Munich, Germany
August 3, 2021
Prof. Brigitte Poppenberger (r.) and her doctoral student, Adebimpe Adedeji-Badmus, surrounded by Ebolo plants in a greenhouse of the TUM School of Life Sciences. - Image: A. Heddergott / TUM
As a contribution to increasing crop variety for improved food security in Subsaharan Africa, a leafy vegetable which is rich in vitamins and minerals shall be domesticated. At present, however, as highlighted by a research team from the Technical University of Munich (TUM) together with researchers from Nigeria, the plants still contain highly toxic substances that are carcinogenic and liver-damaging. The researchers are now aiming to generate toxin-free varieties so that the plant can be safely used.
Our planet is home to a rich treasury of plant species. Some 300,000 edible plants are available to feed the world’s population, although only a fraction of them is consumed. The three major crops rice, wheat and maize feed half of the world’s population.
These cereals have high yields and are staple crops. They are rich in carbohydrates, and thus are efficient calorie sources. In some countries however, they are often the only food source for the poor, and because certain grain crops such as rice contain very few vitamins and minerals, malnutrition and resulting diseases are the outcome.
Supporting research with neglected crops
Using additional plant species is important for preventing unbalanced diets and for increasing agricultural biodiversity. In this respect, fruit and vegetable are of crucial importance. “Although these orphan crops are often highly important locally and well-adapted to regional climates, they have been neglected in research and breeding activities, since they are minor in terms of global trade,” explains Brigitte Poppenberger, Professor of Biotechnology of Horticultural Crops at TUM.
Therefore, to promote research with neglected crops from Africa, the “African Orphan Crops Consortium” was founded, a consortium of universities, industrial partners and non-governmental organizations that is sequencing the genomes of the 101 most important orphan crop species of Africa, to create essential resources for research and breeding. One of these orphan crops is the leafy vegetable and medicinal plant Ebolo.
Ebolo (Crassocephalum crepidioides), which is used for example in soups, stews and salads, is still mainly collected from the wild. “In some areas, when the demand is high, over-harvesting occurs and threatens natural populations,” says Prof. Poppenberger. Therefore, it is important to establish cultivation techniques for plant production and to improve key characteristics through breeding, and for this purpose a research team at TUM has started to analyze the plant in detail.
Removal of toxins for the domestication of the leafy vegetable Ebolo
The team, headed by Prof. Poppenberger, in collaboration with Prof. Traud Winkelmann from the Leibniz University of Hannover, has demonstrated that Ebolo synthesizes a toxin called jacobine, which is a pyrrolizidine alkaloid. Jacobine is liver-damaging and carcinogenic, even in the smallest of quantities.
“A number of our modern crops such as zucchini, tomatoes, peppers and potatoes can produce highly toxic substances as well, but still, they were domesticated. The removal or reduction of toxins through breeding is often an important step in improving crop species,” explains Prof. Poppenberger.
The research team has succeeded in showing that the formation of jacobine is stimulated by nitrogen deficiency, and that it is absent in the related species Crassocephalum rubens. “That is, of course, an important finding. However, we should not rely solely on this related plant, as Crassocephalum crepdioides has other advantages, such as higher yields, even in very poor growth conditions,” says Prof. Poppenberger.
German-Nigerian cooperation to be continued
The findings regarding the biochemistry and genetics of jacobine biosynthesis will now facilitate the development of cultivation techniques and the breeding of toxin-free varieties, to enable a safe consumption of the plants. Since pyrrolizidine alkaloids are formed by many species as part of the chemical defense system of plants, a more detailed knowledge of the formation of these toxins is also of interest for other plants.
The scientists from Germany and Nigeria will continue to cooperate to promote research with neglected crops. In the case of Ebolo, for example, it will be necessary to test in the fields in Nigeria, if the removal of the toxin has a negative impact on insect resistance. After all, while improved nutritional traits for humans are desired, the plants should not also become ‘tastier’ for harmful insects.
Publications:
Schramm, S., Rozhon, W., Adedeji-Badmus, A.N., Liang, Y., Nayem, S., Winkelmann, T., Poppenberger, B.:
The orphan crop Crassocephalum crepidioides accumulates the pyrrolizidine alkaloid jacobine in response to nitrogen starvation
Frontiers in Plant Science. July 28, 2021. DOI: 10.3389/fpls.2021.702985
More information:
The project was supported by the German Academic Exchange Service through a Ph.D. fellowship for Adebimpe Adedeji-Badmus, which enables the Nigerian scientist to conduct her doctoral studies on Ebolo at TUM.
Domestizierung von Pflanzen bereichert das Spektrum an Nahrungsmitteln - Mehr Vielfalt auf unseren Tellern und Feldern
Als Beitrag zur Nahrungsmittelsicherheit und -vielfalt in Subsahara Afrika soll ein dort vorkommendes vitamin- und mineralstoffreiches Blattgemüse in Kultur genommen werden. Derzeit enthalten die Pflanzen allerdings noch hochgiftige Stoffe, die krebserregend und leberschädigend sind, wie ein Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM) zusammen mit Forschenden aus Nigeria gezeigt hat. Ziel der Forschenden ist es jetzt, toxinfreie Sorten zu züchten, um die Pflanze gefahrlos nutzen zu können.
Die Erde bietet einen reichen Schatz an Pflanzenarten. Für die Ernährung der Weltbevölkerung stehen etwa 300.000 essbare Pflanzen zur Verfügung, wovon der Mensch aber nur einen Bruchteil konsumiert. Die drei Nutzpflanzen Reis, Weizen und Mais ernähren die Hälfte der Weltbevölkerung.
