馬鈴薯不僅是人類膳食碳水化合物的來源,也是許多工業應用的澱粉來源。 A&M AgriLife Texas 科學家正在研究如何改變馬鈴薯中兩種澱粉分子(直鏈澱粉和支鏈澱粉)的比例,以增加作物的烹飪和工業用途。
例如,支鏈澱粉含量高的蠟質馬鈴薯可用於生產生物塑料、食品添加劑、粘合劑和酒精。
最近發表在《國際分子科學雜誌》和《植物細胞、組織和器官培養》上的兩篇論文探討了 CRISPR 技術如何提高馬鈴薯的利用率。
這兩篇論文都包括 Stephanie Toinga 博士所做的工作,她是 Kirti Rathor 博士實驗室的研究生,德克薩斯 A&M 植物基因組學和生物技術研究所以及土壤系的 AgriLife 植物生物技術專家。 兩篇論文的共同作者還有伊莎貝爾·威爾斯 (Isabelle Weils) 博士,她是德克薩斯 A&M 園藝科學系 AgriLife Research 的馬鈴薯育種員。
“我們從這兩項研究中獲得的信息和知識將幫助我們將其他理想的特性引入這種非常重要的作物,”Rathor 說。
馬鈴薯事實
馬鈴薯種植在 160 多個國家,佔地 40,8 萬英畝,是超過 XNUMX 億人的主食。
一個中等大小的馬鈴薯含有大約 160 卡路里的熱量,主要來自澱粉,Rathor 說,這就是為什麼塊莖是世界各地許多人重要的能量來源。 馬鈴薯還含有其他必需營養素,包括維生素和礦物質。
澱粉對於飲食和工業用途都至關重要。
馬鈴薯塊莖中的澱粉含量是決定馬鈴薯用途的主要因素。
威爾士說,高澱粉土豆通常被用來製作炸薯條、薯條和乾土豆等加工食品。
她說,低澱粉和中等澱粉馬鈴薯通常用於新鮮或食用馬鈴薯。 對於塊莖的新鮮食用,其他重要因素是塊莖的外觀,包括皮膚質地、皮膚顏色、肉色和塊莖形狀。 最近出現了各種形狀的特殊土豆品種,比如baby; 紅色、紫色或黃色皮膚和果肉因其易於製備和增加營養價值而越來越受歡迎。
此外,可以從馬鈴薯澱粉中生產乙醇,用作燃料或酒精飲料; 可生物降解的塑料替代品; 或用於製藥、紡織、木材和造紙工業以及其他經濟部門的粘合劑、粘合劑、變形劑和填料。
對於工業應用,重要的是要考慮馬鈴薯中澱粉的數量和類型。
Toinga 認為,高支鏈澱粉因其獨特的功能特性而適用於食品和其他工業用途。 例如,此類澱粉是用作食品中的穩定劑和增稠劑以及用作沙拉醬中的乳化劑的優選形式。 由於其凍融穩定性,支鏈澱粉被用於冷凍食品。 此外,與含有其他澱粉的馬鈴薯相比,富含支鏈澱粉的馬鈴薯產生的乙醇含量更高。
用精選澱粉培育馬鈴薯的好處
Toinga 說,開發澱粉改性的馬鈴薯品種可以開闢新的可能性。 支鏈澱粉含量高而直鏈澱粉含量低的馬鈴薯,例如她在國際分子科學雜誌上描述的基因編輯育空黃金,具有超出其傳統用途的工業用途。
威爾士說,相比之下,直鏈澱粉含量高而支鏈澱粉含量低的土豆更適合人類食用。 直鏈澱粉的作用類似於纖維,不像支鏈澱粉那樣容易釋放葡萄糖,從而降低血糖指數,使土豆更適合糖尿病患者食用。
CRISPR/Cas9 創造新機遇
Weils 指出,CRISPR/Cas9 技術擴展了育種者可用的工具箱,並提供了一種更直接、更快的方法,將理想的性狀整合到流行的商業作物品種中。 傳統育種是一個漫長的過程,可能需要10-15年。
此外,由於馬鈴薯基因組的複雜性,創造具有正確理想性狀的新品種對傳統育種來說是一個挑戰,她說。 分子技術提高了選擇的效率,而使用 CRISPR/Cas9 技術的基因編輯又增加了一層複雜性。
改良品種育空黃金
在第一項研究評估的各種馬鈴薯品種中,育空黃金再生最好,因此在第二項研究中使用。 結果是馬鈴薯的澱粉中支鏈澱粉含量高,直鏈澱粉含量低。
“其中一種被淘汰的植物 T2-7 表現出正常的生長和產量特徵,但完全沒有直鏈澱粉,”Toinga 說。
塊莖澱粉 T2-7 在造紙和紡織工業中作為粘合劑/粘合劑、生物塑料和乙醇生產具有工業應用。 該實驗樣品的塊莖澱粉,由於無需化學修飾即可抗凍融,也可用於冷凍食品的生產。 以支鏈澱粉作為唯一澱粉形式的馬鈴薯還應該產生更多的乙醇用於工業用途或製造酒精飲料。
作為這些研究的下一步,T2-7 被自花授粉並與育空黃金的供體菌株和其他馬鈴薯克隆雜交,以消除轉基因成分。