Revista de Ciências Agrárias

Positioning Portugal into the context of world production and research in grain legumes

Apesar dos benefícios que as leguminosas de grão apresentam para a saúde e sustentabilidade do meio ambiente, o seu cultivo e consumo na Europa encontram-se em declínio desde 1961. Para compreender os desafios nacionais foi efetuada uma avaliação das tendências de produção, comércio e consumo de leguminosas de grão em Portugal, recorrendo a dados estatísticos nacionais e internacionais dos últimos 50 anos. Os esforços de investigação por equipas portuguesas dedicadas às leguminosas de grão foram também quantificados, analisando a produção científica dos últimos 25 anos. Isto permitiu-nos caracterizar o potencial científico para ultrapassar as atuais limitações na produção/consumo. O feijão, a fava, o grão-de-bico e o tremoço são as leguminosas de grão mais importantes em Portugal. Infelizmente, Portugal seguiu a tendência europeia e tornou-se num país importador de leguminosas de grão, apesar de possuir recursos genéticos e capacidade científica de potencial elevado para reverter esta situação. A situação nacional actual reflete os acontecimentos históricos e as preferências dos consumidores, com promissores mercados alternativos (ervilhas para consumo em fresco) e já com algumas mudanças positivas recentes na produção nacional (ex. grão-de-bico), embora ainda incipientes. Provavelmente, o que falta é um investimento consciente e sério na segurança alimentar e sustentabilidade ecológica de Portugal.

Despite the health and ecological benefits of grain legumes (also named pulses), their cultivation and human consumption throughout Europe has been in a constant decline since 1961. To understand the present Portuguese challenges, we performed an evaluation of the Portuguese grain legume production, trade and consumption trends through the analysis of Portuguese and international statistical data from the last 50 years. Portuguese grain legume research efforts were also quantified through the analysis of the bibliographical outputs over the last 25 years. This allowed us to characterize the Portuguese research potential to overcome the identified present production/consumption weaknesses. In the Portuguese context, common beans, faba beans, chickpeas and lupins are the most relevant grain legumes. Unfortunately, Portugal has followed the European trend and became a net importer of grain legumes, although it holds highly potential genetic resources and scientific expertise to reverse this trend. Portuguese grain legumes situation reflects a specific historical framework and consumers preferences, with alternative markets, as consumption of green peas, and a few recent promising changes, as seen in national chickpea production, although still in an incipient way. Probably what is really missing is a conscious and serious investment in the Portuguese food security and ecological sustainability.

**An overview of Vicia faba role in ecosystems sustainability and perspectives for its improvement**

Faba bean (Vicia faba L.) that is grown world-wide as a protein source for food and feed also offers ecosystem services such as N2 fixation and enhancement of wild fauna diversity such as bee-pollinators and other beneficial organisms. Thus, it helps to mitigate the pollinator decline and it is recognized that also contributes to pest control not only in the crop itself but also in the neighbouring/associated crops by attracting predators and parasitoids. Despite this importance, the global faba bean cultivation area has declined due to its low yield performance and susceptibility to biotic and abiotic factors. To face these constraints, it is relevant to implement adequate breeding programs using the available germplasm and always taking in consideration the pollination and mating system of faba bean. The aim of this paper is 1) to review the role of faba bean in cropping systems; 2) to assess the applicability of different molecular markers to understand the genetic diversity of faba bean germplasm; 3) to analyse the role of pollination and the mixed-mating system underpinning breeding strategies; 4) to assess the natural enemies affecting faba bean and to analyse the genetic sources of resistance to them.

