Коротко


Подробно

С картошкой все не так просто

Журнал "Коммерсантъ Наука" от , стр. 56

Систематика


Отдел Цветковые Angiospermae
Класс Двудольные Magnoliopsida
Порядок Пасленоцветные Solanales
Семейство Пасленовые Solanaceae
Род Паслен Solanum
Подсекция potatoe
Вид Solanum tuberosum
Подвид tuberosum

Картофель — многолетнее травянистое растение из семейства пасленовых. Его плоды ядовиты, в пищу употребляют только клубни — видоизмененные подземные побеги. То, что мы называем картофелем, содержит лишь малую толику его настоящего генетического разнообразия. В Южной Америке растет около 200 его диких видов и подвидов, но все известные сейчас культурные сорта (более 5000) относятся к одному роду Solanum. Этот род подразделяется на несколько подсекций, и все клубнеобразующие виды картофеля относятся к подсекции potato; сейчас считается, что весь культивируемый картофель относится к 4 видам (раньше его разделяли на 7-10): это Solanum tuberosum и три гибридных вида горького картофеля. S.tuberosum подразделяется на два подвида: tuberosum и andigena. Первый представляет собой тот самый картофель, который едят сейчас во всем мире, второй — сельскохозяйственные культуры, которые ограниченно выращивают только в Центральной и Южной Америке.

История вопроса


Родина картофеля — Южная Америка, а точнее, перуанские Анды. Долгое время считалось, что картофель был введен в культуру одновременно в нескольких местах, что ранние культивируемые формы имеют независимое происхождение от нескольких разных видов, но последние генетические исследования показали, что это не так. Одомашнивание картофеля произошло в высокогорьях южного Перу около 7-10 тыс. лет назад, после чего картофель стал основным продуктом питания инков. В Перу существуют сотни его местных разновидностей, когда-то практически каждая семья выращивала свой собственный сорт картофеля, и знания по выращиванию этих уникальных клубней передавались из поколения в поколение. Крестьяне постоянно проводили селекцию новых и новых сортов, добиваясь устойчивости к разнообразным вредителям, болезням и климатическими изменениями. Благодаря этому количество сортов картофеля быстро увеличивалось, обеспечивая очень высокое биоразнообразие. Будучи основной пищей андских крестьян, картофель также играл и важнейшую роль в их культуре: единицей измерения времени у них был период, необходимый для приготовления горшка картофеля, а единицей измерения площади служил участок (топо), с которого можно собрать достаточный для прокорма одной семьи в течение сезона урожай картофеля.

В Европе картофель появился во второй половине XVI века после испанского завоевания инков. Из Нового Света в Европу прибыла лишь небольшая часть андского многообразия, причем далеко не самая удачная — неустойчивая к фитофторозу, колорадскому жуку и нематоде. Ограниченное генетическое разнообразие у завезенного в Европу картофеля привело к постепенному вырождению этой культуры и сделало ее очень уязвимой: паразиты и болезни быстро распространялись с одного растения на другие. В 1840-х годах по Европе прошла эпидемия картофельного фитофтороза, от которой больше всех пострадала Ирландия, где картофель к тому времени успел стать основным продуктом питания (на него приходилось 80% потребляемых калорий).

Сорт картофеля "Сирень"

Сорт картофеля "Сирень"

Фото: ГНУ ВНИИКХ им. А.Г. Лорха

В России картофель стали выращивать при Петре I, но лишь с целью использовать его как лекарственное растение. Всерьез заниматься картофелем начала лишь Екатерина II. Она поручила начать его разведение Абраму Ганнибалу, уже имевшему с картофелем дело. Вскоре Екатерина приказала разослать клубни картофеля вместе с инструкциями по его разведению по губерниям. Но крестьяне не желали принимать новую культуру (тем более что ей приписывали дьявольские свойства) и встретили ее картофельными бунтами. Тем не менее, с 1840 года площади картофельных полей в России начали интенсивно увеличиваться, и уже через несколько десятилетий картофель не только признали в народе, но и стали называть "вторым хлебом".

Теперь картофель выращивают почти в 100 странах, это четвертая продовольственная культура в мире — после риса, пшеницы и кукурузы. Он успешно растет в умеренных, субтропических и тропических широтах, предпочитая при этом прохладную погоду: при температуре ниже 10°C и выше 30°C рост клубней резко замедляется. В тропическом климате картофель растет в холодные месяцы года.

