Potatisen är inte bara en källa till kolhydrater i kosten för människor, utan också en källa till stärkelse för många industriella tillämpningar. A&M AgriLife Texas forskare studerar hur man kan ändra förhållandet mellan två stärkelsemolekyler i potatis - amylos och amylopektin - för att öka grödans kulinariska och industriella användningsområden.
Till exempel används vaxartad potatis med hög amylopektinhalt vid produktion av bioplaster, livsmedelstillsatser, lim och alkohol.
Två artiklar som nyligen publicerats i International Journal of Molecular Sciences and Plant Cell, Tissue and Organ Culture utforskar hur CRISPR-teknologi kan förbättra potatisutnyttjandet.
Båda artiklarna inkluderar arbete utfört av Stephanie Toinga, Ph.D., som var doktorand i laboratoriet hos Kirti Rathor, Ph.D., AgriLife Plant Biotechnologist vid Texas A&M Plant Genomics and Biotechnology Institute och Department of Soils. Medförfattare till båda artiklarna var Isabelle Weils, Ph.D., potatisuppfödare vid AgriLife Research vid Texas A&M Department of Horticultural Science.
"Informationen och kunskapen vi har fått från dessa två studier kommer att hjälpa oss att introducera andra önskvärda egenskaper i denna mycket viktiga gröda," sa Rathor.
Potatis fakta
Potatisen odlas i över 160 länder på 40,8 miljoner hektar och är basfödan för över en miljard människor.
En medelstor potatis innehåller cirka 160 kalorier, mestadels härledd från stärkelse, säger Rathor, vilket är anledningen till att knölarna är en viktig energikälla för många människor runt om i världen. Potatis innehåller också andra viktiga näringsämnen, inklusive vitaminer och mineraler.
Stärkelse är av avgörande betydelse för både diet och industriell användning.
Mängden stärkelse i potatisknölar är den viktigaste faktorn för att bestämma användningen av potatis.
Potatis med hög stärkelse används ofta för att göra bearbetade livsmedel som pommes frites, chips och torkad potatis, säger Wales.
Låg- och medelstark potatis används ofta färsk eller som matpotatis, säger hon. För färsk konsumtion av knölar är ytterligare viktiga faktorer knölens utseende, inklusive hudstruktur, hudfärg, köttfärg och knölform. Nyligen har speciella sorter av potatis av olika former dykt upp, som baby; med röd, lila eller gul hud och kött blir populära på grund av deras enkla förberedelse och ökade näringsvärde.
Dessutom kan etanol framställas av potatisstärkelse för bränsle eller alkoholhaltiga drycker; biologiskt nedbrytbar plastersättning; eller lim, bindemedel, textureringsmedel och fyllmedel för läkemedels-, textil-, trä- och pappersindustrin och andra sektorer av ekonomin.
För industriella tillämpningar är det viktigt att ta hänsyn till mängden och typen av stärkelse i potatis.
Toinga tror att stärkelser med hög amylopektin är önskvärda för livsmedel och andra industriella användningar på grund av deras unika funktionella egenskaper. Till exempel är sådan stärkelse den föredragna formen för användning som stabilisator och förtjockningsmedel i livsmedel och som emulgeringsmedel i salladsdressingar. På grund av dess frys-upptiningsstabilitet används amylopektinstärkelse i frysta livsmedel. Dessutom producerar potatis rik på amylopektinstärkelse högre halter av etanol jämfört med potatis med annan stärkelse.
Fördelar med potatisuppfödning med utvald stärkelse
Toinga säger att utveckling av stärkelsemodifierade potatissorter kan öppna upp för nya möjligheter. Potatis som är hög i amylopektin och låg i amylos, som det genredigerade Yukon Gold som hon beskrev i International Journal of Molecular Sciences, har industriella användningsområden utöver deras traditionella användningsområden.
Däremot skulle potatis med höga amylosnivåer och lågt amylopektin vara önskvärt för mänsklig konsumtion, sade Wales. Amylos fungerar som fiber och frigör inte glukos lika lätt som amylopektin, vilket resulterar i ett lägre glykemiskt index och gör potatis mer välsmakande för personer med diabetes.
CRISPR/Cas9 skapar nya möjligheter
CRISPR/Cas9-teknologin har utökat verktygslådan som är tillgänglig för uppfödare och ger ett mer direkt och snabbare sätt att införliva önskade egenskaper i populära kommersiella grödor, konstaterar Weils. Traditionell avel är en lång process som kan ta 10-15 år.
Dessutom, på grund av den komplexa karaktären hos potatisgenomet, är det en utmaning för konventionell förädling att skapa nya sorter med rätt uppsättning önskvärda egenskaper, säger hon. Molekylära teknologier har ökat effektiviteten av selektion, och genredigering med CRISPR/Cas9-teknologi lägger till ytterligare ett lager av komplexitet.
Förbättrad sort Yukon Gold
Bland de olika potatissorterna som utvärderades i den första studien regenererade Yukon Gold den bästa, så det användes i den andra studien. Resultatet blev en potatis med hög halt av amylopektin och låg halt av amylos i stärkelse.
"En av de utslagna plantorna, T2-7, visade normal tillväxt och skördeegenskaper men var helt utan amylos," sa Toinga.
Knölstärkelse, T2-7, har industriella tillämpningar inom pappers- och textilindustrin som lim/bindemedel, bioplast och etanolproduktion. Knölstärkelsen i detta experimentella prov bör, på grund av dess motståndskraft mot frysning och upptining utan behov av kemiska modifieringar, också vara användbar vid framställning av frysta livsmedel. Potatis med amylopektin som enda form av stärkelse bör också ge mer etanol för industriellt bruk eller för att skapa alkoholhaltiga drycker.
Som ett nästa steg i dessa studier, självpollinerades accession T2-7 och korsades med en donatorstam av Yukon Gold och andra potatiskloner för att eliminera transgena element.