ovoshchiОвощи РоссииVegetable crops of Russia2072-91462618-7132Федеральный научный центр овощеводства10.18619/2072-9146-2022-4-33-39ovoshchi-2004Research ArticleСЕЛЕКЦИЯ, СЕМЕНОВОДСТВО И БИОТЕХНОЛОГИЯ РАСТЕНИЙBREEDING, SEED PRODUCTION AND PLANT BIOTECHNOLOGYИспользование клеточного счетчика для анализа морфологических характеристик и количественной оценки крахмальных гранул различных сортов картофеля (Solanum tuberosum L.)The automated cell counter for the analysis of morphological characteristics and the quantitative estimation of starch granules in different potato varietieshttps://orcid.org/0000-0002-9364-9225ВолковД. И.VolkovD. I.

Дмитрий Игоревич Волков – аспирант, зав. отделом картофелеводства и овощеводства

692539, Приморский край, г. Уссурийск, пос. Тимирязевский, ул. Воложенина, 30б

Dmitriy I. Volkov – PhD student, Head of Potato and Vegetable Growing Department

30 B, Volozhenina str., Timiryazevsky stl., Ussuriysk, Primorsky krai, 692539

volkov_dima@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4383-3390СобкоО. А.SobkoO. A.

Ольга Абдулалиевна Собко – аспирант, н.с. лаборатории селекционно-генетических исследований полевых культур

692539, Приморский край, г. Уссурийск, пос. Тимирязевский, ул. Воложенина, 30б

Olga A. Sobko – PhD student, Researcher of the Laboratory of Selection and Genetic Research of Field Crops

30 B, Volozhenina str., Timiryazevsky stl., Ussuriysk, Primorsky krai, 692539

o.eyvazova@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-1727-4641ФисенкоП. В.FisenkoP. V.

Петр Викторович Фисенко – кандидат биол. наук, в.н.с, и.о. зав. лабораторией селекционно-генетических исследований полевых культур

692539, Приморский край, г. Уссурийск, пос. Тимирязевский, ул. Воложенина, 30б

Petr V. Fisenko – Cand. Sci. (Biology), Leading Researcher, Acting Head of laboratory of selection and genetic research of field crops

30 B, Volozhenina str., Timiryazevsky stl., Ussuriysk, Primorsky krai, 692539

phisenko@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0165-1716МацишинаН. В.MatsishinaN. V.

Наталия Валериевна Мацишина – кандидат биол. наук, ст.н.с. лаборатории селекционно-генетических исследований полевых культур

692539, Приморский край, г. Уссурийск, пос. Тимирязевский, ул. Воложенина, 30б

Nathalia V. Matsishina – Cand. Sci. (Biology), Senior Researcher laboratory of selection and genetic research of field crops

30 B, Volozhenina str., Timiryazevsky stl., Ussuriysk, Primorsky krai, 692539

mnathalie134@gmail.comГисюкА. А.GisyukA. A.

Александр Александрович Гисюк – м.н.с. отдела картофелеводства и овощеводства

692539, Приморский край, г. Уссурийск, пос. Тимирязевский, ул. Воложенина, 30б

Aleksandr A. Gisyuk – Junior Researcher of of the Department of Potato and Vegetable Growing

30 B, Volozhenina str., Timiryazevsky stl., Ussuriysk, Primorsky krai, 692539

https://orcid.org/0000-0002-0656-0645КимИ. В.KimI. V.

Ирина Вячеславовна Ким – кандидат с.-х. наук, в.н.с. отдела картофелеводства и овощеводства

692539, Приморский край, г. Уссурийск, пос. Тимирязевский, ул. Воложенина, 30б

Irina V. Kim – Cand. Sci. (Agriculture), Leading Researcher of the Department of Potato and Vegetable Growing

30 B, Volozhenina str., Timiryazevsky stl., Ussuriysk, Primorsky krai, 692539

https://orcid.org/0000-0002-3727-8634ЕрмакМ. В.ErmakM. A.

