De aardappel is niet alleen een bron van koolhydraten in de voeding voor de mens, maar ook een bron van zetmeel voor tal van industriële toepassingen. A&M AgriLife Texas-wetenschappers bestuderen hoe de verhouding van twee zetmeelmoleculen in aardappelen - amylose en amylopectine - kan worden veranderd om het culinaire en industriële gebruik van het gewas te vergroten.
Zo worden vastkokende aardappelen met een hoog amylopectinegehalte gebruikt bij de productie van bioplastics, voedseladditieven, lijmen en alcohol.
Twee artikelen die onlangs in het International Journal of Molecular Sciences en Plant Cell, Tissue and Organ Culture zijn gepubliceerd, onderzoeken hoe CRISPR-technologie het gebruik van aardappelen kan verbeteren.
Beide papers bevatten werk van Stephanie Toinga, Ph.D., die een afgestudeerde student was in het laboratorium van Kirti Rathor, Ph.D., AgriLife Plant Biotechnologist aan het Texas A&M Plant Genomics and Biotechnology Institute en het Department of Soils. Ook co-auteur van beide artikelen was Isabelle Weils, Ph.D., aardappelveredelaar bij AgriLife Research van het Texas A&M Department of Horticultural Science.
"De informatie en kennis die we uit deze twee onderzoeken hebben opgedaan, zullen ons helpen andere wenselijke eigenschappen in dit zeer belangrijke gewas te introduceren," zei Rathor.
Aardappel Feiten
De aardappel wordt in meer dan 160 landen op 40,8 miljoen hectare verbouwd en is het hoofdvoedsel voor meer dan een miljard mensen.
Een middelgrote aardappel bevat ongeveer 160 calorieën, voornamelijk afkomstig van zetmeel, zegt Rathor. Daarom zijn de knollen een belangrijke energiebron voor veel mensen over de hele wereld. Aardappelen bevatten ook andere essentiële voedingsstoffen, waaronder vitamines en mineralen.
Zetmeel is van cruciaal belang voor zowel voedings- als industrieel gebruik.
De hoeveelheid zetmeel in aardappelknollen is de belangrijkste factor bij het bepalen van het gebruik van aardappelen.
Aardappelen met een hoog zetmeelgehalte worden vaak gebruikt om bewerkte voedingsmiddelen te maken, zoals frites, frites en gedroogde aardappelen, zegt Wales.
Aardappelen met een laag en middelhoog zetmeel worden vaak vers of als tafelaardappel gebruikt, zegt ze. Voor verse consumptie van knollen zijn andere belangrijke factoren het uiterlijk van de knol, waaronder schiltextuur, schilkleur, vleeskleur en knolvorm. Onlangs zijn er speciale soorten aardappelen in verschillende vormen verschenen, zoals baby; met rode, paarse of gele schil en vruchtvlees worden populair vanwege hun gemakkelijke bereiding en verhoogde voedingswaarde.
Daarnaast kan ethanol worden geproduceerd uit aardappelzetmeel voor brandstof of alcoholische dranken; biologisch afbreekbare plastic vervanger; of kleefstoffen, bindmiddelen, textureermiddelen en vulstoffen voor de farmaceutische, textiel-, hout- en papierindustrie en andere sectoren van de economie.
Voor industriële toepassingen is het belangrijk om rekening te houden met de hoeveelheid en het type zetmeel in aardappelen.
Toinga is van mening dat zetmelen met een hoog amylopectinegehalte wenselijk zijn voor voedsel en ander industrieel gebruik vanwege hun unieke functionele eigenschappen. Dergelijke zetmelen zijn bijvoorbeeld de voorkeursvorm voor gebruik als stabilisator en verdikkingsmiddel in voedingsmiddelen en als emulgator in saladedressings. Vanwege de vries-dooistabiliteit wordt amylopectinezetmeel gebruikt in diepvriesproducten. Bovendien produceren aardappelen die rijk zijn aan amylopectinezetmeel meer ethanol dan aardappelen met andere zetmelen.
Voordelen van aardappelveredeling met geselecteerd zetmeel
Toinga zegt dat de ontwikkeling van met zetmeel gemodificeerde aardappelrassen nieuwe mogelijkheden kan bieden. Aardappelen met een hoog amylopectine- en een laag amylosegehalte, zoals het gen-bewerkte Yukon Gold dat ze beschreef in het International Journal of Molecular Sciences, hebben industriële toepassingen die verder gaan dan hun traditionele toepassingen.
Daarentegen zouden aardappelen met een hoog amylosegehalte en een laag amylopectine wenselijk zijn voor menselijke consumptie, zei Wales. Amylose werkt als vezels en geeft glucose niet zo gemakkelijk af als amylopectine, wat resulteert in een lagere glycemische index en aardappelen smakelijker maakt voor mensen met diabetes.
CRISPR/Cas9 creëert nieuwe kansen
CRISPR/Cas9-technologie heeft de toolbox voor veredelaars uitgebreid en biedt een directere en snellere manier om gewenste eigenschappen in populaire commerciële gewasvariëteiten op te nemen, merkt Weils op. Traditionele veredeling is een lang proces dat 10-15 jaar kan duren.
Door de complexe aard van het aardappelgenoom is het creëren van nieuwe rassen met de juiste set van gewenste eigenschappen bovendien een uitdaging voor conventionele veredeling, zegt ze. Moleculaire technologieën hebben de efficiëntie van selectie vergroot en het bewerken van genen met behulp van CRISPR/Cas9-technologie voegt een extra laag complexiteit toe.
Verbeterde variëteit Yukon Gold
Van de verschillende aardappelrassen die in het eerste onderzoek werden geëvalueerd, regende Yukon Gold het beste, dus werd het in het tweede onderzoek gebruikt. Het resultaat was een aardappel met een hoog gehalte aan amylopectine en een laag gehalte aan amylose in zetmeel.
"Een van de uitgeschakelde planten, T2-7, vertoonde normale groei- en opbrengstkenmerken, maar was volledig verstoken van amylose", zei Toinga.
Knolzetmeel, T2-7, heeft industriële toepassingen in de papier- en textielindustrie als lijm/bindmiddel, bioplastic en ethanolproductie. Het knolzetmeel van dit experimentele monster, vanwege zijn weerstand tegen invriezen en ontdooien zonder de noodzaak van chemische modificaties, zou ook nuttig moeten zijn bij de productie van diepvriesproducten. Aardappelen met amylopectine als enige vorm van zetmeel zouden ook meer ethanol moeten opleveren voor industrieel gebruik of om alcoholische dranken te maken.
Als volgende stap in deze studies werd de toetreding T2-7 zelfbestoven en gekruist met een donorstam van Yukon Gold en andere aardappelklonen om transgene elementen te elimineren.