Naukowcy odkryli sposób na usunięcie toksycznych związków z ziemniaków, dzięki czemu są bezpieczniejsze do spożycia i łatwiejsze do przechowywania. Przełom może ograniczyć marnowanie żywności i usprawnić uprawę roślin w przestrzeni kosmicznej i innych ekstremalnych środowiskach.
Rośliny ziemniaka w naturalny sposób wytwarzają substancje chemiczne, które chronią je przed owadami. Substancje chemiczne zwane glikoalkaloidami steroidowymi (SGA) znajdują się w dużych ilościach w zielonych częściach skórek ziemniaków oraz w obszarach kiełkowania. Sprawiają, że ziemniaki są niebezpieczne zarówno dla owadów, jak i ludzi.
„Związki te odgrywają kluczową rolę w odstraszaniu owadów przez rośliny, ale powodują, że niektóre części tych upraw stają się niejadalne” – powiedział Adam Jóźwiak, biochemik molekularny z UCR, który kierował badaniem. „Teraz, gdy odkryliśmy szlak biosyntezy, możemy potencjalnie stworzyć rośliny, które wytwarzają te związki tylko w liściach, zachowując jednocześnie bezpieczeństwo części jadalnych”.
Światło słoneczne może indukować produkcję SGA w bulwach ziemniaka – tej części ziemniaka, która jest zjadana – nawet po ich zbiorze. Identyfikując kluczowy mechanizm genetyczny w produkcji SGA, badacze z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside mogą być w stanie zmniejszyć toksyczność ziemniaków, zachowując jednocześnie naturalne mechanizmy obronne roślin. Usunięcie SGA z ziemniaków ułatwi także ich przechowywanie i transport na świeżym powietrzu.
Badania opublikowane w czasopiśmie Science skupiają się na białku o nazwie „GAME15”, które odgrywa kluczową rolę w kierowaniu produkcją SGA przez roślinę. Białko to działa zarówno jako enzym, jak i rusztowanie, organizując inne enzymy w „fabrykę konwersji”, która skutecznie wytwarza SGA, zapobiegając jednocześnie przedostawaniu się toksycznych związków do innych części komórek roślinnych, gdzie mogłyby siać spustoszenie.
Pomidory wytwarzają również SGA, głównie w zielonych, niedojrzałych owocach, a także w liściach, łodygach i korzeniach roślin. Kiedy naukowcy wyciszyli gen GAME15 w pomidorach, wyeliminowali produkcję SGA, ale także sprawili, że rośliny były bardzo podatne na szkodniki.
Projektując rośliny tak, aby kontrolować, kiedy i gdzie powstają SGA, na przykład w liściach, ale nie w samych ziemniakach, naukowcy mają nadzieję, że rośliny uprawne będą mogły być przechowywane bez ryzyka toksyczności spowodowanej ekspozycją na światło słoneczne.
„Można przechowywać ziemniaki w kuchni i nie martwić się ekspozycją na słońce, co powoduje, że wytwarzają więcej SGA. A potem można je jeść, kiedy tylko chcesz, ograniczając marnowanie żywności” – powiedział Jóźwiak.
Ponadto odkrycia mogą umożliwić wykorzystanie innych części roślin, takich jak liście, jako żywność w środowiskach o ograniczonej przestrzeni, takich jak misje kosmiczne lub systemy rolnictwa wertykalnego. „W przypadku rolnictwa kosmicznego, gdzie każda część rośliny musi być jadalna, odkrycia te są szczególnie obiecujące” – powiedział Jóźwiak.
Zespół osiągnął te spostrzeżenia, początkowo odtwarzając proces produkcji SGA w roślinach tytoniu. Co zaskakujące, odkryli, że podczas ewolucji proces ten przekierowywał białko z błony komórkowej lub aparatu Golgiego, gdzie jest odpowiedzialne za wytwarzanie składników ściany komórkowej kluczowych dla wzrostu komórek, do retikulum endoplazmatycznego – części komórki, w której rozpoczyna się produkcja toksyn.
„Zasadniczo roślina pożycza od siebie, aby stworzyć GAME15” – powiedział Jóźwiak. „Nie spodziewaliśmy się znaleźć białka porywającego roślinę, potrzebnego do produkcji ścian komórkowych”.
Zielone, niedojrzałe owoce mogą być toksyczne, ale podczas dojrzewania cząsteczki te przekształcają się w coś jadalnego. Ograniczając SGA do niejadalnych części roślin, zarówno rolnicy, jak i konsumenci mogliby odnieść korzyści z bezpieczniejszych i bardziej wszechstronnych upraw.
„Nasza praca pokazuje, że rośliny wyewoluowały genialne sposoby równoważenia wzrostu, rozmnażania i obrony” – powiedział Jóźwiak. „Zrozumienie tych systemów pozwala nam przeprojektować uprawy, aby spełniały współczesne potrzeby, bez uszczerbku dla ich zdolności do rozwoju”.
Badania te były wynikiem ścisłej współpracy naukowców z Instytutu Naukowego Weizmanna w Izraelu, a także Uniwersytetu w Kobe, Centrum Nauki o Zrównoważonych Zasobach RIKEN i Uniwersytetu w Osace w Japonii. Odkrycia grupy nie tylko obiecują zdrowszą żywność, ale także stanowią krok naprzód w zrównoważonym rolnictwie i eksploracji kosmosu.
„Jesteśmy podekscytowani potencjałem tego odkrycia” – powiedział Jóźwiak. „To ekscytujące myśleć o tym, jak możemy teraz znacznie przedłużyć okres przydatności do spożycia upraw, takich jak ziemniaki, i zmniejszyć marnowanie żywności na Ziemi i poza nią”.