Сейчас больше всего картофеля на душу населения производят в Европе (особенно в Восточной и Центральной Европе), но ей в затылок уже дышит южная и восточная Азия. Китай уже сейчас выращивает самые большие урожаи картофеля в мире, на 2 месте — Россия, которая собирает вдвое меньше, 3 место у Индии. В России средняя урожайность картофеля 13 т/га, в Китае — 14,5 т/га, а, например, в Голландии — 45 т/га. Россия значительно отстает даже от среднего мирового уровня (17 т/га). В год у нас в стране собирают около 30 млн тонн, из них около 100 тыс. тонн экспортируется за рубеж, в то время как импортируется около 500 тысяч тонн.

Зачем нужна картошка


Картофель выращивается не только в строго пищевых целях. Его используют в качестве корма для домашних животных, для производства алкогольных напитков. Картофельный крахмал может применяться в пищевой промышленности как загуститель для супов и соусов, в текстильной промышленности, а также для изготовления клея, бумаги и картона. Сейчас изучается возможность использования отходов картофеля для получения полимолочной кислоты, применяемой в производстве пластмассовых изделий; ведутся исследовательские работы по поиску способов использования крахмала в качестве основы для экологически чистой упаковки.

Холодная картошка полезнее


Годовой рацион современного человека составляет около 33 кг картофеля. Средних размеров картофелина весит 150 г и содержит примерно 27 мг витамина С (45% от дневной нормы), 620 мг калия (18% от дневной нормы), 0,2 мг витамина В6 (10% от дневной нормы), а также тиамин, рибофлавин, фолиевую кислоту, ниацин, магний, фосфор, железо и цинк. Картофель известен высоким содержанием углеводов (примерно 26 г в картофелине среднего размера). Преобладающей формой углеводов в картофеле является крахмал (в среднем 17,5% в свежем картофеле или 75-80% в пересчете на сухое вещество).

Картофельный крахмал состоит из разветвленного амилопектина и линейной амилозы, их соотношение зависит от сорта картофеля. Амилоза, с длинными цепями молекул, водорастворима, она диффундирует из гранул крахмала при варке в воде. Амилопектин с сильно разветвленными молекулами состоит из той же амилозы и более сложного углевода — пектина. Сорта с более высоким содержанием амилопектина меньше развариваются и сохраняют свою форму при варке. Небольшая часть этого крахмала устойчива к перевариванию и не всасывается в тонком кишечнике — это резистентный крахмал. Причем чем больше содержание амилозы, тем выше будет доля резистентных крахмалов в картофеле. Считается, что этот крахмал — так же, как волокна целлюлозы — обеспечивает защиту толстой кишки от рака, снижает уровень холестерина в крови, повышает ощущение сытости и даже снижает накопление жира. Количество резистентного крахмала в картофеле во многом зависит от способа его приготовления. Например, если в готовом картофеле содержится около 7% резистентного крахмала, то при охлаждении его становится больше примерно на 13%.

Не отравишься, так заболеешь


Как и другие представители семейства пасленовых (белена, дурман, табак, паслен), картофель содержит токсичные соединения — гликоалкалоиды, из которых наиболее распространенны соланин и чаконин. Соланин обладает фунгицидными и инсектицидными свойствами и защищает растение от хищников. Для человека и животных он токсичен даже в небольших дозах. Как правило, ядовитые соединения накапливаются в листьях, стеблях, побегах и плодах, но воздействие света и физические повреждения приводят к повышению содержания  гликоалкалоидов в клубнях. Особенно много гликоалкалоидов сосредоточено непосредственно  под кожей, в позеленевших и проросших клубнях. В диком картофеле концентрация токсинов достаточно высока для отравления человека. Они угнетающе действуют на центральную нервную систему, могут вызывать головную боль, диарею, обезвоживание, лихорадку, судороги, а в тяжелых случаях кому и смерть, однако, в реальности отравления картофелем происходят очень редко. Некоторые сорта картофеля отличаются особенно высоким содержанием гликоалкалоидов; от них селекционерам приходится отказываться, даже если они перспективны в других отношениях.

