F - BMELV

bmelv.de

F - BMELV

Visionen der Pflanzenzüchtung zur

Ertragssteigerung, -sicherung und Eröffnung

neuer Verwertungsperspektiven

Frank Ordon

www.jki.bund.de


Ertragsfortschritt

Durchschnittliche Erträge für Winterweizen und Wintergerste für die Jahre 1958 bis 2008 in Deutschland (Besondere Ernteermittlung, J. Ahlemeyer pers Mitt.).

http://www.art.admin.ch/org/00965/01015/index.html?lang=de

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance

Zuchtfortschritt Wintergerste

33,3 kg ha -1 a -1

35,1 kg ha -1 a -1

(J. Ahlemeyer, pers. Mitt.)


Wintergerste: Kombination Mehltauresistenz - Ertrag

Kornertrag

(1985, n=35)

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Mehltau

1

2

3 1 1

(2010, n=65)

1 1

2 2 3

3 1 1 2 9 8 2

Beschreibende Sortenliste, 1985, 2010; 1=minimum, 9=maximum

Winterweizen: Kombination Ertrag – Qualität – Resistenz

Kornertrag

(1998, n=73)

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Qualität

A 1 10 5 1

E 1 2 3 1 1

(2010, n=111)

A 1 4 16 14 1

E 1 1 1 7 7

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance

2

11

5

www.nebinfo.com

Beschreibende Sortenliste, 1998, 2010)


Herausforderungen an die Pflanzenproduktion

Ernährungssicherung

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance

Steigende Weltbevölkerung

Bioenergie

Veränderte Verzehrgewohnheiten

Klimawandel


www.digiklix.de

Klimawandel

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance

http://www.umweltdaten.de/publikationen/fpdf-l/GGTSPU-styx2.bba.de-6248-7152625-DAT/3133.pdf

Beschreibende Sortenliste 2010


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

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance

WDV

BYDV


Qualität

0,18

0,16

0,14

0,12

0,1

0,08

0,06

0,04

Gesamtalkaloidgehalt [%] Einfluß der Temperatur auf den Gesamtalkaloidgehalt der

0,02

0

Humanernährung: 0,02%

Tierernährung: 0,05%

Blauen Süßlupine

10 °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) 172-177

Stärkegehalt (%)

25

20

15

10

5

0

-5

Stärkegehalt 2009

Kathadin Pirol Norchip Alegria Desiree Krone

Kontrolle Trockenstress Hitzestress Hitze-Trockenstress

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance

C. Balko (pers. Mitt.)


Produktionskette

www.bdp-online.de/.../Kulturarten

Saatgut

www.agrarnet.info/netautor/napro4/appl/na_pro...

Produktion

www.abzonline.de/service/Brote-wie-in-der-Sch..

Verarbeitung

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance

Herausforderungen

Ertragssteigerung und Sicherung

Verbesserung der Resistenz- und Toleranzeigenschaften

gegen biotischen und abiotischen Stress

Schaffung neuer und Erhaltung bekannter Qualitäten

Sicherung der Ernährung

Nachhaltige Energieversorgung

Effizienten Ressourceneinsatz

Biobasierte Herstellung von Rohstoffen

Ertagssteigerung: heute - zukünftig

Mais 1,6% 2,4%

Reis 0,9% 1,5%

Weizen 1,1% 2,0%

Bioökonomierat 2010

H.J. Braun (CIMMYT) pers. Mit.


