Development of Transgenic Potatoes to Attain Novel Starch Qualities

Abstract

Starch is a plant-derived polysaccharide with many uses in different food and non-food applications. In this thesis, the production of two novel potato starch qualities, amylopectin and high-amylose, and the modifications and the characteristics of the produced plants and starches are described. The novel potato starch qualities will find uses in e.g. the paper, adhesive, textile and packing industries. Amylopectin potato lines were produced by antisense inhibition of a single gene, coding for a granule-bound starch synthase (GBSS). One amylopectin line, EH92-527-1, is currently in an approval phase in the form of a European market notification. EH92-527-1 has been thoroughly characterised and molecular and chemical data for the line are presented. During the characterisation it was found that the antisense gene had been rearranged upon insertion, creating a truncated asymmetric inverted repeat. The inverted repeat is probably what is yielding the very efficient GBSS inhibition. The line was also shown to have an increased vitamin C level compared with the parental variety, probably due to an alteration in the sugar metabolism in the line. One issue often debated concerning genetically modified plants is the use of a selection gene transformed together with the trait gene/genes to be able to select for transgenic lines. A neomycin phosphotransferase gene (nptII), coding for a protein giving the plant resistance to the antibiotic kanamycin, is almost exclusively used as selection system during potato transformation. A non-antibiotic selection system based on a mutated acetohydroxyacid synthase (AHAS) and herbicides of the imidazolinone family was developed, yielding a higher transformation rate than when nptII is used. In contrast to amylopectin potatoes, the expression of two genes, coding for starch branching enzymes (SBE), had to be down-regulated to produce the required high-amylose potato starch. The starch had up to 7 times lower branching degree and a major increase in the amount of bound phosphate compared with the parental line. High-amylose lines were first produced by antisense inhibition of the two sbe genes but the frequency of lines with high-amylose starch quality was very low. To improve this, an RNA interference (RNAi) method was developed, which yielded a 10-fold higher frequency of inhibited lines. Another major advantage found with the RNAi method was a reduction in the number of T-DNA inserts compared with the previously used antisense technique. One disadvantage of the high-amylose lines is a reduction in starch yield. To increase the starch content in the high-amylose lines two novel genes, coding for Solanum tuberosum glycogenin homologue proteins (StGH) with a possible starch initiation function, were over-expressed in potato.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Stärkelse är en miljövänlig och naturlig produkt som kan framställas ur växtriket. Stärkelse har många användningsområden inom livsmedelsindustrin såsom förtjockningsmedel och fettersättning men har även många icke livsmedelsindustriella användningsområden bl. a. i pappers-, kosmetika-, lim-, textil-, oljeborrning- och läkemedelsindustrin. Med kemiska, fysikaliska samt genetiska modifieringar kan stärkelsens egenskaper ändras för att bättre passa till specifika applikationer. I framtiden skulle stärkelse, till exempel kunna ersätta vissa syntetiska plaster med fördelen att vara biologiskt nedbrytbar, men då måste nya stärkelsemodifieringar nå marknaden. Stärkelse består av två beståndsdelar, amylopektin och amylos. Dessa två beståndsdelar har mycket olika egenskaper och i vissa industriella applikationer kan de störa varandra. Det skulle därför vara fördelaktigt att ha amylos och amylopektinstärkelsen skiljda åt för att fullt kunna utnyttja dess positiva egenskaper. De två stärkelsebeståndsdelarna kan separeras med kemiska eller fysikaliska metoder men processerna är dyra och innebär oftast att man måste använda sig av miljöfarliga lösningsmedel. Amylos är en lång och mestadels linjär sockerkedja med bra gelande egenskaper och är den stärkelsebeståndsdel som är mest plastlik. Amylos fungerar även bra som fettbarriär och kan bestrykas på livsmedel för att minska fettupptag samt behålla produktens krispighet. En annan fördel med amylos är att den i kroppen bryts ned långsamt och ger en jämnare sockerdistribution till blodet. Amylopektin är till skillnad från amylos en stor och grenad sockerkedja med goda bindande egenskaper. Amylopektin är fördelaktig inom pappersindustrin som bindemedel i pappersmassan samt som bestrykning av papper där det ger en god tryckkvalitet. Amylopektinstärkelse har visat sig klart förbättra processer inom pappers-, textil- samt limindustrin i jämförelse med de nativa stärkelser eller syntetiska produkter som används i dag. Målsättningen med arbetet har varit att, med hjälp av genteknik, framställa sorter där enbart amylose repektive amylopektin bildas. Grödan som har använts är potatis, en av de vanligaste växtslagen som används för stärkelseframställning i Europa. Potatis med enbart amylopektinstärkelse har framställts genom att en av potatisens egna gener har stängts av. Denna gen är nödvändig för att amylos skall produceras av växten. På ett liknande sätt har potatis med hög amyloshalt framställts men där krävdes det att två gener stängdes av. De generna är ansvariga för att amylopektinstärkelsen blir grenad och om de stängs av bildas i stället en rak stärkelse motsvarande amylos. Nackdelen med att framställa en potatis med hög amyloshalt är att man får en sänkning i stärkelsehalten. Detta är däremot inte fallet för amylopektinpotatisen. Med en lägre stärkelsehalt kommer produkten att bli dyrare för konsumenten. För att undvika de högre kostnaderna har försök gjorts att höja stärkelsehalten i amylospotatisarna. Två gener kodande för proteiner med en eventuell startfunktion för stärkelseproduktionen i potatis har identifierats. De två generna har satts in i en amylospotatis för att förbättra startfunktionen för stärkelseproduktionen. På det sättet kan man öka antalet amylosenheter i stärkelsen och därmed förhoppningsvis återföra stärkelsehalten till normal nivå igen.

