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Investigadores utilizan CRISPR para modificar los almidones de las papas y potenciar su uso industrial y alimentario

Representación del proceso de eliminación del almidón de amilosa en una papa. (Diseño de Texas A&M AgriLife)

Investigadores de Texas A&M AgriLife utilizan la tecnología CRISPR para modificar la proporción de almidones de las papas. Esto podría abrir aún más oportunidades en el uso de las papas y la fécula de papa en diversos alimentos y productos industriales.

Texas A&M AgriLife / 24 de mayo, 2022.- Las humildes papas son una rica fuente no sólo de carbohidratos en la dieta de los seres humanos, sino también de almidones para numerosas aplicaciones industriales. Los científicos de Texas A&M AgriLife están aprendiendo a alterar la proporción de las dos moléculas de almidón de la papas  (la amilosa y la amilopectina) para aumentar sus aplicaciones culinarias e industriales.

Por ejemplo, las papas cerosas, con alto contenido en amilopectina, tienen aplicaciones en la producción de bioplásticos, aditivos alimentarios, adhesivos y alcohol.

Dos estudios publicados recientemente en las revistas International Journal of Molecular Sciences y Plant Cell, Tissue and Organ Culture describen cómo la tecnología CRISPR puede hacer avanzar los usos del mayor cultivo vegetal del mundo.

Ambos estudios incluyen el trabajo realizado por la doctora Stephany Toinga, que fue estudiante de posgrado en el laboratorio del doctor Keerti Rathore, biotecnólogo de plantas de AgriLife Research en el Instituto de Genómica y Biotecnología de Plantas de Texas A&M y en el Departamento de Ciencias del Suelo y de los Cultivos. También es coautora de ambos trabajos la doctora Isabel Vales, una mejoradora de papas de AgriLife Research en el Departamento de Ciencias Hortícolas de Texas A&M. Toinga es ahora asociada postdoctoral de Texas A&M AgriLife Research con Vales.

«La información y los conocimientos que hemos obtenido de estos dos estudios nos ayudarán a introducir otros rasgos deseables en este cultivo tan importante», dijo Rathore.

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Datos sobre la papa

La papa es el cultivo hortícola número 1 en todo el mundo y el tercer cultivo alimentario más importante, sólo por detrás del arroz y el trigo en la producción mundial. La papa se cultiva en más de 160 países en más de 17 millones de hectáreas y es un alimento básico para más de mil millones de personas.

Una papa de tamaño medio aporta aproximadamente 160 calorías, derivadas en su mayor parte del almidón, por lo que los tubérculos constituyen una importante fuente de energía para muchas personas en todo el mundo, explica Rathore. Las papas también aportan otros nutrientes necesarios, como vitaminas y minerales.

La papa es un cultivo de estación fría relativamente sensible al calor y la sequía. El cultivo también sufre plagas como el escarabajo de Colorado, los áfidos y los nematodos, así como enfermedades como el tizón temprano y tardío, la papa manchada, la podredumbre seca del Fusarium y una serie de enfermedades víricas. El tizón tardío fue la causa de la hambruna de la papa en Irlanda.

El almidón es clave tanto para la dieta como para la industria

Tubérculos de una de las líneas de papas editadas en el estudio de Texas A&M AgriLife. Si se siembran en el suelo, producirán una planta de papa normal con tubérculos de tamaño normal. (Foto de Texas A&M AgriLife por Stephany Toinga)

La cantidad de almidón en los tubérculos de la papa es el principal factor que determina su uso. Las papas con alto contenido en almidón suelen utilizarse para elaborar alimentos procesados como papas fritas, chips en bolsa y papas deshidratadas, explica Vales.

Las papas con niveles de almidón bajos o medios se utilizan con frecuencia para el mercado de productos frescos o de mesa, dijo. Para el mercado fresco, otras consideraciones importantes son el aspecto del tubérculo, incluyendo la textura de la piel, el color de la piel, el color de la pulpa y la forma del tubérculo. Últimamente, los tipos de papas especiales con formas diferentes, como los alevines, los tamaños más pequeños y los colores rojo, púrpura o amarillo de la piel y la pulpa, se están haciendo populares por su comodidad a la hora de cocinar y su mayor valor nutricional.

La forma del tubérculo de la papas es menos importante para los fines industriales que para el consumo humano, dice Vales. Los tubérculos de papa con deformidades externas causadas por el estrés del calor o la sequía u otros factores pueden destinarse a múltiples usos, como alimento para perros y ganado. Además, con la fécula de papa se puede producir etanol para combustible o en bebidas como el vodka; un sustituto biodegradable de los plásticos; o adhesivos, aglutinantes, agentes de textura y rellenos para las industrias farmacéutica, textil, maderera y papelera, y otros sectores.

