Prof. Dr. Dr. h.c. Hartwig Geiger, Hohenheim

Züchtung auf Nährstoffeffizienz
bei Kulturpflanzen
Hartwig H. Geiger, C. Tietze, K. Wilde
Universität Hohenheim
Institut für Pflanzenzüchtung, Saatgutforschung und Populationsgenetik
D-70593 Stuttgart

Einfluss der N-Versorgung bei Mais
Reguläre N-Düngung (N-High) N-Mangel (N-Low)
Foto: T. Presterl
Foto: T. Presterl

Beziehung zwischen N-High und N-Low für Kornertrag bei
nicht selektiertem Ausgangsmaterial
Pflanzenart
Weizen
Triticale
Roggen
Raps
Maistestkreuzungen
- Flint-Linien
- Dent-Linien
** Signifikant bei P = 0,01.
Korrelation
r
0,89**
0,85**
0,65**
0,76**
0,61**
0,44**
Quelle
Schinkel 1991
Oettler 1996
Hartmann 1997
Möllers et al. 2000
Landbeck 1995

Definition:
Stickstoffeffizienz
N-Aufnahme
N-Effizienz
N-Verwertung
N-Effizienz = Ertrag bei niedriger N-Versorgung

Kornertrag N-Low [t ha-1]
Mais: Variation in vorselektiertem Material
6,5
5,5
4,5
3,5
Testkreuzungen:
49 Genotypen
4 Orte in 1991
r = 0,44**
Low-N-
Hybriden
GD 5%
High-N-
Hybriden
Kombinations-
Hybriden
5,5 6,5 7,5 8,5 9,5
Kornertrag N-High [t ha-1]
Landbeck (1995)

Kornanzahl pro Pflanze
Einfluss von N-Versorgung und Standweite auf die Kornzahl je Pflanze
450
400
350
300
250
200
5 Pflanzen m -2 10 Pflanzen m -2 15 Pflanzen m -2
GREEN
EFFI
0 1 2 0 1 2 0 1 2
Maishybride ‘Green‘ = High-N -Typ
Maishybride ‘Effi‘ = Low-N -Typ
Feldexperiment, Hohenheim 1997
N-Versorgung [g Pflanze -1 ]
Papanov et al. (2005)

Selektionserfolg im Kornertrag (MW über 14 Umwelten)
Low-N-Hybride ‘Asket‘ High-N-Hybride
N-Low
6,5 t ha -1 9,4 t ha -1
N-Low
N-High N-High
5,8 t ha -1 9,5 t ha -1
Differenz: 2,9 t ha -1 Differenz: 3,7 t ha -1
Foto: T. Presterl

EUREKA-Projekt: Genomanalyse der N-Effizienz bei Mais
Zielsetzung:
Bestimmung und Charakterisierung
von „Quantitative Trait
Loci“ (QTL) für N-Effizienz in
einer Kartierungspopulation
und Entwicklung nahisogener
Linien (NIL) für wichtige QTL-
Bereiche.
Identifikation von Kandidatengenen
durch Datenbankrecherche
und differentielle
Genexpressionsstudien.
Entwicklung allelspezifischer
Marker für die Kandidatengene.

QTL und Kandidatengene auf Mais-Chromosom 1
N + = Anbau bei 175 kg N ha -1
N - = Anbau bei 60 kg N ha -1
QTL für:
Kornertrag
Kornanzahl je Kolben
Tausendkorngewicht
N-Gehalt im Korn
N-Verwertung
Glutaminsynthetaseaktivität im Blatt
Kandidatengene:
AS1 = Asparaginsynthetase
gln1, gln2 = Glutaminsynthetase
NR1 = Nitratreduktase
GDH1 = Glutamatdehydrogenase
Hirel et al. (2001)

Material und Feldexperimente
• Testkreuzungen von 720 DH-Linien.
• 188 polymorphe DNA- Marker mit gleichmäßiger
Verteilung über das Genom.
• Feldexperimente:
- unwiederholte Versuche
an 4 Orten (s.re.)
in 2 Jahren (2001, 2002)
- 2 N-Stufen (hoch bzw. niedrig)
- 2-reihige Parzellen
von 4 – 6 m Länge
- 9 – 9.5 Pflanzen m-2 WAL
HOH
BER
GRU

Prozent der durch einzelne QTL erklärten
phänotypischen Varianz
25
20
15
10
5
0
QTL-Analyse
N-Stufe:
Schraffiert: Positives Allel stammt aus der
N-High-Elternlinie TH
1 2 2 2 3 4 5 5 6 6 7 8 9 10
QTL auf Chromosom
hoch, niedrig

Funktionelle Gruppierung der analysierten Kandidatengene
N-Aufnahme
z.B. Nitrat- und Ammoniumtransporter
Nitrat-Reduktion
z.B. Nitratreduktase, Nitritreduktase
N-Metabolismus
z.B. Glutaminsynthetase, Glutamatsynthase,
Glutamatdehydrogenase
Aminosäuremetabolismus
z.B. Aspartat- und Alaninaminotransferase,S-adenosylmethioninsynthetase
C-Metabolismus
z.B. Malatdehydrogenase, Citratsynthase,Isocitratdehydrogenase,
PEPcarboxylase
Transkriptionsfaktoren
z.B. opaque2, MADS-box-Protein
ZNR1
Kinasen
z.B. Rezeptor-ähnliche-Proteinkinase,SNF1-verwandte-Proteinkinase
Andere Funktionen
z.B. Phospholipase C,
Zuckertransporter, Aquaporine

Genexpressionstudien – Transkript-Analyse
• Identifizierung von differentiell exprimierten Genen mit
der SSH („subtractive suppressive hybridization“)
Methode
a) Isolierung von Genen, die bei der Entwicklung
der Seitenwurzeln induziert werden
b) Isolierung von Genen, die bei der Entwicklung
der Seitenwurzeln unterdrückt werden
• Es wurden 38 Gene mit Sequenzübereinstimmung zu
bekannten Genen und 61 Gene unbekannter Funktion
isoliert.

