Das Integrierte Projekt GRAIN LEGUMES The GRAIN LEGUMES Integrated Project

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1 HELGE KÜSTER CENTRUM FÜR BIOTECHNOLOGIE // CENTER FOR BIOTECHNOLOGY Das Integrierte Projekt GRAIN LEGUMES The GRAIN LEGUMES Integrated Project Mehr pflanzliche Proteine für die europäische Futterwirtschaft Enhancing the use of plant-derived proteins in the European feed industry 51

2 1 BI.RESEARCH // DAS INTEGRIERTE PROJEKT GRAIN LEGUMES 52 Grundlagen des Projekts Proteine sind ein wichtiger Bestandteil des Tierfutters. Die BSE-Krise ( mad cow disease ) der späten 1980er Jahre und die Vogelgrippe zeigen deutlich die Problematik der Verwendung tierischer Proteine als Futtermittel. Daher ermutigt die Europäische Union europäische Farmer, vermehrt proteinreiche Pflanzen aus der Familie der Leguminosen als Viehfutter anzubauen. Obwohl diese Pflanzen ökologische Vorteile haben, da ihr Anbau die Verwendung von Nitratdüngern und Pestiziden senken kann, werden sie zur Zeit in Europa nicht in ausreichendem Maß angebaut. Eine Konsequenz ist, dass ca. 70 Prozent der nötigen pflanzlichen Proteine vor allem in Form von Sojaprodukten importiert werden müssen. Das GRAIN LEGUMES Projekt (Abbildung 1) bündelt die Aktivitäten von mehr als 50 Arbeitsgruppen aus 19 Ländern, um den verstärkten Anbau von Leguminosen in Europa zu unterstützen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden moderne Methoden sowohl der Pflanzengenomforschung als auch des Landwirtschaftsmanagements und der Futtermittelverarbeitung eingesetzt. Leguminosen - wichtiger Bestandteil einer nachhaltigen Landwirtschaft Erbsen, Ackerbohnen und Lupinen zählen zu den in Europa am häufigsten angebauten Körnerleguminosen (Abbildungen 2 und 3). Diese Pflanzen verfügen über besonders proteinreiche Samen und zeichnen sich durch mehrfache ökologische Vorteile aus. Zunächst wird die Notwendigkeit des Einsatzes von Nitratdüngern durch die Fähigkeit zur biologischen Stickstofffixierung verringert. Weiterhin sind Leguminosen Bestandteile der Fruchtfolge, welche die Anbauzyklen von Getreidesorten unterbricht. Hierdurch kann indirekt auch das Wachstum von Unkräutern und der Pathogenbefall sowie der daraus resultierende Bedarf an Pestiziden reduziert werden. Trotz Rationale of the project Animals need proteins in their feed. Since the late 1980s, BSE (mad cow disease) and more recently bird flu have demonstrated the danger of using animal-derived proteins to feed livestock. As a result, the European Union intends to encourage farmers to grow protein-rich legume plants for use as animal feed. Such plants are currently underused by European farmers, despite having the advantage of reducing fertiliser and pesticide inputs which has additional benefits for the environment. As a consequence, Europe has to import 70 per cent of its plant-derived proteins, mostly as soya. The GRAIN LEGUMES Integrated Project (figure 1) combines the efforts of over 50 laboratories from 19 countries to make legume crops more acceptable to Europe s agriculture, making use of the latest plant genomic technologies and including aspects from farm management to feed processing. Legumes - important for sustainable agriculture Peas, broad beans, and lupines belong to the main grain legume crops grown in Europe (figure 2 and 3). Grain legumes are characterized by protein-rich seeds and offer farmers a three-fold environmental benefit. First, they reduce the need for nitrate fertilisers by fixing atmospheric nitrogen. They form part of crop rotation, breaking the annual cycle of cereals thus reducing the build-up of cereal weeds and pests as well as the corresponding need for pesticides. Despite all these benefits, farmers are reluctant to grow legumes. Currently, they represent just 5 per cent of Europe s arable land, compared with more than 25 per cent in America and other parts of the world. Farmers complain that the yield is variable. Fungal diseases like root rot are largely to blame and pea-like plants tend to collapse under their own weight, making harvesting inefficient. The overriding aim of the GRAIN LEGUMES project is thus to provide the genomic tools to facilitate the breeding of new legume varieties.

