Glycoalkaloid Content and Starch Structure in Solanum Species and Interspecific Somatic Potato Hybrids

When genome sections of wild Solanum species are bred into the cultivated potato (S. tuberosum L.) to obtain improved potato cultivars, the new cultivars must be evaluated for their beneficial and undesirable traits. Glycoalkaloids present in Solanum species are known for their toxic as well as for beneficial effects on mammals. On the other hand, glycoalkaloids in potato leaves provide natural protection against pests. Due to breeding, glycoalkaloid profile of the plant is affected. In addition, the starch properties in potato tubers can be affected as a result of breeding, because the crystalline properties are determined by the botanical source of the starch. Starch content and composition affect the texture of cooked and processed potatoes. In order to determine glycoalkaloid contents in Solanum species, simultaneous separation of glycoalkaloids and aglycones using reversed-phase high-performance liquid chromatography (HPLC) was developed. Clean-up of foliage samples was improved using a silica-based strong cation exchanger instead of octadecyl phases in solid-phase extraction. Glycoalkaloids alpha-solanine and alpha-chaconine were detected in potato tubers of cvs. Satu and Sini. The total glycoalkaloid concentration of non-peeled and immature tubers was at an acceptable level (under 20 mg/100 g of FW) in the cv. Satu, whereas concentration in cv. Sini was 23 mg/100 g FW. Solanum species (S. tuberosum, S. brevidens, S. acaule, and S. commersonii) and interspecific somatic hybrids (brd + tbr, acl + tbr, cmm + tbr) were analyzed for their glycoalkaloid contents using liquid chromatography-electrospray ionization-mass spectrometry (LC-ESI-MS). The concentrations in the tubers of the brd + tbr and acl + tbr hybrids remained under 20 mg/100 g FW. Glycoalkaloid concentration in the foliage of the Solanum species was between 110 mg and 890 mg/100 g FW. However, the concentration in the foliage of S. acaule was as low as 26 mg/100 g FW. The total concentrations of brd + tbr, acl + tbr, and cmm + tbr hybrid foliages were 88 mg, 180 mg, and 685 mg/100 g FW, respectively. Glycoalkaloids of both parental plants as well as new combinations of aglycones and saccharides were detected in somatic hybrids. The hybrids contained mainly spirosolanes, and glycoalkaloid structures having no 5,6-double bond in the aglycone. Based on these results, the glycoalkaloid profiles of the hybrids may represent a safer and more beneficial spectrum of glycoalkaloids than that found in currently cultivated varieties. Starch nanostructure of three different cultivars (Satu, Saturna, and Lady Rosetta), a wild species S. acaule, and interspecific somatic hybrids were examined by wide-angle and small-angle X-ray scattering (WAXS, SAXS). For the first time, the measurements were conducted on fresh potato tuber samples. Crystallinity of starch, average crystallite size, and lamellar distance were determined from the X-ray patterns. No differences in the starch nanostructure between the three different cultivars were detected. However, tuber immaturity was detected by X-ray scattering methods when large numbers of immature and mature samples were measured and the results were compared. The present study shows that no significant changes occurred in the nanostructures of starches resulting from hybridizations of potato cultivars.

Peruna sisältää pääosin tärkkelystä ja vettä sekä hyödyllisiä ravintoaineita. Lisäksi viljellyssä perunassa (Solanum tuberosum L.) on luontaisesti myrkyllisiä yhdisteitä, glykoalkaloideja. Glykoalkaloidipitoisuus ei suositusten mukaisesti saa ylittää 20 mg/100 g tuoretta perunaa. Tavallisesti viljellyssä perunassa on vain kahta erilaista glykoalkaloidia, alfa-solaniinia ja alfa-kakoniinia. Kun perunanjalostuksessa käytetään villejä Solanum lajeja, viljeltyyn perunaan siirtyy vanhempaislajien sisältämiä glykoalkaloideja (muita kuin viljellyssä perunassa olevia). Lisäksi lajienvälisissä hybrideissä muodostuu uudentyyppisiä glykoalkaloidirakenteita. Tämän väitöskirjan tarkoituksena oli selvittää lajienvälisten somaattisten hybridien sisältämien glykoalkaloidien molekyylirakenteita sekä pitoisuus lehdissä ja mukuloissa nestekromatografian ja massaspektromerian avulla. Lisäksi hybridiperunoiden tärkkelyksen nanorakennetta tutkittiin röntgensirontamenetelmillä. Työssä kehitettiin nestekromatografinen menetelmä (HPLC), jolla voidaan analysoida glykoalkaloidit ja aglykonit samanaikaisesti. Lehtiuutosten puhdistusta kiinteäfaasiuutolla (SPE) parannettiin käyttämällä ioninvaihtomenetelmää. Kehitetyllä HPLC-menetelmällä määritettiin viljeltyjen perunalajikkeiden, Satun ja Sinin, glykoalkaloidipitoisuus. Satu-lajikkeen kokonaispitoisuus kuorimattomissa ja tuleentumattomissa mukuloissa oli alle 20 mg/100 g, kun taas Sini-lajikkeen pitoisuus oli 23 mg/100 g tuorepainoa kohti. Solanum lajit S. brevidens, S. acaule ja S. commersonii sekä lajienväliset somaattiset hybridit sisälsivät useita erilaisia glykoalkaloidirakenteita, jotka määritettiin nestekromtaografi-massaspektrometrialla (LC-ESI-MS). Glykoalkaloidien kokonaispitoisuus hybridimukuloissa oli alle 20 mg/100 g tuorepainoa kohti. Hybridit sisälsivät alfa-solaniinin ja alfa-kakoniinin lisäksi spirosolaaneja sekä solanidaaneja, joilla on todettu olevan edullisia vaikutuksia ihmiselle. Tulosten perusteella hybridiperunoiden glykoalkaloidiprofiili on ihmiselle edullisempi ja vähemmän myrkyllinen kuin nykyään viljeltyjen lajikkeiden. Kolmen eri viljellyn lajikkeen (Satu, Saturna ja Lady Rosetta), S. acaulen sekä lajienvälisten somaattisten hybridimukuloiden tärkkelyksen nanorakennetta tutkittiin röntgensirontamenetelmin (WAXS, SAXS). Tärkkelyksen kiteisyys, keskimääräinen kidekoko ja lamellietäisyys määritettiin ensimmäistä kertaa suoraan raa asta mukulasta ilman tärkkelyksen eristämistä. Mittausten perusteella eri lajikkeiden välillä ei havaittu eroavaisuuksia, mutta tuleentumattoman perunan mukuloissa tärkkelyksen kiteisyys oli korkeampi kuin tuleentuneen perunan. Tulokset osoittivat, ettei tärkkelyksen nanorakenne muutu hybridisaation seurauksena.