Die Kartoffel ist nicht nur eine Nahrungskohlenhydratquelle für den Menschen, sondern auch eine Stärkequelle für zahlreiche industrielle Anwendungen. Die Wissenschaftler von A&M AgriLife Texas untersuchen, wie das Verhältnis von zwei Stärkemolekülen in Kartoffeln – Amylose und Amylopektin – geändert werden kann, um die kulinarische und industrielle Verwendung der Ernte zu erhöhen.
Beispielsweise werden Wachskartoffeln mit einem hohen Amylopektingehalt bei der Herstellung von Biokunststoffen, Lebensmittelzusatzstoffen, Klebstoffen und Alkohol verwendet.
Zwei kürzlich im International Journal of Molecular Sciences und Plant Cell, Tissue and Organ Culture veröffentlichte Artikel untersuchen, wie die CRISPR-Technologie die Kartoffelverwertung verbessern kann.
Beide Veröffentlichungen beinhalten Arbeiten von Stephanie Toinga, Ph.D., einer Doktorandin im Labor von Kirti Rathor, Ph.D., AgriLife Plant Biotechnologist am Texas A&M Plant Genomics and Biotechnology Institute und dem Department of Soils. Co-Autorin beider Artikel war Isabelle Weils, Ph.D., Kartoffelzüchterin bei AgriLife Research am Texas A&M Department of Horticultural Science.
„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 Rathor.
Kartoffel Fakten
Die Kartoffel wird in über 160 Ländern auf 40,8 Millionen Hektar angebaut und ist das Grundnahrungsmittel für über eine Milliarde Menschen.
Eine mittelgroße Kartoffel enthält etwa 160 Kalorien, die größtenteils aus Stärke stammen, sagt Rathor, weshalb die Knollen für viele Menschen auf der ganzen Welt eine wichtige Energiequelle sind. Kartoffeln enthalten auch andere essentielle Nährstoffe, darunter Vitamine und Mineralstoffe.
Stärke ist sowohl für diätetische als auch für industrielle Anwendungen von zentraler Bedeutung.
Die Menge an Stärke in Kartoffelknollen ist der Hauptfaktor bei der Bestimmung der Verwendung von Kartoffeln.
Kartoffeln mit hohem Stärkegehalt werden oft verwendet, um verarbeitete Lebensmittel wie Pommes Frites, Pommes und getrocknete Kartoffeln herzustellen, sagt Wales.
Kartoffeln mit niedriger und mittlerer Stärke werden oft frisch oder als Tafelkartoffeln verwendet, sagt sie. Für den Frischverzehr von Knollen sind weitere wichtige Faktoren das Aussehen der Knolle, einschließlich Schalenbeschaffenheit, Schalenfarbe, Fleischfarbe und Knollenform. In letzter Zeit sind spezielle Kartoffelsorten in verschiedenen Formen aufgetaucht, z. B. Baby; mit roter, violetter oder gelber Schale und Fruchtfleisch werden aufgrund ihrer einfachen Zubereitung und ihres erhöhten Nährwerts immer beliebter.
Darüber hinaus kann aus Kartoffelstärke Ethanol für Kraftstoff oder alkoholische Getränke hergestellt werden; biologisch abbaubarer Kunststoffersatz; oder Klebstoffe, Bindemittel, Texturierungsmittel und Füllstoffe für die Pharma-, Textil-, Holz- und Papierindustrie und andere Wirtschaftszweige.
Für industrielle Anwendungen ist es wichtig, die Menge und Art der Stärke in Kartoffeln zu berücksichtigen.
Toinga glaubt, dass Stärken mit hohem Amylopektingehalt aufgrund ihrer einzigartigen funktionellen Eigenschaften für Lebensmittel und andere industrielle Anwendungen wünschenswert sind. Beispielsweise sind solche Stärken die bevorzugte Form zur Verwendung als Stabilisator und Verdickungsmittel in Lebensmitteln und als Emulgator in Salatdressings. Aufgrund ihrer Gefrier-Tau-Stabilität wird Amylopektinstärke in Tiefkühlkost verwendet. Darüber hinaus produzieren Kartoffeln, die reich an Amylopektinstärke sind, im Vergleich zu Kartoffeln mit anderen Stärken einen höheren Ethanolgehalt.
Vorteile der Kartoffelzüchtung mit ausgewählter Stärke
Laut Toinga könnte die Entwicklung von stärkemodifizierten Kartoffelsorten neue Möglichkeiten eröffnen. Kartoffeln, die reich an Amylopektin und arm an Amylose sind, wie das geneditierte Yukon Gold, das sie im International Journal of Molecular Sciences beschrieben hat, haben industrielle Verwendungen, die über ihre traditionellen Verwendungen hinausgehen.
Im Gegensatz dazu wären Kartoffeln mit hohem Amylosegehalt und niedrigem Amylopektingehalt für den menschlichen Verzehr wünschenswert, sagte Wales. 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 schmackhafter macht.
CRISPR/Cas9 schafft neue Möglichkeiten
Die CRISPR/Cas9-Technologie hat die den Züchtern zur Verfügung stehende Toolbox erweitert und bietet eine direktere und schnellere Möglichkeit, wünschenswerte Eigenschaften in beliebte kommerzielle Nutzpflanzensorten zu integrieren, bemerkt Weils. Die traditionelle Züchtung ist ein langer Prozess, der 10-15 Jahre dauern kann.
Darüber hinaus sei die Schaffung neuer Sorten mit den richtigen wünschenswerten Merkmalen aufgrund der Komplexität des Kartoffelgenoms eine Herausforderung für die konventionelle Züchtung, sagte sie. Molekulare Technologien haben die Effizienz der Selektion erhöht, und die Genbearbeitung mit der CRISPR/Cas9-Technologie fügt eine weitere Ebene der Komplexität hinzu.
Verbesserte Sorte Yukon Gold
Unter den verschiedenen Kartoffelsorten, die in der ersten Studie bewertet wurden, regenerierte Yukon Gold am besten, weshalb sie in der zweiten Studie verwendet wurde. Das Ergebnis war eine Kartoffel mit einem hohen Gehalt an Amylopektin und einem niedrigen Gehalt an Amylose in der Stärke.
„Eine der ausgeknockten Pflanzen, T2-7, zeigte normale Wachstums- und Ertragsmerkmale, war aber völlig frei von Amylose“, sagte Toinga.
Knollenstärke, T2-7, hat industrielle Anwendungen in der Papier- und Textilindustrie als Klebstoff/Bindemittel, Biokunststoff und Ethanolproduktion. Die Knollenstärke dieser experimentellen Probe sollte aufgrund ihrer Beständigkeit gegen Einfrieren und Auftauen ohne die Notwendigkeit chemischer Modifikationen auch bei der Herstellung von Tiefkühlkost nützlich sein. Kartoffeln mit Amylopektin als einziger Stärke sollen auch mehr Ethanol für die industrielle Nutzung oder zur Herstellung von alkoholischen Getränken liefern.
Als nächster Schritt in diesen Studien wurde die Akzession T2-7 selbstbestäubt und mit einem Spenderstamm von Yukon Gold und anderen Kartoffelklonen gekreuzt, um transgene Elemente zu eliminieren.