Des chercheurs modifient l’amidon de pomme de terre avec la technologie CRISPR – AgriLife Today

A graphic with a circle of purple color and a circle of red color with a green arrow from purple to red that says CRISPR/Cas9 crosses out gbssl. Below it says CRISPR/Cas9-mediated, Complete Elimination of Amylose from Potato Starch.

Les pommes de terre humbles sont une riche source non seulement de glucides alimentaires pour les humains, mais aussi d’amidons pour de nombreuses applications industrielles. Les scientifiques de Texas A&M AgriLife apprennent à modifier le rapport des deux molécules d’amidon de la pomme de terre – l’amylose et l’amylopectine – pour augmenter les applications culinaires et industrielles.

Un graphique avec un cercle de couleur violette et un cercle de couleur rouge avec une flèche verte allant du violet au rouge indiquant CRISPR/Cas9 barre gbssl.  Ci-dessous, il est indiqué CRISPR/Cas9, élimination complète de l'amylose de l'amidon de pomme de terre.
Une représentation du processus d’élimination de l’amidon d’amylose dans une pomme de terre. (Graphique Texas A&M AgriLife)

Par exemple, les pommes de terre cireuses, qui ont une teneur élevée en amylopectine, ont des applications dans la production de bioplastiques, d’additifs alimentaires, d’adhésifs et d’alcool.

Deux articles récemment publiés dans le Journal international des sciences moléculaires et le Culture de cellules végétales, de tissus et d’organes Les revues décrivent comment la technologie CRISPR peut faire progresser les utilisations de la plus grande culture de légumes au monde.

Les deux articles incluent le travail effectué par Stephany Toinga, Ph.D., qui était étudiante diplômée dans le laboratoire de Keerti Rathore, Ph.D., biotechnologiste des plantes AgriLife Research au Texas A&M Institute for Plant Genomics and Biotechnology and Department of Soil et sciences des cultures. Isabel Vales, Ph.D., sélectionneuse de pommes de terre AgriLife Research au Texas A&M Department of Horticultural Sciences, est également co-auteur des deux articles. Toinga est maintenant associée postdoctorale Texas A&M AgriLife Research chez Vales.

“Les informations et les connaissances que nous avons acquises grâce à ces deux études nous aideront à introduire d’autres caractéristiques souhaitables dans cette culture très importante”, a déclaré Rathore.

Faits sur la pomme de terre

La pomme de terre est la première culture légumière au monde et la troisième culture alimentaire humaine la plus importante, derrière le riz et le blé dans la production mondiale. Les pommes de terre sont cultivées dans plus de 160 pays sur 40,8 millions d’acres et servent d’aliment de base à plus d’un milliard de personnes.

Avec une pomme de terre de taille moyenne fournissant environ 160 calories, principalement dérivées de l’amidon, les tubercules constituent une source d’énergie importante pour de nombreuses personnes dans le monde, a déclaré Rathore. Les pommes de terre fournissent également d’autres nutriments nécessaires, notamment des vitamines et des minéraux.

La pomme de terre est une culture de saison fraîche relativement sensible à la chaleur et à la sécheresse. La culture souffre également de ravageurs tels que le doryphore, les pucerons et les nématodes, ainsi que de maladies telles que l’alternariose et le mildiou, la puce zébrée, la pourriture sèche fusarienne et un certain nombre de maladies virales. Le mildiou a été la cause de la famine irlandaise de la pomme de terre.

L’amidon est essentiel pour les utilisations alimentaires et industrielles

La quantité d’amidon dans les tubercules de pomme de terre est le principal facteur qui détermine l’utilisation d’une pomme de terre. Les pommes de terre à haute teneur en amidon sont souvent utilisées pour fabriquer des aliments transformés tels que des frites, des chips et des pommes de terre déshydratées, a déclaré Vales.

Une règle est assise à côté d'une variété de tubercules de pommes de terre.  Deux mesurent plus d'un pouce, deux mesurent environ un pouce et un système racinaire contient trois microtubercules
Tubercules de l’une des lignées de pommes de terre éditées dans l’étude Texas A&M AgriLife. Si ceux-ci sont mis dans le sol, ils produiront une plante de pomme de terre normale avec des tubercules de taille normale. (Photo Texas A&M AgriLife par Stephany Toinga)

Les pommes de terre à teneur en amidon faible à moyenne sont fréquemment utilisées pour le marché des produits frais ou de table, a-t-elle déclaré. Pour le marché du frais, d’autres considérations importantes sont l’apparence du tubercule, y compris la texture de la peau, la couleur de la peau, la couleur de la chair et la forme du tubercule. Récemment, des types de pommes de terre de spécialité avec différentes formes, comme les alevins; tailles plus petites; et les couleurs de peau et de chair rouges, violettes ou jaunes deviennent populaires en raison de leur commodité en cuisine et de leur valeur nutritionnelle accrue.

La forme d’une pomme de terre est moins importante à des fins industrielles que pour la consommation humaine, a déclaré Vales. Les tubercules de pomme de terre présentant des déformations externes causées par la chaleur ou la sécheresse ou d’autres facteurs peuvent être réorientés vers une myriade d’utilisations, y compris la nourriture pour chiens et bovins. De plus, la fécule de pomme de terre peut produire de l’éthanol comme carburant ou dans des boissons comme la vodka ; un substitut biodégradable aux plastiques; ou des adhésifs, des liants, des agents de texture et des charges pour les industries pharmaceutiques, textiles, du bois et du papier, et d’autres secteurs.

