doi: 10.15389/agrobiology.2017.1.25rus

УДК 633.491:664.22:631.523:577.21

Работа выполнена в рамках Проекта № 0324-2016-0006 «Коллекция генотипов сельскохозяйственных растений для проведения фундаментальных исследований в области генетики растений и разработки генетических технологий маркер-ориентированной и геномной селекции».

 

ГЕНЫ-МИШЕНИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СОРТОВ КАРТОФЕЛЯ
(Solanum tuberosum L.) С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ КРАХМАЛА
(обзор)

В.К. ХЛЕСТКИН, С.Е. ПЕЛЬТЕК, Н.А. КОЛЧАНОВ

Крахмал — важное сырье органического происхождения, легкодоступное в промышленных масштабах для хозяйственной деятельности человека. Оптимальный набор физико-химических свойств молекул амилозы и амилопектина, составляющих крахмал, значительно варьирует в зависимости от области применения. Молекулярный, надмолекулярный состав и строение этих молекул регулируются генами биосинтеза и могут рассматриваться как фенотипические признаки, по которым возможна селекция. Комбинируя определенные варианты генов, можно запрограммировать растения картофеля на производство крахмала с заданной структурой и свойствами. Цель представленного обзора — обсуждение вариантов генов или их сочетаний, программирующих биосинтез крахмала в той или иной модификации, в зависимости от планируемого практического результата при последовательной постановке задачи на этапах «промышленное применение крахмала → свойства крахмала → белки (ферменты) → кодирующие гены». Для изменения генотипа растений может использоваться как классическая или маркер-опосредованная комбинационная селекция, так и методы генетической инженерии, в том числе получение нетрансгенных растений с заданными свойствами на основе технологий геномного редактирования. Биосинтез крахмала в клетках мякоти клубня картофеля происходит в цитозоле и пластидах с участием семи основных ферментов и завершается в крахмальной грануле (на ее поверхности или внутри) с привлечением еще около десятка ферментов. Так, нокаут гена GBSS кардинально повышает содержание амилопектина в крахмале, достигающее более 98 %, поэтому именно генотипы с нокаутом по указанному гену были получены раньше других генетически модифицированных форм картофеля с измененным крахмалом и протестированы в полевых условиях в качестве технической культуры. Крахмал с высоким содержанием амилопектина дает гели повышенной оптической прозрачности, устойчивости при центрифугировании, а также демонстрирует повышение максимальной и конечной температуры желатинизации и измененные реологические свойства. Если кроме гена GBSS ингибировать гены крахмалсинтаз SSII и SSIII, то крахмал образует гели, которые значительно стабильнее получаемых из обычного крахмала в условиях длительной заморозки и в циклах «замораживание-оттаивание». Ингибирование гена SBEI, кодирующего основной разветвляющий фермент, на практике не приводит к повышению количества амилозы в модифицированном картофеле. Однако совместное подавление экспрессии генов SBEI и SBEII позволяет получать крахмал с высоким содержанием амилозы (60-89 %) с примесью небольшого количества амилопектина. При усилении экспрессии фермента SBEII образуется крахмал с повышенной степенью разветвленности молекул амилопектина и укороченными цепями. При подавлении экспрессии SBEII, наоборот, степень разветвленности амилопектина снижается и возрастает количество удлиненных цепей. Нокаут гена GWDприводит к синтезу амилопектина со сниженным содержанием фосфатных групп и, соответственно, к уменьшению вязкости гелей на основе такого крахмала. Кроме того, скорость биокаталитического гидролиза крахмала с пониженным содержанием фосфатных групп уменьшается. Повышенный уровень экспрессии SSIV приводит к увеличению содержания крахмала в клубнях трансгенных растений как в теплице, так и в полевых условиях. На генетическом уровне можно также корректировать морфологию и кристалличность гранул крахмала. Как правило, морфологические признаки, в том числе физико-хими-ческие свойства крахмала, регулируются не одним-двумя генами, а генной сетью. Поэтому выявление локусов количественных признаков и идентификация диагностических маркеров на их основе позволяет применять методы маркер-ориентированной селекции (marker-assistant selection — MAS) для получения сортов картофеля, продуцирующих крахмал с заданными свойствами, который будет представлять собой оптимальное сырье для тех или иных отраслей промышленности.

