Moderne Pflanzenzüchtung: Grundstein erfolgreicher Pflanzenproduktion - Perspektiven und Grenzen Frank Ordon

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1 Moderne Pflanzenzüchtung: Grundstein erfolgreicher Pflanzenproduktion - Perspektiven und Grenzen Frank Ordon

2 Ertragsfortschritt Durchschnittliche Erträge für Winterweizen und Wintergerste für die Jahre 1958 bis 2008 in Deutschland (Besondere Ernteermittlung, J. Ahlemeyer). Zuchtfortschritt Winterweizen Zuchtfortschritt Wintergerste 33,3 kg ha -1 a -1 35,1 kg ha -1 a -1 (Ahlemeyer & Friedt 2012)

3 Wintergerste: Kombination Mehltauresistenz - Ertrag Kornertrag (1985, n=35) Mehltau (2013, n=77) Beschreibende Sortenliste, 1=minimum, 9=maximum Winterweizen: Kombination Ertrag Qualität Resistenz Kornertrag (1998, n=73) Qualität A E (2013, n=115) A E

4 Gelbmosaikvirose der Gerste BaYMV/BaMMV- Ertrag Sorte Reaktion t/ha relativ Asorbia (6-zeilig) resistent 5, Corona (6-zeilig) anfällig 3,53 65 Romanze (2-zeilig) resistent 4, Marinka (2-zeilig) anfällig 2,38 57 W. Huth Yuka (6-zeilig) resistent 7, Grete (6-zeilig) anfällig 4,10 54 Duet (2-zeilig resistent 6, Angora (2-zeilig) anfällig 4, m 2 Parzellen, 3 Wiederholungen; LSD (5%) = 0,25 t/ha und 0,35 t/ha; Ertrag in ATM BaMMV, BAMMV-SIL, BaMMV-Teik, BaYMV, BaYMV-2

5 Herausforderungen an die Pflanzenproduktion Ernährungssicherung Steigende Weltbevölkerung Bioenergie Veränderte Verzehrgewohnheiten Klimawandel Anstieg der weltweiten Mitteltemperatur für die Zeitspanne relativ zu der Zeitspanne MPI Met

6 Klimawandel Beschreibende Sortenliste 2010

7 Schaderreger Insekten Viren Bakterien Pilze Chimelewski, 2007: Steigerung der Durchschnittstemperatur um 3-6 C ermöglicht Arealausweitung bis zu 1000 km Richtung Norden Pilzliche Erreger mit höheren Temperaturansprüchen wie der Schwarzrost oder die Cercospora-Blattfleckenkrankheit (Cercospora beticola) können sich ausbreiten BYDV WDV Dr. A. Habekuss

8 Qualität Einfluß der Temperatur auf den Gesamtalkaloidgehalt der Blauen Süßlupine 0,18 Gesamtalkaloidgehalt [%] 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 Humanernährung: 0,02% Tierernährung: 0,05% 0, C 20 C 30 C / 20 C G. Jansen, H.-U. Jürgens, F. Ordon: Effect of Temperature on the Alkaloid Content of Seeds of Lupinus angustifolius Cultivars. J. Agronomy & Crop Science 195 (2009) Stärkegehalt Stärkegehalt (%) Kathadin Pirol Norchip Alegria Desiree Krone -5 Kontrolle Trockenstress Hitzestress Hitze-Trockenstress C. Balko

9 Produktionskette Saatgut Herausforderungen Ertragssteigerung und Sicherung Verbesserung der Resistenz- und Toleranzeigenschaften gegen biotischen und abiotischen Stress Schaffung neuer und Erhaltung bekannter Qualitäten Produktion Sicherung der Ernährung Nachhaltige Energieversorgung Effizienten Ressourceneinsatz Biobasierte Herstellung von Rohstoffen Bioökonomierat 2010 Verarbeitung

10 Klassische Pflanzenzüchtung Erfassung genetischer Variation P1 x P2 I Schaffung von Ausgangsvariation F 1 H. vulgare F 2 II Selektion von Sortenkandidaten Sorten Landrassen F 3 H. vulgare ssp. spontaneum F 4 F 5 H. bulbosum F 6 Hordeum sp. F 7 n=30 F 8 III Prüfung, Erhaltung und Vermehrung F 9 Nutzung genetischer Variation F 10 Pedigree Selektion

11 Pflanzenzüchterisches Instrumentarium Genpool I II III Molekulare Marker Genomsequenzen Transcriptomics Metabolomics RFLPs RAPDs AFLPs Ordon & Friedt, 1998

12 Gentechnik - Trockentoleranz DREB1A (Arabidopsis thaliana) Pellegrineschi et al Genome 47: Pennisi Science 320:

13 Pflanzenzüchterisches Instrumentarium P1 x P2 Molekulare Marker Genomsequenzen Transcriptomics Metabolomics Ordon & Friedt, 1998 Zuverlässige Selektion auf Einzelpflanzenniveau (A 1, F 2 ) im Labor unabhängig von Auftreten und Symptom entwicklung im Freiland in frühen Entwicklungsstadien

14 Kartierung und Entwicklung molekularer Marker Rym14 HB rym11 rym1 rym7 rym15 rym3 Chikurin Ibaraki 1 Rym16 HB rym4 rym5 rym6 rym10 rym13 rym9 rym8 100 cm 7H(1) 2H 3H 4H 1H(5) 6H 5H(7) Distanz Marker cm name mod. Graner et al. 2000, Ordon et al BaYMV/BaYMV-2 Resistenz Bmac0306 Bmac0163 Bmac Ebmac0970 Bmag0394 5H Werner et al. 2003

15 Orange Weizengallmücke 2B Soil-borne cereal mosaic virus (SBCMV) 0.0 SSR SSR SSR SSR SSR SSR DArT DArT3 DArT DArT6 DArT7 DArT8 DArT9 DArT11 SSR7 SSR8 SSR9 DArT12 DArT13 DArT15 OWBM DArT16 DArT18 SSR10 DArT19 SSR11 SSR12 SSR13 Haas et al. in prep, Perovic et al. 2009

16 Pflanzenzüchterisches Instrumentarium - Genotypisierung Perovic et al. in preparation

17 Assoziationsgenetische Identifikation von Genomregionen mit Beteiligung an der Trockenstresstoleranz Phänotypisierung Feldversuch im Rain-out Shelter und Klimakammerversuche 64 MZ, 49 ZZ und 15 SBCC Genotypisierung 38 SSR Marker (Populationsstruktur) 7864 SNP Marker (9k iselect chip) 100 Kandidatengene (TP 3) Assoziationskartierung Identifikation von Genomregionen, welche an der Ausprägung der Trockenstresstoleranz beteiligt sind

18 Pflanzenzüchterisches Instrumentarium Genomweite Assoziationsstudien (GWAS) kartierte polymorphe SNP-Marker: 3953 Software-Paket: TASSEL Ertragsleistung Manhattan unter Plot Trockenstress Manhattan Plot: Chromosom Fettköther et al. in prep.

19 Pflanzenzüchterisches Instrumentarium : Genomic Selection Heffner, E.L., M.E. Sorrells, J.L. Jannink, 2009: Genomic selection for Crop Improvement. Crop Science 49, GBV GBV G BV = X iĝ i i= 1 Chris Schoen

20 Pflanzenzüchterisches Instrumentarium Genom Sequenzierung Sequenzierungskosten Preis pro Mb ($) Genomgrößen Arabidopsis thaliana Reis Zuckerrübe Mais Mensch Gerste Weizen 125 Mb 430 Mb 720 Mb 2500 Mb 3000 Mb 5000 Mb Mb Escherichia coli 4,6 Mb BaMMV bp HIV bp M. Delseny et al. (2010) Plant Sci. 179:

21 Pflanzenzüchterisches Instrumentarium Fernie, A.R., N. Schauer, 2008: Trends in Genetics 25, Winterackerbohne, Winterhafer, Sojabohne, Sorghum, Sonnenblume etc.

22 Nährstoffeffiziens 167 differentiell exprimierte Gene unter P+ und P- zwischen sensitivem und tolerantem Genotyp

23 -Sequenzinformation -omics Technologien Zusammenfassung und Ausblick Identifikation von Genen bzw. Netzwerken G. Hammer et al. 2006: Trends in Plant Science 11, Erfassung der allelischen Diversität und deren Wirkung Nutzbarmachung durch geeignete Markertechnologien und gentechnische Verfahren Fernie, A.R., N. Schauer, 2008: Trends in Genetics 25, Pflanzenzüchtung kann einen entscheidenden Beitrag zur Anpassung unserer Kulturpflanzen an sich verändernde Produktionsbedingungen leisten. Entsprechende Sorten bilden die Grundlage für pflanzenbauliche Optimierungen zukünftiger Produktionsverfahren und damit zur Bewältigung zukünftiger Herausforderungen