Helsinki, Finland
July 5, 2021
>> Descubren gen clave para eliminar dos antinutrientes tóxicos de las habas (ChileBio)
Faba beans have been an excellent source of food protein since pre-historic times, but about 5% of people, mostly from regions where malaria has been endemic and who carry a certain mutation, can’t eat them. Now, an international team of researchers, led by the Universities of Helsinki and Copenhagen as well as Luke Natural Resources Institute Finland, has identified the gene responsible for the production of vicine and convicine, which are harmful to these people. In the work published in Nature Plants, the team reports that the VC1 gene plays a central role in the biosynthesis these compounds.
Faba beans - Pythagoras and his followers avoided them and Roman priests of Jupiter associated them with death. Today, we know that faba beans produce the anti-nutrients vicine and convicine, which cause a risk for favism – a condition arising from damage to red blood cells – for susceptible individuals. Anti-nutrients are plant compounds that reduce the body's ability to absorb essential nutrients.
Among legumes – the pod-producing family of plants to which pea, bean, chickpea and soybean also belong – faba beans have the second-highest yield globally. They also have the highest seed protein content of the starch-containing legumes and out-perform soybean in cool climates. Faba beans are consequently a prime protein source for facilitating a global switch to a plant-based diet, considered necessary for significant reductions in carbon emissions.
However, when people deficient in a specific enzyme eat a large portion of uncooked faba beans, the vicine and convicine can cause their red blood cells to burst. The resultant hemolytic anemia, known as favism, has inevitably limited the potential use of faba beans. Although there are a number of faba bean varieties with low levels of vicine and convicine, the gene responsible for this trait was previously unknown. Alan Schulman, one of project leaders and running a joint Luke and University of Helsinki lab, says, “It seems that the ancient Greeks and Romans must have been aware of the occasional serious illness caused by faba beans. It took until today to unlock the secret of that risk.”
Now, the scientists have identified the gene responsible for vicine-convicine content. What is more, they have identified the specific mutation within this gene that causes the reduction in synthesis. They found that all faba bean varieties with a low vicine-convicine content, descended from a single accession found in a genebank. It had two nucleotides – the “letters” that make up DNA – inserted within the VC1 gene. This insertion disrupts VC1 function and is the only known genetic source of low vicine and convicine content.
A promise of a sustainable protein-rich food that everyone can eat
This research paves the way for the complete description of the biosynthetic pathway of vicine and convicine, and ultimately for breeding, production and commercial use of faba bean varieties totally free from these anti-nutritional compounds. The team, comprising leading scientists from Denmark, Finland, Germany, the UK and Canada, are already looking to the future. Fred Stoddard from the University of Helsinki, another of the project leaders, says “Faba beans are an old crop, and now offer new promise as a sustainable protein-rich food that everyone can eat.”
The project was funded by Innovation Fund Denmark, the Academy of Finland, the UK Biotechnology and Biological Science Research Council, the VILLUM Foundation Project, the Danish National Research Foundation, Guangzhou Elite and the German Federal Ministry of Food and Agriculture.
Publication:
VC1 catalyzes a key step in the biosynthesis of vicine from GTP in faba bean
Emilie Björnsdotter, Marcin Nadzieja, Wei Chang, Leandro Escobar-Herrera, Davide Mancinotti, Deepti Angra, Xinxing Xia, Rebecca Tacke, Hamid Khazaei, Christoph Crocoll, Albert Vandenberg, Wolfgang Link, Frederick L. Stoddard, Donal M. O’Sullivan, Jens Stougaard, Alan H. Schulman, Stig U. Andersen, and Fernando Geu-Flores
Nature Plants, DOI: 10.1038/s41477-021-00950-w
Proteiinirikas ja kestävä härkäpapu soveltuu ravinnoksi pian kaikille
Härkäpapu on ollut erinomainen ravinnosta saatavan proteiinin lähde esihistoriallisesta ajasta lähtien, mutta se ei sovellu ravinnoksi noin viidelle prosentille maapallon väestöstä malaria-alueilla, ja joilla on tietty geenimutaatio. Helsingin ja Kööpenhaminan yliopistojen sekä Luonnonvarakeskuksen johtama kansainvälinen tutkijaryhmä on nyt tunnistanut härkäpapugeenin, joka vastaa näille ihmisille haitallisten visiinin ja konvisiinin tuotannosta. Nature Plants -tiedelehdessä julkaistussa artikkelissa tutkijat kertovat, että VC1-geenillä on ratkaiseva rooli näiden yhdisteiden rakentumisessa.
Pythagoras seuraajineen vältti härkäpapua, ja roomalaisten Jupiter-jumalan papisto yhdisti sen kuolemaan. Nykyään tiedetään, että härkäpapu tuottaa visiini- ja konvisiini-nimisiä antiravintoaineita, joihin liittyy favismin eli punasoluja vahingoittavan anemian riskialttiilla yksilöillä.
