Картопля є джерелом як дієтичних вуглеводів для людини, а й крохмалю для численних застосувань у промисловості. Техаські вчені A&M AgriLife вивчають, як можна змінити співвідношення двох молекул крохмалю в картоплі – амілози та амілопектину – для збільшення кулінарного та промислового застосування цієї культури.
Наприклад, воскова картопля з високим вмістом амілопектину застосовується у виробництві біопластиків, харчових добавок, клеїв та спирту.
У двох статтях, нещодавно опублікованих у журналах International Journal of Molecular Sciences та Plant Cell, Tissue and Organ Culture, розповідається, як технологія CRISPR може покращити використання картоплі.
Обидві статті включають роботу, виконану Стефані Тойнгою, доктором філософії, яка була аспірантом у лабораторії Кірті Ратор, доктора філософії, біотехнолога рослин AgriLife у Техаському інституті геноміки та біотехнології рослин A&M та Департаменті ґрунтів. Також співавтором обох статей була Ізабель Вейлс, доктор філософії, селекціонер картоплі AgriLife Research у Департаменті садівничих наук Техасу A&M.
"Інформація та знання, які ми отримали в результаті цих двох досліджень, допоможуть нам впровадити інші бажані ознаки у цю дуже важливу культуру", - сказав Ратор.
Факти про картоплю
Картопля вирощується більш ніж у 160 країнах на 40,8 млн акрів і є основним продуктом харчування для більш ніж мільярда людей.
За словами Ратор, картопля середнього розміру містить близько 160 калорій, переважно отриманих з крохмалю, тому бульби є важливим джерелом енергії для багатьох людей у всьому світі. Картопля також містить інші необхідні поживні речовини, включаючи вітаміни та мінерали.
Крохмаль має ключове значення як для дієтичного, так промислового використання.
Кількість крохмалю в бульбах картоплі є основним фактором, що визначає використання картоплі.
За словами Вейлса, картопля з високим вмістом крохмалю часто використовується для виробництва напівфабрикатів, таких як картопля фрі, чіпси та сушена картопля.
За її словами, картопля з низьким і середнім вмістом крохмалю часто використовується у свіжому вигляді або як столовий. Для вживання бульб у свіжому вигляді додатковими важливими факторами є зовнішній вигляд бульби, включаючи текстуру шкірки, колір шкірки, колір м'якоті та форму бульби. Останнім часом з'явилися спеціальні сорти картоплі різної форми, такі як Бебі; з червоним, фіолетовим або жовтим кольором шкірки та м'якоті стають популярними через їх зручність у приготуванні та підвищеній поживній цінності.
Крім того, з картопляного крохмалю можна виробляти етанол для палива чи алкогольних напоїв; біорозкладний замінник пластику; або клеї, зв'язуючі речовини, агенти та наповнювачі для фармацевтичної, текстильної, деревообробної та паперової промисловості та інших секторів економіки.
Для промислового застосування важливо враховувати кількість та тип крохмалю у картоплі.
Тойнга вважає, що крохмалі з високим вмістом амілопектину бажані для харчових продуктів та іншого промислового застосування через їх унікальні функціональні властивості. Наприклад, такі крохмалі є переважною формою для використання як стабілізатор і загусник у харчових продуктах і як емульгатор в заправках для салатів. Через стабільність при заморожуванні-відтаванні амілопектиновий крохмаль використовується у заморожених продуктах. Крім того, картопля, багата на амілопектиновий крохмаль, дає більш високий рівень етанолу в порівнянні з картоплею з іншими крохмалями.
Переваги селекції картоплі з добірним крохмалем
За словами Тойнгі, створення сортів картоплі із модифікованим крохмалем може відкрити нові можливості. Картопля з високим вмістом амілопектину та низьким вмістом амілози, такий як Yukon Gold з відредагованим геном, який вона описала у Міжнародному журналі молекулярних наук, має промислове застосування, крім традиційного використання.
Навпаки, картопля з високим рівнем амілози та низьким вмістом амілопектину була б бажаною для вживання в їжу людиною, сказала Валес. Амілоза діє як клітковина і не вивільняє глюкозу так само легко, як амілопектин, що призводить до нижчого глікемічного індексу і робить картопля більш прийнятною для людей з діабетом.
CRISPR/Cas9 створює нові можливості
Як зазначає Вейлс, технологія CRISPR/Cas9 розширила набір інструментів, доступних селекціонерам, і є більш прямим і швидким засобом для включення бажаних ознак до популярних комерційних сортів сільськогосподарських культур. Традиційна селекція – тривалий процес, який може тривати 10-15 років.
Крім того, за її словами, через складну природу геному картоплі створення нових сортів з правильним набором бажаних ознак є складним завданням для традиційної селекції. Молекулярні технології підвищили ефективність селекції, а редагування генів з використанням технології CRISPR/Cas9 додає ще один рівень складності.
Покращений сорт Юкон Голд
Серед різних сортів картоплі, оцінених у першому дослідженні, сорт Yukon Gold регенерував найкраще, тому його використали у другому дослідженні. В результаті була отримана картопля з високим вмістом амілопектину та низьким вмістом амілози в крохмалі.
"Одна з нокаутованих рослин, T2-7, показала нормальні характеристики росту та врожайності, але повністю позбавлена амілози", - сказав Тойнга.
Крохмаль із бульб, T2-7, може знайти промислове застосування у паперовій та текстильній промисловості як клею/зв'язувальну речовину, біопластику та виробництва етанолу. Крохмаль бульб цього експериментального зразка, завдяки його стійкості до заморожування та розморожування без необхідності хімічних модифікацій, також має 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 зразок T2-7 був підданий самозапилення і схрещений з донором штаму Yukon Gold та іншими клонами картоплі для усунення трансгенних елементів.