V době moderních biotechnologií stoupá význam přírodních materiálů i jejich vhodných úprav. Snažení lze demonstrovat na tradiční plodině – bramborách. Ty slouží jako kvalitní potraviny, bohatá na zdroj minerálníéch látek i vitaminů, je to krmná plodina, ale hodí se vi pro výrobu biodegradovatelných plastů.

Pěstební náropky jsou v našich šířkách příznivé a pomocí biotechnologií lze zvyšovat odolnot vůči stresům.  Brambora lze upravovat i pro průmyslové zpracování do biodegradovatelných plastů a odpady se hodí pro kompostování. Jedná se o plodinu vhodnou v systému šetrného  hospodaření. Jak ukazují i poslední výzkumy

Klíčová slova:brambory, Solanum tuberosum L., genetické modifikace genomové editace, biodegradabilní plasty

Se stoupajícím počtem obyvatel Zeměkoule roste potřeba zdrojů, a to jak potravin, vody tak i řady materiálů. Obnovitelné zdroje jsou pak cenným výchozím materiálem pro výrobu obalů, léků, stavebnin a dalších surovin.   Současně je třeba řešit také využití odpadů, které zatěžují životní prostředí a zvyšují energetickou náročnost celé  produkce. Stoupá množství informací o rostlinných druzích, které se používají jako potraviny,  ale  mají i široké využití ve výrobu nových materiálů, jako jsou bioplasty uplatňující se nejen jako obalový materiál, antioxidanty v průmyslovém využití, bílkoviny jako léčiva, místo jejich konvenčního využití. Jedná se o druhy s vysokým obsahem škrobu nebo  proteinů, např. brambory nebo kukuřice, případně cukrová řepa.

Dobrým příkladem jsou brambory, které  představují jeden z hlavních zdrojů energie. Jedná se o velmi plastickou plodinu, která se vyskytuje v odlišných nadmořských výškách i pásmech. Na  světě existuje přes 100 různých druhů a tisíce odrůd. Brambory se používají jako základní potravina, a jako krmivo pro zvířata. Jejich potenciál pro další použití je teprve e zkoumán. Pomineme-li výrobu lihu z brambor, známe také odbouratelné nebo-li biodegradovatelné plasty,  které se mohou používat jako nádobí nebo příbory i někdy  s přísadou škrobů z barevných rostlinných materiálu a tak mohou vznikat i velmi zajímavé barevné designy.

Brambory jsou velmi oblíbená potravina, v některých částech světa se považuje za základní potravinu, jinde za zeleninu pro chudé. Brambory jsou schopny růst ve velmi odlišných podmínkách, pěstují se i na chudých půdách. Jejich  široké uplatnění v evropském zemědělství ochránilo Evropu od hladomorů a kurdějí.

Lilek brambor (Solanum tuberosum „L.) je kulturní rostlina s tetraploidním genomem (4n = 48). Znamená to, že každý lokus se vyskytuje v genomu minimálně čtyřikrát a každý lokus může nést odlišnou alelu. Uvádí se, že se jedná o plodinu, u které bylo sebráno nejvíce genetických zdrojů, tj. odlišných genotypů Brambory byly domestikovány v oblasti dnešního Peru přibližně před 4 až 5 tisíci lety a zde se stále nacházejí nové zdroje. 

Brambory se množí běžně  klonováním, tj.  množením nejlepších hlíz. Navodit genetickou variabilitu jiným způsobem než výběrem z genetických zdrojů není jednoduché. Naštěstí brambory neztratily schopnost kvést, jako např. česnek. Významné vlastnosti tak lze s dostatečným úsilím přenést z nově nalezených genetických zdrojů. Využívá se i indukovaná mutagenese a jako účinná se jeví genetická manipulace tzv. trans- formace bramboru.

Brambory, i když se jedná o málo náročnou plodinu na prostředí,  během pěstování bohužel trpí značnými ztrátami díky předsklizňovým i  posklizňovým stresům. Způsobují je stresory jak biotické tak abiotické. Jedná se např. jednak  rostlinné viry (převážně viry RNA) a plísně, tak např. sucho. Negativní vliv mají i nízké teploty. Například během skladování při nízkých teplotách brambory sládnou, což je vyvoláno přeměnou sacharózy na fruktózu a glukozu.

Brambora je jednou z prvních zemědělských plodin, do které byly přeneseny geny z jiných druhů  pomocí genetického inženýrství. Brambory dobře prosperují v tkáňových kulturách a přenos genů pomocí Agrobacterium tumefaciens je poměrně snadný. Nutno říci, že některé odrůdy jsou pro transformaci vhodnější, jiné potřebují speciální podmínky. Transformace bramboru byla použita velmi brzy, již koncem 80. let minulého století, i v Československu.

I když první biotechnologickou plodinou uvedenou na světový trh  bylo GM rajče, které však po komerční stránce neuspělo, rychle následovaly brambory. Transgenní brambory odolné vůči mandelince bramborové se objevily na americkém trhu v r.  1995. Jednalo se o produkt firmy MONSANTO s komerčním názvem NewLeafTM. Postupně  byly vyvíjeny další generace, následovaly odrůdy s odolností k virovým chorobám, např. svinutce bramboru. Kromě odolností k chorobám je snaho získávat i brambory s lepšími průmyslovými vlastnostmi.  V ČR byl podpořen projekt vývoje bramboru odolnějšího k chladu a lepšími vlastnostmi pro fritování a přípravu bramborových lupínků. Výsledky výzkumu je vysoce obtížné uvádět  na trh.  To se podařilo u odrůd s označením Innate vyvinutých v USA,  kde tak jako tak si výrobce hlídá koloběh těchto brambor ve výrobním procesu. Tyto odrůdy byly též  vylepšeny o odolnost vůči biotickým a abiotickým stresům.