Марина Владимировна Ермак – м.н.с. лаборатории селекционно-генетических исследований полевых культур

692539, Приморский край, г. Уссурийск, пос. Тимирязевский, ул. Воложенина, 30б

Marina V. Ermak – Junior Researcher of laboratory of selection and genetic research of field crops 

30 B, Volozhenina str., Timiryazevsky stl., Ussuriysk, Primorsky krai, 692539

ermackmarine@yandex.ruФедеральное государственное бюджетное учреждение «Федеральный научный центр агробиотехнологий Дальнего Востока им. А.К. Чайки»РоссияFederal State Budget Scientific Institution “Federal Scientific Center of Agricultural Biotechnology of the Far East named after A.K. Chaiki”Russian Federation202224072022043339Copyright © Волков Д.И., Собко О.А., Фисенко П.В., Мацишина Н.В., Гисюк А.А., Ким И.В., Ермак М.В., 20222022Волков Д.И., Собко О.А., Фисенко П.В., Мацишина Н.В., Гисюк А.А., Ким И.В., Ермак М.В.Volkov D.I., Sobko O.A., Fisenko P.V., Matsishina N.V., Gisyuk A.A., Kim I.V., Ermak M.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vegetables.su/jour/article/view/2004Актуальность

Актуальность. Картофельный крахмал широко используют в пищевой и текстильной промышленностях, парфюмерии, фармацевтике. Содержание крахмала и величина крахмальных гранул в картофеле (Solanum tuberosum L.) является сортовым признаком. Изучение морфологических свойств крахмала важно как для селекции новых сортов технического назначения, так и для перерабатывающей промышленности. Основной целью данной работы – дать сравнительную характеристику морфологической структуры нативного картофельного крахмала методом клеточного счетчика Countess II FL automated cellcounter.

Материалы и методы

Материалы и методы. Исследования выполнены в 2020-2021 гг. на экспериментальной базе ФГБНУ «ФНЦ агрибиотехнологий Дальнего Востока им. А.К. Чайки» (Приморский край). Объектом исследований являлись 11 сортообразцов различного срока созревания. Морфологическую структуру крахмальных гранул оценивали методом анализа изображений на клеточном счетчике Countess II FL automated cell counter.

Результаты

Результаты. Изученные сорта, независимо от срока созревания и генетического происхождения, имели преимущественно гранулы округлой и овальной формы. Были отмечены различия в размере крахмальных гранул в зависимости от величины клубня и группы спелости. Сорта раннего срока созревания имели преимущественно размер гранул менее 20 мкм не зависимо от фракции клубней, исключение составляет сорт Queen Anne, в мелких клубнях данного сорта гранулы крахмала размером более 20 мкм составляет 67,86%. Было отмечено, что доля средних и крупных зерен возрастала в сортах с более продолжительным периодом вегетации, так сорт Августин среднеспелого срока созревания имел долю средних и крупных зерен в крупном и мелком клубне 47,72 и 41,48% соответственно. Максимальное количество гранул размером более 20 мкм отмечено у среднепоздних сортов Казачок (63,77%) и Смак (92,22%).

Заключение

Заключение. Метод с использованием клеточного счетчика и последующей обработкой микрофотографий гранул крахмала представляет собой доступный, экономичный, простой и эффективный подход к фенотипированию сортов и гибридов картофеля Solanum tuberosum L. по физико-химическим параметрам крахмала. Данный метод может применяться для ускоренного анализа большого числа образцов на ограниченном количестве природного материала, в том числе в полевых и хозяйственных лабораториях. 

Relevance

Relevance. Potato starch is widely used in the food, textile, perfume and pharmaceutical industries. The starch content and the size of starch granules in potato tubers are varietal characteristics (Solanum tuberosum L.). The knowledge of morphological properties of starch plays a key role in the technologies for the production of consumer and industrial goods.

Materials and methods

Materials and methods. The studies were carried out in 2020-2021 at the experimental base of Federal State Budget Scientific Institution “Federal Scientific Center of Agricultural Bio-technology of the Far East named after A.K. Chaiki” (Primorsky Krai). The object of the research were 11 varieties of different maturity dates. Morphological structure of starch granules was evaluated by image analysis on Countess II FL automated cell counter.

Results

Results. The varieties studied had predominantly rounded and oval pellets regardless of maturity and genetic origin. Differences in starch granule size depending on tuber size and ripeness group were noted. Early maturing varieties had granule size less than 20 microns regardless of tuber fraction. The exception is the variety Queen Anne, in small tubers of this variety starch granules larger than 20 microns is 67.86%. It was noted that the proportion of medium and large grains increased in varieties with a longer growing season. For example, the variety Augustin medium-ripening had a proportion of medium and large grains in the large and small tuber of 47.72 and 41.48%, respectively. The maximum number of grains larger than 20 microns was observed in the mid-late varieties Kazachok (63.77%) and Smak (92.22%).

