This is an HTML version of an attachment to the Official Information request 'Budgets for biotech. Period 2019-21; & GM pasture species 2002-2023.'.
2021-22 Annual Update / Final Report   
Client report summary: 
Key: 

CONT-47267-CRFRP-AGR C10X1603-CR-6 
Project: 
Forages with Elevated Photosynthesis and Growth 
Contract ID: 
C10X1603 
Investment process:  CRFRP 2016 Contestable Research Fund - Research Programmes 
Organisa�on: 

AGR AgResearch Limited 
IMS assigned to: 
Alison Slade 
Repor�ng period: 
01/07/2021 to 30/06/2022 
Contract total value:  $11,500,000.00 
Team: 

 
 
 
Annual Update   
2021-22 Annual Update   
As this is the final report, this annual update will cover a brief history of the basis for this contract and the science that 
led up to the start.  The significance of each of the five key impact areas will be described and then how this research 
progressed.  Finally, the outputs of the research and their significance will be discussed, including seven peer reviewed 
scien�fic publica�ons and the major findings as wel  as areas yet to be published.  Importantly this contract has had 
strong stakeholder support and the significance of this to the contract and to the stakeholders will be summarized.   
A Brief Science History.   
The genesis for this outstanding science originally came from research to increase the energy density of forages in the 
early 2000s.  The team were developing a faty acid expression and protec�on system in the model species Arabidopsis 
(Winichayakul et al., 2013).  They successfully doubled leaf fat levels and a serendipitous discovery opened the door 
to a wide range of applica�ons in crops.   
During analysis of the transgenic Arabidopsis, it was observed that the plants grew 50% faster than control plants.  The 
team  iden�fied  that  these  plants  had  elevated photosynthesis.  This was subsequently  demonstrated  in  forage 
perennial ryegrass.  More recently (from research in this contract), it has been discovered that the main mechanism 
for enhanced photosynthesis is a reduc�on in the nega�ve feedback based on the carbohydrate status of the plant 
(Beechy-Gradwell et al., 2020).  It should be noted that over the last two decades, enormous investment has been 
made  interna�onally  toward  improving  this  complex  process in plants.  Before  this  discovery,  while incremental 
improvements were made, other research efforts were limited by this nega�ve feedback mechanism plants use to 
regulate photosynthesis.   
The discovery of enhanced photosynthesis led to the recogni�on that this novel technology had applica�ons in mul�ple 
crops.  Over the last 14 years, the team developed new partnerships, progressed the science in other crops, and 
contributed to building novel commercializa�on models.  Within a few years, this important technology is expected to 
benefit farmers and consumers in several countries (soybean in 2026).   
During  presenta�ons  to  Dairy  NZ,  PGG-Wrightsons Seeds, Agriseeds and Grasslanz Technology in 2015 it  was 
recognized that a joint MBIE-Industry funded research programme could progress the development of HME ryegrass 
to a stage where it became a commercializa�on programme.  There were important fundamental ques�ons on the 
MBIE C10X1603-CR-6 HME Ryegrass Final Report 
Jun2022 
1 - 9 