3 dieser Vorteile zögern Landwirte, Leguminosen in großem Stil anzubauen. Zur Zeit wachsen diese nur auf etwa 5 Prozent der nutzbaren europäischen Fläche, verglichen mit mehr als 25 Prozent in Amerika und anderen Erdteilen. Landwirte beklagen vor allem, dass der Ertrag von Leguminosen zu stark variiere. Hierfür sind Pilzkrankheiten wie Wurzelfäule verantwortlich, und besonders erbsenähnliche Pflanzen neigen dazu, unter ihrem eigenen Gewicht zusammenzubrechen, was ihre Ernte erschwert. Hauptziel des GRAIN LEGUMES Projekts ist es daher, genombasierte Ansätze zu entwickeln, welche die Züchtung von Leguminosensorten mit verbesserten Eigenschaften erleichtern. Beschleunigte Züchtung verbesserter Leguminosensorten durch Genomforschung Die Genomforschung an Leguminosenpflanzen hängt weit hinter vergleichbaren Aktivitäten z. B. bei Getreiden zurück. Um dieses Defizit zu reduzieren, werden am Centrum für Biotechnologie der Universität Bielefeld Mikroarrays zur Bestimmung von Genexpressionsprofilen für züchterisch relevante Leguminosen-Eigenschaften entwickelt (Abbildung 4). Diese genomischen Werkzeuge erlauben uns, solche Gene zu identifizieren, die wichtig für die Ausbildung der Pflanzenarchitektur, der Krankheits- und Stress-Resistenz, sowie für die Zusammensetzung proteinreicher Samen von Körnerleguminosen sind. Europäische Pflanzenzüchter und Futtermittelfirmen werden über die Ergebnisse des GRAIN LEGUMES Projekts informiert und haben durch eine Technology Transfer Platform Zugang zu dieser mit öffentlichen Mitteln geförderten Forschung. Es ist zu erwarten, dass Leguminosensorten gezüchtet werden können, deren Anbau attraktiver für die europäische Landwirtschaft ist, um so die Versorgung der europäischen Nutztiere mit heimischen Pflanzenproteinen zu verbessern. 2 Genome research accelerates legume breeding Progress in understanding the genome of legume crops lags behind other crop plants, e.g. cereals. At the Centre for Biotechnology, we develop legume microarray tools for gene expression profiling to tell, which genes are active in conditions relevant for legume breeding (figure 4). These genomic tools pave the way to identify sets of genes responsible for important traits such as plant shape, disease and stress resistance, as well as protein content of seeds. European plant breeding as well as animal feed companies are kept informed of GRAIN LEGUMES results and have access to these publicly funded activities through a Technology Transfer Platform. It is anticipated that legume crops can be bred that are more attractive to European farmers so that in the future, European livestock animals will consume more locally grown protein-rich legume products. 1 Kandidatengene 2 Hinweise an Züchter 3 Verbesserte Sorten 3 53

4 4 BI.RESEARCH // DAS INTEGRIERTE PROJEKT GRAIN LEGUMES 54 Abb. 1 // Organisation des Integrierten Projekts (IP) GRAIN LEGUMES. Das IP ist in Module und diese sind in Work Packages unterteilt. Im Governing Board werden die strategischen Entscheidungen zum Projektverlauf und zur Verwendung der finanziellen Mittel getroffen, während die wissenschaftliche Begleitung des IPs im Scientific Committee erfolgt. Das Partnership Board stellt die Versammlung aller Projektteilnehmer dar. Das IP verfügt mit der TTP über eine Technology Transfer Platform, die Projektergebnisse an Pflanzenzüchter kommuniziert. Über das Project Management Office wird das IP verwaltet. Ein Intellectual Property Subcommittee (IPSC) und ein Training Subcommittee (TSC) kümmern sich um die Einhaltung patentrechtlicher Fragen bzw. um die Organisation von Kursen für Doktorandinnen, Doktoranden und Post-docs. Die Advisory Group umfasst externe Experten, die dem IP beratend zur Seite stehen. Quelle: EU Integrated Project GRAIN LEGUMES. Abb. 2 // Blüten und Samen ausgewählter Körnerleguminosen. 1, Pisum sativum (Erbse); 2, Vicia faba (Ackerbohne); 3, Vicia sativa (Wicke); 4, Phaseolus vulgaris (Bohne). Quelle: EU Integrated Project GRAIN LEGUMES. Abb. 3 // Durch Mikroarrays gewonnene Expressionprofile können ausgewertet werden, um Kandidatengene (1) zu finden, die für die Optimierung bestimmter Eigenschaften wichtig sind, z.b. die Pflanzenform, die Krankheits- und Stress-Resistenz, sowie die Zusammensetzung proteinreicher Samen. Diese Informationen werden an Pflanzenzüchter (2) übermittelt, um sie zur Züchtung (3) verbesserter Sorten zu nutzen. Quelle: Autor. Abb. 4 // Samen ausgewählter Körner- und Futterleguminosen. Da Erbsen die wichtigsten europäischen Körnerleguminosen sind, konzentrieren sich die Forschungsaktivitäten im GRAIN LEGUMES Projekt auf diese Spezies. Zahlen bezeichnen folgende Arten: 1 & 8, Linse; 2, Hornklee; 3, Narbon Bohne; 4, Lupine; 5 & 11, Kichererbse; 6, Bohne; 7 & 12, Erbse; 9, Schneckenklee; 10, Ackerbohne. Quelle: EU Integrated Project GRAIN LEGUMES. Fig. 1 // Organization of the GRAIN LEGUMES Integrated Project. The IP is divided into Modules and these into Work Packages. Strategic and financial decisions are taken in the Governing Board, whereas the scientific monitoring of the IP takes place in the Scientific Committee. The Partnership Board assembles all IP participants. With the TTP, the IP has established a Technology Transfer Platform that communicates research results to legume breeders. The IP is administered via the Project Management Office. An Intellectual Property Subcommittee (IPSC) and a Training Subcommittee (TSC) takes care of patenting issues and looks after the organization of courses for PhD students and post-docs. The Advisory Group comprises external experts advising the project. Source: EU Integrated Project GRAIN LEGUMES. Fig. 2 // Flowers and seeds of selected grain legumes. 1, Pisum sativum (pea); 2, Vicia faba (broad bean); 3, Vicia sativa (vetch); 4, Phaseolus vulgaris (dry bean). Source: EU Integrated Project GRAIN LEGUMES. Fig. 3 // Gene expression profiles derived from microarrays can be mined to define candidate genes (1) that are relevant for particular traits, e.g. plant shape, disease and stress resistance, as well as protein content of seeds. This information is supplied to plant breeders (2) who can use it as targets for the development (3) of improved varieties. Source: Author. Fig. 4 // Seeds of selected grain and forage legumes crops. Since the major grain legume crop grown in Europe is pea, research efforts in the GRAIN LEGUMES project focus on this species. Numbers denote the following species: 1 & 8, lens; 2, bird s-foot trefoil; 3, narbon bean; 4, lupine; 5 & 11, chickpea; 6, common bean; 7 & 12, pea; 9, barrel medic; 10, broad bean. Source: EU Integrated Project GRAIN LEGUMES.