A faveira (Vicia faba L.), cultivada mundialmente, é uma importante fonte de proteína na alimentação humana e animal. Tem também um papel relevante em serviços do ecossistema, como na fixação do N2 e no aumento da diversidade dos polinizadores e outros auxiliares. Contribui, deste modo, para impedir o declínio dos polinizadores e, ao atrair predadores e parasitoides, contribui para o controlo de pragas nesta cultura e nas culturas vizinhas. Apesar de ser reconhecida a sua importância nos sistemas agrários, a área cultivada tem diminuído, a nível mundial, como consequência da sua baixa produtividade e suscetibilidade a fatores bióticos e abióticos. Para ultrapassar estes constrangimentos é fundamental implementar programas de melhoramento adequados, utilizando o germoplasma existente e atendendo sempre ao facto da faveira ser parcialmente alogâmica. Este trabalho tem como objetivos: 1) rever o papel desempenhado pela faveira nos sistemas culturais; 2) avaliar a aplicabilidade de diferentes marcadores moleculares no estudo e compreensão da sua diversidade genética; 3) analisar o papel dos polinizadores nas estratégias de melhoramento; 4) avaliar os inimigos naturais que afetam a faveira e analisar as fontes de resistência existentes.

**Agro-morphological characterization of cowpea (Vigna unguiculata) accession: basis to breeding**

A caracterização morfológica dos recursos genéticos é essencial para o conhecimento da variação fenotípica e das relações entre genótipos, sendo esta informação fundamental no desenvolvimento de programas de melhoramento. O feijão-frade é uma leguminosa de grão cultivada um pouco por todo mundo devido ao seu elevado valor nutritivo, capacidade de fixar azoto e tolerância à seca. Com o objetivo de caracterizar uma coleção de 27 acessos portugueses de feijão-frade e 5 testemunhas procedeu-se à sua caracterização por parâmetros morfológicos e agronómicos com base em seis características qualitativas e onze quantitativas. Os acessos apresentaram, na sua maioria, hábito de crescimento ereto (96,87%), flores brancas (87,50%) e sementes de cor creme (84,38%). Os acessos mais precoces atingiram a floração 77 dias após a sementeira e o mais tardio após 119 dias. O número médio de vagens por planta variou entre 8,08 e 31,50, o peso médio de 100 sementes entre 11,80 g e 30,85 g e a produção total entre 40,96 g.m-2e 153,65 g.m-2. Em conclusão, foi observada uma elevada variabilidade entre os acessos de feijão-frade estudados, a qual poderá ser utilizada em programas de melhoramento desta cultura. Visto que algumas das características morfológicas sofrem influência das condições ambientais, é importante complementar a caracterização destes acessos com estudos moleculares.

The morphological characterization of plant genetic resources is essential for the knowledge of phenotypic variation and relationships among genotypes. This information could be useful in the development of plant breeding programs. Cowpea is a grain legume cultivate worldwide due to its high nutritional values, nitrogen-fixing ability and adaptation to drought. A collection of 27 Portuguese cowpea accessions and 5 references were characterized by morphological and agronomic parameters, using six qualitative and eleven quantitative parameters. All accessions presented determinate growth and normal pods. Most of the accessions had erect growth habit (96.87%), white flowers (87.50%) and cream seeds (84.38%). The earliest accessions reached flowering at 77 days and the latest at 119 days after sowing. Concerning production traits, in average, the number of pods per plant ranged from 8.08 to 31.50 pods, the 100 seeds weight varied from 11.80 g to 30.85 g, and the total production from 40.96 g.m-2 to 153.65 g.m-2. In conclusion, a high variability was observed in this cowpea collection, which may be indicative of the potential for its incorporation in cowpea breeding programs. Since some of the morphological characteristics are influenced by environmental conditions, it will be very important to complement this study with a molecular characterization.