Профессор Виктор Старовойтов, заместитель директора по науке ВНИИ картофельного хозяйства имени А.Г. Лорха, доктор технических наук

Профессор Виктор Старовойтов, заместитель директора по науке ВНИИ картофельного хозяйства имени А.Г. Лорха, доктор технических наук

Фото: Евгений Дудин, Коммерсантъ

"Содержание алкалоидов в мякоти клубней составляет 10-50 мг/кг, — рассказывает замдиректора по науке ВНИИ картофельного хозяйства имени Лорха профессор Виктор Старовойтов, — в кожице клубня их концентрация выше; в целом в клубне их содержится от 20 до 100 мг/кг. При высоком содержании алкалоидов (150-200 мг/кг сырого веса) картофель становится горьким, при концентрации 230-270 мг алкалоидов на килограмм сырого веса может наступить отравление организма. Однако при кулинарной обработке количество гликоалкалоидов в клубнях снижается за счет термического разрушения до более простых соединений, которые, к тому же, частично вымываются и остаются в растворе".

В 2002 году в картофеле было обнаружено еще одно вредное вещество — акриламид. Акриламид появляется при высокотемпературной обработке многих крахмалистых продуктов (в первую очередь, картофеля и злаков), если их жарить, готовить во фритюре, запекать в духовке или на гриле. В тех же самых сырых или вареных продуктах его нет. Дальнейшие исследования показали, что причина не в крахмале: картофель и злаковые наряду с крахмалом содержат аминокислоту аспарагин, а при нагревании от 120 градусов и выше при взаимодействии с сахарами аспарагин превращается в акриламид. Если же продукты не жарить, а варить, акриламид в них не образуется совсем или его содержание незначительно.

"Еще 10 лет назад никто не знал о том, что акриламид может содержаться в пищевых продуктах, — говорит Софья Лущеницкая, научный сотрудник химфака МГУ, — было известно, что это вещество может содержаться в пластиковых упаковках, в табачном дыме, иногда в небольшом количестве попадает в воду, и что оно обладает мутагенными свойствами. И вдруг в 2002 году ученые из Стокгольмского университета обнаружили, что во многих продуктах содержание акриламида в сотни и тысячи раз превышает любые возможные ПДК. Он в разных концентрациях был обнаружен в чипсах, жареном картофеле, в хрустящих хлебцах, выпечке, мюслях и кукурузных хлопьях". Авторы работы, опубликованной в 2009 году в American Journal of Clinical Nutrition, обнаружили, что если ежедневно в течение двух недель потреблять 157 мг акриламида из картофельных чипсов, это может запустить процессы, которые в итоге становятся причиной заболеваний сердца. У женщин, часто употребляющих акриламидные продукты, рак груди встречается в 2 раза чаще, чем у тех, кто их избегает. Есть данные, что это вещество увеличивает риск рака яичников на 79%, матки — на 28%, а почек — на 59%.

Генетика и селекция


Во Всероссийском научно-исследовательском институте картофельного хозяйства имени А.Г. Лорха безвирусный семенной картофель выращивают методом микроклонального размножения in vitro

Во Всероссийском научно-исследовательском институте картофельного хозяйства имени А.Г. Лорха безвирусный семенной картофель выращивают методом микроклонального размножения in vitro

Фото: Евгений Дудин, Коммерсантъ

В 2009 году была закончена расшифровка генома картофеля. Картофельный геном имеет средний для растений размер, он содержит 12 хромосом и 860 млн пар оснований. Расшифровкой каждой хромосомы картофеля занималось одно или несколько государств; российские ученые из Центра биоинженерии РАН приняли участие в расшифровке 12-й хромосомы. Картофель S. tuberosum tuberosum представлен диплоидомыми (2n=24) или тетраплоидомыми (4n=48) формами. Диплоиды встречаются только в Чили, а культивируемый во всем мире картофель является тетраплоидом. Происхождение тетраплоидов обеспечивается благодаря характерному для видов рода Solanum феномену нередуцированных гамет: у большинства из них, кроме нормальных гаплоидных гамет, с частотой 2-10% могут встречаться гаметы с нередуцированным (двойным) числом хромосом.

