Американські дослідники запропонували для модифікації крохмалів у картоплі нову технологію CRISPR. Картопляний крохмаль модифікують з метою збільшення його промислового застосування.
Картопля – джерело крохмалю для промислового застосування
Скромна картопля є багатим джерелом не тільки дієтичних вуглеводів для людини. Вона також є джерелом крохмалю для численних промислових застосувань. Техаські вчені A&M AgriLife вивчають, як змінити співвідношення двох молекул крохмалю в картоплі – амілози та амілопектину – для збільшення як кулінарного, так і промислового застосування у світі.
Наприклад, воскова картопля з високим вмістом амілопектину застосовується у виробництві біопластику, харчових добавок, клеїв та спирту.
У журналах International Journal of Molecular Sciences та Plant Cell, Tissue and Organ Culture нещодавно опубліковано дві статті, присвячені картоплі. У них розповідається, як технологія CRISPR може покращити використання найпоширенішої у світі овочевої культури.
Картопля – овочева культура № 1 у світі
Обидві статті включають роботу, виконану Стефані Тойнга, яка була аспірантом у лабораторії Кірті Ратор. Вона доктор філософії, біотехнолог з досліджень рослин AgriLife в Техаському інституті геноміки та біотехнології рослин A&M та Департаменті ґрунтів та сільськогосподарських наук. Також співавтором обох статей була Ізабель Вейлс, доктор філософії, селекціонер картоплі AgriLife Research у Департаменті садівницьких наук Техасу A&M.
Картопля є овочевою культурою № 1 у світі та третьою за важливістю харчовою культурою для людини. У світовому виробництві поступається лише рису та пшениці. Картоплю вирощують у понад 160 країнах на 40,8 млн акрів, І вона є основним продуктом харчування для більш, ніж мільярда людей.
Картопля середнього розміру містить близько 160 калорій, які в основному отримують з крохмалю. Тому бульби є важливим джерелом енергії для багатьох людей у всьому світі. Картопля також забезпечує інші необхідні поживні речовини, включаючи вітаміни та мінерали.
Крохмаль має ключове значення як для дієтичного, так промислового використання
Кількість крохмалю в бульбах є основним фактором, що визначає використання картоплі. За словами Вейлс, картопля з високим вмістом крохмалю часто використовується для виробництва напівфабрикатів, таких як картопля фрі, чипси та зневоднена картопля.
За її словами, картопля з низьким та середнім вмістом крохмалю часто використовується для свіжого чи столового ринку. Для свіжого ринку додатковими важливими факторами є зовнішній вигляд бульби: текстура шкірки, колір шкірки, колір м’якоті та форма бульби. Останнім часом з’явилися спеціальні сорти картоплі різної форми, такі як мальки; менші розміри. А червоні, фіолетові або жовті кольори шкірки та м’якоті стають популярними через їх зручність у приготуванні та підвищеній поживній цінності.
За словами Вейлс, форма бульби картоплі менш важлива для промислових цілей, ніж споживання людиною. Бульби картоплі із зовнішніми деформаціями, спричиненими спекою, посухою або іншими факторами, можуть бути переспрямовані на незліченну кількість цілей, включно з кормом для собак та великої рогатої худоби. Крім того, картопляний крохмаль може виробляти етанол для палива або напоїв, таких як горілка; біорозкладний замінник пластику; або клеї, зв’язувальні речовини, текстуруючі агенти та наповнювачі для фармацевтичної, текстильної, деревообробної та паперової промисловості та інших секторів.
Для промислового застосування важливо враховувати кількість та тип крохмалю у картоплі.
Тойнга зазначає, що крохмалі з високим вмістом амілопектину бажані для харчових продуктів та інших промислових застосувань через їх унікальні функціональні властивості.
