Sicherung von Energiemais-Erträgen durch züchterische Optimierung der Wassernutzungseffizienz

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1 Technische Universität München Sicherung von Energiemais-Erträgen durch züchterische Optimierung der Wassernutzungseffizienz Peter Westermeier Lehrstuhl für Wissenschaftszentrum Weihenstephan Technische Universität München

2 Energiemais Potentiale Perspektiven - Konflikte Potentiale: Erhöhung der Biomasseerträge durch gezielte Züchtung von Energiemaissorten Perspektiven: Verdopplung der Methanerträge / ha im Vergleich zu konventionellem Silomais Konflikte:... Steigende Pachtpreise im Umkreis von Biogasanlagen Engere Maisfruchtfolgen (Resistenzzüchtung gewinnt an Bedeutung) Wasserverbrauch der Kultur Energiemais züchterische Verbesserung der Wassernutzungseffizienz 2

3 Anbau Silomais / Anzahl Biogasanlagen Anzahl Anlagen elektr. Leistung [MW] elektr. Leistung / Anlage [kw] Quelle: FNR 3

4 Unterschiede Silomais - Energiemais Silomais = Energiemais??? Methane/ha LfL minimale Methanbildung im Pansen Verweildauer: max. 12 h hohe Grundfutteraufnahme durch hohe TS-Gehalte (30-35%) maximale Methanbildung im Fermenter Verweildauer: d TS-Gehalt nur so hoch, dass kein Sickersaft gebildet wird (25-30%) Quelle : Hahn,

5 Biogaserträge verschiedener Stoffgruppen 5

6 Unterschiede Silomais - Energiemais Silagemais = Energiemais??? Methane/ha minimale Methanbildung im Pansen Verweildauer: max. 12 h hohe Grundfutteraufnahme durch hohe TS-Gehalte (30-35%) hohe Stärkegehalte (>32%) durch weitgehend ausgereiftes Korn maximale Methanbildung im Fermenter Verweildauer: d TS-Gehalt nur so hoch, dass kein Sickersaft gebildet wird (25-30%) hohe Stärkegehalte nicht notwendig Quelle : Hahn,

7 züchterisches Potential von Energiemais Quelle : W. Schmidt, KWS 7

8 langfristige Perspektive von Energiemais Quelle : W. Schmidt, KWS 8

9 Nutzung von genetischem Potential Erhöhung der Biomasseerträge Nutzung späterer Reifegruppen aus adaptiertem Material (z.t. aus Südeuropa) Einkreuzung von Kältetoleranzgenen in Material späterer Reifegruppen (verhindert verzögerte Entwicklung im Frühjahr) Einkreuzen von Kurztaggenen aus exotischem Material (verlängert vegetative Phase der Pflanze, sinkender Kolbenanteil, keine vollständige Abreife) KWS LWK NRW 9

10 Energiemais Potentiale Perspektiven - Konflikte Potentiale: Erhöhung der Biomasseerträge durch gezielte Züchtung von Energiemaissorten Perspektiven: Verdopplung der Methanerträge / ha im Vergleich zu konventionellem Silomais Konflikte:... Steigende Pachtpreise im Umkreis von Biogasanlagen Engere Maisfruchtfolgen (Resistenzzüchtung gewinnt an Bedeutung) Hoher Wasserverbrauch der Kultur Energiemais züchterische Verbesserung der Wassernutzungseffizienz 10

11 Energiemais Potentiale Perspektiven - Konflikte Potentiale: Erhöhung der Biomasseerträge durch gezielte Züchtung von Energiemaissorten Perspektiven: Verdopplung der Methanerträge / ha im Vergleich zu konventionellem Silomais Konflikte:... Steigende Pachtpreise im Umkreis von Biogasanlagen Engere Maisfruchtfolgen (Resistenzzüchtung gewinnt an Bedeutung) Wasserverbrauch der Kultur Energiemais züchterische Verbesserung der Wassernutzungseffizienz 11

12 Ertragsstabilität Trockentoleranz züchterische Steigerung der Biomasseerträge auf 300 dt/ha um 1 kg Mais-TS zu produzieren werden ca. 200 l Wasser benötigt (Günther, 2003) Ertrag von 300 dt/ha benötigt mind. 600 mm/m² Niederschlag / verfügbares Bodenwasser in vielen Regionen bereits heute nicht erreichbar! in diesen Regionen bes. viele Biogasanlagen Quelle: DWD 12