Conclusion

Conclusion. The method using a cell counter and subsequent processing of microphotographs of starch granules is an accessible, economical, simple and effective approach to phenotyping potato varieties and hybrids of Solanum tuberosum L. by physical and chemical parameters of starch. This method can be used for accelerated analysis of a large number of samples on a limited amount of natural material, including in field and farm laboratories. 

Solanum tuberosum L.картофельсорткрахмалморфологиягранулаклеточный счетчикSolanum tuberosum L.potatovarietystarchmorphologygranulecell counterReferencesBuléon A., Colonna P., Planchot V., Ball S. Starch granules: structure and biosynthesis. Int. J. Biol. Macromol. 1998;23(2):85-112. DOI: 10.1016/s0141-8130(98)00040-3Buléon A., Colonna P., Planchot V., Ball S. Starch granules: structure and biosynthesis. Int. J. Biol. Macromol. 1998;23(2):85-112. DOI: 10.1016/s0141-8130(98)00040-3Hancock R.D., Tarbet B.J. The other double helix – the fascinating chemistry of starch. J. Chem. Educ. 2000;77:988-992. DOI: http://dx.doi.org/10.1021/ed077p988.Hancock R.D., Tarbet B.J. The other double helix – the fascinating chemistry of starch. J. Chem. Educ. 2000;77:988-992. DOI: http://dx.doi.org/10.1021/ed077p988.Nakamura Y. Towards a better understanding of the metabolic system for amylopectin biosynthesis in plants: rice endosperm as a model tissue. Plant Cell Physiol. 2002;43:718-725. DOI: https://doi.org/10.1093/pcp/pcf091.Nakamura Y. Towards a better understanding of the metabolic system for amylopectin biosynthesis in plants: rice endosperm as a model tissue. Plant Cell Physiol. 2002;43:718-725. DOI: https://doi.org/10.1093/pcp/pcf091.James M.G., Denyer K., Myers A.M. Starch synthesis in the cereal endosperm. Curr. Opin. Plant Biol. 2003;6:215-222. DOI: https://doi.org/10.1016/S1369-5266(03)00042-6.James M.G., Denyer K., Myers A.M. Starch synthesis in the cereal endosperm. Curr. Opin. Plant Biol. 2003;6:215-222. DOI: https://doi.org/10.1016/S1369-5266(03)00042-6.Sakamoto W., Miyagishima S.Y., Jarvis P. Chloroplast biogenesis: control of plastid development, protein import, division and inheritance. Arab. Book. 2008;6.e0110. DOI: 10.1199/tab.0110.Sakamoto W., Miyagishima S.Y., Jarvis P. Chloroplast biogenesis: control of plastid development, protein import, division and inheritance. Arab. Book. 2008;6.e0110. DOI: 10.1199/tab.0110.Fajardo D., Haynes K.G. Jansky S. Starch Characteristics of Modern and Heirloom Potato Cultivars. Am. J. Potato Res. 2013; 90: 460–469. DOI: https://doi.org/10.1007/s12230-013-9320-5.Fajardo D., Haynes K.G. Jansky S. Starch Characteristics of Modern and Heirloom Potato Cultivars. Am. J. Potato Res. 2013; 90: 460–469. DOI: https://doi.org/10.1007/s12230-013-9320-5.Matsushima R., Maekawa M., Fujita N., Sakamoto W. A rapid, direct observation method to isolate mutants with defects in starch grain morphology in rice. Plant Cell Physiol. 2010;51:728-741. DOI: 10.1093/pcp/pcq040.Matsushima R., Maekawa M., Fujita N., Sakamoto W. A rapid, direct observation method to isolate mutants with defects in starch grain morphology in rice. Plant Cell Physiol. 2010;51:728-741. DOI: 10.1093/pcp/pcq040.Harz C.O. Beiträge zur systematik der Gramineen. Linnaea. 1880;43(9):1- 30. 9. Tateoka T. On the systematic significance of starch grains of seeds in Poaceae. J. Jap. Bot. 1954;29:341-347.Harz C.O. Beiträge zur systematik der Gramineen. Linnaea. 1880;43(9):1- 30. 9. Tateoka T. On the systematic significance of starch grains of seeds in Poaceae. J. Jap. Bot. 1954;29:341-347.Tateoka T. Further studies on starch grains of seeds in Poaceae from the view point of systematic. J. Jap. Bot. 1955;30:199-208.Tateoka T. Further studies on starch grains of seeds in Poaceae from the view point of systematic. J. Jap. Bot. 1955;30:199-208.Czaja A.T. Structure of starch grains and the classification of vascular plant families. Taxon. 