Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

Efterfrågan på proteinrika vegetabiliska livsmedel ökar och intresse finns från både konsument, politiker och industri att använda svenskodlade råvaror i större utsträckning. Ärta (Pisum sativum L.) har en lång odlingstradition i Sverige och ett högt proteininnehåll, men innehållet av soyasaponiner begränsar användningen då de ger en bitter smak till livsmedel.
Denna litteraturstudie är en del i forsknings- och växtförädlingsprojektet ”Ärtan – Garantin för framtidens gröna protein” inom SLU Grogrund, med syftet att på sikt ta fram nya ärtsorter för att möta efterfrågan på marknaden. Genom att studera befintlig litteratur besvaras frågan om vad som är känt om mekanismer bakom soyasaponininnehållet och -variationen i ärta. Studien redogör även för vad som finns dokumenterat angående soyasaponinsyntes i besläktade och närmre studerade arter. Genom att tillämpa jämförande genomik på tillgängliga sekvensdata för ärta och närbesläktade arter undersöks förekomsten av homologa sekvenser.
Soyasaponiner är saponiner av oleanan-typ och förekommer i flera arter inom familjen ärtväxter. Ett tidigt steg i soyasaponinsyntesen är cykliseringen av 2,3-oxidosqualene till β-amyrin, för vilket ett multifunktionellt- och ett specifikt enzym tidigare identifierats i ärta. Även genen för det specifika β-amyrin-syntaset har lokaliserats och uttrycksmönstret för denna samt för ackumuleringen av soyasaponiner har redogjorts för. Övriga steg i syntesen är hydroxylering av β-amyrin till aglykonen soyasapogenol B följt av inbindning av socker och andra molekyler till aglykonen, vilka i andra växter påvisats involvera enzym inom grupperna cytokrom P450-beroende monooxygenaser respektive glykosyltransferaser. Information om dessa grupper av enzym och andra relaterade gener, samt vad som är känt angående dess funktion sammanfattas för att underlätta förståelsen för hur motsvarande, hittills outforskade, mekanismer i ärta skulle kunna se ut.
Jämförande genomik är ett verktyg för identifiering av homologa gener och i studien identifieras flera protein och sekvenser i ärtgenomet som potentiellt kan kopplas till syntesen av soyasaponiner. Metoder för vidare homologianalys och validering av funktionen hos potentiella gener i ärta diskuteras. Variation i soyasaponininnehåll har konstaterats som primärt genotypberoende vilket gör det relevant, men är även en förutsättning för, att vidare undersöka ärtas genom och genetik i syfte att förbättra proteinråvarans smakkvalitet.
I syfte att uppnå de nationella- och globala hållbarhetsmålen med en effektiviserad livsmedelsproduktion och en ökad andel vegetabiliska livsmedel kan baljväxter vara en del av lösningen, och växtförädling spela en avgörande roll.

The demand for vegetarian and protein rich foods are increasing, and to use locally produced crops are in the interest of both consumers, politicians, and the processing industry. In Sweden, peas (Pisum sativum L.) have been a widely grown crop and staple food throughout the history of farming and are high in protein. Due to the bitter taste of soyasaponins present in peas, the use of food products based on peas and pea protein is limited.
This literature study is a part of a research and plant breeding project on peas within SLU Grogrund, a competence center and knowledge hub for Swedish plant breeding, with a long-term goal to make new pea cultivars with desired traits available on the market. The question on what is known about genetic regulation of soyasaponins in peas and other factors affecting the saponin content is answered by studying existing literature. The report also points out what is published on more well studied soyasaponin producing species and their known genes and proteins involved in the soyasaponin biosynthesis. By comparative genomics the occurrence of homolog sequences in peas is analyzed.
Soyasaponins are oleanane-type saponins found in many leguminous plant species. In the biosynthesis, an early step is the cyclization of 2,3-oxidoqualene to β-amyrin for which one multi-functional and one specific enzyme previously has been identified in peas. The gene encoding the specific β-amyrin-synthase has been localized and the pattern for expression of this gene and for the accumulation of soyasaponins have been reported on. Following steps of the synthetic pathway is hydroxylation of β-amyrin to the soyasapogenol B aglycone and the binding of sugars and other moieties to the aglycone structure, for which no enzymes in peas have been identified. In other leguminous species these reactions have been shown to involve enzymes categorized as cytochrome P450-dependent monooxygenases and glycosyltransferases, respectively. Available information on these groups of enzymes, other genes of interest, and their known characteristics are summarized to spread some light on how equivalent, and to date undocumented, mechanisms in peas could look like.
Comparative genomics is a tool for identification of gene homologs, and in this study several proteins and sequences in the pea genome are identified as potentially involved in the soyasaponin biosynthetic pathway. Methods for further analysis of homologs, and for validating the function of potential genes in peas are being discussed. Variation has been proven to be mainly genotype-dependent, making it of interest to, but is also a prerequisite for, searching the pea genome and genetics in the aim of improving the taste of the pea protein product.
To achieve the sustainability goals set by national and global stakeholders and to make the food production more resource efficient, plant breeding on legumes could play a main role.