Ödmjuk potatis är en rik källa till inte bara kostkolhydrater för människor, utan även stärkelse för många industriella tillämpningar. Texas A&M AgriLife-forskare lär sig hur man ändrar förhållandet mellan två potatisstärkelsemolekyler – amylos och amylopektin – för att förbättra både kulinariska och industriella tillämpningar.
Till exempel kan vaxartad potatis, som är hög i amylopektin, användas vid produktion av bioplaster, livsmedelstillsatser, lim och alkohol.
Två nyligen publicerade artiklar International Journal of Molecular Sciences och Växtcell-, vävnads- och organkultur tidskrifter beskriver hur CRISPR-tekniken kan förbättra användningen av världens största grönsaksprodukt.
I båda dokumenten skriver AgriLife Research Plant Biotechnologist, Ph.D. Keerti Rathors Ph.D. Inkluderar verk av Stephany Toinga. och växtvetenskap. Även medförfattare till båda artiklarna, AgriLife Research potatisodlare vid Texas A&M Department of Horticultural Sciences, Ph.D. Det var Isabel Vales. Toinga är nu postdoktor hos Vales vid Texas A&M AgriLife Research.
“Informationen och kunskapen vi har fått från dessa två studier kommer att hjälpa oss att presentera andra önskvärda funktioner i denna mycket viktiga produkt,” sa Rathore.
Potatisfakta
Potatis är den främsta grönsaken i världen och den tredje viktigaste mänskliga livsmedelsprodukten i global produktion efter ris och vete. Potatis odlas på 40,8 miljoner hektar i mer än 160 länder och fungerar som basföda för mer än en miljard människor.
Rathore sa att medelstora potatisar och knölar, som ger cirka 160 kalorier, främst från stärkelse, är en viktig energikälla för många människor runt om i världen. Potatis ger också andra viktiga näringsämnen, inklusive vitaminer och mineraler.
Potatis är en sval säsongsprodukt som är känslig för värme och torka. Produkten lider av skadedjur som koloradobagge, bladlöss och nematoder, samt tidiga och sena skadedjur, zebrachips, Fusarium torrröta och en rad virussjukdomar. Orsaken till den irländska potatisbristen var en sen skadegörare.
Stärkelse är nyckeln till både diet och industriell användning
Mängden stärkelse i potatisrötter är en nyckelfaktor för att bestämma potatiskonsumtionen. Vales sa att potatis med hög stärkelse ofta används för att göra bearbetade livsmedel som stekt potatis, chips och torkad potatis.
Enligt honom används ofta potatis med låga och medelhöga stärkelsenivåer för färsk eller bordsbörs. Ytterligare viktiga punkter för den nya marknaden är knölarnas utseende, inklusive hudstruktur, hudfärg, köttfärg och knölform. Nyligen speciella typer av potatis av olika former, såsom fingerfisk; mindre storlekar; och röda, lila eller gula hud- och köttfärger är populära på grund av deras lätta att äta och ökat näringsvärde.
Vales sa att formen på potatisknölar är mindre viktig för industriella ändamål än mänsklig konsumtion. Potatisknölar med yttre deformationer orsakade av värme- eller torkastress eller andra faktorer kan användas för otaliga användningsområden, inklusive foder till hundar och nötkreatur. Dessutom kan potatisstärkelse producera drycker som etanol eller vodka som bränsle; biologiskt nedbrytbar ersättning för plast; eller lim, bindemedel, texturmedel och fyllmedel för läkemedels-, textil-, trä- och pappersindustrin och andra sektorer.
Mängden och typen av stärkelse i potatis är viktiga överväganden för industriella tillämpningar.