**Yield and seed chemical composition of Lupinus mutabilis in Portugal**

Lupinus mutabilis Sweet (tarwi), being cultivated for thousands of years in the Andean region, is regarded as a potential crop for Europe, especially because of its high protein and oil content. The objective of this study was to revise the productivity and seed composition analyses of several tarwi accessions conducted over several years, in a Mediterranean environment (Lisbon, Portugal), in order to select more suitable lines. The productivity, although low (bellow 2 t/ha, in average), and variable (ranging from 0.26 to 6.0 t/ha), indicates that it should be possible to obtain lines with productivity levels high enough to make of this species a non-irrigated autumn-sown legume crop. These results are more encouraging when compared with the lower yields obtained in central Europe, where indeterminate growth also often causes unsurpassed difficulties. The chemical composition of tarwi seeds obtained in this Mediterranean environment reaches very high levels both in the protein content (up to 50%) and in oil (up to 19%). It is possible to select plants for higher oil levels with little reduction on the protein content. Seeds seem to have a slightly lower protein content than when obtained under central European conditions, but with oil contents consistently higher. Presently, the main obstacles to be transposed in order to make tarwi a crop for the Mediterranean area are: to increase cold and frost tolerance, in order to adapt it to colder winters than those in coastal areas; to increase seed yield and oil content (without reducing protein); to increase resistance to pests and diseases and a better competition against weeds; and to optimise the plant architecture in order to maximise pod and seed set without compromising productive flexibility (so much necessary to face the typical Mediterranean climate interanual variability).

A espécie Lupinus mutabilis Sweet (tarwi), cultivada há milhares de anos na região Andina, é considerada uma cultura com potencial para a Europa, especialmente devido ao elevado teor proteico e oleico das suas sementes. Com este trabalho pretende-se rever os estudos realizados durante vários anos com vista à caraterização da produtividade e composição química das sementes de diversos acessos de tarwi, cultivados em ambiente Mediterrânico (Lisboa, Portugal), com o objetivo de selecionar linhas mais adequadas. A produtividade, apesar de baixa (menos que 2 t/ha, em média), e variável (0,26 a 6,0 t/ha), demonstrou que é possível obter linhas com produtividade suficiente para tornar esta uma cultura de outono-inverno de sequeiro. Estes resultados são mais encorajantes que outros obtidos na Europa central, onde o hábito de crescimento indeterminado origina com frequência dificuldades inultrapassáveis. A composição química das sementes de tarwi obtidas nestas condições Mediterrânicas alcança elevados teores proteicos (até 50%) e oleícos (até 19%). Os resultados obtidos indicam a possibilidade de selecionar plantas com maiores níveis de gordura nas sementes sem redução do teor proteico. Quando comparadas com semente produzidas no centro da Europa, as sementes produzidas em Portugal apresentam teores proteicos ligeiramente inferiores mas teores oleicos consistentemente superiores. Os principais desafios que se colocam a tarwi para a sua adoção enquanto cultura para o clima mediterrânico são: o aumento da tolerância aos frio e à geada, permitindo a sua cultura em zonas de maior continentalidade; o aumento da produtividade e do teor de gordura (sem comprometer o teor proteico); o aumento da resistência a pragas e doenças e uma maior competitividade com infestantes; e a otimização da arquitetura da planta, maximizando o vingamento de vagens e sementes, sem comprometer a flexibilidade produtiva (tão necessária pra fazer face à variabilidade climática interanual, típica do clima mediterrânico).

Biological nitrogen fixation by Phaseolus vulgaris

Phaseolus vulgaris L. (common bean) is considered a promiscuous legume in its association with rhizobia since it can be nodulated by several species of the Rhizobiaceae family. In a field experiment in Oeiras (Portugal), strains were isolated from the root nodules of P. vulgaris 675. Each strain was inoculated in two P. vulgaris landraces: Pv 648 and Pv 675. Phylogeny of 16S rRNA, recA and nodC genes were inferred, using partial gene sequences. The results of plant inoculation assays have shown that only one of the isolated strains could successfully nodulate at least the P. vulgaris landrace (Pv 675), with an index of effectiveness of 31%. This strain was identified as belonging to Rhizobium sullae species by the 16S rRNA and recA genes but it also has a nodC gene from Rhizobium gallicum. The remaining strains were identified as belonging to R. gallicum, Agrobacterium tumefaciens and A. arsenijevicii.