• author: Andersson, Mariette
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Steup, Martin, Institute of Biochemistry and Biology, University of Potsdam, Germany
• organization: Pure and Applied Biochemistry
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biochemistry and Molecular Biology
• keywords: Livsmedelsteknik, Food and drink technology, Biokemisk teknik, Biochemical technology, StGH, starch yield, RNAi, antisense, gene silencing, ahas, potato transformation, sbe2, sbe1, gbss, amylopectin, amylose, Starch, potato
• pages: 142 pages
• defense location: Room K:F, Center for Chemistry and Chemical Engineering, Sölvegatan 39, Lund Institute of Technology
• defense date: 2004-12-03 10:30:00
• ISBN: 91-628-6258-8
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Genetic and Chemical Profiling of a Transgenic Potato: Regulatory Aspects.Mariette Andersson, Helle Turesson, Ann-Charlotte Strömdahl, Pernilla Pojmark, Leif Bülow, Håkan Larsson & Per HofvanderSubmitted Article: II. A Novel Selection System for Potato Transformation using a Mutated AHAS Gene.Mariette Andersson, Adelina Trifonova, Ann-Britt Andersson, Mikael Johansson, Leif Bülow & Per HofvanderPlant Cell Reports, (2003) 22:261-267 Article: III. Field Performance and Starch Characteristics of High-Amylose Potatoes Obtained by Antisense Gene Targeting of two Branching EnzymesPer Hofvander, Mariette Andersson, Clas-Tomas Larsson & Håkan LarssonPlant Biotechnology Journal, (2004) 2:311-320 Article: IV. Targeted Gene Suppression by RNA Interference: An Efficient Method for Production of High-Amylose Potato Lines.Mariette Andersson, Margareta Melander, Pernilla Pojmark, Håkan Larsson, Leif Bülow & Per HofvanderSubmitted Article: Other related publications by the author: Article: Enhanced Amylose Production in Plants.Per Hofvander & Mariette AnderssonPCT document WO2004/078983
• id: 972b68e3-629f-4516-9718-b2c061270d65 (old id 467629)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:43:34
• date last changed: 2018-11-21 21:06:47