UMO-2015/19/B/NZ9/00776  w ramach konkursu „OPUS 10”

Skrobia jest  głównym zapasowym  węglowodanem  w roślinach wyższych, który występuje w formie ziaren w chloroplastach (tzw. skrobia przejściowa) oraz  amyloplastach  bulw, korzeni  i ziarniaków (skrobia zapasowa). Ziemniak uprawny (Solanum tuberosum L.) jest czwartym najważniejszym gatunkiem uprawnym na świecie.  Zawartość skrobi w bulwach odmian ziemniaka jest zmienna i waha się od 11 do 30% świeżej masy.  Skrobia jest nie tylko istotnym produktem żywnościowym, ale stanowi także ważny komponent, który jest wykorzystywany w wielu gałęziach przemysłu. Skrobię tworzą dwa polimery glukozy: amyloza i amylopektyna. Dla przemysłu szczególnie istotna jest amylopektyna, która jest zbudowana z kilkudziesięciu reszt glukozy, połączonych wiązaniami glikozydowymi  z nielicznymi rozgałęzieniami. Wciąż aktualnym wyzwaniem dla badań podstawowych ziemniaka jest  poznanie  naturalnej zmienności genów zaangażowanych w metabolizm skrobi w bulwach. Zrozumienie molekularnych aspektów biosyntezy skrobi i jej rozkładu może być bodźcem do prowadzenia prac ukierunkowanych na uzyskanie skrobi o zmienionych właściwościach, przydatnych dla przemysłu. Z drugiej strony, wiedza o zmienności genetycznej sekwencji genowych w powiązaniu ze zmiennością fenotypową jest ważna dla badań poznawczych metabolizmu związków węglowych w ziemniaku i innych gatunkach roślinach. Biosynteza skrobi jest dominującym szlakiem metabolicznym w bulwach ziemniaka i stanowi modelowy przykład cechy ilościowej, której ekspresja zależny od działania wielu czynników genetycznych i środowiskowych. Mapowanie loci cech ilościowych (QTL) jest źródłem wiedzy o związkach pomiędzy zmiennością genetyczną a zmiennością fenotypową, ale nie jest źródłem informacji o roli poszczególnych genów w warunkowaniu badanej cechy. Nowe technologie molekularne, a  w szczególności sekwencjonowanie RNA (RNA-seq), stały się podstawą do zintensyfikowania badań nad poznaniem różnic we wzorze ekspresji wielu genów jednocześnie w różnych tkankach, etapach wzrostu roślin i odmiennych warunkach uprawy, a także w odpowiedzi stresy abiotyczne i biotyczne. W ramach obecnego projektu wykorzystaliśmy tę technologię do identyfikacji kluczowych genów warunkujących zawartość skrobi w bulwach ziemniaka diploidalnego. Zidentyfikowaliśmy 23 geny, które wykazywały istotnie zróżnicowaną ekspresję w bulwach o skrajnie różnej zawartości skrobi. Dla 9 z nich sprawdziliśmy ich ekspresję w formach potomnych badanej populacji. Zidentyfikowaliśmy 36 QTL ekspresyjnych (eQTL), w tym gen 12S globulin cruciferin (PGRCRURSE5), którego ekspresja była istotnie skorelowana z poziomem zawartości skrobi w bulwach. To pierwszy przykład genu kodującego białko zapasowe, które może odgrywać istotną rolę w biosyntezie amylozy w bulwach ziemniaka, jako tzw. Protein Targeting to STarch (PTST). Zjawisko PTST zostało po raz pierwszy opisane w 2015 roku w Arabidopsis i dotyczy kluczowej roli białka zapasowego w biosyntezie amylozy w roślinach. Wskazanie potencjalnej funkcji PGCRURSE5 w ziemniaku to pierwszy taki przykład w gatunku uprawnym. Funkcja genu i jego produktu wymaga weryfikacji eksperymentalnej. Jednak już dziś sygnalizacja wagi PTST w ziemniaku rzuca nowe światło na postrzeganie złożoności biosyntezy węglowodanów na różnych poziomach funkcjonowania komórki nie tylko w bulwach ziemniaka, ale i w innych gatunkach uprawnych.