Исследование морфологических структур крахмальных гранул в клетке картофеля (Solanum tuberosum L.) методом лазерной сканирующей конфокальной микроскопии

Актуальность. Картофель является одним из основных источников крахмала. Картофельный крахмал широко используется в хозяйственной деятельности человека. Его содержание в клубнях, в том числе количество крахмальных гранул и их размер и величина, в большей степени сортовой признак. В связи с этим крайне важно на начальных этапах селекции выделить сорта с показателями крахмальных зёрен, пригодных для получения крахмала.

Материал и методы. Цель исследования – изучить морфологическую структуру крахмальных гранул в клетке клубней сортов картофеля различных групп спелости. Объектом исследований служили 18 сортов картофеля (Solanum tuberosum L.) различного происхождения и групп спелости. Гранулометрический состав определяли методом флуоресцентной микроскопии. Исследования проводили с помощью конфокального лазерного сканирующего микроскопа CLSM 800 (Zeiss, Германия) с длиной волны возбуждающего лазера 488 нм.

Результаты. Получены новые данные о морфологии крахмальных гранул в клетке, имеющих различную форму: округлую, овальную, удлиненную и неправильную. Установлена прямая связь между количеством крупных крахмальных зерен в клетке и сроком созревания генотипа. Показано, что сорта из среднеспелой и среднепоздней групп созревания более крахмалистые, чем сортообразцы из более ранних групп спелости. В среднем отличие по содержанию крахмала между этими группами составило 1.97 %. Наибольшее количество крахмальных зерен выявлено в клетке размером 40-70 мкм и более. Выделены генотипы Solanum tuberosum L. с крупными и мелкими крахмальными гранулами, которые рекомендуется использовать в практической селекции при создании сортов с высоким качеством.

1. Tetlow I.J. Starch Biosynthesis in Crop Plants. Agronomy. 2018;(8):81. https://doi.org/10.3390/agronomy8060081

2. Bertoft E. Understanding Starch Structure: Recent Progress. Agronomy. 2017;7(3):56. https://doi.org/10.3390/agronomy7030056

3. Ruskina A.A., Popova N.V., Naumenko N.V. et al. Analysis of Contemporary Methods of Modification of Starch as an Instrument of Enhancing its Technological Properties. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Food and Biotechnology. 2017;5(3):12–20. https://doi.org/10.14529/food170302

4. Lizarazo H.S.P., Hurtado R.G.G., Rodríguez C.L.F. Physicochemical and morphological characterization of potato starch (Solanum tuberosum L.) as raw material for the purpose of obtaining bioethanol. Agronomía Colombiana. 2015;33(2):244-252. https://doi.org/10.15446/agron.colomb.v33n2.47239

5. Shirani-Bidabadi M., Nazarian-Firouzabadi F., Sorkheh K. et al. Transcriptomic analysis of potato (Solanum tuberosum L.) tuber development reveals new insights into starch biosynthesis. PLoS One. 2024;19(4). https://doi.org/10.1371/journal.pone.0297334

6. Ulbrich M., Salazar M. L., Flöter E. Separation and molecular characterization of the amylose- and amylopectin-fraction from native and partially hydrolyzed potato starch. Starch - Stärke. Vol. 69. Issue 7-8. https://doi.org/10.1002/star.201600228

7. Литвяк В.В., Заболотец А.А., Симаков Е.А. и др. Особенности морфологической структуры гранул крахмала различных сортов картофеля. Достижения науки и техники АПК. 2019;33(11):55-59. https://doi.org/10.24411/0235-2451-2019-11112 https://www.elibrary.ru/thpmqh

8. Brust H., Orzechowski S., Fettke J. Starch and Glycogen Analyses: Methods and Techniques // Biomolecules. 2020;10(7):1020. https://doi.org/10.3390/biom10071020

9. Хлесткин В.К., Пельтек С.Е., Колчанов Н.А. Гены-мишени для получения сортов картофеля (Solanum tuberosum L.) с заданными свойствами крахмала (обзор). Сельскохозяйственная биология. 2017;52(1):25-36. https://doi.org/10.15389/agrobiology.2017.1.25rus https://www.elibrary.ru/yfqfch

10. Andersson M., Turesson H., Nicolia A. et al. Efficient targeted multiallelic mutagenesis in tetraploid potato (Solanum tuberosum) by transient CRISPR-Cas9 expression in protoplasts. Plant Cell Rep. 2017;(36):117-128. https://doi.org/10.1007/s00299-016-2062-3

11. Hou J., Liu T., S. Reid et al. Silencing of α-amylase StAmy23 in potato tuber leads to delayed sprouting. Plant Physiology and Biochemistry. 2019;(139):411-418. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2019.03.044

12. Schonhals E.M., Ortega F., Barandalla L. et al. Identification and reproducibility of diagnostic DNA markers for tuber starch and yield optimization in a novel association mapping population of potato (Solanum tuberosum L.). Theor. Appl. Genet. 2016;(129):767-785. https://doi.org/10.1007/s00122-016-2665-7

13. Khlestkin V.K., Erst T.V., Rozanova I.V. et al. Genetic loci determining potato starch yield and granule morphology revealed by genome-wide association study (GWAS). PeerJ. 2020;(8):e10286. doi: 10.7717/peerj.10286

14. Khlestkin V.K., Rozanova I.V., Efimov, V.M. et al. Starch phosphorylation associated SNPs found by genome-wide association studies in the potato (Solanum tuberosum L.). BMC Genet. 2019;(20):29. https://doi.org/10.1186/s12863-019-0729-9

15. Larder C., Baeghbali V., Pilon C. et al. Effect of Non-Conventional Drying Methods on In Vitro Starch Digestibility Assessment of Cooked Potato Genotypes. Foods. 2019;8(9):1-14. https://doi.org/10.3390/foods8090382

16. Zhao F., Jing L., Wang D. et al. Grain and starch granule morphology in superior and inferior kernels of maize in response to nitrogen. Sci Rep. 2018;(8):6343. https://doi.org/10.1038/s41598-018-23977-0

17. Litvyak V.. Size and morphological features of native starch granules of different botanical origin. Ukrainian Food Journal. 2018;7(4):563-576. https://doi.org/10.24263/2304-974X-2018-7-4-3

18. Ильчук Р.В. Урожайность и крахмалистость клубней картофеля в зависимости от группы спелости сорта и погодно-климатических условий во время вегетации. Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. 2014;(2):81-84. https://www.elibrary.ru/zcrjjh

19. Zhang X., Cheng Y., Jia X. et al. Effects of Extraction Methods on Physicochemical and Structural Properties of Common Vetch Starch. Foods. 2022;(11):2920. doi.org/10.3390/foods11182920

20. Li K., Zhang T., Zhao W. et al. Characterization of starch extracted from seeds of Cycas revolute. Front Nutr. 2023;(10):1159554. https://doi.org/10.3389/fnut.2023.1159554