Effizienzsteigerung i i des Nährstoffeinsatzes durch Fortschritte der Pflanzenzüchtung

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1 Tagung des Verbandes der Landwirtschaftskammern e. V. und des Bundesarbeitskreises Düngung (BAD) 15. April 2014 Wandel der Produktionsbedingungen was ändert sich für die Düngung? Auswirkungen auf die Düngung durch Änderungen im Pflanzenbau Effizienzsteigerung i i des Nährstoffeinsatzes durch Fortschritte der Pflanzenzüchtung Wolfgang Friedt Institut fürpflanzenbau fl und Pflanzenzüchtung I IFZ für Umweltsicherung

2 Inhalt 1. Wandel der Produktionsbedingungen: k d d i h f fl h Rückgang der Landwirtschaftsfläche Intensität der Pflanzenproduktion: Düngung, Pflanzenschutz 2. Pflanzenbauliche Veränderungen: g Kulturpflanzen und Sortenspektrum Fruchtwechsel und Fruchtfolge Fruchtwechsel und Fruchtfolge 3. Fortschritte der Pflanzenzüchtung: f Allgemeiner Züchtungsfortschritt Nährstoff Aufnahmeeffizienz Nährstoff Nutzungseffizienz

3 2. Pflanzenbauliche Veränderungen Bei insgesamt abnehmendem Kulturpflanzenspektrum nimmt das Sortenangebot t bei den großen Kulturen zu Die kleinen Kulturarten (Sommergetreide, Körnerleguminosen, u.a.) verlieren an Bedeutung Dadurch ist ein sinnvoller Fruchtwechsel schwierig Rein betriebswirtschaftliche Entscheidungen sprechen gegen die Einhaltung gesunder gesunder Fruchtfolgen Fruchtfolge-Probleme (Krankheiten) nehmen zu

4 Hauptnutzpflanzen in Deutschland, Anbauflächen (Winter )Weizen (=> Stoppelweizen ) (Winter )Gerste Körnerölraps Quelle: FAOSTAT

5 3500 ha] Erntefläc che [ Wheat Barley Silage maize Rapeseed Rye Grain maize Triticale Sugar beet 500 Potatoes Hauptnutz pflanzen in Deutschland, Anbau flächen Jahr Oat FAO Stat 2012 Graphik: A. Stahl

6 3. Fortschritte der Pflanzenzüchtung Allgemeiner Züchtungsfortschritt Nährstoff Nutzungseffizienz Nährstoff Aufnahmeeffizienz?

7 Heterosis Effekt Mais (F1) Hybrid Fremd befruchter forschung SPEZIAL Energie

8 Maiserträge steigen weiter: Beispiel USA Fortschritt durch Züchtung und Produktionstechnik ds (kg/ha) Average e Corn Yiel Open Pollinated b=1.0/0.02 Single Cross b=113.2/1.81 Double Cross b=63.1/1.01 Biotech b=194.7/ Average Corn Yields (bu/ac) Year Crop Science 46: (2006)

9 Vergleich älterer und neuer Winterweizen Vergleich älterer und neuer Winterweizen- Sorten, Giessen 2012

10 Zuchtfortschritt bei Winterweizen 1966 bis 2007 zugelassene Weizensorten (BSA) behandelt unbehandelt Bisherige Weizensorten Ertragsanstieg in der Landw. Praxis, sind 2007: 103 kg/ha/a reine (Besond. Ernteermittlg.) Linien! Details: unbeh.: 3 Jahre, 3 Orte, 1-2 Repl, LSD 7.61 dt/ha; behand.: 3 Jahre, 5 Orte, 2 Repl., LSD 4.38 dt/ha Ahlemeyer & Friedt 2012

11 Züchtungsfortschritt, Zuchtfortschritt bei Winterweizen beruht vor allem auf einer erhöhten Kornzahl pro Ähre! Ährenzahl/m² Kornzahl pro Ähre 1000-Korngewicht Jahr Ahlemeyer & Friedt 2012

12 Vom Phänotyp zum Genotyp = + Phänotyp Genotyp Umwelt Merkmale Genom, Gene Standorte, Jahre DFG

13 Backweizen (Triticum aestivum) Genloci (QTL) für Ertrag und N-bezogene Merkmale Einfluß der N- und P- Düngung: Insgesamt 117 QTL und 34 QTL- Cluster identifiziert (Xu Y et al. Theor. Appl. Genet. 2013) (2n = 6x = 42)

14 Genotypische Werte für die NUE niedrige N-Stufe in Abhängigkeit vom Zulassungs- jahr und der N-Stufe hohe h N-Stufe 195 Weizensorten, 4 Umwelten Values are the best linear unbiased estimators of NUE corrected of quality and precocity effects. a at HN treat- ment, and b at LN treatment. a) At HN, regression function is NUE = Yr ( ± ), the complete model (with quality and precocity) adjusted r² is 48.8 % and Yr effect P < b) At LN, regression function is NUE = Yr (0.14 ± 0.02), the complete model (with quality and precocity) adjusted r² is 66.2 % and Yr effect P < G N on NUE is significant and Yr effect on this interaction is significant (P < 0.05).