plant response to nitrogen, its water use, the mechanism for enhanced photosynthesis and the chal enges of breeding 
in PC2 containment to be answered.  The need for HME ryegrass field trials and animal nutri�on trials to establish the 
value proposi�on for New Zealand was recognized.  As New Zealand had not adopted gene�cal y modified crops the 
social license and farmer engagement was another important ac�vity.   
Initiation of the Research Programme for Contract C10X1603.   
The research was divided into five key areas: Carbon Dioxide Recycling, Nitrogen U�lisa�on; Nitrogen and Water Use 
Efficiency; Breeding in Containment; Increasing Farmer Awareness and understanding of HME Forages.  The industry 
co-funding supported some of the five key areas and in addi�on helped support the USA based field trials.  The plan 
was to progress to an animal nutri�on trial in dairy cows but in 2021/2022 the strategy for this changed due to a new 
understanding that the USA climate was not suitable and the emerging opportunity of the Australian market.   
Carbon Dioxide Recycling.   
High metabolizable energy (HME) ryegrass plants have increased levels of lipids stored in the green �ssues in micro-
organelles (Winichayakul et al., 2013; Roberts et al., 2010, 2011; Beechy-Gradwel  et al., 2020).  These organelles are 
stable  within  the  leaf  and  remain  during  the  ensiling  process  (Winichayakul et al., 2020).  The early Arabidopsis 
research published in 2013 (Winichayakul et al., 2013) speculated that  CO2  recycling led to the enhanced 
photosynthesis.  However, as it has turned out from research in this contract, there is another very novel and important 
mechanism and this has been one of the most important discoveries from this research.   
The al oca�on of different sources of carbon (sugars and fat) in different �ssues is altered, leading to reduced nega�ve 
feedback of photosynthesis (Beechy-Gradwell et al., 2020; Cooney et al., 2020).  This enables the overal  plant energy 
to be increased due to greater fixa�on of atmospheric CO2.  Increased plant growth rates are also observed, although 
the rate of increase is affected by compe��on for light in densely packed sward condi�ons.   
Interna�onal  research  on  photosynthesis  over  the  last  30  years  has  focussed  on  step-by-step incremental 
improvements of this complex 156 step set of interac�ng biochemical pathways.  Progress was made in various steps 
but there were two overarching nega�ve feedback mechanisms based on the carbohydrate status of the plant and the 
plants carbon:nitrogen balance.  These nega�ve feedbacks o�en limited the progress made.  The discovery by the 
AgResearch team from research in this contract iden�fied that one of the nega�ve feedbacks (based on the plant 
carbohydrate status) was overcome, this has been a major step forwards.  While there are condi�ons where HME 
ryegrass can have significantly greater growth rates, under compe��on for light and nutrients this diminishes and the 
plant allocates the extra photosynthate into greater energy density.  The same is seen in soybean with the same 
technology where occasionally the plants have greater yields, but in general the enhanced photosynthesis leads to 
increased energy density stored in the seed through increased oil and protein composi�on.   
Nitrogen U�lisa�on.   
The plant nitrogen status was linked to photosynthesis.  The nitrogen cycle is an important pathway linked  to 
photosynthesis in that it supplies the reductant needed to drive the cycle.  It was important to understand the plant 
response to different forms of nitrogen.  It had been observed that the plant responds differently to reduced nitrogen 
compared to controls.  For forages, this links into the farm nitrogen cycle which includes added and recycled nitrogen.   
Research in this area is split into grasses and legumes with grasses including ryegrass and rice (as a model species), and 
legumes including alfalfa and now soybean.  The overall goal of this research has been to understand the nitrogen 
requirement of different species and their responses to different nitrogen forms, nitrate, ammonia and urea.  We made 
significant progress in ryegrass and this was published in 2018 (Beechy-Gradwel  et al., 2018).  The key findings were 
that HME ryegrass u�lised all three forms of nitrogen, but the greatest growth responses were to reduced forms of 
nitrogen (ammonia and urea).   
Research on soybean has focussed on nitrogen levels within field grown plants and we have demonstrated that plants 
have some increased leaf nitrogen but not throughout the early reproduc�ve stages and this appears to be then 
transferred into the seed which may account for the increased seed protein in some lines.  It appears the legume 
MBIE C10X1603-CR-6 HME Ryegrass Final Report 
Jun2022 
2 - 9 

