Дослідники використовують технологію CRISPR для модифікації крохмалів у картоплі
Скромна картопля є багатим джерелом не тільки дієтичних вуглеводів для людини, а й 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.
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 найбільшої у світі овочевої культури.
Обидві статті включають роботу, виконану Стефані Тойнгою, доктором філософії, яка була аспірантом у лабораторії Кірті Ратор, доктора філософії, біотехнолога з досліджень рослин AgriLife в Техаському інституті геноміки та біотехнології рослин A&M та Департаменті ґрунтів. та сільськогосподарські науки. Також співавтором обох статей була Ізабель Вейлс, доктор філософії, селекціонер картоплі AgriLife Research у Департаменті садівницьких наук Техасу A&M. В даний час Тойнг є постдокторським співробітником компанії Vales, що займається дослідженнями A&M AgriLife Research в Техасі.
"Інформація та знання, які ми отримали в результаті цих двох досліджень, допоможуть нам впровадити інші бажані риси у цю дуже важливу культуру", - сказав Ратор.
Картопля є овочевою культурою № 1 у світі та третьою за важливістю харчовою культурою для людини, поступаючись лише рису та пшениці у світовому виробництві. Картопля вирощується більш ніж у 160 країнах на 40,8 млн акрів і є основним продуктом харчування для більш ніж мільярда людей.
За словами Ратхора, 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.
Картопля - культура холодного сезону, відносно чутлива до спеки та посухи. Урожай також страждає від таких шкідників, як колорадський жук, попелиця та нематоди, а також від хвороб, включаючи ранній та фітофтороз, смугасту зебру, фузаріозну суху гнилизна та ряд вірусних захворювань. Фітофтороз спричинив ірландський картопляний голод.
Крохмаль має ключове значення як для дієтичного, так промислового використання.
Кількість крохмалю в бульбах картоплі є основним фактором, що визначає використання картоплі. За словами Вейлеса, картопля з високим вмістом крохмалю часто використовується для виробництва напівфабрикатів, таких як картопля фрі, чіпси 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, включаючи текстуру шкірки, колір шкірки, колір м'якоті та форму 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 Валеса, 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, включаючи корм 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'язуючі 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 сказав, що крохмалі з високим вмістом амілопектину бажані для харчових продуктів та інших промислових застосувань 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. Крім того, картопля, багата на амілопектиновий крохмаль, дає більш високий рівень етанолу в порівнянні з картоплею з іншими крохмалями.
За словами Тойнгі, 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, який вона описала в 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", -сказав 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
За словами Валеса, 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. 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 картопля, тому що вона надійна, ефективна і найменш дорога в порівнянні 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, сказав Тойнг.
По суті цей проект надав просту для розуміння рису, яка дозволила дослідникам оптимізувати методологію.
«Втрата характерної зеленої флуоресценції та секвенування гена gfp після обробки CRISPR показали, що можна зруйнувати всі чотири копії гена gfp, тим самим підтвердивши можливість мутації всіх чотирьох алелей нативного гена у тетраплоїдній картоплі, – сказав 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", - сказав Тойнга.
Зображення процесу видалення амілози крохмалю з картоплі
Крохмаль з 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 штаму, завдяки його стійкості до заморожування та відтаванню 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 штам T2-7 був підданий самозапилення і схрещений з донором штаму Yukon Gold та іншими клонами картоплі для усунення трансгенних елементів.
Також читайте: