Pflanzengenetische Ressourcen als Grundlage für die Züchtung klimatoleranter Sorten

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1 Norddeutsches Weizenforum 2009 Schriftenreihe des Inst. für Pflanzenbau und -züchtung der CAU Kiel, 63, (2009) Pflanzengenetische Ressourcen als Grundlage für die Züchtung klimatoleranter Sorten Andreas Börner, Svetlana Landjeva, Khaled F.M. Salem und Ulrike Lohwasser Erhaltung pflanzengenetischer Ressourcen Einer Schätzung der FAO zufolge lagern in Genbanken weltweit mehr als 6 Millionen Muster (Akzessionen) pflanzengenetischer Ressourcen. Mit ca Akzessionen stellt der Weizen die größte Gruppe dar, gefolgt von Gerste ( Akzessionen) und Reis ( Akzessionen) (FAO, 1998). Wahrscheinlich sind diese Zahlen heute noch höher. Eine der größten Sammlungen weltweit, die bundeszentrale ex situ Genbank für landwirtschaftlich und gartenbaulich genutzte Kulturpflanzen, befindet sich am Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben. Nach der Zusammenführung mit den Sortimenten der ehemaligen BAZ Braunschweig werden dort insgesamt Muster aufbewahrt. Das gelagerte Pflanzenmaterial stammt von Sammelexpeditionen, welche seit Beginn der Zwanziger Jahre des letzten Jahrhunderts bis heute in vielen Regionen der Erde durchgeführt wurden. Als Beispiele seien zu nennen: Anatolien 1928, Tibet 1938/39, Äthiopien/Eritrea 1938/39, Süditalien 1950, Iran 1952/54 oder China 1956/58/59 (Börner, 2006). Aufbewahrt werden Kulturpflanzen aber auch verwandte Wildarten der gemäßigten Klimazone. Neben den Getreiden, die etwa Muster umfassen, sind auch andere Fruchtartengruppen vertreten, wie Hülsenfrüchte ( Sippen), Gemüse und Kürbisgewächse ( Sippen), Kartoffeln (6.000 Sippen) oder Heil- und Gewürzpflanzen (6.000 Sippen). Analog zu den globalen Aufsammlungen ist auch in der Gaterslebener Genbank der Weizen mit den meisten Akzessionen (ca ) vertreten. Abbildung 1 zeigt die Verteilung der verschiedenen Getreidearten in der bundeszentralen ex situ Genbank. Mit Ausnahme weniger Arten, die vegetativ im Freiland oder in klimatisierten Kulturräumen auf künstlichem Nährmedium (Gewebekultur) erhalten werden, sind die Sortimente als Saatgutmuster im Samenkühllagerhaus der Genbank gelagert. Das Samenkühllager ist mit fünf Kühlzellen ausgestattet, die bei einer Temperatur von 0 o C bzw. - * PD Dr. Andreas Börner IPK Gatersleben boerner@ipk-gatersleben.de 23

2 Andreas Börner 15 o C betrieben werden. Pro Jahr werden Muster an Nutzer abgegeben. Dies macht einen kontinuierlichen Reproduktionsanbau von bis Akzessionen pro Jahr im Freiland oder in Gewächshäusern erforderlich. Darunter befinden sich ca Weizenherkünfte. Die Aufgaben der Genbank haben sich in den letzten Jahren vom Aufsammeln und Aufbewahren hin zur Charakterisierung und Auswertung des umfangreich vorhandenen Materials verschoben. Dabei wird sehr eng mit anderen Institutionen weltweit zusammengearbeitet. Im vorliegenden Beitrag werden Beispiele der Untersuchung von Weizen auf Toleranz gegenüber abiotischem Stress (Trockenheit) präsentiert. Es wird gezeigt, dass die Widerstandsfähigkeit gegenüber Trockenstress genetisch bedingt ist und somit eine Züchtung auf angepasste Sorten möglich sein wird. Anzahl Akzessionen Weizen Gerste Hafer Roggen Triticale Mais Aegilops Abb. 1: Sortimentsbestand Getreide der bundeszentralen ex situ Genbank Gatersleben 24