Картопляний крохмаль з високим вмістом амілопектину використовують у якості стабілізатора і загусника у харчових продуктах і емульгатора в заправках для салатів. Крім того, картопля, багата на амілопектиновий крохмаль, дає більш високий рівень етанолу, порівнянні з картоплею з вмістом інших крохмалів.
За словами Тойнга, розробка сортів картоплі із модифікованим крохмалем може відкрити нові можливості. Картопля з високим вмістом амілопектину і низьким вмістом амілози, такий як штам Yukon Gold з відредагованим геном, крім традиційного використання, має ще й промислове застосування.
“Навпаки, картопля з високим рівнем амілози та низьким вмістом амілопектину була б бажаною для вживання в їжу людиною”, – сказала Вейлс. – Амілоза діє як клітковина і не вивільняє глюкозу так само легко, як амілопектин. Це призводить до нижчого глікемічного індексу і робить картоплю більш прийнятною для людей з діабетом.
CRISPR/Cas9 створює нові можливості
За словами Вейлс, технологія CRISPR/Cas9 розширила набір інструментів, доступних селекціонерам. Ця технологія є більш прямим і швидким засобом для включення бажаних ознак до популярних комерційних сортів сільськогосподарських культур. Традиційне розведення – тривалий процес, який може тривати 10-15 років.
Крім того, за її словами, через складну природу геному картоплі, створення нових сортів із правильним набором бажаних ознак є складним завданням для традиційної селекції. Молекулярна селекція підвищила ефективність селекції. А редагування генів за допомогою технології CRISPR/Cas9 додає ще один рівень складності.
“Ми використовували метод Agrobacterium для доставки реагентів CRISPR в картоплю, тому що він надійний, ефективний і найменш дорогий, порівняно з усіма іншими методами доставки”, – сказав Ратор.
У першому дослідженні, описаному в статті «Культура клітин, тканин та органів», лінія картоплі, що містить чотири копії gfp, гена медузи, який дозволяє візуалізувати активність гена на основі флуоресценції, була піддана мутації з використанням CRISPR/Cas9. системи.
По суті цей проект надав просту для розуміння рису, яка дозволила дослідникам оптимізувати методологію.
«Втрата характерної зеленої флуоресценції та секвенування гену gfp після обробки CRISPR показали, що можна зруйнувати всі чотири копії гену gfp. Тим самим підтвердивши можливість мутації всіх чотирьох алелей нативного гена у тетраплоїдній картоплі, – зазначає Ратор.
Покращений сорт Юкон Голд
Серед різних сортів картоплі, оцінених у першому дослідженні, штам Yukon Gold регенерував найкраще, тому його використали у другому дослідженні.
У другому нокаутному дослідженні, описаному в International Journal of Molecular Sciences, нативний ген gbss у тетраплоїдному штамі Yukon Gold був націлений на ефективне видалення амілози. В результаті була отримана картопля з високим вмістом амілопектину та низьким вмістом амілози в крохмалі.
“Одна з нокаутних подій, T2-7, показала нормальні характеристики зростання та врожайності, але була повністю позбавлена амілози”, – підкреслює Тойнга.
Модифікація крохмалів перспективна для промислового застосування
Картопляний крохмаль з бульб T2-7, може знайти промислове застосування у паперовій та текстильній промисловості у якості клею/зв’язувальної речовини, у виробництві біопластику та етанолу. Крохмаль бульб цього експериментального штаму стійкий до заморожування та відтаванню без необхідності хімічних модифікацій. Завдяки цьому також може бути корисним при виробництві заморожених харчових продуктів. Картопля з амілопектином як єдина форма крохмалю також повинна давати більше етанолу для промислового використання або для створення алкогольних напоїв.
Як наступний крок у цих дослідженнях штам T2-7 був підданий самозапиленню і схрещений з донором штаму Yukon Gold та іншими клонами картоплі для усунення трансгенних елементів.
Нагадуємо, крохмаль – важливий інгредієнт для харчових продуктів.
Джерело: agrarii-razom.com.ua