symbiosis is sufficient to obtain compe��ve yields and addi�on of nitrogen (anhydrous ammonium) only benefits if soil 
N levels are low.   
Nitrogen and Water Use Efficiency.   
The  aim  of  this  research  area was  to  determine  if  HME trait  expression  in  transgenic  plants  alters  plant  nitrogen 
metabolism.  This goal is different from the research in described above on nitrate u�liza�on as it is more encompassing 
and  focuses  on  overal   plant  nitrogen  metabolism.  We  are  also  examining  water  use  efficiency  and  other  stress 
responses such as light and temperature.   
We performed control ed environment experiments on HME ryegrass event ODR4501 and looked at its ability to u�lize 
nitrate, ammonium, and urea.  HME ryegrass shoot dry weight increased across the en�re nitrogen supply range 
regardless of nitrogen form, whereas the non-GM control ryegrass shoot dry weight did not significantly increase 
beyond 7.5 mM nitrogen supply.  At 10 mM nitrogen supply, HME ryegrass shoot dry weight was 27-34% greater and 
root dry weight was 25-45% greater than in the non-GM control ryegrass.  Total plant percent nitrogen and the shoot 
to root ra�o was lower for plants supplied with nitrate than with ammonium or urea but did not differ between the 
non-GM control and HME ryegrass.  This suggested that HME ryegrass has a similar nitrogen u�lisa�on efficiency and 
biomass par��oning.   
Of par�cular interest is the legume species alfalfa and soybean.  As these species can form symbioses with the nitrogen 
fixing bacterium Rhizobium, they are provided with a source of nitrogen in the form of ammonium.  Research on 
soybean has focussed on nitrogen levels within field grown plants and some of this is ongoing and being conducted by 
our partner ZeaKal.  This links to the observa�on men�oned previously that plants have some increased leaf nitrogen 
throughout the early reproduc�ve stages and this appears to be then transferred into the seed which may account for 
the increased seed protein in some lines.  It suggests that alfalfa and white clover are similarly likely to benefit.   
The overall nitrogen u�lisa�on of HME ryegrass is relevant to on farm models currently being used to help establish 
the value in farming systems.  As the program moves into the commercialisa�on phase from 2022 and beyond, we are 
repea�ng our farm and financial models informed from the US based field trial data and recent work on methane 
mi�ga�on experiments from in vitro methane assays.   
Breeding in Containment and the Ryegrass Endophyte.   
The novel breeding approach based in containment facili�es the team has developed in col abora�on with their seed 
company partners has enabled seed to be developed for 5 years of overseas field trials and has set the programme up 
for much larger scale plan�ng for animal nutri�on trials.  The breeding occurs in crossing cages in PC2 containment and 
takes 9-10 months per cycle.  Once sufficient homozygous familied have been developed and characterised it is possible 
to scale up to an open flowering and pol ina�on system.   
Two methods of plant transforma�on were used with gene gun plants produced prior to the start of this contract and 
Agrobacterium plants produced during the contract.  We found the Gene Gun plants had mul�ple loci of integra�on of 
the transgene gene cassete and these became problema�c during the breeding phase as they segregated and we 
ended up with par�al HME phenotypes.  The Agrobacterium system produced a favourable frequency of single copy, 
single locus integra�ons and we were able to recreate many HME ryegrass plants that performed much beter in the 
breeding phase.  To ensure we has intact single copy integra�ons of the T-DNA we performed whole genome sequence 
analysis (an innova�on that became an op�on in 2018/2019).  This enabled us to map the integra�ons to the genome 
assemble and iden�fy genic and intragenic inser�ons.  Not all events were easy to map as the genome is not complete 
and therefore, we adopted a long-read sequencing approach which is s�l  to be ful y completed for some events.   
The ryegrass endophyte that lives intercellularly within the plant leaves and stem provides protec�on from various 
insect predators of ryegrass.  As the transgenic HME ryegrass material was developed out of the plant transforma�on 
process it was endophyte free (to prevent contamina�on in �ssue culture).  The AR1 and AR37 endophytes were 
introduced in the breeding process and an important ques�on was how this symbio�c fungus would survive in a HME 
ryegrass plant.  This has been answered in containment and field-based experiments and we have found no difference 
in transmission from seed genera�on to seed genera�on, no difference in fungal biomass and a minor reduc�on of 
some of the protec�ve alkaloids, although the levels s�ll remain within the seasonal varia�on range.  This will be 
submited for publica�on in 2022.   
MBIE C10X1603-CR-6 HME Ryegrass Final Report 
Jun2022 
3 - 9 