Pour les applications industrielles, la quantité et le type d’amidon dans une pomme de terre sont des considérations importantes.

Toinga a déclaré que les amidons riches en amylopectine sont souhaitables pour les aliments transformés et d’autres applications industrielles en raison de leurs propriétés fonctionnelles uniques. Par exemple, ces amidons sont la forme préférée pour une utilisation en tant que stabilisant et épaississant dans les produits alimentaires et en tant qu’émulsifiant dans les vinaigrettes. En raison de sa stabilité à la congélation-décongélation, l’amidon d’amylopectine est utilisé dans les aliments surgelés. De plus, les pommes de terre riches en amidon d’amylopectine produisent des niveaux d’éthanol plus élevés que celles contenant d’autres amidons.

Les avantages de cultiver des pommes de terre avec des amidons sélectionnés

Le développement de cultivars de pomme de terre avec de l’amidon modifié pourrait ouvrir de nouvelles opportunités, a déclaré Toinga. Les pommes de terre à forte teneur en amylopectine et à faible teneur en amylose, comme la souche Yukon Gold génétiquement modifiée qu’elle a décrite dans l’International Journal of Molecular Sciences, ont des applications industrielles au-delà des utilisations traditionnelles.

En revanche, les pommes de terre avec des niveaux élevés d’amylose et une faible teneur en amylopectine seraient souhaitables pour la consommation humaine, a déclaré Vales. L’amylose agit comme une fibre et ne libère pas le glucose aussi facilement que l’amylopectine, ce qui entraîne un indice glycémique plus bas et rend les pommes de terre plus acceptables pour les personnes atteintes de diabète.

CRISPR/Cas9 crée de nouvelles options

La technologie CRISPR/Cas9 a élargi l’ensemble d’outils à la disposition des sélectionneurs, a déclaré Vales, et elle représente un moyen plus direct et plus rapide d’incorporer les traits souhaités dans les variétés de cultures commerciales populaires. La sélection conventionnelle est un long processus qui peut prendre 10 à 15 ans.

Un pot avec un plant de pomme de terre à l'intérieur et de minuscules microtubercules au fond.
Une lignée KO en culture qui a produit des pommes de terre miniatures appelées microtubercules. (Photo Stephany Toinga de Texas A&M AgriLife)

En outre, a-t-elle déclaré, en raison de la nature complexe du génome de la pomme de terre, générer de nouveaux cultivars avec le bon complément de traits souhaitables est un défi pour la sélection conventionnelle. La sélection moléculaire a amélioré l’efficacité de la sélection et l’édition de gènes à l’aide de la technologie CRISPR/Cas9 ajoute un autre niveau de sophistication.

“Nous avons utilisé la méthode Agrobacterium pour administrer les réactifs CRISPR dans les pommes de terre car elle est fiable, efficace et la moins chère par rapport à toutes les autres méthodes d’administration”, a déclaré Rathore.

Dans la première étude, mise en évidence dans le Culture de cellules végétales, de tissus et d’organes article, une lignée de pomme de terre contenant quatre copies de gfp, un gène de méduse qui permet une visualisation basée sur la fluorescence de l’activité du gène, a été ciblée pour la mutation à l’aide du système CRISPR/Cas9, a déclaré Toinga.

Essentiellement, ce projet a fourni un trait facile à voir qui a permis aux chercheurs d’optimiser la méthodologie.

“La perte de la fluorescence verte caractéristique et le séquençage du gène gfp après le traitement CRISPR ont indiqué qu’il est possible de perturber les quatre copies du gène gfp, confirmant ainsi qu’il devrait être possible de muter les quatre allèles d’un gène natif dans le tétraploïde. pomme de terre », a déclaré Rathore.

Un cultivar Yukon Gold amélioré

Parmi les différents cultivars de pomme de terre évalués dans la première étude, la souche Yukon Gold s’est le mieux régénérée et a donc été utilisée pour la deuxième étude. Dans la seconde étude knock-out, décrite dans le Journal international des sciences moléculaires, le gène natif gbss de la souche tétraploïde Yukon Gold a été ciblé pour éliminer efficacement l’amylose. Le résultat était une pomme de terre avec de l’amidon riche en amylopectine et faible en amylose.

“L’un des événements à élimination directe, T2-7, a montré des caractéristiques de croissance et de rendement normales, mais était complètement dépourvu d’amylose”, a déclaré Toinga.

Cet amidon de tubercule, T2-7, pourrait trouver des applications industrielles dans les secteurs du papier et du textile comme les industries des adhésifs/liants, des bioplastiques et de l’éthanol. L’amidon de tubercule de cette souche expérimentale, en raison de sa stabilité à la congélation-décongélation sans nécessiter de modifications chimiques, devrait également être utile dans la production d’aliments surgelés. Les pommes de terre contenant de l’amylopectine comme forme exclusive d’amidon devraient également produire plus d’éthanol à usage industriel ou pour créer des boissons alcoolisées.

Comme prochaine étape de ces études, la souche T2-7 a été autopollinisée et croisée avec le donneur de souche Yukon Gold et d’autres clones de pomme de terre pour éliminer les éléments transgéniques.

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