Na trh  byl uveden i evropský produkt škrobárenských brambor a to GM brambor Amflora vlastněná společností BASF. Byla geneticky modifikována tak, aby inhibovala produkci jednoho ze dvou typů škrobů, který se  přirozeně  vyskytuje v bramborách. Amflora tak obsahuje  více než 99% amylopektinu, ale velmi málo amylosy. Jako márker obsahuje také gen rezistence na antibiotika. Jednalo se o genotyp vhodný pro průmyslovou výrobu.  Pro průmyslové zpracování to má tu výhodu, že škrobové frakce nemusí být ve výrobním procesu separovány. Amflora také  aktivně produkuje protein NPTII, který propůjčuje rezistenci vůči kanamycinu a dalším antibiotikům, což je její nevýhodou. Kanamycin je WHO uveden jako vyhrazené antibiotikum proti více rezistentním kmenům tuberkulózy. Přesto byla Amflora schválena. Později došlo ke kontaminaci sadby sesterskou odrůdou a po prověřování byl souhlas odebrán a GM brambora stažena z trhu.

Další studie ukázaly možnost změn nutričních hodnot hlíz brambor. Např.  zlepšení nutričních hodnot bylo dosaženo zvýšením albuminu původem z amaranthu jako je Albumin-1byl zvýšen obsah vitaminu C, obsah β-karotenu, triacylglycerolu nebo methioninu v hlízách. Jiným cílem manipulací je odstranit antinutričních sloučeniny, jako jsou steroidní glykoalkaloidy, akrylamid a toxiny z potravin, je další prioritou výzkumu pro vědce a šlechtitele ke zlepšení kvality hlíz bramboru. Uvedené zlepšení vlastností pomocí genetického inženýrství většinou zahrnovalo využití transgenních technologií.

V posledních letech se hojně začaly využívat postupy tzv. editace genomu nebo genů s cílem vyhnout se používání markérů a vnášení cizorodé DNA do genomu rostliny. Techniky umožňují  rychlou změnu genetické informace bez vnášení úseků cizorodé DNA. Jak rostou znalosti o struktuře a funkci rostlinných genomů, lze cílenými modifikace jejich genů (delece, bodové mutace), měnit vlastnosti organismu. Jedná se o vyřazování genů z funkce, změny sekvencí související s vlastnostmi výsledného proteinu. Mezi nové techniky ve šlechtění je řazena i tzv. cisgenese, kdy se přenáší celá sekvence z téhož druhu.  Zajímavé je u brambor využití techniky roubování a iRNA  Nejčastěji se setkáváme s

• Editací genu a genomu (příkladem jsou zinkové prsty, systém TALEN nebo CRISPR(/Cas)
• Cisgenesí (přenos sekvence mezi identickými druhy)
• Roubování (např. transgenní, tj. GM roub a netransgení podnož či naopak)
• RNAi indukované epigenetické změny.

Tyto nástroje umožňují nejen vnášet žádoucí vlastnosti, ale i eliminovat nežádoucí vlastnosti, které se podílejí na negativní regulaci parametrů kvality a výnosů. Kromě toho mohou být požadované geny také přeneseny do těsné blízkosti specifických lokusů, které mohou zůstat ve vazbě v průběhu generací.

Zajímavé je využití interferující RNA. Na hlízu bramboru lze, zjednodušeně řečeno, naroubovat transgenní pletivo, které produkuje interferující RNA.  Ta přechází do „podnože“ a navozuje epigenetické změny.  Samotná cizorodá DNA do takového bramboru nepřechází. Vzhledem k tomu, že brambor se množí klonováním,  zůstanou epigenetické změny zachovány v dalších generací a klony nejsou transgenní. Podobně lze postupovat u dalších vegetativně množených druhů.

Je zřejmé, že brambor je cennou potravinou, krmivem, ale hodí se i pro průmyslové zpracování a lze uzavřít kruh zpracování – pěstování, sklizeň, využití v potravinářství, v krmivářství i pro výrobu plastů. Celý koloběh může při správném hospodaření skončit opět v půdě jako hnojivo, hnůj z krmených zvířat, i zbytky biodegradabilních plastů.  Ukazuje se tak, že brambor je vhodná plodina dnešní doby. Bylo prokázáno, že bioplasty vyrobené ze zemědělských odpadů (např. zbytků brambor) lze vyrábět v průmyslovém měřítku, aby se snížila závislost na plastech na bázi ropy. Taková výroby sníží emise skleníkových plynů a sníží negativní dopady na životní prostředí na změnu klimatu.

Odkazy na odbornou literaturu:

Ricroch A. a Henard – Damaye, M.C (2016): Crit. Rev. Biol., 36: 675 – 90

Anderson a kol., 2018

Yasumoto, S. (2019): Plant Biotechnol.  36, 167-173

Conrad, U.: (2020): Trends Plant Science, 10, 511-512

Kasai et al. (2016):  PLoS One,  Art. No. e01611729

Nadakuduti, S.S. (2018) Frontiers Plant Science,  9. Art. No. 167.

Veillet, F.  (2019): Plant Cell Reports, 38, 1065-1080

Das Dangol, S. (2019): Plant Cell Tissue Org. Culture, 139, 403 – 416

Cheng., H.: (2021): Trends Food Science & Technology, 114, 70 - 82 

Upoutávka na výrobky z bramborového škrobu.

Autor:

Jaroslava Ovesná, Doc., RNDr., CSc.
Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v.i. , Drnovská 507, 161 06 Praha 6
Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript., tel. 233022420