The proposed animal nutri�on trials require one ha of HME ryegrass and one ha of a null control line.  This needs 10 
to 20 kg of seed for each treatment to be produced in PC2+ containment.  Addi�onal y, the three to four cycles of 
breeding need to be performed in elite industry ryegrass germplasm.  We developed a unique system in the new PC2+ 
containment  glasshouses at the Palmerston North Campus.  Using  a  rapid  homozygous breeding protocol that 
minimises in breeding depression while minimising the genera�ons required, we have developed the first batch of 
seed and by February 2023 we wil  have produced the 10-15 kg of seed for use in a trial in Australia.  This enables both 
in and off season seed produc�on.  Analysis of seed quality indicated it passes the phytosanitary requirements for 
shipping to Australia.  Protocols were  co-developed with an industry advisory group and containment measures 
supervised by the Ministry of Primary Industries.  This is the first �me this volume of seed has been produced in 
containment from a gene�cal y modified wind pol enated grass species and highlights the unique facility and capability 
that has been developed.   
Increasing Farmer Awareness and Understanding of HME Forages.   
In  col abora�on  with  NZIER,  AgResearch  conducted  a  survey  on  farmer  decision  making  and  the  key  decision 
�meframes for a GM HME ryegrass.  Key findings were:   
•  Some farmers are interested in the poten�al benefits of HME ryegrass.  They may adopt it within a year or two of 
its commercial release.  However, they want to know more about how it might perform.   
•  They are likely to want informa�on early, through many channels.  The best �me to provide informa�on wil  be 
a�er the field trials and before product release.  Some farmers want informa�on even earlier.  Given the number 
of informa�on sources that farmers use, and the �me frames for decision making, the informa�on should be 
available in many formats through many channels.   
•  The use of gene�c modifica�on (GM) technology creates addi�onal complexity.  Some farmers will not adopt HME 
ryegrass because it is GM.  Other farmers would adopt HME ryegrass but recognise that GM technology is an issue 
with consumers and in their supply chains.   
•  HME ryegrass would likely be a minority of total pasture.  Among poten�al adopters, HME ryegrass would likely 
be one of several cul�vars used.   
More Recently a Survey of Gatekeepers and New Zealand Agrifood Exports (Kaye-Blake et al., 2022) was conducted to 
understand:   
•  Whether there is significant gatekeeping behavior in New Zealand export supply chains.   
•  Where in the supply chains gatekeeping occurs?   
•  Whether GM technology might be expected to trigger gatekeeping behavior.   
Interviews and an online survey were conducted with respondents involved in export supply chains for meat and milk 
products  from  New  Zealand.  The  focus  was  on  percep�ons  of  gatekeeping  behaviour  and  the  impact  of  private 
standards on the ability to sell GM food to overseas consumers.  Gatekeeping and private standards are methods by 
which companies can exert influence on global value chains.  The growth in private standards in par�cular has been 
advanced  as  a  limita�on  on  producers  and  their  ability  to  innovate.  Although results did suggest that there is 
gatekeeping in the export supply chains, they provide litle support for the idea that either gatekeeping or private 
standards significantly impede New Zealand’s ability to market GM food to overseas consumers.  Instead, government 
regula�on  and  non-GM demand by  some  consumers  were  more  important  factors.  It is planned to publish this 
research in the journal New Biotechnology.   
New Zealand Based Nutrition Trial.   
There is poten�al to perform a sheep nutri�on trial to assess the methane mi�ga�on effects of HME ryegrass from 
ensiled HME and Control lines grown in PC2 containment.  We focussed on methane reduc�ons as published nutri�onal 
studies of ruminants suggest a 5% reduc�on in methane emissions for every 1% increase in dietary fat.  We aim to have 
experimental resolu�on to measure a 10% reduc�on in methane emissions.   
MBIE C10X1603-CR-6 HME Ryegrass Final Report 
Jun2022 
4 - 9 

Previous research on the stability of the faty acids stored in the leaf micro-organelles (MSc Thesis Beechy-Gradwell, 
2015) and more recently in the publica�on by Winichayakul et al., (2020) looking at in vitro methane assays using 
ensiled ryegrass, suggested ensiling was a viable storage method.   
We developed a novel system to grow and ensile ryegrass in batches and store the material for up to 18 months un�l 
we have approximately 1000 kg of dry mater needed for a trial.  AgResearch funded the project that wil  be conducted 
over the next 18-24 months.  This system enables us to generate enough dry mater for both HME and control ryegrass 
to conduct the trial in sheep at the AgResearch Palmerston North Campus.  This means the first animal nutri�on study 
of this technology wil  be complete by the end of 2024.   
USA Field Trials.   
AgResearch was able to partner with the University of Missouri in a five year collabora�ve program to conduct field 
trial based assessment of HME ryegrass in regulated field trials.  The robust but user friendly regulatory system in the 
USA enabled analysis of gene�cally modified ryegrass with two restric�ons, no seed planted in the field and no plant 
reproduc�on.  The  first  two  years  involved  assessing  the  environmental  condi�ons  and  developing  protocols  for 
transplanta�on  of  glasshouse  germinated  seedlings, comparing space plants vs.  sward  growth  condi�ons  and 
preven�on  of  reproduc�on.  We  ini�al y  assessed  gene  gun  derived  HME  ryegrass  which  turned  out  to  have 
problema�c mul�-loci integra�ons of the HME gene cassete that segregated during the breeding.  Therefore in 2019-
2021 we used the superior Agrobacterium derived HME ryegrass.  The recent publica�on from the team (Beechy- 
Gradwell et al., 2022)  shows  the  primary  benefits  for  HME  ryegrass  (elevated  leaf  fats  and  gross  energy)  reliably 
translate from the laboratory to the field, as demonstrated across two field seasons and under realis�c sward-like 
growing condi�ons.   
Across  the  2019  and  2020  field  seasons,  HME  ryegrass  displayed a 25–34%  increase  in  FA  delivering  up  to 
0.5 MJ kg-1 DW higher gross energy and no penalty to biomass produc�on.  If successfully converted to ME, this energy 
gain  is  250%  greater  than  the  total  ME  gain  achieved  over  the  last  4 decades by  tradi�onal  gene�c  selec�on.  
Consequently, these increases are predicted to deliver 30 kg MS cow-1 season-1 (based on FARMAX model ing) and 10% 
less methane for the New Zealand farmer.   
The  transla�on  of  the  secondary  benefits  for  HME  technology,  elevated  photosynthesis,  and  growth  from  the 
laboratory to the field were also examined in this paper.  The team showed that HME ryegrass could deliver 18% greater 
carbon assimila�on and up to 13% higher growth, but only in spaced pots, when light compe��on was low.  When 
grown in dense swards, in either the laboratory or the field, HME ryegrass displayed no increase in photosynthesis or 
growth rate.  Consequently, this paper provides a comprehensive assessment of the reliability of HME technology’s 
primary and secondary benefits, what traits translate to the field (increased faty acids and gross energy), and which 
do not (increased growth and photosynthesis).   
The  final  2021  HME  ryegrass  field  trial  in  the  USA  analysed  the  performance  of  homozygous  families  and  the 
assessment of primary and secondary traits.  Building on the 2019 and 2020 trials that u�lised hemizygous families we 
were able to demonstrate that gross energy and plant faty acid composi�on translated from lab to field.  In this line 
we observed a yield penalty over the season however it is unclear if it was a feature of this line or the propaga�on 
condi�ons.  Our ini�al plan had been to perform animal nutri�on studies in the USA, however the environmental risk 
of the hot summers led to a new strategy.   
Row Crop Science Innovation.   
In addi�on to the breakthroughs in forages, significant innova�on in soybeans has led to major benefits.   
Transla�ng  from  a  model  species  and  grass  into  a  seed-producing legume required new ways to control  gene 
expression.  The  �ming  of  gene  expression  has  been  cri�cal,  as  the  goal  is  to  provide  the  plant  with  sufficient 
photosynthate for efficient seed development.  This has been achieved with increased seed oil and protein composi�on 
and an overall increase in both co-products per acre over mul�ple seasons and sites across the USA.  More recently, 
the ZeaKal team have shown that PhotoSeed™ plants can outperform their controls in non-irrigated se�ngs.  About 
MBIE C10X1603-CR-6 HME Ryegrass Final Report 
Jun2022 
5 - 9 

