This is an HTML version of an attachment to the Official Information request 'Budgets for biotech. Period 2019-21; & GM pasture species 2002-2023.'.
2010-11 Annual Update / Final Report   
Client report summary: 
Key: 

PROJ-14033-NEG-AGR C10X0815-CR-2 
Project: 
Exploi�ng Opprotuni�es from Forage Plant Genomics 
Contract ID: 
C10X0815 
Investment process:  NEG 2006 Nego�ated 
Organisa�on: 

AGR AgResearch Limited 
IMS assigned to: 
s9(2)(a)
 
Repor�ng period: 
01/07/2010 to 30/06/2011 
Contract total value:  $11,732,667.05 
 
 
Annual Update 2010/11.   
Outcome Benefits to New Zealand.   
New Zealand faces a number of major environmental issues with the intensifica�on of pastoral farming.  For example, 
in the dairy sector due to the increased stocking rate and average cow live weight there has been a 57% increase in 
live weight over the last 30 years (1989-2010) – Dairy NZ, McDonald and Clark. The rate limi�ng step in our produc�vity 
is the feed supply and our pastoral grazing system is also the cause of a number of the environmental issues (GHG 
emissions and N leaching).  Despite recent advances (e.g., “high sugar” grasses and novel endophytes) we require 
mul�ple step changes in our forages to address these chal enges as a substan�al shi� toward cut and carry feed based 
systems is uneconomic.   
Our approach is to increase the quality of our forages by increasing the metabolisable energy (ME) and improving the 
rate of diges�on.  These targets cannot be achieved by plant breeding alone (even with marker assisted selec�on) so 
we  have  three  targets:  increased  lipids;  increased  water-soluble  carbohydrates;  and  an  improved  rate of  cell wall 
diges�on (these targets use biotechnology to assist breeding or involve gene�c modifica�on of perennial ryegrass or 
the ryegrass endophyte).  We also have a programme focused on developing an improved endophyte that beter 
protects the ryegrass crown and root system.   
This programme is closely linked with the seed industry and builds on the research on the conven�onal y developed 
AR1 and AR37 commercial endophytes to apply biotechnology to provide increased knowledge and new op�ons for 
endophyte development.   
The most advanced area focused on ME is a GM technology termed DGAT1/Cysteine Oleosin that wil  increase the ME 
of forages by doubling lipid levels in vegeta�ve �ssue and poten�ally the available biomass by 25%.  This technology 
has been implemented in perennial ryegrass (this contract), alfalfa and white clover (by PhytaGro Corp).  Modelled 
benefits of a GM high ME perennial ryegrass include for the dairy industry:   
•  6%-12% increase in Milk Solids produc�on.   
•  17% decrease in farm GHG emissions.   
•  $900 per ha increase in farm revenue leading to poten�al market benefit of up to $2B p.a.  With a market 
adop�on of 20% the poten�al benefit to the pastoral industries could be around $400M p.a.   
We  have  also  made  progress  with  the  development  of  forages  with  consistent  levels  of  water-soluble 
carbohydrate (WSC).  Last year we were able to dissect the strong Gene × Environment and Gene × Management 
regula�on of fructan WSC in conven�onally bred “high sugar” ryegrass varie�es.  This year Pastoral Genomics has co-
C10X0815-CR-2 HME Ryegrass Final Report 
Jun2011 
1 - 6 