13 Risiko Klimawandel Vergleich mittlere Änderung des Niederschlags ( / ) Jahresmittel Sommer Quelle: Helmholtz-Zentrum Geestacht 13

14 Ertragsstabilität Trockentoleranz Hauptziele: Identifikation von sekundären, phänotypischen Merkmalen zur Selektion von trockentoleranten Genotypen Identifikation von Genomregionen (QTLs) für sekundäre Merkmale sek. Merkmale besitzen eine erheblich größere Heritabilität als das Zielmerkmal Ertrag unter Trockenstress QTLs für sekundäre Merkmale können auch zur Selektion unter optimal versorgten Bedingungen verwendet werden 14

15 Ertragsstabilität Trockentoleranz sekundäre Merkmale, assoziiert mit Ertrag unter Trockenstress ( Y = WU x WUE x HI) Wassernutzungseffizienz - verzögerte Seneszenz - Thermostabilität der Zellmembranen - Blattfläche (Blattrollen) - photosynthetische Kapazität - 13 C/ 18 O - stomatäre Leitfähigkeit - ABA Gehalt - Blattdurchlässigkeit - Blatttemperatur Wasseraufnahme - osmotische Anpassung - Ausprägung Wurzelsystem - rasche Bodenbedeckung Harvest index - Mobilisierung v. Stängelreserven - Vermeidung von Sterilität veränd. nach Reynolds & Tuberosa 15

16 Ertragsstabilität Trockentoleranz Introgressionsbibliothek zur QTL-Identifikation Kreuzung zweier Inzuchtlinien trockentolerant x trockenanfällig wiederholte Rückkreuzung und Selbstung Schätzung der Effekte einzelner Chromosomenabschnitte wird möglich 16

17 Phänotypische Evaluierung auf versch. Skalenebenen 1. Feldversuch: Erhebung allg. ertragsrelevanter Parameter unter natürlichem Niederschlag und Beregnung plant height [cm] IL_045 BRG WES SEL KRK FRS BBG height (irrigated) IL_010 IL_011 IL_038 IL_054 IL_RD IL_071 IL_070 IL_026 IL_024 IL_ height (nat. precipitation) 17

18 Phänotypische Evaluierung auf versch. Skalenebenen 2. Rain-Out-Shelter: Prüfung von Pflanzenmaterial auf ertragsrelevante und physiologische Merkmale unter semi-kontrollierten Bedingungen 18

19 Phänotypische Evaluierung auf versch. Skalenebenen 3. Gewächshaus: Prüfung von Pflanzenmaterial unter kontrollierten Gewächshausbedingungen auf physiologische und morphologische Merkmale Photos: N. Höcker, Uni Düsseldorf 19

20 Aufklärung der genetischen Mechanismen von Trockentoleranz Auswahl geeigneter Kandidaten-ILs vergleichende Sequenzierung von Elter und Kandidaten-IL Graphik: E. Bauer in silico Suche nach Trockentoleranzgenen in anderen Organismen und Identifikation von homologen Genen in Mais 20

21 Aufklärung der genetischen Mechanismen von Trockentoleranz Aufdeckung allelischer Variation in Kandidatengenen n Graphik: E. Bauer Merkmalsausprägung 21

22 Fazit Energiemais als neue Nutzungsrichtung der Kulturpflanze Mais Speziell für die energetische Verwertung gezüchtete Sorten ermöglichen: Vergrößerung der eingesetzten Diversität Erhöhung der Energiegewinnung / Fläche Ausweitung / Sicherung der Erträge Wassernutzungseffizienz muss verbessert werden, um das genetische Ertragspotential auf möglichst vielen Standorten zu realisieren. 22

23 FKZ: B Optimais Bioenergie 2021 Forschung für die Nutzung von Biomasse Forschungspartner: KWS Saat AG M.Ouzunova, T. Presterl, T. Welz Universität Düsseldorf, Institut für Entwicklungs- & Molekularbiologie der Pflanzen P. Westhoff, N. Höcker Technische Universität München, Lehrstuhl für C.-C. Schön, S. Gresset und Team SFB 924 Molekulare Mechanismen der Ertragsbildung und Ertragssicherung bei Pflanzen Teilprojekt B2: Genetische Analyse komplexer Merkmale in Mais: Hauptursachen für Trockentoleranz und wachstumsrelevanter Merkmale C.-C. Schön, E. Bauer, S. Gresset, N.N. 23

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 24 Photo: E.A. Graf