Denmark
July 6, 2021

Researchers have identified the VC1 gene as responsible for the production of anti-nutrients vicine and convicine that make people sensitive to the faba bean (photo: Frederick Stoddard, University of Helsinki)

Faba beans are an excellent source of food protein, but about 4% of the world’s population are afflicted by favism, which renders them sensitive to the faba bean anti-nutrients vicine and convicine. Now, an international research team has identified the VC1 gene as responsible for the production of these compounds.

Faba beans have actually been a source of food protein since pre-historic times, but a fraction of the population, mostly from warm southern regions, cannot tolerate them. 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.

Among legumes – the pod-producing family of plants to which pea, 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.

The VC1 gene is responsible for vicine-convicine content

However, when people deficient in a specific enzyme eat a large portion of uncooked faba beans, vicine and convicine can induce abnormal breakdown of red blood cells. 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.

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, had two nucleotides – the “letters” that make up DNA – inserted within the VC1 gene. This insertion disrupts the VC1 function and is the only known genetic source of low vicine and convicine content.

Stig U. Andersen, one of project leaders, says, “Working across disciplines to integrate biochemical and molecular genetic data was key to finally unveiling the genetic source of low vicine and convicine.”

The work has been published in Nature Plants, and it 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. Fernando Geu-Flores, who led the work, says “Now that we understand where these anti-nutrients come from, we can attempt to breed them out completely, thus contributing to food safety and sustainability.“

Funding

The studies have received financial support from Innovation Fund Denmark, the Academy of Finland, the UK Biotechnology and Biological Science Research Council, the VILLUM Foundation, the Danish National Research Foundation, Guangzhou Elite and the German Federal Ministry of Food and Agriculture

Read more

Link to the article in Nature Plants:

VC1 catalyses a key step in the biosynthesis of vicine 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

DOI: https://doi.org/10.1038/s41477-021-00950-w. 

Gammel gåde er løst: Danske forskere har opdaget, hvordan hestebønnen kan gøres sikker at spise for alle

For 400 millioner mennesker kan det være farligt at spise store mængder hestebønner, fordi de indeholder stoffet vicin. Det begrænser udbredelsen af hestebønnen som bæredygtig proteinkilde. Men nu har forskere fra Aarhus Universitet og Københavns Universitet opdaget, hvordan det problematiske stof i hestebønner bliver til, og det baner vejen for at fremstille hestebønner, som er sikre at spise for alle.

Pythagoras og hans følgere undgik den, og for romerske præster i Jupiter-kulten var den et symbol på død. Der er tale om hestebønnen. Selvom den har været en populær proteinkilde i flere tusind år, har det næsten lige så længe været kendt, at nogle mennesker blev syge af at spise den i større mængder. Og det har begrænset udbredelsen af den, på trods af at hestebønnen er udråbt som en af fremtidens vigtigste bæredygtige proteinkilder. Hestebønnen har nemlig et meget højt proteinindhold, behøver ikke kvælstofgødning og kan dyrkes både i varme og kølige klimaer og dermed lokalt.

I dag ved vi, at ca. 400 millioner mennesker – primært i Asien, Afrika og middelhavslandene – er disponeret for den arvelige lidelse favisme, der udløses af stoffet vicin, som hestebønner producerer. Tilstanden kan føre til akut blodmangel og leverforstyrrelser. Men indtil i dag har ingen vidst, hvorfor eller hvordan vicin opstår i hestebønner. Det ændrer ny forskning anført af Københavns Universitet og Aarhus Universitet på.

”Nu har vi fundet præcis det gen, som er ansvarlig for at danne vicin i hestebønner. Dermed har vi løst en stor del af den gåde, der hæmmer hestebønnens ellers store potentiale som proteinafgrøde,” siger Fernando Geu-Flores, seniorforfatter på studiet og lektor på Institut for Plante- og Miljøvidenskab på Københavns Universitet.

Resultaterne er netop bragt i det videnskabelige tidsskrift Nature Plants.

Hestebønner skal være sikre at spise for alle

Der er stor forskel på, hvor meget vicin, der findes i de forskellige hestebønnesorter, og mængden kan svinge fra år til år. Man kan fjerne vicin fra bønnerne ved hjælp af forskellige ekstraktionsmetoder, men dette gør det besværligt at anvende bønnerne. Derfor er forskernes mål at forædle sig frem til hestebønner, som er helt fri for vicin fra starten og dermed sikre at spise for alle.

Ved at sammenligne hestebønner med henholdsvis højt og lavt vicinindhold har forskerne påvist, at alle hestebønnesorter med lavt vicinindhold har en bestemt version af genet VC1. Det er altså dette gen, som er ansvarlig for det lave niveau af vicin i disse sorter.

”Den nye opdagelse gør processen med at overføre de genetiske træk fra hestebønner med lavt vicinindhold hurtigere og nemmere. Og nu hvor vi har en bedre forståelse af biokemien og genetikken, har vi en reel mulighed for at gå skridtet videre og udvikle hestebønner helt fri for vicin,” siger lektor Stig Uggerhøj Andersen fra Institut for Molekylærbiologi og Genetik på Aarhus Universitet.

Kan også gøre dyrefoder mere bæredygtigt

En vicinfri hestebønne har ikke kun stort potentiale som fødevare. Den kan også bidrage til at gøre produktionen af animalske produkter mere bæredygtig. I dag importerer Europa meget store mængder soja fra Sydamerika til brug i dyrefoder, hvilket tegner sig for en betydelig del af den samlede CO2-udledning.

I Danmark er landmænd så småt begyndt at bruge hestebønner som erstatning for soja. Men også her spiller vicin en rolle, da stoffet har vist sig at have en negativ påvirkning på visse enmavede dyrearter som fx kyllinger og derfor kan påvirke foderværdien.

”Så vores mål med forskningen er også, at lokalt producerede hestebønner uden vicin kan erstatte en meget større del af den enorme mængde importerede soja, som i dag bliver brugt i produktionen af animalske produkter,” slutter Fernando Geu-Flores.

FAKTA OM HESTEBØNNER:

• Hestebønner – også kaldt favabønner og valske bønner – er en etårig art i ærteblomstfamilien. Den har været dyrket siden 6800-6500 år f.v.t. I dansk landbrug har hestebønnen været almindelig kendt siden middelalderen. 
• Produktionen af hestebønner i Danmark er steget de senere år primært som erstatning for soja i dyrefoder. I dag bliver der dyrket cirka 20.000 hektar. Arealet skal dog ifølge beregninger udvides til omkring 300.000 hektar, hvis hestebønners potentiale i foderblandinger skal udnyttes maksimalt.  
• Favisme er navnet på den genetiske sygdom, som knapt fem procent af verdens befolkning lider af, og som udløses ved indtag af større mængder friske hestebønner. Lidelsen skyldes et manglende enzym og kan resultere i akut blodmangel.

Supplerende oplysninger

Vi bestræber os på, at alle vores artikler lever op til Danske Universiteters principper for god forskningskommunikation. På den baggrund er artiklen suppleret med følgende oplysninger:

Website: http://www.au.dk/en/

Published: July 8, 2021