Для того чтобы повысить резистентность картофеля к вредителям и болезням, повысить урожайность и усилить его ценные качества, люди уже много веков подряд занимаются селекцией картофеля. А так как картофель размножается в основном вегетативным путем, селекционеры не отбирают его по способности цветков привлекать опылителей. В результате большинство сортов картофеля имеют пониженную способность к цветению, а естественное — перекрестное — опыление необходимо для поддержания разнообразия. Цветущие сорта картофеля, способные привлекать опылителей, еще остались в мелких фермерских хозяйствах в Андах, но и там многие древние сорта, традиционно выращиваемые перуанскими фермерами, уже утрачены. Для сохранения и защиты того, что осталось, в Перу создан крупнейший в мире банк, где в стерильных условиях хранятся образцы генетического материала — около 100 диких видов картофеля из восьми латиноамериканских стран, а также 3800 традиционных андских сортов.

Генная модификация


В начале 1990-х годов транснациональная корпорация Monsanto, лидер в сфере высоких технологий в сельском хозяйстве, выпустила для коммерческого использования трансгенные сорта картофеля, резистентные к колорадскому жуку и вирусным заболеваниям. Устойчивость к вредителям достигалась благодаря включению генов бактерии Bacillus thuringiensis, которая вырабатывает специфический белковый эндоксин, обладающий инсектицидным действием. Немецкая химическая компания BASF создала модифицированный картофель (сорт Amflora), состав которого был изменен (он содержит только амилопектин) так, что он стал несъедобным, но более подходящим для производства крахмала. После долгих споров Еврокомиссия в прошлом году разрешила выращивать этот сорт в ЕС в промышленных целях. В прошлом же году группа индийских ученых объявила, что они разработали генетически модифицированный картофель, который содержит вдвое больше белка, чем обычный (благодаря добавлению гена AmA1 амаранта).

Трансгенные сорта картофеля позволяют значительно увеличивать его урожайность, добиться появления принципиально новых свойств и открывают большие возможности для его использования в промышленности. Но общество с недоверием относится к генномодифицированным продуктам, и многие крупные компании (McDonald's, Burger King, Frito-Lay, и Procter&Gamble) отказываются от использования ГМ-картофеля. Впрочем, ученые надеются, что развивающиеся страны, где более миллиарда человек страдает от хронического недоедания, отнесутся к нему с большим интересом.

ГМ-картофель в России


В России с генномодифицированным картофелем ситуация странная. У нас сертифицировано 4 сорта ГМ-картофеля, два из которых разработала Monsanto, а два ("Елизавета плюс" и "Луговской плюс") — российский Центр биоинженерии РАН, но сертифицированы они только для употребления в пищу: есть их в России можно, а выращивать — нельзя.

Россия является одной из главных картофелеводческих стран мира, но из-за колорадского жука происходят огромные потери урожая, особенно в южных регионах страны. Ежегодные потери от колорадского жука оцениваются в 2-2,5 млрд долларов. Генномодифицированный картофель, устойчивый к нему, мог бы решить эту проблему. Он прост в выращивании и не требует применения инсектицидов. "Мы разработали 2 сорта генномодифицированного картофеля, устойчивого к колорадскому жуку, — рассказывает доктор биологических наук, замдиректора по научной работе Центра биоинженерии РАН Николай Равин. — Эти сорта жук не ест. Мы проводили полевые испытания: высаживали две грядки картофеля, на одной наш сорт (устойчивый), на другой — исходный, от которого он произошел. В результате одна грядка оказывалась полностью съедена жуком, другая же осталась неповрежденной. Существуют еще американские сорта (созданные Monsanto), но они не приспособлены к нашим климатическим условиям. Мы же брали сорта, которые давно и успешно выращиваются в России и привносили в них дополнительный признак — устойчивость к колорадскому жуку".

"На данный момент у нас нет разрешения продавать семенной материал для выращивания на полях: есть можно, импортировать можно, а выращивать нельзя, — продолжает Равин. — Люди боятся генномодифицированных продуктов, на мой взгляд, совершенно безосновательно. Им по телевизору рассказывают страшилки, что взяли ген какого-нибудь страшного организма (например, скорпиона), вставили в картошку, и если вы съедите эту картошку, то сами превратитесь в скорпиона. Научной основы под этими страшилками нет никакой. Другой вопрос, что существует опасность утечки модифицированного генного материала в окружающую среду — опасность передачи новых генов диким родственникам. Поэтому генномодифицированные сорта должны сажаться отдельно, нужно избегать их контакта с сородичами; но это уже вопрос техники ведения сельского хозяйства. В случае картофеля это проблема вообще не очень актуальна: размножается он, в основном, вегетативным путем".

Татьяна Вайнтроб


Комментарии