Использование клеточного счетчика для анализа морфологических характеристик и количественной оценки крахмальных гранул различных сортов картофеля (Solanum tuberosum L.)

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. 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. 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. 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. 

1. Buléon 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)00040-3

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. Tateoka T. Further studies on starch grains of seeds in Poaceae from the view point of systematic. J. Jap. Bot. 1955;30:199-208.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. Belitz H.-D., Grosch W., Schieberle P. Food Chemistry. 4th revis. expand. ed. Leipzig: Springer-Verlag, 2009. 1070 p.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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- 11112

21. Li 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.e5

22. Хлесткин 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/VJ17.290

23. The 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.html

24. Moroney M.J. Facts from figures. 3rd ed. Harmondsworth. Middlesex: Penguin Books Ltd., 1956. 472 p.

25. 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;353:443-45