Các nhà nghiên cứu sử dụng công nghệ CRISPR để thay đổi lượng tinh bột trong khoai tây

Ví dụ, khoai tây sáp, có hàm lượng amylopectin cao, có ứng dụng trong sản xuất nhựa sinh học, phụ gia thực phẩm, chất kết dính và rượu.

Hai bài báo gần đây được xuất bản trên Tạp chí Khoa học Phân tử Quốc tế và Tạp chí Văn hóa Tế bào, Mô thực vật phác thảo cách công nghệ CRISPR có thể nâng cao việc sử dụng cây rau lớn nhất thế giới này.

Cả hai bài báo đều bao gồm công trình được thực hiện bởi Tiến sĩ Stephany Toinga, người từng là nghiên cứu sinh tại phòng thí nghiệm của Keerti Rathore, Tiến sĩ, nhà công nghệ sinh học thực vật của AgriLife Research tại Viện Địa chất Thực vật và Công nghệ Sinh học Texas A&M và Cục Đất và Khoa học cây trồng. Đồng tác giả của cả hai bài báo là Isabel Vales, Tiến sĩ, một nhà lai tạo khoai tây của AgriLife Research tại Sở Khoa học Làm vườn Texas A&M.

Rathore nói: “Thông tin và kiến ​​thức chúng tôi thu được từ hai nghiên cứu này sẽ giúp chúng tôi giới thiệu những đặc điểm mong muốn khác trong loại cây trồng rất quan trọng này”.

Khoai tây là cây rau số 1 trên toàn thế giới và là cây lương thực quan trọng thứ ba của con người, chỉ sau gạo và lúa mì về sản lượng toàn cầu. Khoai tây được trồng ở hơn 160 quốc gia trên 40,8 triệu mẫu Anh và là thực phẩm chính cho hơn một tỷ người.

Rathore cho biết, với một củ khoai tây cỡ trung bình cung cấp khoảng 160 calo, chủ yếu có nguồn gốc từ tinh bột, loại củ này tạo thành một nguồn năng lượng quan trọng cho nhiều người trên toàn thế giới. Khoai tây cũng cung cấp các chất dinh dưỡng cần thiết khác, bao gồm cả vitamin và khoáng chất.

Khoai tây là cây trồng mùa mát, tương đối nhạy cảm với nắng nóng và hạn hán. Cây trồng cũng bị sâu bệnh như bọ cánh cứng Colorado, rệp và tuyến trùng, cũng như các bệnh bao gồm bệnh mốc sương, bệnh đốm vằn, bệnh thối khô Fusarium và một số bệnh do vi rút. Bệnh mốc sương là nguyên nhân của nạn đói khoai tây ở Ireland.

Lượng tinh bột trong củ khoai tây là yếu tố chính quyết định công dụng của một củ khoai tây. Vales cho biết, khoai tây có hàm lượng tinh bột cao thường được sử dụng để chế biến các món ăn như khoai tây chiên.

Bà cho biết: Khoai tây có hàm lượng tinh bột từ thấp đến trung bình thường được sử dụng cho thị trường tươi sống hoặc để bán trên thị trường. Đối với thị trường tươi sống, những lưu ý quan trọng khác là ngoại hình của củ, bao gồm cấu tạo vỏ, màu vỏ, màu thịt và hình dạng củ. Gần đây, các loại khoai đặc sản với nhiều hình dáng khác nhau; kích thước nhỏ hơn; và màu vỏ, thịt đỏ, tím hoặc vàng đang trở nên phổ biến vì tiện lợi trong nấu nướng và tăng giá trị dinh dưỡng.

Vales cho biết, hình dạng củ khoai tây ít quan trọng đối với mục đích công nghiệp hơn là đối với con người. Củ khoai tây bị biến dạng bên ngoài do nắng nóng, hạn hán hoặc các yếu tố khác có thể được hướng đến vô số mục đích sử dụng, bao gồm cả thức ăn cho chó và gia súc. Ngoài ra, tinh bột khoai tây có thể sản xuất ethanol để làm nhiên liệu hoặc trong đồ uống như vodka; một chất thay thế có thể phân hủy sinh học cho nhựa; hoặc chất kết dính, chất tạo kết cấu và chất độn cho ngành dược phẩm, dệt may, gỗ và giấy và các ngành khác.

Đối với các ứng dụng công nghiệp, số lượng và loại tinh bột trong khoai tây là những yếu tố quan trọng cần cân nhắc.