Diese Getreidearten liefern hohe Erträge und machen satt. Sie sind reich an Kohlehydraten und damit effiziente Kalorienlieferanten. In manchen Ländern sind sie für die Ärmsten aber oft einziges Nahrungsmittel und da einige Getreidearten wie Reis kaum Vitamine und Mineralstoffe enthalten, sind Mangelernährung und dadurch ausgelöste Krankheiten die Folgen.
Vernachlässigte Pflanzenarten fördern
Weitere Pflanzenarten zu erschließen, ist wichtig, um einseitiger Ernährung vorzubeugen und um die Biodiversität auf den Äckern der Welt zu erhöhen. Dabei sind auch Obst- und Gemüsearten entscheidend. „Diese haben zwar oft große lokale Bedeutung und sind an regionale Klimabedingungen ausgezeichnet angepasst, werden aber in der Forschungs- und Züchtungsarbeit vernachlässigt, da ausreichend große, globale Absatzmärkte fehlen“, sagt Brigitte Poppenberger, Professorin für Biotechnologie gartenbaulicher Kulturen an der TUM.
Um die Arbeit mit vernachlässigten Pflanzen aus Afrika zu fördern, wurde deshalb das „African Orphan Crops Consortium“ gegründet - ein Konsortium aus Universitäten, Industriepartnern und Nichtregierungsorganisationen, welches das Erbgut der 101 wichtigsten Pflanzenarten Afrikas entschlüsselt, um essentielle Ressourcen für Forschung und Züchtung zu schaffen. Eine davon ist das Blattgemüse Ebolo.
Der Bedarf an der Pflanze Ebolo (Crassocephalum crepidioides), die ähnlich wie Spinat eingesetzt wird, kann durch Sammeln nicht gedeckt werden. „In manchen Gegenden kommt es dadurch sogar zu einer Gefährdung des Artenbestands“, sagt Prof. Poppenberger. Um Kulturtechniken für einen gezielten Anbau zu etablieren und wichtige Eigenschaften züchterisch zu verbessern, hat ein Forschungsteam an der TUM die Pflanze genauer analysiert.
Entfernen von Toxinen zur Domestizierung der Blattgemüseart Ebolo
Unter der Leitung von Prof. Poppenberger haben die Forschenden in Zusammenarbeit mit Prof. Traud Winkelmann von der Leibniz Universität Hannover gezeigt, dass Ebolo ein Toxin mit dem Namen Jacobin synthetisiert, das zur Gruppe der so genannten Pyrrolizidinalkaloide gehört. Bereits in geringsten Mengen ist Jakobin leberschädigend und krebserregend.
„Auch etliche unserer Kulturpflanzen wie Zucchini, Tomaten, Paprika oder Kartoffeln bilden hochtoxische Substanzen und trotzdem wurden sie domestiziert. Das Entfernen oder Reduzieren von Toxinen ist häufig ein wichtiger Schritt in der züchterischen Verbesserung von Arten“, erklärt Prof. Poppenberger.
Das Forschungsteam konnte zeigen, dass die Bildung von Jacobin durch Stickstoffmangel angeregt wird und dass sie in der verwandten Art Crassocephalum rubens unterbleibt. „Das ist natürlich eine wichtige Erkenntnis. Wir sollten aber trotzdem nicht allein auf diese verwandte Art setzen, weil Crassocephalum crepdioides andere Vorteile bringt, wie etwa viel höhere Erträge, selbst in sehr kargen Wachstumsbedingungen“, sagt Prof. Poppenberger.
Deutsch-Nigerianische Zusammenarbeit wird fortgeführt
Die Erkenntnisse zur Biochemie und Genetik der Jacobin-Biosynthese werden es jetzt erleichtern die Kulturtechnik anzupassen und toxinfreie Sorten zu züchten, um einen gefahrlosen Verzehr der Pflanzen zu gewährleisten. Da Pyrrolizidinalkaloide, als Teil des chemischen Abwehrarsenals von Pflanzen, von vielen Arten gebildet werden, ist das vertiefte Wissen zur Bildung dieser Gifte auch für andere Arten interessant.
Die Wissenschaftlerinnen aus Deutschland und Nigeria werden auch künftig eng zusammenarbeiten, um die Forschung mit vernachlässigten Pflanzenarten voranzutreiben. So gilt es unter anderem für Ebolo vor Ort in Nigeria zu testen, ob das Entfernen der Toxine keine ungünstigen Effekte auf die Insektenresistenz hat, denn auch wenn eine bessere Verträglichkeit der Pflanzen für den Menschen erwünscht ist, soll sie für Schadinsekten freilich unterbleiben.
Publikationen:
Schramm, S., Rozhon, W., Adedeji-Badmus, A.N., Liang, Y., Nayem, S., Winkelmann, T., Poppenberger, B.:
The orphan crop Crassocephalum crepidioides accumulates the pyrrolizidine alkaloid jacobine in response to nitrogen starvation
Frontiers in Plant Science. July 28, 2021. DOI: 10.3389/fpls.2021.702985
Mehr Informationen:
Das Projekt wurde durch ein Promotionsstipendium des Deutschen Akademischen Austauschdienstes für Adebimpe Adedeji-Badmus gefördert, welches der Nigerianerin ermöglicht, an der TUM zum Thema Ebolo zu promovieren.
Hochauflösende Bilder: https://mediatum.ub.tum.de/1619885
Topics
Species
