Forscher verwenden die CRISPR-Technologie, um Stärke in Kartoffeln zu modifizieren

Humble Potatoes sind nicht nur eine reichhaltige Quelle an Nahrungskohlenhydraten für den Menschen, sondern auch an Stärke für zahlreiche industrielle Anwendungen. Wissenschaftler von Texas A&M AgriLife lernen, wie man das Verhältnis der beiden Stärkemoleküle der Kartoffel – Amylose und Amylopektin – verändert, um sowohl kulinarische als auch industrielle Anwendungen zu steigern.

Beispielsweise finden Wachskartoffeln, die einen hohen Amylopektingehalt aufweisen, Anwendung bei der Herstellung von Biokunststoffen, Lebensmittelzusatzstoffen, Klebstoffen und Alkohol.

Zwei kürzlich erschienene Artikel in der Internationale Zeitschrift für Molekularwissenschaften und der Pflanzenzell-, Gewebe- und Organkultur Fachzeitschriften beschreiben, wie die CRISPR-Technologie die Verwendung der größten Gemüsepflanze der Welt vorantreiben kann.

Beide Veröffentlichungen umfassen die Arbeit von Stephany Toinga, Ph.D., einer Doktorandin im Labor von Keerti Rathore, Ph.D., Pflanzenbiotechnologin von AgriLife Research am Texas A&M Institute for Plant Genomics and Biotechnology and Department of Soil und Pflanzenwissenschaften. Co-Autorin beider Artikel war auch Isabel Vales, Ph.D., eine Kartoffelzüchterin von AgriLife Research im Texas A&M Department of Horticultural Sciences. Toinga ist jetzt Postdoktorand bei Texas A&M AgriLife Research bei Vales.

„Die Informationen und Erkenntnisse, die wir aus diesen beiden Studien gewonnen haben, werden uns dabei helfen, weitere wünschenswerte Merkmale in diese sehr wichtige Nutzpflanze einzuführen“, sagte Rathore.

Kartoffel Fakten

Kartoffeln sind die Gemüsepflanze Nr. 1 weltweit und die drittwichtigste menschliche Nahrungspflanze, nur hinter Reis und Weizen in der globalen Produktion. Kartoffeln werden in über 160 Ländern auf 40,8 Millionen Hektar angebaut und dienen als Grundnahrungsmittel für mehr als eine Milliarde Menschen.

Mit einer mittelgroßen Kartoffel, die ungefähr 160 Kalorien liefert, die hauptsächlich aus Stärke gewonnen werden, stellen die Knollen für viele Menschen weltweit eine wichtige Energiequelle dar, sagte Rathore. Kartoffeln liefern auch andere notwendige Nährstoffe, einschließlich Vitamine und Mineralstoffe.

Kartoffeln sind eine Kulturpflanze der kühlen Jahreszeit, die relativ empfindlich gegenüber Hitze und Trockenstress ist. Die Ernte leidet auch unter Schädlingen wie Kartoffelkäfer, Blattläusen und Nematoden sowie unter Krankheiten wie Kraut- und Krautfäule, Zebrachips, Fusarium-Trockenfäule und einer Reihe von Viruserkrankungen. Krautfäule war die Ursache der irischen Kartoffelhungersnot.

Stärke ist sowohl für diätetische als auch für industrielle Zwecke von entscheidender Bedeutung

Die Menge an Stärke in Kartoffelknollen ist der Hauptfaktor, der die Verwendung einer Kartoffel bestimmt. Kartoffeln mit hohem Stärkegehalt werden oft verwendet, um verarbeitete Lebensmittel wie Pommes Frites, Pommes und dehydrierte Kartoffeln herzustellen, sagte Vales.

Kartoffeln mit niedrigem bis mittlerem Stärkegehalt werden häufig für den Frisch- oder Tafelaktienmarkt verwendet, sagte sie. Für den Frischmarkt sind zusätzliche wichtige Erwägungen das Aussehen der Knollen, einschließlich Schalenstruktur, Schalenfarbe, Fruchtfleischfarbe und Knollenform. Seit kurzem gibt es Spezialkartoffelsorten mit unterschiedlichen Formen, wie z. B. Jungfische; kleinere Größen; und rote, violette oder gelbe Haut- und Fleischfarben werden aufgrund ihrer Bequemlichkeit beim Kochen und ihres erhöhten Nährwerts immer beliebter.

Die Form der Kartoffelknollen sei für industrielle Zwecke weniger wichtig als für den menschlichen Verzehr, sagte Vales. Kartoffelknollen mit äußeren Missbildungen, die durch Hitze- oder Trockenstress oder andere Faktoren verursacht werden, können für unzählige Verwendungen umgeleitet werden, einschließlich Futter für Hunde und Rinder. Darüber hinaus kann Kartoffelstärke Ethanol als Kraftstoff oder in Getränken wie Wodka produzieren; ein biologisch abbaubarer Ersatz für Kunststoffe; oder Klebstoffe, Bindemittel, Strukturmittel und Füllstoffe für die Pharma-, Textil-, Holz- und Papierindustrie und andere Branchen.

Für industrielle Anwendungen sind Menge und Art der Stärke in einer Kartoffel wichtige Überlegungen.

