные технологии повысилиэффективность селекции, а редактирование генов с использованием технологии CRISPR/Cas9 добавляет еще один уровень сложности.
Улучшенный сорт Юкон Голд
Среди различных сортов картофеля, оцененных в первом исследовании, сорт Yukon Gold регенерировал лучше всего, поэтому его использовали во втором исследовании. В результате был получен картофель с высоким содержанием амилопектина и низким содержанием амилозы в крахмале.
«Одно из нокаутированных растений, T2-7, показало нормальные характеристики роста и урожайности, но полностью лишено амилозы», — сказал Тойнга.
Крахмал из клубней, T2-7, может найти промышленное применение в бумажной и текстильной промышленности в качестве клея/связующего вещества, биопластика и производства этанола. Крахмал клубней этого экспериментального образца, благодаря его устойчивости к замораживанию и оттаиванию без необходимости химических модификаций, также должен быть полезен при производстве замороженных пищевых продуктов. Картофель с амилопектином в качестве единственной формы крахмала также должен давать больше этанола для промышленного использования или для создания алкогольных напитков.
В качестве следующего шага в этих исследованиях образец T2-7 был подвергнут самоопылению и скрещен с донором штамма Yukon Gold и другими клонами картофеля для устранения трансгенных элементов.