75%  of  U.S.  soybeans are propagated in non-irrigated  condi�ons.  A  recent  innova�on  is  the  use  of  genes  and 
regulatory elements derived solely from soybean which wil  assist the deregula�on process.   
The ZeaKal team has also branched into hemp and developed hemp plants with increased leaf oil.  This poten�ally adds 
a new applica�on to this crop, one that has lacked the plant breeding developments of other crops due to prohibi�on.  
The team has also branched into corn with the poten�al for greater oil yields per acre.   
Intel ectual Property.   
A cri�cal component for raising investment in biotech is a robust and inves�ble patent por�olio.  Since 2009, the team 
has developed a por�olio of 13 patents around increasing plant oils, protec�on of plant oils, enhancing photosynthesis, 
modifying plant architecture and reducing nitrous oxide emissions from crops.  These are granted in mul�ple (92) 
jurisdic�ons.  Part of the strategy has been extending the life of the patent por�olio by filing more recent methods 
patents and new applica�ons.  To date, this por�olio has led to the raising of nearly $100M of government, industry, 
and venture capital investment.  There is poten�al that HME ryegrass may provide farmers with a tool for both methane 
and  nitrous  oxide  reduc�ons  and  this  could  be  u�lised  alongside  other  mi�ga�on  measures  to  make  significant 
reduc�ons to Australasia’s greenhouse gas inventory.  The new patent filing extends the protec�on period for this 
technology well beyond the 2029 expiry date for the cysteine oleosin patent.   
Social and Environmental Benefits.   
HME ryegrass represents a unique opportunity to improve both the produc�vity and environmental impact of pastoral 
farming.  Exemplifica�on  of  the  stable  transla�on  in  the  USA  field  trials  of  HME  was  a  major  step towards 
commercialising this technology and delivering these benefits to farmers both domes�cal y and abroad.   
Improving the nutri�onal composi�on of forages through the accumula�on of faty acids in the grazed por�on of the 
plant provides significant poten�al produc�vity and environmental benefits.  A forage with increased metabolizable 
energy provides farmers the opportunity to maintain produc�vity using less land and poten�ally fewer animals.  There 
also poten�al benefits of reduced methane emissions, supported by evidence from several animal nutri�onal studies 
and from in vitro methane assays.  The goal is to achieve a minimum of a 10% reduc�on in methane emissions.   
The  improved  nutri�ve  quality  is  expected  to  reduce  nitrogen  excre�on  in  ruminants  leading  to  reduced  nitrate 
leaching and nitrous oxide emissions.  Recently, evidence from control ed environment experiments suggests another 
significant  reduc�on  in  nitrous  oxide  emissions  can  be  directly  derived  by  the  altered  plant metabolism and 
morphology.  This can drive up farm profitability and provide farmers with addi�onal tools to manage environmental 
impacts from pastoral grazing systems.  Experiments in control ed environment chambers on HME ryegrass and control 
mesocosms designed to measure nitrous oxide emissions from plants treated with bovine urine have indicated a novel 
mi�ga�on poten�al.  Two HME ryegrass events were tested in different industry cul�vars.  In one case a significant 50% 
reduc�on in nitrous oxide emissions was observed over the course of the experiment in cul�var Impact and in the 
second more modern line there was a clear trend for reduc�on.  We an�cipate that in most modern cul�vars the 
reduc�on would be lower than the 50% seen in CV Impact.  This would need to be verified in field condi�ons and may 
comprise part of the Australian science plan.   
Future Commercialisation Options Beyond the Contract Completion.   
We are now developing a commercialisa�on and science plan to progress in Australia in 2023 and are about to seek 
regulatory approval from the Office of the Gene Technology Regulator.  The Australian market is a good opportunity as 
there is already GM crop produc�on and there is a significant ryegrass market for both the dairy, sheep and beef 
industries.  Australia can become a market leader to inform New Zealand on the benefits of HME ryegrass in pastoral 
agriculture.   
Current ac�vi�es include developing the costed dra� science plan, iden�fying the ideal business model from four 
possible op�ons, bringing in new partners and fund raising.   
MBIE C10X1603-CR-6 HME Ryegrass Final Report 
Jun2022 
6 - 9 