1978; 7(5-6):463-470. DOI: https://doi.org/10.2307/1219895.Czaja A.T. Structure of starch grains and the classification of vascular plant families. Taxon. 1978; 7(5-6):463-470. DOI: https://doi.org/10.2307/1219895.Jane J.-L., Kasemsuwan T., Leas S. et al. Anthology of starch granule morphology by scanning electron microscopy. Starch-Starke. 1994;46(4):121- 129. DOI: https://doi.org/10.1002/star.19940460402.Jane J.-L., Kasemsuwan T., Leas S. et al. Anthology of starch granule morphology by scanning electron microscopy. Starch-Starke. 1994;46(4):121- 129. DOI: https://doi.org/10.1002/star.19940460402.Shapter F.M., Henry R.J., Lee L.S. Endosperm and starch granule morphology in wild cereal relatives. Plant Genet. Res. 2008;6:85-97. 14. Tateoka T. Starch grains of endosperm in grass systematic. Bot. Mag. Tokyo. 1962;75(892):377-383. DOI: https://doi.org/10.15281/jplantres1887.75.377.Shapter F.M., Henry R.J., Lee L.S. Endosperm and starch granule morphology in wild cereal relatives. Plant Genet. Res. 2008;6:85-97. 14. Tateoka T. Starch grains of endosperm in grass systematic. Bot. Mag. Tokyo. 1962;75(892):377-383. DOI: https://doi.org/10.15281/jplantres1887.75.377.Barker N.P., Clark L.G., Davis J.I. et al. Phylogeny and subfamilial classification of the grasses (Poaceae). Ann. Missouri Bot. Garden. 2001;88(3):373-457. DOI: https://doi.org/10.2307/3298585.Barker N.P., Clark L.G., Davis J.I. et al. Phylogeny and subfamilial classification of the grasses (Poaceae). Ann. Missouri Bot. Garden. 2001;88(3):373-457. DOI: https://doi.org/10.2307/3298585.Cabálková J., Přibyl J., Skládal P., Kulich P, Chmelík J. Size, shape and surface morphology of starch granules from Norway spruce needles revealed by transmission electron microscopy and atomic force microscopy: effects of elevated CO2 concentration. Tree Physiology. 2008;28(10):1593-1599. DOI: https://doi.org/10.1093/treephys/28.10.1593.Cabálková J., Přibyl J., Skládal P., Kulich P, Chmelík J. Size, shape and surface morphology of starch granules from Norway spruce needles revealed by transmission electron microscopy and atomic force microscopy: effects of elevated CO2 concentration. Tree Physiology. 2008;28(10):1593-1599. DOI: https://doi.org/10.1093/treephys/28.10.1593.Psota V., Bohaèenko I., Hartmann J. Budinská M. ,Chmelík J. Comparison of the GFFF and LALLS methods for the measurement of starch granule size distribution in spring barley caryopses. J. Inst. Brew. 2002;108(2):200-203. DOI: https://doi.org/10.1002/j.2050-0416.2002.tb00541.x.Psota V., Bohaèenko I., Hartmann J. Budinská M. ,Chmelík J. Comparison of the GFFF and LALLS methods for the measurement of starch granule size distribution in spring barley caryopses. J. Inst. Brew. 2002;108(2):200-203. DOI: https://doi.org/10.1002/j.2050-0416.2002.tb00541.x.Belitz H.-D., Grosch W., Schieberle P. Food Chemistry. 4th revis. expand. ed. Leipzig: Springer-Verlag, 2009. 1070 p.Belitz H.-D., Grosch W., Schieberle P. Food Chemistry. 4th revis. expand. ed. Leipzig: Springer-Verlag, 2009. 1070 p.Pérez S., Bertoft E. The molecular structures of starch components and their contribution to the architecture of starch granules: a comprehensive review. Starch/Starke. 2010;62(8):389-420. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/star.201000013.Pérez S., Bertoft E. The molecular structures of starch components and their contribution to the architecture of starch granules: a comprehensive review. Starch/Starke. 2010;62(8):389-420. