利用CRISPR技术对土豆中的淀粉进行改性

简陋的土豆不仅是人类膳食碳水化合物的丰富来源，也是许多工业应用淀粉的丰富来源。科学家正在学习如何改变土豆的两种淀粉分子：直链淀粉和支链淀粉的比例，以增加工业应用。

　　

关于土豆

土豆是世界上第一大蔬菜作物，也是第三大最重要的人类粮食作物，全球产量仅次于水稻和小麦。土豆种植在160多个国家的4080万英亩土地上，是超过10亿人的主食。一个中等大小的土豆可以提供大约160卡路里的热量，主要来自淀粉。土豆还提供其他必要的营养，包括维生素和矿物质。马铃薯是一种冷季作物，对高温和干旱胁迫相对敏感。这种作物还遭受害虫，以及晚疫病等一些病毒性疾病。晚疫病是爱尔兰马铃薯饥荒的原因。

淀粉是膳食和工业用途的关键

马铃薯块茎中的淀粉含量是决定马铃薯用途的主要因素。高淀粉土豆常被用于制作薯条、薯片和脱水土豆等加工食品。淀粉含量低到中等的土豆经常被用于新鲜或餐桌库存。对于生鲜市场来说，块茎外观是另外一个重要的考虑因素，包括表皮纹理、颜色、肉色和块茎形状。近年来出现了不同形状的特色马铃薯品种，红色、紫色或黄色皮和肉颜色正变得流行，因为它们方便烹饪和增加营养价值。

马铃薯块茎形状对工业用途的重要性显然不如对人类消费的重要性。由于高温或干旱胁迫或其他因素引起的外型畸形的马铃薯块茎可以重新定向到各种用途，包括狗和牛的饲料。此外，马铃薯淀粉可以生产乙醇作为燃料或伏特加等饮料、塑料的可降解替代品、或用于制药、纺织、木材和造纸等行业的粘合剂、粘合剂、质地剂和填充剂。

在工业应用中，马铃薯中淀粉的数量和种类是重要的考虑因素。支链淀粉含量高的土豆在生物塑料、食品添加剂、粘合剂和酒精的生产中都有应用。支链淀粉含量较高的淀粉由于其独特的功能特性，适合用于加工食品和其他工业应用。例如，这类淀粉是食品中用作稳定剂和增稠剂以及沙拉酱中用作乳化剂的首选形式。支链淀粉由于具有冻融稳定性，常用于冷冻食品中。此外，与其他淀粉相比，富含支链淀粉的土豆产生更高的乙醇水平。

相比之下，直链淀粉含量高、支链淀粉含量低的土豆更适合人类食用。直链淀粉的作用类似于纤维，不像支链淀粉那样容易释放葡萄糖，从而导致血糖指数较低，使土豆更容易被糖尿病患者接受。

CRISPR/Cas9对土豆淀粉进行改性

最近发表在《国际分子科学杂志》和《植物细胞、组织和器官培养》杂志上的两篇文章概述了CRISPR技术如何促进土豆这种世界上最广泛的蔬菜作物的使用。

这两篇论文的作者Stephany Toinga博士是德克萨斯农工大学植物基因组学和生物技术研究所和土壤和作物科学系的Keerti Rathore博士实验室的研究生。这两篇论文的共同作者Isabel Vales博士是德州农工大学园艺科学系的农业生命研究马铃薯育种家。Toinga现在是德州农工大学农业生命研究博士后，与Vales合作。

CRISPR/Cas9技术扩大了育种者可用的工具集，它代表了一种更直接、更快的方法，将所需性状纳入受欢迎的商业作物品种。传统的育种是一个漫长的过程，可能需要10-15年。由于马铃薯基因组的复杂性，产生具有理想性状的正确互补的新品种对传统育种是一个挑战。分子育种提高了育种效率，使用CRISPR/Cas9技术的基因编辑又增加了一个层次的复杂性。

开发改良淀粉的马铃薯品种可能会带来新的机遇。Toinga第一项研究中，利用CRISPR/Cas9系统对一个含有四份绿色荧光蛋白GFP拷贝的马铃薯系（四倍体）进行了编辑。GFP是一种水母基因，可以通过荧光显示基因的活性。从本质上说，这提供了一个容易看到的特点，使研究人员能够优化方法。“失去绿色荧光和GFP基因的测序结果表明，CRISPR处理可以破坏四倍体土豆中的所有四个GFP基因的副本，因此确认CRISPR技术应该是可以将四倍体土豆的四个原生等位基因引入变异。”Rathore说。“我们利用农杆菌法将CRISPR试剂运送到土豆中，因为与所有其他运送方法相比，它是可靠的，有效的，最便宜的。我们从这两项研究中获得的信息和知识将帮助我们在这种非常重要的作物中引入其他理想的性状。”

Toinga在《国际分子科学杂志》(International Journal of Molecular Sciences)发表的第二项敲除研究中针对四倍体Yukon Gold株系中的本地基因gbss，有效消除直链淀粉，结果得到一种支链淀粉含量高、直链淀粉含量低的马铃薯。这种基因编辑土豆Yukon Gold品种，在传统用途之外还有工业用途。

Toinga说:“其中一个敲除株T2-7显示出正常的生长和产量特征，但完全没有直链淀粉。”T2-7这种品系土豆淀粉可以在造纸和纺织行业作为粘合剂/粘合剂，生物塑料和乙醇工业中找到工业应用。来自该实验株的块茎淀粉，由于其冻融稳定性，不需要化学改性，也应有助于生产冷冻食品。以支链淀粉为唯一淀粉形式的土豆也可以生产更多的乙醇，用于工业用途或制造酒精饮料。

作为这些研究的下一步，T2-7株系已进行自花授粉，并与Yukon Gold株系供体和其他马铃薯无性系杂交，以消除转基因成分。

CRISPR/Cas9技术在手，这是想当上帝了啊。