Genexpressionstudien - phänotypische Unterschiede
Keimpflanzen in der Hydrokultur
Nach 2 Tagen bei
niedriger NO 3 - -Konzentration:
Anzahl und Länge der Lateralwurzeln
bei SL größer als bei TH
(s. Abb.)
Nach 20 Tagen bei
hoher NO 3 — Konzentration (ohne
Abb.): gesamtes Wurzelsystem
bei TH größer als bei SL
Genexpressionsanalyse nach
2 Tagen bei 0,1 mM NO 3 -
SL TH
Foto: J. Gou

EUREKA-Projekt: Genomanalyse der N-Effizienz bei Mais
Zielsetzung:
Bestimmung und Charakterisierung
von „Quantitative Trait
Loci“ (QTL) für N-Effizienz in
einer Kartierungspopulation
und Entwicklung nahisogener
Linien (NIL) für wichtige QTL-
Bereiche.
Verifikation von
Kandidatengenen:
• Co-Lokalisation mit QTL
• Evaluation der NIL
• Marker-basierte Selektion
Identifikation von Kandidatengenen
durch Datenbanksuchen
und durch differentielle Genexpressionsstudien.
Entwicklung allelspezifischer
Marker für die Kandidatengene.

Co-Lokalisation von Kandidatengenen und Low-N-QTL
Lokal. in
Kand. QTL-
Gene Interv. 1
Aus
Datenbanken
Laut
SSH-
Analyse
ja
nein
ja
nein
Summe
1 Einschl. eng benachbarter Bereiche
1
1
5
-
-
6
2
-
5
-
-
5
3
3
4
-
3
10
4
1
2
-
1
4
Chromosom
5
-
8
-
5
13
1
4
-
-
5
-
4
-
1
5
5
5
-
3
13
Erste NIL / SubNIL bereits vorhanden
6
7
8
9
-
1
-
-
1
10
6
7
-
3
16
bzw. in Bearbeitung

Mittels Co-Lokalisation vorläufig verifizierte Kandidatengene
Funktionelle Gruppe
N-Aufnahme
Nitrat-Reduktion
N-Metabolismus
Aminosäuremetabolismus
C-Metabolismus
Transkriptionsfaktoren
Kinasen
Andere Funktionen
Kandidatengen(e)
amt, aap
-
gln
sams, tgz, p5cs, got
pdk,me
mads
pk, serk
stp, zmk, fdx, llp
Summe:
Anzahl
2
-
1
4
2
2
2
4
17

EUREKA-Projekt: Genomanalyse der N-Effizienz bei Mais
Zielsetzung:
Bestimmung und Charakterisierung
von „Quantitative Trait
Loci“ (QTL) für N-Effizienz in
einer Kartierungspopulation
und Entwicklung nahisogener
Linien (NIL) für wichtige QTL-
Bereiche.
Verifikation von
Kandidatengenen:
• Co-Lokalisation mit QTL
• Evaluation der NIL
• Marker-basierte Selektion
Identifikation von Kandidatengenen
durch Datenbanksuchen
und durch differentielle Genexpressionsstudien.
Entwicklung allelspezifischer
Marker für die Kandidatengene.

QTL-Verifikation nach Rekombination selektierter Linien
Relativer Kornertrag [%]
unter N-Low
N=39 68 147 56 30
103
102
101
100
99
98
97
Testkreuzungsleistung von 340 DH-Linien
N-Low, 2004
3 Orte (Bernburg, Grucking, Walldorf)
b = 0,92
0 1 2 3 4
Anzahl positiver QTL-Allele
QTL auf Chr. 3, 6, 8 und 10
erklären 2 bis 13% der
phänotypischen Varianz

Zusammenfassung
• Selektion auf Anpassung an Böden mit Nährstoffmangel
ist erfolgreich.
• Nährstoffeffizienz korreliert mit phänotypischer Stabilität.
• Beispiel N-Effizienz bei Mais:
- 1 oder mehrere QTL auf 8 von 10 Chromosomen.
- Verifikation von QTL-Effekten mittels markergestützter
Selektion erfolgreich.
- NIL- und SubNIL-Entwicklung für 3 QTL kurz vor dem
Abschluss.
- 17 Kandidatengene liegen in Low-N-QTL-Intervallen.
- Zahlreiche neue Kandidatengene mit unbekannter
Funktion identifiziert.

KWS SAAT AG, Einbeck:
W. Schmidt
M. Ouzunova
C. Knaack
B. Kessel
Universität Düsseldorf:
P. Westhoff
J. Gou
K. Ernst
Danksagung
Universität Hohenheim:
T. Presterl 1
M. Landbeck 1
E.M. Thiemt
H. Burger
1 Jetzt KWS SAAT AG
Finanzielle Unterstützung:
MLR Baden-Württemberg
BMBF, EUREKA-Programm
KWS SAAT AG