Phaseolus vulgaris L., conhecido por feijão comum, é uma leguminosa promíscua que é nodulada por várias espécies de bactérias da família Rhizobiaceae. No decorrer de um estudo sobre bactérias Rhizobium que nodulam esta leguminosa, foram isoladas estirpes de bactérias dos nódulos radiculares de P. vulgaris (landrace 675), num ensaio de campo instalado em Oeiras, Portugal. Para a caracterização das estirpes recorreu-se à filogenia dos genes 16S rRNA, recA e nodC, usando sequências parciais destes genes. Os resultados dos ensaios efetuados com dois tipos de feijão comum, 675 e 648, revelaram que apenas uma estirpe foi capaz de nodular uma das landraces de P. vulgaris testadas, obtendo 31% de eficácia simbiótica com P. vulgaris 675. Esta estirpe foi identificada como Rhizobium sullae, possuindo no entanto o gene nodC relativo à espécie Rhizobium gallicum. As restantes estirpes isoladas foram identificadas como R. gallicum, Agrobacterium tumefaciens e A. arsenijevicii.

**Comparative analysis of iron deficiency chlorosis responses in soybean (Glycine max) and barrel medic (Medicago truncatula)**

Legume grains have an important socio-economical role, being highly utilized in human and animal nutrition. Although iron (Fe) is abundant in the earths crust, its limited solubility makes it poorly bioavailable for plants, contributing to iron deficiency chlorosis (IDC). In this work the physiological and molecular mechanisms associated with IDC were studied, namely, the mechanisms involved on Fe deficiency response, as well as a new Fe metabolism related gene in two important legume crops, Glycine max and Medicago truncatula. Fe deficient plants developed: decreased root and shoot length, increased number of secondary roots and lower chlorophyll levels. Fe shoot content decreased six- and 11-fold for G. max and M truncatula in Fe-deficiency. Whilst in G. max roots no significant differences were detected, in M. truncatula roots Fe decreased nine-fold in Fe-deficiency. Genes involved in Fe uptake (FRO2-like and IRT1-like), were over-expressed in roots of Fe-sufficient G. max and in Fe-deficient M. truncatula. VIT1-like, YSL1-like and ferritin presented higher expression levels in Fe-sufficient shoots and roots, whereas NRAMP3-like and GCN2-like showed higher expression values in Fe-deficiency.

As leguminosas têm um importante papel socio-económico, pela sua utilização na nutrição humana e animal. Apesar do ferro (Fe) ser um elemento abundante na crosta terrestre, a sua solubilidade limitada diminui a disponibilidade para as plantas, contribuindo para o desenvolvimento da Clorose por Insuficiência de Ferro (CIF). No presente trabalho, mecanismos fisiológicos e moleculares associados à CIF foram estudados, nomeadamente, os mecanismos de resposta à insuficiência de Fe e um novo gene associado ao metabolismo do Fe, em duas espécies cultivadas com relevância económica, Glycine max e Medicago truncatula. Plantas deficientes em Fe apresentaram: tamanho diminuído, maior número de raízes secundárias e baixos níveis de clorofila. Em insuficiência de Fe, o conteúdo de Fe na parte aérea diminuiu seis e onze vezes para G. max e M. truncatula, respetivamente; nas raízes de G. max não houve diferenças significativas e nas de M. truncatula o conteúdo de Fe diminuiu nove vezes. Genes envolvidos na absorção de Fe (FRO2-like e IRT1-like) foram sobre-expressos nas raízes de G. max em suficiência de Fe e, nas raízes de M. truncatula, quando em insuficiência. VIT1-like, YSL1-like e ferritina apresentaram níveis de expressão mais elevados em suficiência de Fe, ao contrário dos genes NRAMP3-like e GCN2-like, cuja expressão foi aumentada em insuficiência de Fe.