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/star.201000013.Sjöö M.E., Eliasson A.-C., Autio K. Comparison of Different Microscopic Methods for the Study of Starch and Other Components within Potato Cells. Food. 2009;3(Special Is. 1):39-44.Sjöö M.E., Eliasson A.-C., Autio K. Comparison of Different Microscopic Methods for the Study of Starch and Other Components within Potato Cells. Food. 2009;3(Special Is. 1):39-44.Jagadeesan S., Govindaraju I., Mazumder N. Insight into the Ultrastructural and Physiochemical Characterization of Potato Starch: A Review. Am. J. Potato Res. 2020;97:464-476. DOI: https://doi.org/10.1007/s12230-020-09798-w.Jagadeesan S., Govindaraju I., Mazumder N. Insight into the Ultrastructural and Physiochemical Characterization of Potato Starch: A Review. Am. J. Potato Res. 2020;97:464-476. DOI: https://doi.org/10.1007/s12230-020-09798-w.Литвяк В.В., Заболотец А.А., Симаков Е.А., Митюшкин А.В., Журавлев А.А., Костенко В.Г. Особенности морфологической структуры гранул крахмала различных сортов картофеля. Достижения науки и техники АПК. 2019;33(11):55-59. EDN: THPMQH. DOI: 10.24411/0235-2451-2019- 11112Litvyak V.V., Zabolotets A.A., Simakov E.A., Mityushkin A.V., Zhuravlev A.A., Kostenko V.G. Features of the morphological structure of starch granules in various potato varieties. Achievements of science and technology of the agro-industrial complex. 2019;33(11):55-59. (In Russ.) EDN: THPMQH. DOI: 10.24411/0235-2451-2019-11112Li X.-Q., Zhang, J. Luo S., Liu G., Murphy A., Leclerc Y., Xing T. Effects of sampling methods on starch granule size measurement of potato tubers under a light microscope. Int. J. Plant Biol. 2011;2:14-18. DOI: http://dx.doi.org/10.4081/pb.2011.e5Li X.-Q., Zhang, J. Luo S., Liu G., Murphy A., Leclerc Y., Xing T. Effects of sampling methods on starch granule size measurement of potato tubers under a light microscope. Int. J. Plant Biol. 2011;2:14-18. DOI: http://dx.doi.org/10.4081/pb.2011.e5Хлесткин В.К., Эрст Т.В. Практическое руководство по оценке морфологии гранул картофельного крахмала методом микроскопирования. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2017.21.(6):728-734. DOI: 10.18699/VJ17.290Khlestkin V.K., Erst T.V. A practical guide to the starch granules’ morphology study by microscopy. Vavilov journal of genetics and breeding. 2017.21.(6):728-734. (In Russ.) DOI: 10.18699/VJ17.290The new and improved Countess® II FL Automated Cell Counter. https://www.thermofisher.com/ru/ru/home/references/newsletters-and-journals/bioprobes-journal-of-cell-biology-applications/bioprobes-70/countess-iifl-automated-cell-counter.htmlThe new and improved Countess® II FL Automated Cell Counter. https://www.thermofisher.com/ru/ru/home/references/newsletters-and-journals/bioprobes-journal-of-cell-biology-applications/bioprobes-70/countess-iifl-automated-cell-counter.htmlMoroney M.J. Facts from figures. 3rd ed. Harmondsworth. Middlesex: Penguin Books Ltd., 1956. 472 p.Moroney M.J. Facts from figures. 3rd ed. Harmondsworth. Middlesex: Penguin Books Ltd., 1956. 472 p.Eliasson A.C. Starch in food: structure, function and application. Cambridge: Woodhead Publishing ltd, 2004. 590 p. 28. Volkov D., Kim I. Klykov A., Matsishina N. Comparative Evaluation of Different Potato Varieties for Their Suitability for Starch Processing. Lecture Notes in Networks and Systems. 2022;353:443-45Eliasson A.C. Starch in food: structure, function and application. Cambridge: Woodhead Publishing ltd, 2004. 590 p. 28. Volkov D., Kim I. Klykov A., Matsishina N. Comparative Evaluation of Different Potato Varieties for Their Suitability for Starch Processing. Lecture Notes in Networks and Systems. 2022;353:443-45

The authors declare that there are no conflicts of interest present.