Para las aplicaciones industriales, la cantidad y el tipo de almidón de la papa son consideraciones importantes.

Toinga dijo que los almidones con mayor contenido de amilopectina son deseables para los alimentos procesados y otras aplicaciones industriales debido a sus propiedades funcionales únicas. Por ejemplo, estos almidones son los preferidos para ser utilizados como estabilizadores y espesantes en productos alimentarios y como emulsionantes en aderezos para ensaladas. Debido a su estabilidad en la congelación y descongelación, el almidón de amilopectina se utiliza en los alimentos congelados. Además, las papas ricas en almidón de tipo amilopectina producen mayores niveles de etanol en comparación con las que tienen otros almidones.

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Las ventajas de cultivar papas  con almidones seleccionados

El desarrollo de cultivares de papa con almidones modificados podría abrir nuevas oportunidades, dijo Toinga. Las papas con alto contenido en amilopectina y bajo en amilosa, como la variedad Yukon Gold editada genéticamente que ella describe en el International Journal of Molecular Sciences, tienen aplicaciones industriales más allá de los usos tradicionales.

En cambio, las papas con altos niveles de amilosa y baja amilopectina serían deseables para el consumo humano, dijo Vales. La amilosa actúa como fibra y no libera glucosa con tanta facilidad como la amilopectina, lo que da lugar a un índice glucémico más bajo y hace que las papas sean más aceptables para las personas con diabetes.

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CRISPR/Cas9 crea nuevas opciones

La tecnología CRISPR/Cas9 ha ampliado el conjunto de herramientas a disposición de los obtentores, dijo Vales, y representa un medio más directo y rápido de incorporar los rasgos agrícolas deseados a las variedades de cultivos comerciales populares. La mejora convencional es un proceso largo que puede durar entre 10 y 15 años.

Una línea de cultivo que ha producido papas en miniatura llamadas microtubérculos. (Foto de Texas A&M AgriLife Stephany Toinga)

Además, debido a la complejidad del genoma de la papa, generar nuevos cultivos con el complemento adecuado de rasgos deseables es un reto para la mejora convencional. La mejora molecular ha aumentado la eficacia del mejoramiento, y la edición de genes mediante la tecnología CRISPR/Cas9 añade otro nivel de sofisticación.

«Utilizamos el método Agrobacterium para introducir los reactivos CRISPR en las papas porque es fiable, eficaz y menos costoso que los demás métodos de introducción», dijo Rathore.

En el primer estudio, destacado en el artículo Plant Cell, Tissue and Organ Culture, una línea de papas que contenía cuatro copias de gfp, un gen de medusa que permite una visualización basada en la fluorescencia de la actividad del gen, fue objeto de mutación mediante el sistema CRISPR/Cas9, dijo Toinga.

En esencia, este proyecto proporcionó un rasgo fácil de ver que permitió a los investigadores optimizar la metodología.

«La pérdida de la fluorescencia verde característica y la secuenciación del gen gfp tras el tratamiento CRISPR indicaron que es posible interrumpir las cuatro copias del gen gfp, confirmando así que debería ser posible mutar los cuatro alelos de un gen nativo en la papa  tetraploide», dijo Rathore.

Un cultivar Yukon Gold mejorado

Entre los distintos cultivares de papa evaluados en el primer estudio, la variedad Yukon Gold fue la que mejor se regeneró, por lo que se utilizó para el segundo estudio. En el segundo estudio de knockout, descrito en la revista International Journal of Molecular Sciences, se seleccionó el gen nativo gbss de la variedad tetraploide Yukon Gold para eliminar eficazmente la amilosa. El resultado fue una papa con un almidón rico en amilopectina y bajo en amilosa.

«Uno de los eventos knockout, el T2-7, mostraba unas características de crecimiento y rendimiento normales, pero carecía por completo de amilosa», explicó Toinga.

Ese almidón de tubérculo, T2-7, podría encontrar aplicaciones industriales en los sectores del papel y el textil como adhesivos/aglutinantes, bioplásticos e industrias del etanol. El almidón del tubérculo de esta variedad experimental, por su estabilidad a la congelación y descongelación sin necesidad de modificaciones químicas, también debería ser útil en la producción de alimentos congelados. Las papas con amilopectina como forma exclusiva de almidón también deberían producir más etanol para uso industrial o para crear bebidas alcohólicas.

Como siguiente paso para estos estudios, la cepa T2-7 ha sido autopolinizada y cruzada con la cepa donante Yukon Gold y otros clones de papa para eliminar los transgenes.

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