Toinga cho biết tinh bột có hàm lượng amylopectin cao hơn là mong muốn cho thực phẩm chế biến và các ứng dụng công nghiệp khác do các đặc tính chức năng độc đáo của chúng. Ví dụ, những loại tinh bột như vậy là dạng được ưu tiên sử dụng làm chất ổn định và chất làm đặc trong các sản phẩm thực phẩm và như một chất nhũ hóa trong nước xốt salad. Do tính ổn định khi đông lạnh, tinh bột amylopectin được sử dụng trong thực phẩm đông lạnh. Ngoài ra, khoai tây giàu tinh bột amylopectin mang lại mức độ ethanol cao hơn so với khoai tây có tinh bột khác.

Toinga nói, phát triển giống khoai tây với tinh bột biến tính có thể mở ra cơ hội mới. Khoai tây có amylopectin cao và amylose thấp, giống như chủng Yukon Gold đã được chỉnh sửa gien mà bà đã mô tả trên Tạp chí Khoa học Phân tử Quốc tế, có các ứng dụng công nghiệp ngoài các công dụng truyền thống.

Vales nói: Ngược lại, khoai tây có hàm lượng amylose cao và amylopectin thấp sẽ được con người ưa chuộng. Amylose hoạt động giống như chất xơ và không giải phóng glucose dễ dàng như amylopectin, do đó dẫn đến chỉ số đường huyết thấp hơn và làm cho khoai tây dễ chấp nhận hơn đối với những người mắc bệnh tiểu đường.

CRISPR / Cas9 tạo ra các tùy chọn mới

Vales cho biết: Công nghệ CRISPR / Cas9 đã mở rộng bộ công cụ có sẵn cho các nhà lai tạo, và nó đại diện cho một phương tiện trực tiếp hơn, nhanh hơn để kết hợp các đặc điểm mong muốn vào giống giống cây trồng thương mại. Nhân giống thông thường là một quá trình lâu dài có thể mất 10-15 năm.

Ngoài ra, bà cho biết, do bản chất phức tạp của bộ gien khoai tây, việc tạo ra các giống cây trồng mới với sự bổ sung phù hợp của các đặc điểm mong muốn là một thách thức đối với nhân giống thông thường. Nhân giống phân tử đã nâng cao hiệu quả nhân giống và việc chỉnh sửa gien bằng công nghệ CRISPR / Cas9 tăng thêm một mức độ phức tạp khác.

Rathore cho biết: “Chúng tôi đã sử dụng phương pháp Agrobacterium để đưa thuốc thử CRISPR vào khoai tây vì nó đáng tin cậy, hiệu quả và ít tốn kém nhất so với tất cả các phương pháp phân phối khác.

Toinga nói: Trong nghiên cứu đầu tiên, được nêu bật trong bài báo Nuôi cấy tế bào, mô và cơ quan thực vật, một dòng khoai tây chứa 4 bản sao của gfp, một gien cho phép hiển thị dựa trên huỳnh quang về hoạt động của gien, được nhắm mục tiêu đột biến bằng cách sử dụng CRISPR / Cas9.

Rathore nói: Việc mất đi trình tự và phát huỳnh quang màu xanh lá cây đặc trưng của gien gfp sau khi xử lý CRISPR chỉ ra rằng có thể phá vỡ tất cả bốn bản sao của gien gfp, do đó xác nhận rằng có thể gây đột biến cả bốn alen của gien bản địa ở thể tứ bội khoai tây.

Trong số các giống khoai tây khác nhau được đánh giá trong nghiên cứu đầu tiên, dòng Yukon Gold tái sinh tốt nhất và do đó nó được sử dụng cho nghiên cứu thứ hai. Trong nghiên cứu loại trực tiếp thứ hai, được mô tả trên Tạp chí Khoa học Phân tử Quốc tế, gien bản địa gbss trong dòng Yukon Gold tứ bội được nhắm mục tiêu để loại bỏ amylose một cách hiệu quả. Kết quả là khoai tây có tinh bột giàu amylopectin và ít mylose.

Tinh bột dạng củ đó, T2-7, có thể được ứng dụng trong công nghiệp giấy và dệt may như chất kết dính, nhựa sinh học và ngành công nghiệp etanol. Tinh bột củ từ chủng thí nghiệm này, vì tính ổn định đông tan mà không cần thay đổi hóa học, nên cũng hữu ích trong sản xuất thực phẩm đông lạnh. Khoai tây có amylopectin là dạng tinh bột độc quyền cũng tạo ra nhiều etanol hơn để sử dụng trong công nghiệp hoặc để tạo ra đồ uống có cồn.

Bước tiếp theo của những nghiên cứu này, dòng T2-7 đã được tự thụ phấn và lai với dòng Yukon Gold và các dòng khoai tây khác để loại bỏ các yếu tố chuyển gien.