马铃薯不仅是人类膳食碳水化合物的来源,也是许多工业应用的淀粉来源。 A&M AgriLife Texas 科学家正在研究如何改变马铃薯中两种淀粉分子(直链淀粉和支链淀粉)的比例,以增加作物的烹饪和工业用途。
例如,支链淀粉含量高的蜡质马铃薯可用于生产生物塑料、食品添加剂、粘合剂和酒精。
最近发表在《国际分子科学杂志》和《植物细胞、组织和器官培养》上的两篇论文探讨了 CRISPR 技术如何提高马铃薯的利用率。
这两篇论文都包括 Stephanie Toinga 博士所做的工作,她是 Kirti Rathor 博士实验室的研究生,德克萨斯 A&M 植物基因组学和生物技术研究所以及土壤系的 AgriLife 植物生物技术专家。 两篇论文的共同作者还有伊莎贝尔·威尔斯 (Isabelle Weils) 博士,她是德克萨斯 A&M 园艺科学系 AgriLife Research 的马铃薯育种员。
“我们从这两项研究中获得的信息和知识将帮助我们将其他理想的特性引入这种非常重要的作物,”Rathor 说。
马铃薯事实
马铃薯种植在 160 多个国家,占地 40,8 万英亩,是超过 XNUMX 亿人的主食。
一个中等大小的马铃薯含有大约 160 卡路里的热量,主要来自淀粉,Rathor 说,这就是为什么块茎是世界各地许多人重要的能量来源。 马铃薯还含有其他必需营养素,包括维生素和矿物质。
淀粉对于饮食和工业用途都至关重要。
马铃薯块茎中的淀粉含量是决定马铃薯用途的主要因素。
威尔士说,高淀粉土豆通常被用来制作炸薯条、薯条和干土豆等加工食品。
她说,低淀粉和中淀粉马铃薯通常用于新鲜马铃薯或食用马铃薯。 对于块茎的新鲜食用,其他重要因素是块茎的外观,包括皮肤质地、皮肤颜色、肉色和块茎形状。 最近出现了各种形状的特殊土豆品种,比如baby; 红色、紫色或黄色皮肤和果肉因其易于制备和增加营养价值而越来越受欢迎。
此外,可以从马铃薯淀粉中生产乙醇,用作燃料或酒精饮料; 可生物降解的塑料替代品; 或用于制药、纺织、木材和造纸工业以及其他经济部门的粘合剂、粘合剂、变形剂和填充剂。
对于工业应用,重要的是要考虑马铃薯中淀粉的数量和类型。
Toinga 认为,高支链淀粉因其独特的功能特性而适用于食品和其他工业用途。 例如,此类淀粉是用作食品中的稳定剂和增稠剂以及用作沙拉酱中的乳化剂的优选形式。 由于其冻融稳定性,支链淀粉被用于冷冻食品中。 此外,与含有其他淀粉的马铃薯相比,富含支链淀粉的马铃薯产生的乙醇含量更高。
用精选淀粉培育马铃薯的好处
Toinga 说,开发淀粉改性的马铃薯品种可以开辟新的可能性。 支链淀粉含量高而直链淀粉含量低的马铃薯,例如她在国际分子科学杂志上描述的基因编辑育空黄金,具有超出其传统用途的工业用途。
威尔士说,相比之下,直链淀粉含量高而支链淀粉含量低的土豆更适合人类食用。 直链淀粉的作用类似于纤维,不像支链淀粉那样容易释放葡萄糖,从而降低血糖指数,使土豆更适合糖尿病患者食用。
CRISPR/Cas9 创造新机遇
Weils 指出,CRISPR/Cas9 技术扩展了育种者可用的工具箱,并提供了一种更直接、更快捷的方法,将所需性状整合到流行的商业作物品种中。 传统育种是一个漫长的过程,可能需要10-15年。
此外,由于马铃薯基因组的复杂性,创造具有正确理想性状的新品种对传统育种来说是一个挑战,她说。 分子技术提高了选择的效率,而使用 CRISPR/Cas9 技术的基因编辑又增加了一层复杂性。
改良品种育空黄金
在第一项研究评估的各种马铃薯品种中,育空黄金再生最好,因此在第二项研究中使用。 结果是马铃薯的淀粉中支链淀粉含量高,直链淀粉含量低。
“其中一种被淘汰的植物 T2-7 表现出正常的生长和产量特征,但完全没有直链淀粉,”Toinga 说。
块茎淀粉 T2-7 在造纸和纺织工业中作为粘合剂/粘合剂、生物塑料和乙醇生产具有工业应用。 该实验样品的块茎淀粉,由于无需化学修饰即可抗冻融,也可用于冷冻食品的生产。 以支链淀粉作为唯一淀粉形式的马铃薯还应该产生更多的乙醇用于工业用途或制造酒精饮料。
作为这些研究的下一步,T2-7 被自花授粉并与育空黄金的供体菌株和其他马铃薯克隆杂交,以消除转基因成分。