Hitze- und Trockentoleranz bei Gerste

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1 Projektverbund Strategien zur Anpassung von Kulturpflanzen an den Klimawandel Projektpräsentation Hitze- und Trockentoleranz bei Gerste Prof. Dr. Uwe Sonnewald Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Naturwissenschaft/Biochemie/Pflanzenwissenschaften

2 Problemstellung Der Klimawandel stellt die Landwirtschaft vor neue Herausforderungen Hitze und Trockenheit kommen häufig zusammen 2

3 Problemstellung Hitze und Trockenheit wirken antagonistisch Trockenheit Hitze. und begrenzen den Ertrag 3

4 Problemstellung Milder Trocken- und Hitzestress führt auch in gemäßigten Breiten bereits zu hohen Ernteverlusten Sept. 2015, Landkreis Erlangen-Höchstadt, Bayern, Deutschland.. die Züchtung trockentoleranter Nutzpflanzen ist Voraussetzung für Ertragssteigerungen 4

5 Problemstellung Wir brauchen stresstolerante Pflanzen Hitze und Trockenheit beeinträchtigen den Ernteertrag 5

6 Problemstellung Wir brauchen stresstolerante Pflanzen Hitze und Trockenheit beeinträchtigen den Ernteertrag Mehr Landfläche zum Anbau von Nutzpflanzen benötigt 6

7 Problemstellung Wir brauchen stresstolerante Pflanzen Waldrodungen für den Landgewinn führen zu einer gesteigerten CO 2 - Abgabe in die Atmosphäre Hitze und Trockenheit beeinträchtigen den Ernteertrag Mehr Landfläche zum Anbau von Nutzpflanzen benötigt 7

8 Ziele Identifizierung molekularer/zellulärer Prozesse, die für die Stressanpassung von Gerstenpflanzen wichtig sind. Aufklärung der genetischen Grundlage der Stressanpassung. Verbesserung der Klimaanpassung von Gerstenpflanzen durch Erhöhung der Hitze- und Trockentoleranz. 8

9 Lösungsansatz Multifaktorieller Stress Genidentifizierung Genetische Vielfalt Zelluläre Prozesse Bioinformatik Allelische Variation Genmarker Klima-angepasste Gerstensorten Validierung unter Feldbedingungen 9

10 Zelluläre Prozesse Untersuchte zelluläre Zielprozesse Stärke-Biosynthese im Korn Direkt ertragsrelevant Hitzesensitiv Antioxidantien γ-aminobuttersäure (GABA) Glutathion Ascorbat (Vitamin C) Tocopherol (Vitamin E) Vitamin E Kann oxidativen Schäden an Biomembranen entgegenwirken 10

11 Stärke Biosynthese im Korn Korngebundene Stärke-Synthase (GBSS) Glukose-1-Phosphat Amylose ADP-Glukose ADP-Glukose- Pyrophosphorylase (AGPase) Amylopektin Kettenverlängerung Verzweigung / Trimmen Lösliche Stärke- Synthase (SSS) Verzweigungsenzym (BE) Isoamylasen (ISA) Hitze wirkt sich negativ auf die Bildung von ADP-Glukose und die Kettenverlängerungen aus Amylopektin Stärkekorn 11

12 Stärke Biosynthese im Korn Kartierung der Strukturgene der Stärkebiosynthese im Erbgut der Gerste 1H 2H 3H 4H 5H 6H 7H 10cM Kleine Untereinheit der AGPase Große Untereinheit der AGPase Lösliche Stärke- Synthase Korngebundene Stärke-Synthase 12

13 Stärke Biosynthese im Korn Ein Gen der kleinen Untereinheit der AGPase korreliert mit einem QTL für den Abbruch der Kornentwicklung 1H 2H 3H 4H 5H 6H 7H 10cM Kleine Untereinheit der AGPase Große Untereinheit der AGPase Lösliche Stärke- Synthase Korngebundene Stärke-Synthase Genomweite Assoziationsstudie (GWAS): Positionen von QTLs für den Abbruch der Kornentwicklung im Gerstengenom 13

14 Stärke Biosynthese im Korn Allelische Variation im Gen für die Kleine Untereinheit der AGPase 7H Allel 3 Allel 2 Allel 1 Spezifischer SNP Ausstehende Arbeiten: Korrelation der Allelverteilung mit AGPase-Aktivität/Expression Korrelation der AGPase-Aktivität mit Stärkegehalt/Abbruchrate bei Trocken- und Hitzestress Ableitung von molekularen Markern 14

15 Vitamin E Biosynthese Genomweite Assoziationsstudie (GWAS) für den γ-tocopherolgehalt trockengestresster Gerstenpflanzen TAT TC γ-tmt HPPD HPT MPHQMT 10cM 1H 2H 3H 4H 5H 6H 7H mqtl und Position des Schlüsselenzyms HPT1 überlappen im Genom der Gerste (Templer et al., 2017) 15

16 Identifizierung von drei HPT Allelen Spezifischer Verdau der Allele PCR- Produkt 1 7H HPT-CAPS Marker Allel 3 Spezifischer SNP Sorte Allel 2 Allel 1 Sequenzierung des genomischen Locus der HPT Ca. 50 SNPs im transkribierten Bereich Eindeutige Allel-Zuordnung möglich Allel-Zuordnung Sortenscreening mit entwickeltem CAPS Marker möglich 16

17 Vitamin E in Gerstenpflanzen des Rollgewächshausversuchs Relative Expression HPT1 Probennahme in Freising R² = 0,7211 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 γ-tocopherol [ng/mgfw] Allel 1 Allel 2 Allel R² = 0, α-tocopherol [ng/mgfw] Blatt-Tocopherol-Gehalt in trockengestressten Pflanzen Allel-abhängige Expression der HPT beeinflusst den Vitamin E-Gehalt 17

18 Zusammenfassung Zentrale Ergebnisse: Insgesamt 68 Gerstensorten wurden unter Trockenstress im Feld getestet (Koop. LfL) Relevante Gene der Stärke- und Vitamin E-Biosynthese wurden im Erbgut der Gerste lokalisiert Allelische Variation in jeweils einem zentralen Gen konnte identifiziert werden Für Vitamin E konnte ein Allel identifiziert werden, welches positiv mit dem Vitamin E-Gehalt in trockengestressten Blättern korreliert. Ausblick: Validierung der Kandidaten / Suche nach weiteren (Koop. LfL, Züchter) Ableitung von molekularen Markern 18

19 Das Team Christian Schuy Uwe Sonnewald Alexandra Ammon Markus Herz LfL Anja Hanemann Saatzucht Josef Breun Lars Voll Ralph Hückelhoven Rainer Hedrich TUM Universität Würzburg