funded further development and we have produced GM ryegrass plants with increased levels of fructan WSC where 
the fructan levels obtained were as high as the best conven�onally bred “high sugar” varie�es.  The major difference 
was that WSC levels were unaffected by the Gene × Environment and Gene × Management regula�on seen in the 
conven�onal y bred lines.  We have u�lised the funding in this contract to cross these GM traits into a high sugar 
(high WSC) ryegrass genotype to determine the maximal levels of WSC that can be obtained.   
Work on improving the rate of cell wal  diges�on is split into several funding streams and this contract supports those 
areas.    We  have  expressed  cellulases  in  model  plants  and  the  ryegrass  endophyte.    If  these  approached  lead  to 
applica�ons in ryegrass that increase the rate of cell wall diges�on in the animal this would have major environmental 
and produc�on benefits for farmers.   
Ryegrass containing an endophyte expressing significant levels of the bioac�ve lolines would benefit farmers through 
increased  pasture  persistence  due  to the  demonstrated  protec�ve  effects of  lolines on  the  plant  crown  and  root 
system. This would result in decreased insec�cidal use and increased dry mater produc�on especial y in dry condi�ons 
(pasture with damaged root systems performs poorly when soil moisture levels drop).  When endophytes from tal  
fescue (that normally produce high levels of loline) are transferred to perennial ryegrass the loline levels are only 1-
10% of that seen in tal  fescue (and insufficient for plant protec�on).  We have iden�fied the gene�c switch that causes 
this effect and produced experimental lines of GM endophyte where levels in perennial ryegrass are equivalent or 
greater than that seen in tal  fescue.   
A  number  of  challenges  face  the  commercialisa�on  of  GM  crops  in  NZ  including  but  not  limited  to  the  cost 
(approximately $20M for breeding, animal feeding trials and regulatory costs), the current challenging GM legisla�on 
under the HSNO act, containment and a concern by the pastoral industries for possible nega�ve impacts on their 
markets.  All these factors contribute to the issue of demonstra�ng that the high ME forages wil  have the expected 
nutri�onal  benefits  and  subsequent  increase  in  produc�vity  and  environmental  benefits.    We  have  developed  a 
strategy in consulta�on with the NZ pastoral industries that includes overseas field trials and this is outlined in the next 
sec�on on the implementa�on pathway.   
 
Implementation Pathway.  
AgResearch has well established rela�onships with all seed companies and has commercial rela�onships with a number 
of them.  Grasslanz Technology Ltd, an AgResearch subsidiary, is a plant technology provider to farmers (end-users).  
Grasslanz is the world’s premier source of grass endophytes and white clover, and a world leader in the development 
of temperate forage cul�vars.  Grasslanz works closely through the en�re cul�var development process with its seed 
company  partners.    Grasslands  Innova�on,  which  is  an  incorporated  joint  venture  between  Grasslanz  and  PGG 
Wrightson  Seeds  (PGGWS)  creates  an  exclusive  pathway  to  market  for  perennial  ryegrass  cul�vars.    AgResearch 
underpins Grasslanz compe��ve advantage through exclusive access to conven�onal plant breeding, plant genomics, 
microbial genomics and a strong base of fundamental and applied plant and animal sciences.  The subsidiary’s main 
func�ons are to licence the use of AgResearch’s seed products to seed companies, fund and manage R&D, produce 
nucleus seed and protect intellectual property.   
Ini�al outputs from this contract can be in the form of molecular markers for complex plant gene�c traits such as the 
water-soluble carbohydrate compounds the fructans.  The knowledge is applied by the Markers 2 Market programme 
(AgResearch, Pastoral Genomics and the seed industry).  This programme will ensure that the marker assisted selec�on 
technology we have developed over the last decade can help make posi�ve improvements to complex forage traits 
and assist the breeders and seed companies to deliver improved cul�vars.   
The endophytes currently under development in this programme include both conven�onal strains selected for specific 
atributes  and  GM  strains  to  improve  plant  biocontrol  (increased  lolines)  and  an  improved  rate  of  plant  cell  wall 
diges�on.  Conven�onal endophytes will be commercialised following the established route via Grasslanz Technology. 
GM endophytes face similar issues to GM forages and a similar strategy to that outlined next for GM forages could be 
used.   
Longer term outputs poten�ally include gene�cally modified forages.  We have made significant progress with one 
trait, high metabolisable energy (ME).  As the technical aspects of this programme have progressed we have consulted 
C10X0815-CR-2 HME Ryegrass Final Report 
Jun2011 
2 - 6 