References.   
Somrutai Winichayakul, Amy Curran, Roger Moraga, Ruth Cookson, Hong Xue, Tracey Crowther, Marissa Roldan, Greg Bryan, Nick Roberts (2022).  
An alterna�ve angiosperm DGAT1 topology and poten�al mo�fs in the N-terminus.  Fron�ers in Plant Science, sec�on Plant Proteomics 
and Protein Structural Biology.  Manuscript ID: 951389 In Press.   
Beechey-Gradwel  Z, Kadam S, Bryan G, Cooney L, Nelson K, Richardson K, Cookson R, Winichayakul S, Reid M, Anderson P, Crowther T, Zou X, 
Maher D, Xue H, Scot R, Al an A, Stewart A, Roberts N (2022).  Lolium perenne engineered for elevated leaf lipids exhibits greater energy 
density in field canopies under defolia�on.  Field Crops Research 275 (108340) 
Cooney, L.J., Beechey-Gradwel , Z., Winichayakul, S., Richardson, K.A., Crowther, T., Anderson, P., Scot, R.W., Bryan, G., Roberts, N.J.  (2021).  
Changes  in  leaf-level  nitrogen  par��oning  and  mesophyl   conductance deliver increased  photosynthesis  for  Lolium  perenne  leaves 
engineered to accumulate lipid carbon sinks.  Fron�ers in Plant Science 12, ar�cle 641822.   
Beechy-Gradwel , Z., Cooney, L., Winichayakul, S., Andrews, M., Hea, S-Y., Crowther, T., and Roberts N., (2020) Storing carbon in leaf sinks enhances 
perennial ryegrass carbon capture especial y under high N and elevated CO2.  J.  Experimental Botany 71:2351-2361.   
Winichayakul, S., Beechy-Gradwel , Z., Muetzel, S., Molano, G., Crowther, T., Lewis, S., Xue, H., Burke, J., Bryan, G., and Roberts, N., (2020) In vitro 
gas produc�on and rumen fermenta�on profile of fresh and ensiled gene�cal y modified high-metabolizable energy ryegrass.  J.  Dairy 
Sci 103 (3):2405-2418.   
Beechy-Gradwel , Z., Winichayakul, S., Roberts, N., (2018) High lipid perennial ryegrass growth under variable nitrogen, water and carbon dioxide 
supply.  Proc.  NZ Grasslands Assoc.  80:219-224.   
Winichayakul,  S.,  Scot,  R.,  Roldan,  M.,  Ha�er,  J-H., Livingston, S., Cookson, R., Curran, A., and Roberts, N.  (2013)  In  vivo  packaging  of 
triacylglycerols enhances Arabidopsis leaf biomass and energy density.  Plant Physiol.  162:626-639.   
Roberts NJ, Scot RW, Winichayakul S, Roldan M, (2011).  Methods for increasing CO2 assimila�on and oil produc�on in photosynthe�c organisms.  
WO2013022053A1, US61/515,610 Roberts NJ, Scot RW, Winichayakul S, Roldan M, (2010).  Modified neutral lipid encapsula�ng proteins 
and uses thereof.  PCT/NZ2010/000218 WO/2011/053169.   
 