Ключевые слова: картофель, крахмал, гены биосинтеза, крахмалсинтаза, амилоза, амилопектин, разветвляющий фермент, физико-химические свойства.

 

Полный текст

 

 

TARGET GENES FOR DEVELOPMENT OF POTATO (Solanum tuberosum L.)CULTIVARS WITH DESIRED STARCH PROPERTIES (review)

V.K. Khlestkin, S.E. Peltek, N.A. Kolchanov

Starch is an important organic feedstock easily available for human in industrial scale. Optimal physical and chemical properties of amylose and amylopectin molecules comprising starch significantly vary in dependence on the technical scope. Molecular and supramolecular composition as well as structure of the molecules are genetically regulated and may be considered as traits for selection. Combining genes in certain composition one may program potato plant to produce starch of predetermined structure and properties. The main goal of the review is analysis of chain sequence industrial application→starch properties→enzymes→coding genes and discussion of genes and gene compositions programming synthesis of certain starch modifications in potato tubers. Potato genotype may be changed in a controlled manner by classical combination breeding or marker-assisted selection as well as genetic engineering approaches, including the new breakthrough genome editing technologies. Starch biosynthetic pathway in tuber cells requires participation of at least seven main enzymes in cytosol and plastids and of about ten more enzymes in starch granule surface or inner space. Thus, granule-bound starch synthase gene (GBSS) knockout drastically increases amylopectin content up to > 98 %. That is the namely reason why cultivars with GBSS knockout turned out the first genetically modified forms of potato with corrected starch, field-tested as a technical crop. High amylopectin starch gives gels with high optical clearance, stability during centrifugation, and demonstrates valuable increase of maximum and final gelatinization temperature as well as different rheological behavior. If both GBSS and starch synthases genes SSII and SSIII are inhibited, the starch gives the gel, which is much more stable in prolonged freezing, or multiple freeze—thaw cycles compared to ordinary starch gel. The SBEI gene encoding the main starch branching enzyme being inhibited does not increase amylose content in modified potato. But simultaneous inhibition of both SBEI and SBEII genes results in high (60-89 %) amylose starch with minor amylopectin content. Elevation of SBEII expression allows obtaining starch characterized by increased amylopectin branching with shorter end chains. On contrary, amylopectin from potato plants with inhibited SBE synthesis has longer polysaccharide chains with lower branching. GWD gene knockout results in amylopectin with reduced phosphate content and, accordingly, reduced viscosity gels from the modified starch. Low phosphate starch demonstrates also a reduced rate of biocatalytic hydrolysis. Overexpression of SSIV results in increased tuber starch content in both greenhouse and field grown plants. Starch granule morphology and crystallinity may be corrected on genetic level as well. Typically, morphological traits including physical and chemical properties of starch are regulated by not one or two genes, but a certain gene network. So, discovery of qualitative trait loci and identification of diagnostic markers for them allows application of marker-assisted selection for developing potato cultivars with predetermined starch properties as an optimal feedstock for certain industries.

Keywords: potato, starch, biosynthesis genes, starch synthase, amylose, amylopectin, branching enzyme, physical and chemical properties.

 

ФГБУН ФИЦ Институт цитологии и генетики
СО РАН,

630090 Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 10,
e-mail: khlestkin@bionet.nsc.ru,
peltek@bionet.nsc.ru
, kol@bionet.nsc.ru

Поступила в редакцию
7 ноября 2016 года

 

Оформление электронного оттиска

назад в начало