15 Züchterische Verbesserung der N Effizienz bei Wi Weizen Bisherige Resultate: Genetische Kontrolle von NUE-Merkmalen Feststellung signifikanter G N Interaktionen Zuchtfortschritt sowohl bei hoher als auch niedriger N-Versorgung Indirekte Selektion auf Low-N Eignung unter high N ist möglich, aber direkte Selektion ist empfehlenswerter Herausforderungen: 1. Steigerung des Kornproteingehaltes unter LN-Bedingungen 2. Verbesserung der N-Aufnahmeeffizienz gleichzeitig mit der NUE Cormier F. et al. Theor. Appl. Genet. (2013) DOI /s

16 Raps Sortentypen Hy = Hybridsorte; OP = Populationssorte; Test-Hy = Testhybride, Orte: Gö = Gönnern (Niederhörlen), RHH = Rauischholzhausen Kornertrag verschiedener Raps-Sortentypen bei differenzierter N-Düngung; 2 Orte, 2 Jahre ( ); Friedt et al. (DFG)

17 Stärkeres Wurzelsystem Schädlings- und Pathogen- abwehr Stabilität/ Stand- festigkeit Wasser- und Nährstoff- Aufnahme Streßtoleranz (Hitze, Trockenheit)

18 Mitscherlich Gefäßversuch h Gfäß h 360 Mitscherlich-Gefäße 30 Genotypen 3 N-Stufen 2 Repetitionen 2 Erntezeitpunkte (Blüh- u. Reifezeit ) 2,50 2,00 Fertil lization [g N pot -1 ] 1,50 1,00 0,50 0, Andreas Stahl, MSc (Doktorand)

19 Aufnahme u. Verwertungseffizienz i Nitrogen uptake Nitrogen utilization Nitrogen (total) use efficiency (NupE) x efficiency (NutE) = efficiency (NUE) N in biomass at flowering [g] Seed yield [g] Seed yield [g] N supplied [g] N in biomass at flowering [g] N supplied [g] Nup peatn3 1 0, ,9 0,85 0, ,75 0,7 0,65 0,6 R² = 0,1522 0,6 0,7 0,8 0,9 1 NupE at N1 Andreas Stahl Correlation with total NUE (R 2 ): Nut teatn NupE NutE N N R² = 0, NutE at N1

20 Container Versuchezur N Effizienz Superphosphat Patentkali Ammonium sulphatsaltpeter Rauischholzhausen 30 Genotypen (je Gefäß 130 kg Boden) 2N-Stufen (N1: 75kgNha -1 ; N2: 235 kg N ha -1 ) Andreas Stahl

21 Genotypische Differenzierung des Wurzelsystems Genetische Variation der Wurzelmorphologie cv. Expert / niedrig N cv. Gr.Lüsewitzer / niedrig N Andreas Stahl, Salman Arif

22 Sproßbiomasse nach 25 Tagen s at N2 (5 mm N) [g] Shoo ot biomas 0,420 0,370 0,320 0,270 0,220 0,170 Mean N1: g Lines Hybrid (cv. Sherpa) Semi-dwarf hybrids Mean N2: g 0,120 0,070 0,120 0,170 0,220 0,270 Shoot biomass at N1 (0.5 mm N) [g] Andreas Stahl

23 Neue effiziente Werkzeuge = G + U Phänotyp Genotyp Umwelt Klassische Züchtung: Molekulare Züchtung Kontrollierte t Bedingungen Rekombination Selektion Gentransfer (Gentechnik) Marker gestüzte Selekt. Physik. Methoden (NIRS) Hochdurchsatz Selektion Sortenprüfung GenomischeSelekt. (GS) => Genomsequenzierung, Identifikation beteiligter Gene

24 Die Expression von BnaGLN1 Genen ist modifiziert in Abhängigkeit von der Nitrat Verfügbarkeit in der Wurzel und Krone von vegetativen tti B. napus Pflanzen (weiß: niedrig N, schwarz: hoch N) Orsel M et al. J. Exp. Bot. 2014;jxb.eru041

25 Expression von BnaGLN1 Genen in Raps (Brassica napus) BnaGLN1.1 (2): überexprimiert bei Blattseneszenz und N- Mangel BnaGLN1.2 (2): herauf reguliert bei hoher N-Versorgung BnaGLN1.3 (6): primär exprimiert im Stengel, uanhängig von der N-Versorgung BnaGLN1.4 (4): überexprimiert bei Blattseneszenz und N- Mangel BnaGLN1.5 (2): in vegetativem Gewebe kaum feststellbar Orsel M et al. J. Exp. Bot. 2014; jxb.eru041

26 Fazit 1. Gravierender Wandel lder Produktionsbedingungen: di Rückgang der Landwirtschaftsfläche Reduktion der Intensität: Düngung, Pflanzenschutz 2. Erhebliche Veränderungen der pflanzenbaulichen Praxis: Verarmung des Kulturpflanzenspektrums Änderungen von Fruchtwechsel h und Fruchtfolge hf 3. Die Pflanzenzüchtung reagiert darauf: Fokussierung auf die Hauptkulturen, dort höchster Züchtungsfortschritt (Winterformen, Hybridsorten) Verbesserung der Nährstoff Nutzungseffizienz (NUE) durch indirekte und gezielte Selektion Zielsetzung Nährstoff Aufnahmeeffizienz!

27 Vielen Dank BMBF BMELV DFG Züchter