Publicly Available Informa�on.   
High Metabolisable Energy (HME) Ryegrass is being developed as an op�on for farmers in New Zealand, and temperate 
climates overseas.  HME  has  the  poten�al  to  increase  farm  produc�vity  while  reducing  livestock's environmental 
impacts, for example nitrogen leaching and methane emissions.  Many of the environmental impacts occur because 
the propor�on of protein in NZ's forage plants is far in excess of the energy available to livestock.  This means that 
there is an excess of nitrogen from plant proteins, which is excreted in urine and subsequently lost from the farm 
through nitrate leaching.  In addi�on, the greenhouse gas methane is produced by methanogenic microbes in the 
rumen (stomach) of livestock as they digest the forage.   
To improve the nutri�onal balance and increase the overall amount of energy available to livestock on each hectare of 
pasture the Team has produced gene�cal y modified (GM) plants that has specialised microscopic oil micro-organelles 
in the leaves of ryegrass.  This extra oil, while only being a small propor�on (2 - 3.3%) of the plant's dry mater, delivers 
up to a 10% increase in the amount of energy available to an animal ea�ng the plant.  This means that an animal can 
eat less grass to obtain the energy it needs, then along with that - lower intake means less excess protein/nitrogen in 
the urine.   
This project was started almost 20 years ago and since then the amount of methane produced by NZ's livestock has 
come under na�onal and interna�onal scru�ny due to its impact on increasing global warming.  However, along with 
reducing nitrogen losses, HME Ryegrass also has the poten�al to reduce methane produc�on.  Studies have shown 
that livestock diets with higher amounts of oils in their diets produce lower amounts of methane.  By matching the 
level of oil in our plants against the results from those other studies, it appears that HME Ryegrass has the poten�al to 
reduce methane emissions by 10 - 17%.  This may not be the 'silver bul et' but when combined with other products in 
development it can become part of the bigger solu�on to global warming and climate change.   
Serendipitously we also found that under good growing condi�ons HME Ryegrass has enhanced photosynthesis and 
growth.  All plants have exquisite control mechanisms that al ow them to effec�vely 'snack' on light as needed, where 
one of these control mechanisms is the rate of carbohydrate/sugar forma�on going on in the plant.  By using the 
carbon-based molecules, typical y used to produce carbohydrates, to produce addi�onal oils instead, it appears that 
the plant overcompensates, capturing over 20% more carbon dioxide to and conver�ng it into more plant biomass and 
energy.   
MBIE C10X1603-CR-6 HME Ryegrass Final Report 
Jun2022 
7 - 9 

