Крахмал является основным источником энергии для растений и одним из центральных компонентов пищи человека и животных. Он используется для производства пищевых и медицинских продуктов, одежды, клея, пластмасс, а также сельскохозяйственного сырья.
Свойства крахмала, востребованные в разных областях, определяются соотношением двух основных полисахаридов – линейной амилозы и разветвленного амилопектина. У обычной кукурузы 20 % амилозы и 80 % амилопектина. Амилоза способствует образованию мелких гранул крахмала, амилопектин – крупных. Если в составе крахмала доля амилозы больше нормы, крахмальные гранулы будут мелкими и консистенция клейстера станет более жидкой, а в случае повышения доли амилопектина – плотной.
В России востребованы разные формы крахмалов, но особенно остро стоит вопрос импортозамещения крахмала с очень высоким содержанием амилозы (>90%) и амилопектина (100%).
Российские ученые получили новое представление о регулировании физико-химических свойств кукурузного крахмала, которое позволит усовершенствовать технологию получения зерновых крахмалов с заданными физико-химическими свойствами и необходимым соотношением амилозы и амилопектина.
Ведущий научный сотрудник отдела генетических ресурсов крупяных культур ВИР Эдуард Хатефов и его коллеги из филиала Федерального исследовательского центра картофеля имени А.Г. Лорха, «Всероссийского научно-исследовательского института крахмала и переработки крахмалосодержащего сырья» и Института биохимической физики им. Эмануэля РАН изучили термодинамические параметры крахмала и гены, которые их определяют, у разных подвидов кукурузы из коллекции ВИР.
Результаты исследований показали, что увеличение содержания амилозы в крахмале, сопровождающееся снижением термодинамических параметров плавления, вызывает накопление дефектных структур. Увеличивая или уменьшая соотношение тех или иных генов, влияющих на синтез и тип полимерной цепи крахмала (wx, ae, su), можно задавать определенные термодинамические параметры плавления крахмалов и размеров их гранул вплоть до наноразмеров. Следовательно, подбирая генетические формулы родительских пар будущих гибридов кукурузы мы сможем задавать свойства крахмала в зерне по мере его созревания. т.е инженерия технологических свойств возобновляемого растительного продукта с помощью генетики.
Ранее ученым было известно, что на биосинтез различных форм крахмала и размер их гранул влияют мутантные гены – wx, ae, su. В новом исследовании удалось установить, что эти же гены определяют у крахмала и термодинамические, и структурные особенности.
«Зная о влиянии генотипа на свойства крахмала мы можем менять количество и соотношение ключевых генов и, соответственно, изменять структуру и размер крахмальной гранулы вплоть до наноразмеров. Это позволит получать крахмал с заданным спектром физико-химических свойств и фенотипов крахмального зерна, изменяя соотношения амилозы и амилопектина», – рассказывает Эдуард Балилович.
Работа проходит в рамках гранта РНФ «Создание с использованием генетических технологий и изучение новых линий растений, адаптированных к меняющимся условиям окружающей среды, обладающих повышенной продуктивностью и диетической ценностью» (№ 21-66-00012).
Рис. Изображения фенотипических признаков зерна кукурузы с разными генотипами (wx; ae; wt; su), а также их гранул крахмалов, сделанных с помощью светового и сканирующего электронного микроскопа. Источник: Эдуард Хатефов