5 GRAIN LEGUMES New Strategies to Improve Grain Legumes for Food and Feed Instrument: Coordinator: Partners: Duration: Integrated Project John Innes Centre (United Kingdom) 52 Partners from18 countries (Australia, Belgium, Bulgaria, Czech Republic, Denmark, France, Israel, Italy, Germany, Hungary, Netherlands, Norway, Poland, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland, United Kingdom) 48 months // HELGE KÜSTER Dr. Helge Küster leitet die Nachwuchsgruppe Genomics of Legume Plants am Institut für Genomforschung, Centrum für Biotechnologie, Universität Bielefeld. Im Jahr 1995 promovierte er an der Universität Bielefeld mit einem pflanzengenetischen Thema, indem er wurzelknöllchenspezifisch exprimierte Gene untersuchte. Nachdem sich seine Forschungsinteressen zunehmend auf die transkriptionelle Untersuchung von Leguminosensymbiosen verlagerten, habilitierte er sich im Jahr 2004 an der Fakultät für Biologie der Universität Bielefeld. Zur Zeit fungiert er als Head of the Scientific Committee des Integrierten Projekts Grain Legumes und als Vizepräsident der Grain Legumes Technology Transfer Platform (GL-TTP), mit einem Schwerpunkt auf der Integration von Transkriptomforschungs-Experimenten in verschiedenen Leguminosenprojekten. // ALFRED PÜHLER Prof. Dr. Alfred Pühler hat seit 1979 den Lehrstuhl für Genetik an der Fakultät für Biologie der Universität Bielefeld inne. Er ist Sprecher des Centrums für Biotchnologie der Universität und leitet das Projekt GRAIN LEGUMES in Bielefeld. Since 1979 Prof. Dr. Alfred Pühler has held the chair for Genetics in the Faculty of Biology at Bielefeld University. He is the spokesperson for the Centre for Biotechnology at the University and conducts the project of GRAIN LEGUMES at Bielefeld University. Dr. Helge Küster heads the Junior Group Genomics of Legume Plants at the Institute for Genome Research, Centre for Biotechnology, Bielefeld University. He obtained his PhD in Plant Genetics from Bielefeld University in 1995, at that time investigating genes expressed in nitrogen-fixing root nodules. After switching his research interests towards the application of transcriptomics tools to study symbiotic interactions of legumes, he received his promotion to professor at the Faculty of Biology, Bielefeld University, in Currently, H. Küster serves as Head of the Scientific Committee of the European Union Integrated Project Grain Legumes and as a Vice President of the Grain Legumes Technology Transfer Platform (GL-TTP), with a focus on integrating transcriptomics activities in different legume projects. 55