3 Züchtung klimatoleranter Sorten Untersuchungen zur Toleranz gegenüber Trockenheit im Keimlingsstadium Für die Untersuchungen zum Trockenstress (osmotischer Stress) im Keimlingsstadium wurde eine Weizen-Modellpopulation (Kartierungspopulation) verwendet. Diese ITMI (International Triticeae Mapping Initiative) Population besteht aus insgesamt 114 rekombinanten Inzuchtlinien. Die Samen der Inzuchtlinien wurden in Wasser (Kontrolle) und in 12 % Polyethyleneglykol (PEG 6000)-Lösung zur Keimung gebracht. Nach acht Tagen wurden Wurzel-, Koleoptilen- und Sprosslängen gemessen, das Wurzel/Sprosslängenverhältnis ermittelt sowie der Toleranzgrad für jedes dieser Merkmale berechnet. Je Genotyp wurden fünf Samen getestet, und das Experiment wurde dreimal unabhängig wiederholt. Mittels QTL (Quantitative Trait Locus) Kartierung konnten 35 merkmalsspezifische Genloci auf zehn der 21 Weizenchromosomen identifiziert werden. Die Trockentoleranz wird quantitativ vererbt. Ein Auszug der Ergebnisse ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Details der Studie beschreibt Landjeva et al. (2008). Eine Selektion auf vorteilhafte Allele kann die Pflanzen in die Lage versetzen, Trockenheit in frühen Entwicklungsstadien, unmittelbar nach der Aussaat, zu tolerieren. Xbcd1975 Xcdo549 Contributed by Opata 85 Xbcd588 Xfba091c Xfba241 Xksua6b Contributed by W7984 bcd1872a Xwg834 Xmwg688 Xbcd134 Xbcd1438 Xabc176 Xbcd288 Xbcd22a Xbcd1555a Xbcd515 Xksuh15 Xbcd361 Xfbb269 Xksug59 Xabc172a Xmwg11b Xcdo482 Xbcd873b Xbcd1871a Xabc164 Xwg889 Xtam72c Xbcd1140 Xabg473b Xmwg914 Xbcd307b Xbcd9 Xfba166 Xfba332 Xcdo504 Xcdo1326b Xcdo584 Xabc310 Xcdo476a Xrz995 Xksuh4b Xcdo1473a Xksuh14b Xbcd1383 Xbcd1495 Xbcd1299 Xbcd357b Xfba328 Xcdo507 Xwg341 Xksug30 Xfbb082a Xfbb070a Xbcd1821a Xksug48a Xfba085a Xfbb222 Xcdo534 Xfba081 Xbcd1319 Xksud27a Xfbb070b Xbcd707 Xwg719 Xcdo775 Xfbb079 Xmwg975 Xwg420 Xfba204a Xksue3b Xfbb189b 3D 5B 6B 6D 7D Abb. 2: Ausgewählte Chromosomen mit identifizierten Regionen, welche Gene für die analysierten Sämlingsmerkmale tragen (modifizierter Auszug aus Landjeva et al. 2008) 25

4 Andreas Börner Untersuchungen zur Toleranz gegenüber Trockenheit während der Kornfüllung Für die Arbeiten zum Trockenstress im adulten Stadium (Kornfüllung) wurden analog zum Sämlingstest die 114 rekombinanten Inzuchtlinien der ITMI Kartierungspopulation verwendet. Die Linien wurden in zwei Versuchsjahren im Freiland kultiviert (je 4 Reihen a 1 m pro Parzelle). Der Zeitpunkt der Blüte wurde individuell bonitiert und 14 Tage danach wurden je zwei Reihen pro Parzelle mit einer Kaliumiodidlösung (KI, 0,5% w/v) besprüht. Die behandelten Pflanzen sind nicht mehr photosynthetisch aktiv und können ihre Kornfüllung nur über die Mobilisierung von Reserven im Halm realisieren. Basierend auf den Tausendkorngewichten der behandelten Pflanzen sowie unbehandelter Kontrollen wurde der Stresstoleranzindex (STI% = TKM Behandlung / TKM Kontrolle x 100) errechnet. Die sich anschließende genetische Analyse führte zur Identifizierung von drei Regionen im Weizengenom, die die Mobilisierung von Halmreserven genetisch steuern (Abbildung 3). Eine Selektion von positiven Allelen kann sich hier positiv auf die Kornfüllung und damit Ertragsbildung auswirken. Die Details dieser Studie beschreiben Salem et al. (2007). 7DS Xbcd1975 Xbcd588 bcd1872a QSrm.ipk-2D 2DS 2DL Xmwg682b Xcdo456d Xbcd18a Xbcd102a Xcdo1379 Xcdo1479 Xbcd262 Xcdo405a Xgwm249a Xbcd260a Xbcd111 Xtam8 Xfbb122 Xfbb068 Xcdo1008 Xksuh9c Xksuh16a Xcdo36b QSrm.ipk-5D 5DS 5DL Xfba393b Xfbb238b Xfba137 Xksud30 Xmwg561c Xcdo412b Xcdo57b Xbcd1874 Xcdo1508 Xbcd450a Xmwg922 Xbcd1103 Xcdo346a Xbcd1670b Xbcd1421 Xbcd197 QSrm.ipk-7D 7DL Xwg834 Xbcd1438 Xbcd707 Xwg719 Xcdo775 Xfbb079 Xmwg975 Xwg420 Xfba204a Xksue3b Xfbb189b Abb. 3: Chromosomen mit identifizierten Regionen, welche Gene für die Mobilisierung von Halmreservestoffen tragen (Salem et al. 2007) 26

5 Züchtung klimatoleranter Sorten Fazit Weltweit aber auch in Deutschland gibt es umfangreiche Sammlungen pflanzengenetischer Ressourcen, in denen Weizen einen wichtigen Platz einnimmt. Neben der artgerechten Erhaltung des Genbankmaterials gilt es, diese Ressourcen intensiver als bisher für die Züchtung angepasster, klimatoleranter Sorten zu nutzen. Dies setzt voraus, dass (1) umfangreiche Evaluierungen/Screenings durchgeführt werden und (2) die Genetik trockenheitsrelevanter Merkmale aufgeklärt wird. Ziel ist es, Merkmale in verschiedenen Entwicklungsstadien der Pflanze zu detektieren und im Genom zu kartieren. Mittels molekularer Markertechniken können diese Merkmale über markergestützte Selektion in neuen Züchtungen genutzt werden. Literatur Börner, A. 2006: Preservation of plant genetic resources in the biotechnology era. Biotechnology Journal 1: FAO 1998: The state of the world's plant genetic resources for food and agriculture. Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome, 510 pp. Landjeva, S.; K. Neumann; U. Lohwasser and A. Börner 2008: Molecular mapping of genomic regions associated with wheat seedling growth under osmotic stress. Biologia Plantarum 52: Salem, K.F.M.; M.S. Röder and A. Börner 2007: Identification and mapping quantitative trait loci for stem reserve mobilisation in wheat (Triticum aestivum L.). Cereal Research Communications 35: