Гены-мишени для получения сортов картофеля (Solanum tuberosum L.) с заданными свойствами крахмала

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 GWD приводит 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.