**Evaluation of anthracnose resistance in Lupinus spp. germplasm**

Uma das principais limitações à cultura de tremoceiros (pertencentes a várias espécies de Lupinus) em diversas partes do mundo resulta da sua suscetibilidade à antracnose, uma doença causada pelo fungo Colletotrichum lupini. Ao afetar o caule principal, esta doença pode causar a morte da planta, levando a perdas de produção frequentemente elevadas. A doença foi reportada apenas recentemente e a reduzida variabilidade genética do seu agente causal sugere uma origem recente do fungo. Pelo contrário, a grande riqueza genética encontrada no germoplasma de diversas espécies de Lupinus, algumas das quais tendo o território português como parte significativa da sua área de distribuição natural, impele estudos com vista à caracterização do grau de resistência a esta doença em acessos desse germoplasma. Após análise duma coleção de germoplasma contendo 51 acessos de Lupinus albus, 46 de L. angustifolius, 19 de L. luteus e 10 de L. mutabilis, através de inoculações em condições artificiais, foi identificado germoplasma de L. albus e de L. angustifolius com níveis promissores de resistência, respetivamente em variedades tradicionais e em germoplasma espontâneo português. O estudo do efeito da doença nos componentes da produção, em condições de campo, revelou que o número de vagens por infrutescência foi o componente da produção mais afetado, ilustrando um elevado aborto floral atribuído à doença. Estes resultados permitem uma utilização mais informada do germoplasma das espécies de Lupinus estudadas nos respetivos programas de melhoramento de plantas.

Anthracnose, caused by the fungus Colletotrichum lupini, is one of the main limitations to the cultivation of several lupin species in different parts of the world. Affecting the main stem, this disease may cause plant death, leading to frequently high yield losses. This disease was reported only recently and the narrow genetic diversity of its pathogen suggests a recent origin for this fungus. On the contrary, the vast genetic richness found in the germplasm of diverse Lupinus species, some of them having the Portuguese territory as important component of their natural distribution areas, call for the study targeting the characterisation of disease resistance in such germplasm accessions. The analysis of a germplasm collection comprising 51 Lupinus albus, 46 L. angustifolius, 19 L. luteus and 10 L. mutabilis accessions using artificial inoculation conditions pointed out L. albus and L. angustifolius accessions with promising levels of resistance, on Portuguese landraces and wild germplasm respectively. Under field conditions, the effect of the disease on yield components affected mostly the number of pods per pod set, suggesting a high flower abortion due to the disease. These results enable a more informed use of the germplasm of these Lupinus species on the respective breeding programmes.

Challenges and opportunities for food processing to promote consumption of pulses

The benefits that pulses bring to the consumers - nutritional, health and environmental - meet several of the current consumption trends in the EU. The evolution of pulses consumption in the European regions displays two different panoramas: the North-South disparity and the similar lower consumption in the Eastern and Western regions. To improve consumer acceptance it is crucial to invest on educating and communicating to the consumers how pulses can contribute to healthy and sustainable diets. Here we present different food processing technologies that have the potential to increase not only the nutritional and organoleptic quality of pulses, but also it´s convenience of use as this emerges as a growing factor in the decision to purchase and food choice of consumers. This approach also includes the culinary innovation for the development of appealing, convenient and nutritive meals with healthy and environmental claims.

Os benefícios - nutricionais, de saúde e ambientais - das leguminosas-grão vão ao encontro das atuais preocupações dos consumidores europeus. A evolução do consumo das leguminosas-grão nas regiões europeias evidencia duas situações diferentes: a disparidade Norte-Sul e o baixo consumo nas regiões de Leste e Oeste. Para melhorar a aceitação do consumidor é crucial investir na comunicação e educação alertando para os benefícios das leguminosas-grão para dietas saudáveis e sustentáveis. Diferentes tecnologias de processamento de alimentos são apresentadas com potencial para aumentar não só a qualidade nutricional e organolética das leguminosas, mas também aumentar a sua conveniência, já que este é um aspeto que emerge como um fator importante na decisão de compra e escolha de alimentos. A abordagem contempla ainda a inovação culinária para o desenvolvimento de refeições apelativas, convenientes e com alegações saudáveis e ambientais.