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
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
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
Hauptnutzpflanzen in Deutschland, Anbauflächen 1961 2007 (Winter )Weizen (=> Stoppelweizen ) (Winter )Gerste Körnerölraps Quelle: FAOSTAT
3500 ha] Erntefläc che [1000 3000 2500 2000 1500 1000 Wheat Barley Silage maize Rapeseed Rye Grain maize Triticale Sugar beet 500 Potatoes Hauptnutz pflanzen in Deutschland, Anbau flächen 2001 20102010 0 2001 2004 2007 2010 Jahr Oat FAO Stat 2012 Graphik: A. Stahl
3. Fortschritte der Pflanzenzüchtung Allgemeiner Züchtungsfortschritt Nährstoff Nutzungseffizienz Nährstoff Aufnahmeeffizienz?
Heterosis Effekt Mais (F1) Hybrid Fremd befruchter forschung SPEZIAL Energie
Maiserträge steigen weiter: Beispiel USA Fortschritt durch Züchtung und Produktionstechnik 11000 ds (kg/ha) Average e Corn Yiel 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 Open Pollinated b=1.0/0.02 Single Cross b=113.2/1.81 Double Cross b=63.1/1.01 Biotech b=194.7/3.11 160 140 120 100 80 60 40 20 Average Corn Yields (bu/ac) 0 0 1865 1875 1885 1895 1905 1915 1925 1935 1945 1955 1965 1975 1985 1995 2005 Year Crop Science 46:528-543 (2006)
Vergleich älterer und neuer Winterweizen Vergleich älterer und neuer Winterweizen- Sorten, Giessen 2012
Zuchtfortschritt bei Winterweizen 1966 bis 2007 zugelassene Weizensorten (BSA) behandelt unbehandelt Bisherige Weizensorten Ertragsanstieg in der Landw. Praxis, 1966- 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
Züchtungsfortschritt, 1966 2007 Zuchtfortschritt bei Winterweizen beruht vor allem auf einer erhöhten Kornzahl pro Ähre! Ährenzahl/m² Kornzahl pro Ähre 1000-Korngewicht Jahr Ahlemeyer & Friedt 2012
Vom Phänotyp zum Genotyp = + Phänotyp Genotyp Umwelt Merkmale Genom, Gene Standorte, Jahre DFG
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)
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 = 141.80 + Yr (0.0909 ± 0.00 3), the complete model (with quality and precocity) adjusted r² is 48.8 % and Yr effect P < 0.001. b) At LN, regression function is NUE = 240.84 + Yr (0.14 ± 0.02), the complete model (with quality and precocity) adjusted r² is 66.2 % and Yr effect P < 0.001. G N on NUE is significant and Yr effect on this interaction is significant (P < 0.05).
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 10.1007/s00122-013-2191-9
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 (2003-2004); Friedt et al. (DFG)
Stärkeres Wurzelsystem Schädlings- und Pathogen- abwehr Stabilität/ Stand- festigkeit Wasser- und Nährstoff- Aufnahme Streßtoleranz (Hitze, Trockenheit)
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 0,00 1 2 3 Andreas Stahl, MSc (Doktorand)
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 0,95 09 0,9 0,85 0,8 075 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 teatn3 30 25 20 15 10 5 0 NupE NutE N1 0.11 0.77 N3 0.22 0.81 R² = 0,3571 15 25 35 45 NutE at N1
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
Genotypische Differenzierung des Wurzelsystems Genetische Variation der Wurzelmorphologie cv. Expert / niedrig N cv. Gr.Lüsewitzer / niedrig N Andreas Stahl, Salman Arif
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: 0.162 g Lines Hybrid (cv. Sherpa) Semi-dwarf hybrids Mean N2: 0.273 g 0,120 0,070 0,120 0,170 0,220 0,270 Shoot biomass at N1 (0.5 mm N) [g] Andreas Stahl
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
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
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
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!
Vielen Dank BMBF BMELV DFG Züchter