Laut Toinga sind Stärken mit einem höheren Amylopektingehalt aufgrund ihrer einzigartigen funktionellen Eigenschaften für verarbeitete Lebensmittel und andere industrielle Anwendungen wünschenswert. Beispielsweise sind solche Stärken die bevorzugte Form zur Verwendung als Stabilisator und Verdickungsmittel in Lebensmittelprodukten und als Emulgator in Salatdressings. Aufgrund ihrer Gefrier-Tau-Stabilität wird Amylopektinstärke in Tiefkühlkost verwendet. Außerdem ergeben Kartoffeln, die reich an Amylopektinstärke sind, im Vergleich zu Kartoffeln mit anderen Stärken höhere Ethanolgehalte.

Die Vorteile der Kartoffelzüchtung mit ausgewählten Stärken

Die Entwicklung von Kartoffelsorten mit modifizierter Stärke könnte neue Möglichkeiten eröffnen, sagte Toinga. Kartoffeln mit hohem Amylopektin- und niedrigem Amylosegehalt, wie der Gen-editierte Yukon Gold-Stamm, den sie in beschrieben hat Internationale Zeitschrift für Molekularwissenschaftenhaben industrielle Anwendungen, die über traditionelle Verwendungen hinausgehen.

Im Gegensatz dazu wären Kartoffeln mit hohem Amylosegehalt und niedrigem Amylopektin für den menschlichen Verzehr wünschenswert, sagte Vales. Die Amylose wirkt wie Ballaststoffe und setzt Glukose nicht so leicht frei wie Amylopektin, was zu einem niedrigeren glykämischen Index führt und Kartoffeln für Menschen mit Diabetes akzeptabler macht.

CRISPR/Cas9 schafft neue Optionen

Die CRISPR/Cas9-Technologie hat das den Züchtern zur Verfügung stehende Instrumentarium erweitert, sagte Vales, und sie stellt ein direkteres und schnelleres Mittel dar, um gewünschte Eigenschaften in beliebte kommerzielle Pflanzensorten zu integrieren. Konventionelle Züchtung ist ein langwieriger Prozess, der 10–15 Jahre dauern kann.

Darüber hinaus, sagte sie, sei es aufgrund der komplexen Natur des Kartoffelgenoms eine Herausforderung für die konventionelle Züchtung, neue Sorten mit der richtigen Ergänzung wünschenswerter Merkmale zu erzeugen. Die Molekularzüchtung hat die Züchtungseffizienz verbessert, und die Genbearbeitung mit der CRISPR/Cas9-Technologie fügt eine weitere Ebene der Raffinesse hinzu.

„Wir haben die Agrobacterium-Methode verwendet, um die CRISPR-Reagenzien in Kartoffeln zu bringen, weil sie im Vergleich zu allen anderen Verabreichungsmethoden zuverlässig, effizient und am kostengünstigsten ist“, sagte Rathore.

In der ersten Studie, hervorgehoben in der Pflanzenzell-, Gewebe- und Organkultur Artikel wurde eine Kartoffellinie mit vier Kopien von gfp, einem Quallengen, das eine fluoreszenzbasierte Visualisierung der Aktivität des Gens ermöglicht, mithilfe des CRISPR/Cas9-Systems für eine Mutation anvisiert, sagte Toinga.

Im Wesentlichen lieferte dieses Projekt ein leicht erkennbares Merkmal, das es den Forschern ermöglichte, die Methodik zu optimieren.

„Der Verlust der charakteristischen grünen Fluoreszenz und die Sequenzierung des gfp-Gens nach der CRISPR-Behandlung zeigten, dass es möglich ist, alle vier Kopien des gfp-Gens zu unterbrechen, was bestätigt, dass es möglich sein sollte, alle vier Allele eines nativen Gens im Tetraploiden zu mutieren Kartoffel“, sagte Rathore.

Eine verbesserte Yukon Gold Sorte

Unter den verschiedenen Kartoffelsorten, die in der ersten Studie bewertet wurden, regenerierte der Yukon Gold-Stamm am besten und wurde daher für die zweite Studie verwendet. In der zweiten Knockout-Studie, beschrieben in der Internationale Zeitschrift für Molekularwissenschaftenwurde das native Gen gbss im tetraploiden Yukon-Gold-Stamm gezielt eingesetzt, um Amylose effektiv zu eliminieren. Das Ergebnis war eine Kartoffel mit Stärke, die reich an Amylopektin und arm an Amylose war.

„Eines der Knockout-Ereignisse, T2-7, zeigte normale Wachstums- und Ertragsmerkmale, war jedoch völlig frei von Amylose“, sagte Toinga.

Diese Knollenstärke, T2-7, könnte industrielle Anwendungen in der Papier- und Textilbranche als Klebstoffe/Bindemittel, Biokunststoffe und in der Ethanolindustrie finden. Knollenstärke aus diesem experimentellen Stamm sollte aufgrund ihrer Gefrier-Tau-Stabilität ohne die Notwendigkeit chemischer Modifikationen auch bei der Herstellung von Tiefkühlkost nützlich sein. Kartoffeln mit Amylopektin als ausschließlicher Stärke sollen auch mehr Ethanol für die industrielle Nutzung oder zur Herstellung von alkoholischen Getränken liefern.

Als nächster Schritt für diese Studien wurde der T2-7-Stamm selbstbestäubt und mit dem Yukon-Gold-Stammspender und anderen Kartoffelklonen gekreuzt, um die transgenen Elemente zu eliminieren.