Toinga sa att stärkelse, som är högre i amylopektin, är önskvärd för bearbetade livsmedel och andra industriella tillämpningar på grund av dess unika funktionella egenskaper. Till exempel är sådana stärkelser den föredragna formen för användning som stabilisator i livsmedel och som emulgeringsmedel i förtjockningsmedel och salladsdressingar. På grund av dess issmältningsstabilitet används amylopektinstärkelse i frysta livsmedel. Potatis rik på amylopektinstärkelse ger dessutom högre etanolhalter än annan stärkelse.
Fördelar med att odla potatis med utvald stärkelse
Toinga sa att utvecklingen av potatissorter med modifierad stärkelse kan öppna upp nya möjligheter. Potatis med högt amylopektin och låg amylos, såsom den genetiskt modifierade Yukon Gold-stammen som beskrivs i International Journal of Molecular Sciences, har icke-traditionella industriella tillämpningar.
Däremot skulle potatis med höga amylosnivåer och lågt amylopektin vara önskvärt för mänsklig konsumtion, sa Vales. Amylos fungerar som en fiber och frisätter inte glukos lika lätt som amylopektin, vilket resulterar i ett lägre glykemiskt index och gör potatis mer acceptabel för personer med diabetes.
CRISPR / Cas9 skapar nya alternativ
CRISPR / Cas9-teknologin har utökat utbudet av verktyg som är tillgängliga för uppfödare, sa Vales, och det är ett mer direkt, snabbare verktyg för att införliva alla funktioner i populära kommersiella produktvarianter. Normal odling är en lång process som kan ta 10-15 år.
Dessutom sa han att på grund av potatisgenomets komplexa natur är skapandet av nya sorter med korrekt komplettering av de önskade egenskaperna svårt för normal odling. Molekylär förädling har ökat effektiviteten i urvalet, och genredigering med CRISPR/Cas9-teknologi ger ytterligare en sofistikerad nivå.
“Vi använde Agrobacterium-metoden för att leverera CRISPR-reagenser till potatis eftersom det är pålitligt, effektivt och det billigaste jämfört med alla andra leveransmetoder,” sa Rathore.
Det betonades i den första studien Växtcell-, vävnads- och organkultur Toinga sa att potatislinjen, som har fyra kopior av GFP, var inriktad på mutationer med hjälp av CRISPR / Cas9-systemet, en manetgen som tillåter fluorescensbaserad visualisering av genaktivitet.
Faktum är att projektet gav en lätt att se funktion som gjorde det möjligt för forskare att optimera metoden.
“Förlusten av karakteristisk grön fluorescens efter CRISPR-behandling och sekvenseringen av gfp-genen visade att det var möjligt att störa alla fyra kopiorna av gfp-genen, vilket bekräftar möjligheten att mutera alla fyra alleler av den lokala genen i tetraploiden.” sa Rathore.
Förbättrad Yukon Gold-kvalitet
Bland de olika potatissorter som utvärderades i den första studien var Yukon Gold-stammen den bäst återvunna och användes därför för den andra studien. I det andra knockoutfallet, beskrivet International Journal of Molecular Sciences, en lokal gen i den tetraploida Yukon Gold-stammen som syftar till att effektivt eliminera gbss-amylos. Resultatet blev en stärkelsehaltig potatis rik på amylopektin och låg på amylos.
“En av knockout-händelserna, T2-7, visade normal tillväxt och produktivitetsegenskaper, men amylos var helt frånvarande,” sa Toinga.
Det finns i industriella applikationer som rundstärkelse, T2-7, lim/bindemedel, bioplast och etanolindustrin inom pappers- och textilsektorerna. Knölstärkelse från denna experimentella stam bör också vara användbar vid produktion av frysta livsmedel på grund av dess frost-upptiningsstabilitet utan behov av kemiska modifieringar. Som en exklusiv form av stärkelse bör amylopektinpotatis också ge mer etanol för industriellt bruk eller för att skapa alkoholhaltiga drycker.
Som ett nästa steg för dessa studier självpollinerades T2-7-stammen och korsades med Yukon Gold-stammens donator och andra potatiskloner för att eliminera transgena element.