While it was possible to apply to undertake field trials with the GM HME Ryegrass in NZ, it was decided that the 
programme would be able to generate the informa�on it required within a shorter �meframe by conduc�ng trials in 
the mid-west of the USA.  In 2020 we demonstrated that key characteris�cs of heterozygotes (one copy of the HME 
Ryegrass transgenes) were similar when measured in PC2 containment growth chambers and glasshouses or the field.  
In 2021 we demonstrated that homozygotes (two copies of the HME ryegrass transgenes) and again shown that the 
even greater increase in oil in homozygous plants (compared to heterozygous plants) translated from lab to field for 
gross energy and total faty acid content.   
Results of the research has been published in seven peer reviewed scien�fic journal ar�cles between 2018 and 2022.   
The program is now focussing on commercialisa�on opportuni�es in Australia.   
Key Achievements.   
1.  Scaled-Up Breeding and Seed Produc�on of GM grasses in PC2+ Containment.   
Conduc�ng a meaningful nutri�on study focussed on methane emissions from large ruminants consuming gene�cally 
modified High Metabolizable Energy (HME) ryegrass requires one ha of HME ryegrass and one ha of a nul  control line.  
This needs 10 to 20 kg of seed for each treatment to be produced in PC2+ containment.  Addi�onal y, the three to four 
cycles of breeding need to be performed in elite industry ryegrass germplasm.  We developed a unique system in the 
new PC2+ containment glasshouses at the Palmerston North Campus.  Using a rapid homozygous breeding protocol 
that minimises in breeding depression and the genera�ons required, we are close to achieving 10-15 kg of seed needed 
for a trial in Australia.  This enables both in and off season seed produc�on.  Analysis of seed quality indicated it passes 
the phytosanitary requirements for shipping to Australia.   
Protocols were co-developed with an industry advisory group and containment measures supervised by the Ministry 
of Primary Industries.  This is the first �me this volume of seed has been produced in containment from a gene�cal y 
modified wind pol enated grass species and highlights the unique facility and capability that has been developed.   
2.  Comple�on of USA HME Ryegrass Trials and Commercialisa�on Strategy for Australia.   
The  final  2021  HME  ryegrass  field  trial  in  the  USA  analysed  the  performance  of  homozygous  families  and  the 
assessment of primary and secondary traits.  Building on the 2019 and 2020 trials that u�lised hemizygous families we 
were able to demonstrate that gross energy and plant faty acid composi�on translated from lab to field.  In this line 
we observed a yield penalty over the season however it is unclear if it was a feature of this line or the propaga�on 
condi�ons.  Our ini�al plan had been to perform animal nutri�on studies in the USA, however the environmental risk 
of the hot summers led to a new strategy.   
We are now developing a commercialisa�on and science plan to progress in Australia in 2023 and are about to seek 
regulatory approval from the Office of the Gene Technology Regulator.  The Australian market is a good opportunity as 
there is already GM crop produc�on and there is a significant ryegrass market for both the dairy and sheep & beef 
industries.  Australia can become a market leader to inform New Zealand on the benefits of HME ryegrass in pastoral 
agriculture.   
3.  Iden�fica�on and Paten�ng of a Novel Approach to Reduce Agricultural Nitrous Oxide Emissions.   
Experiments  in  control ed  environment  chambers  on  HME  ryegrass  and  control mesocosms  designed to measure 
nitrous oxide emissions from plants treated with bovine urine have indicated a novel mi�ga�on poten�al.  Two HME 
ryegrass events were tested in different industry cul�vars.  In one case a significant 50% reduc�on in nitrous oxide 
emissions was observed over the course of the experiment and in the second line there was a clear trend for reduc�on.  
This would need to be verified in field condi�ons and may comprise part of the Australian science plan.  We filed a 
provisional patent in 2022 on the use of this technology for reducing nitrous oxide emissions in farming systems.  We 
have  successful y  obtained  funding  for  a  PhD  studentship  to  further  elaborate  the  mechanisms  for  nitrous  oxide 
reduc�ons.  There is poten�al that HME ryegrass may provide farmers with a tool for both methane and nitrous oxide 
reduc�ons and this could be u�lised alongside other mi�ga�on measures to make significant reduc�ons to Australasia’s 
MBIE C10X1603-CR-6 HME Ryegrass Final Report 
Jun2022 
8 - 9 

greenhouse gas inventory.  The new patent filing extends the protec�on period for this technology wel  beyond the 
2029 expiry date for the cysteine oleosin patent.   
4.  Development of Forage Ensiling System in PC2 Containment and its Use in Animal Trials.   
There is poten�al to perform a sheep nutri�on trial to assess the methane mi�ga�on effects of HME ryegrass from 
ensiled HME and Control lines grown in PC2 containment.  We focussed on methane reduc�ons as published nutri�onal 
studies of ruminants suggest a 5% reduc�on in methane emissions for every 1% increase in dietary fat.  We aim to have 
experimental resolu�on to measure a 10% reduc�on in methane emissions.   
We developed a novel system to grow and ensile ryegrass in batches and store the material for up to 18 months un�l 
we have the 1000 kg of dry mater needed for a trial.  AgResearch funded the project that wil  be conducted over the 
next 18-24 months.  This system enables us to generate enough dry mater for both HME and control ryegrass to 
conduct the trial in sheep at the AgResearch Palmerston North Campus.  This means the first animal nutri�on study of 
this technology wil  be complete by the end of 2024.   
5.  New Knowledge on Plant DGAT1 Enzymes Patented, Published and In Commercialisa�on.   
The enzyme diacylglycerol O-acyltransferase 1 (DGAT1) is ubiquitous in all eukaryo�c organisms and has been wel  
studied in animals where there is a clear model for its func�on, structure and topology as a membrane bound enzyme.  
This contract has supported research inves�ga�ng the func�on of both monocotyledonous and dicotyledonous plant 
DGAT1s and the team made a breakthrough understanding the topology of plant DGATs and their func�on.  This has 
added significantly to the understanding of plant DGAT1s which has previously been thought to have different topology 
to animal DGAT1s.  DGAT1 is a fundamental component of the HME technology in ryegrass and it also has value in 
increasing oil seed composi�on.  The team has recently filed a new provisional patent on a novel mechanism and uses 
of plant DGAT1s and published this in Fron�ers in Plant Science.  The IP developed in a family of four patents is currently 
in commercialisa�on in the USA by AgResearch’s biotechnology start-up partner ZeaKal Inc.  One version may be in the 
US market in soybean in 2026 once regulatory approval has been obtained.   
   
MBIE C10X1603-CR-6 HME Ryegrass Final Report 
Jun2022 
9 - 9 

Document Outline