Investigadores usan tecnología CRISPR para modificar almidones en papas

Las papas humildes son una fuente rica no solo de carbohidratos dietéticos para humanos, sino también de almidones para numerosas aplicaciones industriales. Los científicos de Texas A&M AgriLife están aprendiendo cómo alterar la proporción de las dos moléculas de almidón de las papas, la amilosa y la amilopectina, para aumentar las aplicaciones culinarias e industriales.

Por ejemplo, las papas cerosas, que tienen un alto contenido de amilopectina, tienen aplicaciones en la producción de bioplásticos, aditivos alimentarios, adhesivos y alcohol.

Dos artículos publicados recientemente en el Revista Internacional de Ciencias Moleculares y el Cultivo de células, tejidos y órganos vegetales Las revistas describen cómo la tecnología CRISPR puede hacer avanzar los usos del cultivo de hortalizas más grande del mundo.

Ambos documentos incluyen el trabajo realizado por Stephany Toinga, Ph.D., quien fue estudiante de posgrado en el laboratorio de Keerti Rathore, Ph.D., biotecnóloga de plantas de AgriLife Research en el Instituto de Genómica y Biotecnología de Plantas de Texas A&M y el Departamento de Suelos. y Ciencias de los Cultivos. Isabel Vales, Ph.D., mejoradora de papas de AgriLife Research en el Departamento de Ciencias Hortícolas de Texas A&M también fue coautora de ambos artículos. Toinga es ahora un asociado postdoctoral de Texas A&M AgriLife Research con Vales.

«La información y el conocimiento que obtuvimos de estos dos estudios nos ayudarán a introducir otras características deseables en este cultivo tan importante», dijo Rathore.

hechos de papa

Las papas son el cultivo vegetal número 1 en todo el mundo y el tercer cultivo alimentario humano más importante, solo detrás del arroz y el trigo en la producción mundial. Las papas se cultivan en más de 160 países en 40,8 millones de acres y sirven como alimento básico para más de mil millones de personas.

Dado que una papa de tamaño mediano proporciona aproximadamente 160 calorías, en su mayoría derivadas del almidón, los tubérculos constituyen una importante fuente de energía para muchas personas en todo el mundo, dijo Rathore. Las patatas también proporcionan otros nutrientes necesarios, como vitaminas y minerales.

Las papas son un cultivo de estación fría que es relativamente sensible al estrés por calor y sequía. El cultivo también sufre plagas como el escarabajo de Colorado, áfidos y nematodos, así como enfermedades que incluyen tizón temprano y tardío, viruta de cebra, podredumbre seca por Fusarium y una serie de enfermedades virales. El tizón tardío fue la causa de la hambruna irlandesa de la patata.

El almidón es clave tanto para usos dietéticos como industriales.

La cantidad de almidón en los tubérculos de patata es el principal factor que determina el uso de una patata. Las papas con alto contenido de almidón a menudo se usan para hacer alimentos procesados ​​como papas fritas, papas fritas y papas deshidratadas, dijo Vales.

Las papas con niveles de almidón de bajos a medios se usan con frecuencia para el mercado de valores frescos o de mesa, dijo. Para el mercado de productos frescos, otras consideraciones importantes son la apariencia del tubérculo, incluida la textura de la piel, el color de la piel, el color de la pulpa y la forma del tubérculo. Recientemente, tipos especiales de papa con diferentes formas, como alevines; tamaños más pequeños; y los colores de piel y carne rojos, morados o amarillos se están volviendo populares debido a su conveniencia para cocinar y su mayor valor nutricional.

La forma del tubérculo de la papa es menos importante para fines industriales que para el consumo humano, dijo Vales. Los tubérculos de papa con deformidades externas causadas por estrés por calor o sequía u otros factores pueden redirigirse a innumerables usos, incluido el alimento para perros y ganado. Además, la fécula de patata puede producir etanol para combustible o en bebidas como el vodka; un sustituto biodegradable de los plásticos; o adhesivos, aglutinantes, texturizantes y cargas para la industria farmacéutica, textil, maderera y papelera, y otros sectores.

Para aplicaciones industriales, la cantidad y el tipo de almidón en una patata son consideraciones importantes.