with the pastoral industries over the issues NZ faces with GM forages.  The pastoral industries have not ruled out GM 
forages but expressed a desire that ini�al field trials be performed overseas.  For the �me being there is a desire for 
NZ to be a market follower rather than a market leader.  As the �melines for delivery of GM seed to the farmer are 
lengthy (and costly), expected to be in 2021 we do not see this requirement as a barrier but rather an opportunity to 
share the risk with a larger AgBio player.  Our strategy has therefore been to include high ME forages as a package in 
our two spin out companies AgResearch jointly owns with the San Diego based incuba�on firm Kapyon Ventures LLC.   
Through  the  Kapyon-AgResearch  partnership,  the  par�es  have  formed  two  commercial  spinouts -  PhytaGro  Corp 
(forages and bio-fuel crops) and ZeaKal, Inc (major row crops).   
The spinouts are currently commercializing a novel plant yield pla�orm with a specific focus on raising lipid content in 
both seed and vegeta�ve �ssue.  The underlying por�olio has been shown to not only increase the oil yield/quality of 
tradi�onal oil seed crops, but also extend seed-like oil produc�on mechanisms into the vegeta�ve �ssue of second-
genera�on feed and fuel crops that currently have low energy density.  Both companies are being prepared for sale.   
Al  the AgResearch IP in both PhytaGro and ZeaKal is licensed in and so will remain owned by AgResearch even a�er 
the two companies are sold.  Forage species of importance to NZ will be included in the licenses that will be sold to a 
purchaser.  In order to ensure that NZ farmers are not prevented from accessing these technologies in the future we 
wil  ensure that:   
•  The licenses exclude NZ, ensuring that AgResearch wil  always be free to develop the product for NZ;   
•  Any purchaser acquiring the Intel ectual Property rights must develop the technology in the licensed forage 
species within a specified �me frame or lose the right to do so;   
•  In the event that a purchaser does develop a new cul�var in a species important to NZ, they will make all 
endeavours to make the technology available in NZ.   
As we progress with this strategy the companies wil  be offered for sale to NZ seed companies and regardless of the 
outcome we are working with both PGGWS and Agriseeds on a NZ focussed breeding strategy to ensure that when 
al owed, a high ME GM forage suitable for the NZ market wil  be available (es�mated to be 2021).   
 
Research, Science and Technology (RS&T) Benefits to New Zealand.   
This programme has delivered the fol owing benefits in the last 12 months:   
•  Increased knowledge of forage grass endophyte chemistry and gene�cs and genomics;   
•  Iden�fica�on of the regula�on of loline biosynthesis in endophytes and demonstra�on the endophytes can 
deliver valuable recombinant proteins;   
•  Increased understanding of lipid biosynthesis in plants with 3 patent applica�ons or PCT filings forming the 
cornerstone technology por�olio of spin out biotechnology companies PhytaGro Corp and ZeaKal, Inc;   
•  Improved understanding of WSC produc�on in forage grasses and approached to improve WSC levels in marker 
assisted breeding programmes;   
•  Development of the metabolomics capability for analysis of GM plants expressing output traits, and for analysis 
of plant cell wall polymers;   
•  Iden�fica�on of plant cell wall degrading enzymes suitable for improving the rate of forage cell wall diges�on 
and the opportunity to further u�lise these in the produc�on of cellulosic biofuels.   
 
Publicly available informa�on 
New  Zealand  depends  on  agriculture  for  a  substan�al  propor�on  of  its  income.    In  2007,  agricultural  exports 
represented 48% of al  export products.  The pastoral sector exports alone were valued at $16B in 2007.  This high 
dependence  on  agriculture  wil   certainly  con�nue  wel   into  the  future  as  the  world’s  burgeoning  middle-class 
increasingly demands those high-quality food, fibre and health-related products that New Zealand is ideal y placed to 
C10X0815-CR-2 HME Ryegrass Final Report 
Jun2011 
3 - 6 

deliver.  The feed supply for New Zealand’s agricultural animals is the biggest constraint to animal produc�on.  This is 
highlighted in the Strategic Frameworks of both the dairy and meat & wool industries.   
We have ini�ated a new programme that fol ows from the successful 6-year contract C10X0203.  This programme wil  
build on the progress or the plant genomics pla�orm and deliver new forage cul�vars and endophyte strains for the 
pastoral industries.  The objec�ves within our programme are specifical y intended to address the feed constraint 
equal y valid for the meat and dairy industries.  These targets wil  not only have produc�on benefits but wil  also have 
significant environmental benefits.   
We wil  develop perennial ryegrass with consistently elevated levels of water-soluble carbohydrate (WSC).   
Increasing the WSC content would provide the rumen microflora with a readily available energy source and reduce 
their fermenta�on of protein, which results in increased nitrogen supply to the ruminant and reduced nitrogen losses 
through excre�on.   
We will also increase the metabolisable energy of perennial ryegrass by up to 10% by developing lines that contain 
elevated levels of protected leaf triglycerides.   
We also intend to increase the rate of fibre diges�on by modifying the linkage of cell wall polysaccharides to lignin and 
other wal  polymers.  Increasing the rate of fibre diges�on would not only provide more energy but also reduce the 
�me required to pass through the rumen and therefore reduce nitrogen losses.   
Endophytes for the Future Farm focuses on developing the next genera�on pasture endophyte to target insect pests 
above and below ground that are not affected by the AR1 endophyte (a commercial strain released in 2001).  This wil  
improve pasture produc�vity and resilience by both reducing insect preda�on and improving plant access to water and 
nutrients through healthier root systems.   
 
