Ziemniak jest nie tylko źródłem węglowodanów w diecie dla ludzi, ale także źródłem skrobi do wielu zastosowań przemysłowych. Naukowcy z A&M AgriLife Texas badają, w jaki sposób zmienić stosunek dwóch cząsteczek skrobi w ziemniakach – amylozy i amylopektyny – aby zwiększyć kulinarne i przemysłowe zastosowania upraw.
Na przykład woskowe ziemniaki o wysokiej zawartości amylopektyny są wykorzystywane do produkcji bioplastików, dodatków do żywności, klejów i alkoholu.
Dwa artykuły opublikowane niedawno w International Journal of Molecular Sciences i Plant Cell, Tissue and Organ Culture badają, w jaki sposób technologia CRISPR może poprawić wykorzystanie ziemniaków.
Oba artykuły zawierają prace wykonane przez dr Stephanie Toingę, która była absolwentką w laboratorium dr Kirti Rathor, biotechnologa roślin AgriLife w Texas A&M Plant Genomics and Biotechnology Institute oraz w Departamencie Gleb. Współautorką obu artykułów była również dr Isabelle Weils, hodowca ziemniaków w AgriLife Research na Wydziale Nauk Ogrodniczych Texas A&M.
„Informacje i wiedza, które zdobyliśmy z tych dwóch badań, pomogą nam wprowadzić inne pożądane cechy do tej bardzo ważnej rośliny uprawnej” – powiedział Rathor.
Fakty o ziemniakach
Ziemniaki są uprawiane w ponad 160 krajach na powierzchni 40,8 miliona akrów i są podstawowym pożywieniem dla ponad miliarda ludzi.
Rathor mówi, że średniej wielkości ziemniak zawiera około 160 kalorii, pochodzących głównie ze skrobi, dlatego bulwy są ważnym źródłem energii dla wielu ludzi na całym świecie. Ziemniaki zawierają również inne niezbędne składniki odżywcze, w tym witaminy i minerały.
Skrobia ma kluczowe znaczenie zarówno w zastosowaniach dietetycznych, jak i przemysłowych.
Ilość skrobi w bulwach ziemniaka jest głównym czynnikiem decydującym o wykorzystaniu ziemniaków.
Ziemniaki o wysokiej zawartości skrobi są często używane do produkcji przetworzonej żywności, takiej jak frytki, frytki i suszone ziemniaki, mówi Wales.
Mówi, że ziemniaki o niskiej i średniej skrobi są często używane jako świeże lub jako ziemniaki stołowe. W przypadku świeżej konsumpcji bulw dodatkowymi ważnymi czynnikami są wygląd bulw, w tym tekstura skórki, kolor skórki, kolor miąższu i kształt bulw. Ostatnio pojawiły się specjalne odmiany ziemniaków o różnych kształtach, takie jak baby; o czerwonej, fioletowej lub żółtej skórce i miąższu stają się popularne ze względu na łatwość ich przygotowania i zwiększoną wartość odżywczą.
Ponadto etanol można wytwarzać ze skrobi ziemniaczanej na paliwo lub napoje alkoholowe; biodegradowalny substytut plastiku; lub kleje, spoiwa, środki teksturujące i wypełniacze dla przemysłu farmaceutycznego, tekstylnego, drzewnego i papierniczego oraz innych sektorów gospodarki.
W zastosowaniach przemysłowych ważne jest, aby wziąć pod uwagę ilość i rodzaj skrobi w ziemniakach.
Toinga uważa, że skrobie o wysokiej zawartości amylopektyny są pożądane w żywności i innych zastosowaniach przemysłowych ze względu na ich wyjątkowe właściwości funkcjonalne. Na przykład, takie skrobie są korzystną postacią do stosowania jako stabilizator i zagęszczacz w żywności oraz jako emulgator w sosach do sałatek. Ze względu na stabilność podczas zamrażania i rozmrażania skrobia amylopektynowa jest stosowana w produktach mrożonych. Ponadto ziemniaki bogate w skrobię amylopektynową wytwarzają wyższy poziom etanolu w porównaniu z ziemniakami z innymi skrobiami.
Korzyści z hodowli ziemniaków z wyselekcjonowaną skrobią
Toinga mówi, że opracowywanie odmian ziemniaków modyfikowanych skrobią może otworzyć nowe możliwości. Ziemniaki o wysokiej zawartości amylopektyny i niskiej zawartości amylozy, takie jak Yukon Gold z redakcją genów, którą opisała w International Journal of Molecular Sciences, mają zastosowania przemysłowe wykraczające poza ich tradycyjne zastosowania.
W przeciwieństwie do tego, ziemniaki o wysokim poziomie amylozy i niskim poziomie amylopektyny byłyby pożądane do spożycia przez ludzi, powiedział Wales. Amyloza działa jak błonnik i nie uwalnia glukozy tak łatwo jak amylopektyna, co skutkuje niższym indeksem glikemicznym i sprawia, że ziemniaki są smaczniejsze dla osób z cukrzycą.
CRISPR/Cas9 stwarza nowe możliwości
Technologia CRISPR/Cas9 rozszerzyła zestaw narzędzi dostępny dla hodowców i zapewnia bardziej bezpośrednie i szybsze sposoby włączania pożądanych cech do popularnych komercyjnych odmian uprawnych, zauważa Weils. Tradycyjna hodowla to długi proces, który może zająć 10-15 lat.
Ponadto, ze względu na złożoną naturę genomu ziemniaka, tworzenie nowych odmian o odpowiednim zestawie pożądanych cech jest wyzwaniem dla konwencjonalnej hodowli – powiedziała. Technologie molekularne zwiększyły wydajność selekcji, a edycja genów przy użyciu technologii CRISPR/Cas9 dodaje kolejną warstwę złożoności.
Ulepszona odmiana Yukon Gold
Spośród różnych odmian ziemniaków ocenianych w pierwszym badaniu, Yukon Gold zregenerował się najlepiej, więc został użyty w drugim badaniu. Rezultatem był ziemniak o wysokiej zawartości amylopektyny i niskiej zawartości amylozy w skrobi.
„Jedna z wybitych roślin, T2-7, wykazywała normalny wzrost i wydajność, ale była całkowicie pozbawiona amylozy” – powiedział Toinga.
Skrobia bulwiasta T2-7 ma zastosowania przemysłowe w przemyśle papierniczym i tekstylnym jako klej/spoiwo, bioplastik i produkcja etanolu. Skrobia z bulw z tej próbki doświadczalnej, ze względu na swoją odporność na zamrażanie i rozmrażanie bez konieczności modyfikacji chemicznych, powinna być również przydatna w produkcji mrożonek. Ziemniaki z amylopektyną jako jedyną formą skrobi powinny również dawać więcej etanolu do użytku przemysłowego lub do produkcji napojów alkoholowych.
Kolejnym krokiem w tych badaniach było samozapylenie T2-7 i skrzyżowanie ze szczepem dawcy Yukon Gold i innymi klonami ziemniaka w celu wyeliminowania elementów transgenicznych.