Toinga dijo que los almidones altos en amilopectina son deseables para los alimentos procesados ​​y otras aplicaciones industriales debido a sus propiedades funcionales únicas. Por ejemplo, tales almidones son la forma preferida para uso como estabilizador y espesante en productos alimenticios y como emulsionante en aderezos para ensaladas. Debido a su estabilidad de congelación y descongelación, el almidón de amilopectina se usa en alimentos congelados. Además, las papas ricas en almidón de amilopectina producen niveles más altos de etanol en comparación con las que tienen otros almidones.

Los beneficios de cultivar papas con almidones seleccionados

El desarrollo de cultivares de papa con almidón modificado podría abrir nuevas oportunidades, dijo Toinga. Patatas con alto contenido de amilopectina y bajo contenido de amilosa, como la cepa Yukon Gold editada genéticamente que describió en el Revista Internacional de Ciencias Molecularestienen aplicaciones industriales más allá de los usos tradicionales.

Por el contrario, las papas con altos niveles de amilosa y bajos de amilopectina serían deseables para el consumo humano, dijo Vales. La amilosa actúa como fibra y no libera glucosa tan fácilmente como la amilopectina, lo que resulta en un índice glucémico más bajo y hace que las papas sean más aceptables para las personas con diabetes.

CRISPR/Cas9 crea nuevas opciones

La tecnología CRISPR/Cas9 ha ampliado el conjunto de herramientas disponible para los mejoradores, dijo Vales, y representa un medio más directo y rápido para incorporar los rasgos deseados en variedades de cultivos comerciales populares. La reproducción convencional es un proceso largo que puede llevar de 10 a 15 años.

Además, dijo, debido a la naturaleza compleja del genoma de la papa, generar nuevos cultivares con el complemento adecuado de características deseables es un desafío para el mejoramiento convencional. El mejoramiento molecular ha mejorado las eficiencias de mejoramiento, y la edición de genes usando la tecnología CRISPR/Cas9 agrega otro nivel de sofisticación.

«Utilizamos el método Agrobacterium para entregar los reactivos CRISPR en papas porque es confiable, eficiente y menos costoso en comparación con todos los demás métodos de entrega», dijo Rathore.

En el primer estudio, destacado en el Cultivo de células, tejidos y órganos vegetales artículo, una línea de patata que contiene cuatro copias de gfp, un gen de medusa que permite una visualización basada en fluorescencia de la actividad del gen, fue objeto de mutación utilizando el sistema CRISPR/Cas9, dijo Toinga.

En esencia, este proyecto proporcionó un rasgo fácil de ver que permitió a los investigadores optimizar la metodología.

«La pérdida de la fluorescencia verde característica y la secuenciación del gen gfp después del tratamiento con CRISPR indicaron que es posible alterar las cuatro copias del gen gfp, lo que confirma que debería ser posible mutar los cuatro alelos de un gen nativo en el tetraploide patata», dijo Rathore.

Un cultivo Yukon Gold mejorado

Entre los diversos cultivares de papa evaluados en el primer estudio, la cepa Yukon Gold fue la que mejor regeneró, por lo que se utilizó para el segundo estudio. En el segundo estudio knockout, descrito en el Revista Internacional de Ciencias Moleculares, el gen nativo gbss en la cepa tetraploide Yukon Gold fue el objetivo de eliminar eficazmente la amilosa. El resultado fue una patata con almidón rico en amilopectina y bajo en amilosa.

«Uno de los eventos eliminados, T2-7, mostró características normales de crecimiento y rendimiento, pero carecía por completo de amilosa», dijo Toinga.

Ese almidón de tubérculo, T2-7, podría encontrar aplicaciones industriales en los sectores papelero y textil como industrias de adhesivos/aglutinantes, bioplásticos y etanol. El almidón de tubérculo de esta cepa experimental, debido a su estabilidad de congelación y descongelación sin necesidad de modificaciones químicas, también debería ser útil en la producción de alimentos congelados. Las papas con amilopectina como forma exclusiva de almidón también deberían producir más etanol para uso industrial o para crear bebidas alcohólicas.

Como siguiente paso para estos estudios, la cepa T2-7 ha sido autopolinizada y cruzada con la cepa donante Yukon Gold y otros clones de patata para eliminar los elementos transgénicos.