This year we have made significant progress towards these objec�ves with the main highlights being:   
Objec�ve 1:   
We are using biotechnology to understand how ryegrass makes the water-soluble carbohydrate fructan.  To do this, 
experimental gene�cally modified (GM) ryegrass lines containing laminar (leaf) fructans at levels greater than the 
conven�onal y bred high sugar grasses have been developed.   
This modifica�on overcomes the strong gene x environment control of fructan levels normally seen in ryegrass that 
results in sub-op�mal levels unless the plants experience a prolonged cold period.  This project is now aligned with the 
Pastoral Genomics Consor�um.  We have crossed this trait into conven�onal high sugar lines to determine the maximal 
level of water-soluble carbohydrate that can be obtained.  We are also u�lising the knowledge gained in a marker 
assisted breeding programme to develop a conven�onal ryegrass variety with more reliable levels of water-soluble 
carbohydrate that what is currently available.   
 
Objec�ve 2: 
We have demonstrated that is possible to double leaf triacylglyceride lipids in a model plant by encapsula�ng the 
addi�onal  lipids  with  a  novel  oleosin  protein.    This  has  been  implemented  in  alfalfa,  white  clover,  and  perennial 
ryegrass.  The ryegrass lines will contain 10% greater metabolisable energy.   
Model ing has shown that a farm using this ryegrass would not only have increased produc�vity but also significant 
environmental benefits due to a 17% reduc�on in greenhouse gas emissions.  This is a result of the increased quality 
of the animal feed.  Currently there are no forage plant species that could deliver these benefits so a GM ryegrass like 
this would provide new op�ons for farmers in New Zealand when it was eventual y available.   
We have formed two spin out companies, PhytaGro Corp and ZeaKal Inc to commercialise the novel oleosin technology 
in biofuel crops, forages, and major row crops in interna�onal markets.   
 
C10X0815-CR-2 HME Ryegrass Final Report 
Jun2011 
4 - 6 

Objec�ves 4 and 5:  
We have developed a 4 in 1 molecular assay to test endophyte viability in commercial seed.  This will offer a cheaper 
and faster op�on for industry than the current immunological test.  The new system is currently being beta-tested.  We 
have also successfully increased the level of lolines in experimental strains of endophyte in perennial ryegrass.  This is 
a major breakthrough as we have iden�fied the gene�c switch which has so far limited the levels we can obtain in 
ryegrass to about 10% of the required level for an effec�ve biocontrol agent.   
 
Objec�ve 6:   
We are exploring the use of the ryegrass endophyte to deliver novel traits in a ryegrass cul�var.  Currently we are 
tes�ng enzymes that increase the diges�bility of the grass in the animal rumen.   
These  enzymes  would  be  sequestered  by  the  endophyte  and  only  released  during  diges�on.    This  year  we 
demonstrated that the enzymes are ac�ve and the next step is to perform in vitro diges�on assays of plant material to 
measure to increased rate of diges�on expected.   
 
Five key achievements.   
1.  Cysteine Oleosin  -  Oleosins allow oil bodies in seeds to become �ghtly packed organelles.  Oils in the leaf are used 
as short-term intermediate metabolites and are catabolized in the cell.  No one has yet achieved any significant 
increase  in  oil  accumula�on  in  plant  leaves.    Cysteine  Oleosin  addresses  these  shortcomings  by  crea�ng  an 
encapsula�on system that enables the accumula�on of neutral lipids in vegeta�ve �ssues (ryegrass) at all stages 
of development.   
 