Maailmanlaajuisesti härkäpapu on toiseksi tuottoisin kaikista palkokasveista, joihin kuuluvat muun muassa herne, pensaspapu, kikherne ja soijapapu. Lisäksi härkäpavun siemenissä on kaikista tärkkelyspitoisista palkokasveista eniten proteiinia, ja se pärjää viileässä ilmastossa soijapapua paremmin. Härkäpapua pidetäänkin tärkeänä proteiinin lähteenä, jonka avulla pyritään toteuttamaan maailmanlaajuista siirtymää kasvipohjaiseen ruokavalioon. Tätä siirtymää puolestaan pidetään välttämättömänä hiilipäästöjen merkittävän vähentämisen kannalta.
Kun ihmiset, joilla on vajetta tietystä entsyymistä, syövät suuria määriä kypsentämättömiä härkäpapuja, visiini ja konvisiini saattavat saada heidän punaiset verisolunsa repeämään. Tästä aiheutuva hemolyyttinen anemia, jota kutsutaan favismiksi, on väistämättä rajoittanut härkäpavun käyttöä. Visiini- ja konvisiinipitoisuudeltaan matalia härkäpapulajikkeita on tätä nykyä useita, mutta sairauden kehittymisen taustalla olevaa härkäpapugeeniä ei ole tätä ennen tunnettu.
– Antiikin kreikkalaiset ja roomalaiset ilmeisesti olivat tietoisia härkäpapujen aika ajoin aiheuttamasta vakavasta sairaudesta. Riskin taustat onnistuttiin selvittämään kuitenkin vasta nyt, kertoo Alan Schulman, joka on yksi hankkeen johtajista ja johtaa Luonnonvarakeskuksen ja Helsingin yliopiston yhteistä laboratoriota.
Nyt tutkijat ovat tunnistaneet härkäpavussa visiini- ja konvisiinituotannosta vastuussa olevan geenin. Lisäksi he ovat löytäneet tästä geenistä tietyn mutaation, joka vähentää yhdisteiden valmistusta. Tutkijat havaitsivat, että kaikki visiini- ja konvisiinipitoisuudeltaan matalat lajikkeet polveutuivat yhdestä ja samasta geenipankkilähteestä, jonka VC1-geenissä oli kaksi ylimääräistä nukleotidia eli DNA:n ”kirjainta”. Tämä geenin toimintaa häiritsevä muunnos on ainoa tunnettu matalan visiini- ja konvisiinipitoisuuden perimään liittyvä lähde.
Tähtäimessä kaikille sopiva kestävä ja proteiinipitoinen ravinnonlähde
Tuore tutkimustulos pohjustaa ymmärrystä visiinin ja konvisiinin biosynteesistä sekä lopulta sellaisten härkäpapulajikkeiden jalostamista, tuotantoa ja kaupallista käyttöä, jotka eivät sisällä lainkaan näitä antiravintoaineita eli yhdisteitä, jotka häiritsevät ravintoaineiden imeytymistä ravinnosta. Tanskalaisten, suomalaisten, saksalaisten, brittiläisten ja kanadalaisten tutkijoiden ryhmä tähyää jo tulevaisuuteen.
– Härkäpapu on vanha viljelykasvi, joka herättää toiveita uudesta kaikille sopivasta, kestävästä ja proteiinipitoisesta ravinnonlähteestä, toteaa Helsingin yliopiston Fred Stoddard, yksi hankkeen johtajista Helsingin yliopiston maatalous-metsätieteellisestä tiedekunnasta.
Hanketta ovat rahoittaneet Tanskan innovaatiorahasto, Suomen Akatemia, Ison-Britannian bioteknologian ja biotieteiden tutkimusneuvosto, Villum-säätiö, Tanskan kansallinen tutkimussäätiö, Guangzhou Elite -hanke ja Saksan liittovaltion ruoka- ja maatalousministeriö.
Alkuperäinen julkaisu:
VC1 catalyzes a key step in the biosynthesis of vicine from GTP in faba bean
Emilie Björnsdotter, Marcin Nadzieja, Wei Chang, Leandro Escobar-Herrera, Davide Mancinotti, Deepti Angra, Xinxing Xia, Rebecca Tacke, Hamid Khazaei, Christoph Crocoll, Albert Vandenberg, Wolfgang Link, Frederick L. Stoddard, Donal M. O’Sullivan, Jens Stougaard, Alan H. Schulman, Stig U. Andersen, and Fernando Geu-Flores
Nature Plants, DOI: 10.1038/s41477-021-00950-w
Topics
Species