2.  Lolines in Ryegrass  -  Two regula�ng genes for loline biosynthesis in the endophyte have been overexpressed and 
the GM endophytes introduced into ryegrass. The plants grown in containment have high levels of lolines, an order 
of magnitude greater than the non-GM strains.  These levels if expressed in field condi�ons would protect ryegrass 
against a range of insect pests not currently affected by the commercial AR1 and AR37 endophytes.   
 
3.  A 4 in 1 diagnos�c test for endophyte viability has been developed with suppor�ng co-funding from Grasslanz 
Technology Limited for the seed industry. This is currently being beta-tested and if able to be scaled up, will replace 
the immunological test that is currently used.  The compelling feature of this test is it can measure viability, strain, 
percent infec�on and detect any contamina�on in a single test.   
 
4.  AgResearch has a formal partnership with Kapyon Ventures LLC, a San Diego based technology incuba�on firm. 
Through this partnership, the par�es have created two commercial spinouts - PhytaGro Corp (forages and bio-fuel 
crops)  and  ZeaKal,  Inc  (major  row  crops)  to  commercialize  the  IP  por�olio  in  global  agricultural  markets. 
AgResearch is currently looking to sel  both companies and is engaging with AgBio and seed companies both in 
New Zealand and interna�onally.   
 
5.  We have shown that the ryegrass endophyte can be used to deliver novel traits into ryegrass.  Several GM strains 
that express func�onal plant cel  wal  degrading enzymes have been introduced into ryegrass.  These plants are 
being grown in containment and will be used in in vitro diges�on experiments to determine if the rate of cell wall 
diges�on  has  increased.   Endophytes  are  not  spread  by  pol en so  these  strains  would  have  a  greater  level of 
containment than a GM trait in ryegrass.   
 
C10X0815-CR-2 HME Ryegrass Final Report 
Jun2011 
5 - 6 

End-User rela�onship   
AgResearch  met  in  early  July  with  representa�ves  of  the  seed  industry  stakeholders  PGGWS,  Agriseeds,  GTL  and 
Pastoral Genomics for a technical mee�ng of the NZ Forage Consor�um.  AgResearch updated progress on developing 
High Metabolisable Energy (ME) ryegrass development programme.  The High ME ryegrass will poten�ally provide 
significant environmental benefits (17% reduc�on in GHG) as well as increased farm produc�vity.  The NZ Forage 
Consor�um has a shared interest in developing GM forages to address requirements and provide opportuni�es for NZ 
pastoral farmers.  Plans is in place to coordinate breeding and ini�al overseas field trial efforts.   
 
Highlights include:   
1) Development of Cysteine Oleosin technology to stably increase lipid levels in the vegeta�ve por�ons of plants to 
increase metabolisable energy (ME).   
2) Development of GM ryegrass, white clover and alfalfa with increase ME.   
3) Development of a 4 in 1 diagnos�c test for endophyte viability for seed industry (currently being beta tested).   
4) Development of experimental endophyte lines with significant levels of lolines in ryegrass Through this program and 
through internal AgResearch investment and in collabora�on with other research organiza�ons across the world, 
we have developed a novel and well validated IP por�olio that has been shown to:   
o  Increase the energy density of forage crops through the eleva�on and stable accumula�on of neutral lipids 
in the vegeta�ve �ssue;   
o  Poten�al y improve feed conversion by as much as 15%;   
o  Increase carbon fixa�on and biomass yield by up to 50% in forages;   
o  Elevate oil yields by up to 34% in seed crops;   
o  Modify the property of oil bodies for delivery of high value oil products.   
 
AgResearch  has  a  formal  partnership  with  Kapyon  Ventures LLC,  a  San  Diego  based  technology  incuba�on  firm. 
Through this partnership, the par�es have created two commercial spinouts - PhytaGro Corp (forages and bio-fuel 
crops) and ZeaKal, Inc (major row crops) to commercialize the IP por�olio in global agricultural markets.  AgResearch 
is currently looking to sel  both companies and is engaging with AgBio and seed companies both in New Zealand and 
interna�onally.   
 
C10X0815-CR-2 HME Ryegrass Final Report 
Jun2011 
6 - 6