Klassische Pflanzenzüchtung

Erfassung genetischer

Variation

H. vulgare

Sorten

Landrassen

H. vulgare ssp.

spontaneum

H. bulbosum

Hordeum sp.

n=30

Nutzung genetischer

Variation

F 1

F 2

F 3

F 4

F 5

F 6

F 7

F 8

F 9

F 10

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance

P1 x P2

Pedigree Selektion

I

II

III

Schaffung von

Ausgangsvariation

Selektion von

Sortenkandidaten

Prüfung, Erhaltung

und Vermehrung


Pflanzenzüchterisches Instrumentarium

Genpool

I

II

III

Ordon & Friedt, 1998

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance

http://www.lfl.de http://www.lfl.de

RFLPs

RAPDs

AFLPs

http://www.aid.de

http://www.milene.or.jp


Gentechnik - Trockentoleranz

DREB1A

(Arabidopsis thaliana)

5.75 1.94

Pellegrineschi et al. 2004. Genome 47: 493-500

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance

Pennisi 2008. Science 320: 171-173


Pflanzenzüchterisches Instrumentarium

RFLPs

RAPDs

AFLPs

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance

Ordon & Friedt, 1998

P1 x P2

Zuverlässige Selektion auf Einzelpflanzenniveau (A1, F2) im

Labor unabhängig von Auftreten und Symptomentwicklung im

Freiland in frühen Entwicklungsstadien


Pflanzenzüchterisches Instrumentarium - Hochdurchsatzgenotypisierung

Diversity Array Technology

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance

The GoldenGate Assay

MaizeSNP50 DNA Analysis Kits

http://www.triticarte.com.au/ http://barleygenetics.net/lukesite/html/agoueb/guide_to_illumina_genotyping.htm atlas-biolabs.de


Pflanzenzüchterisches Instrumentarium - Assoziationskartierung

1H 66cM max. r² max. difference

6.0% 0.36 t/ha

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance

5H 51cM max. r² max. difference

17.9% 0.80 t/ha

Rode et al. (in Vorbereitung)


Pflanzenzüchterisches Instrumentarium - Genomic Selection

„Genomic selection is a form of marker-assisted selection in which genetic

markers covering the whole genome are used so that all QTL are in LD with at

least one marker.“ Mike Goddard

Absättigung der Genome mit Markern

Verfeinerung der Phänotypisierungstechniken

Etablierung neuer statistischer Methoden (BLUP)

50.000 SNP markers

GBV

Selektion basiert auf der Summe der Effekte

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance

49990

i 1

Xgˆ i i

GBV

GBV

Folie: Chris-Carolin Schön


Pflanzenzüchterisches Instrumentarium – Genom Sequenzierung

Sequenzierungskosten

Preis pro Mb

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance

Genomgrößen

Arabidopsis thaliana 125 Mb

Reis 430 Mb

Zuckerrübe 720 Mb

Mais 2500 Mb

Mensch 3000 Mb

Gerste 5000 Mb

Weizen 16500 Mb

M. Delseny et al. (2010) Plant Sci. 179: 407-422


Pflanzenzüchterisches Instrumentarium – Genom Sequenzierung

Genotypisierung durch Re-sequenzierung

517 Reis-Landsorten sequenziert

3,6 Mio SNPs identifiziert

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance


Pflanzenzüchterisches Instrumentarium

Fernie, A.R., N. Schauer, 2008: Trends in Genetics 25, 39-48

Winterhafer, Winterackerbohne, Sojabohne, Sorghum, Sonnenblume etc.

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance


Ertrag und Biomasseproduktion

Energiemais

Aus: Landinfo 5/06

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance

Fu et al, 2010. BMC Plant Biology 10:63


Ertrag und Biomasseproduktion

Hybridzüchtung bei Selbstbefruchtern

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance

Ahlemeyer, pers. Mitt.

Hybrid wheat, a promising approach

for improving yield potential, yield

stability and pyramided stress

tolerances, should attract privatesector

investment and accelerate

breeding gains.

However, until now

large-scale production of hybrid

wheat has been prevented by the

difficulty encountered in developing

reliable hybrid wheat-seed

production systems, with

demonstrated yield advantages.

CIMMYT 17.12.2010

http://www.ipk-gatersleben.de/Internet/Forschung/MolekulareGenetik/Hybridweizen


Trockentoleranz

Yao et al. 2005. Plant Molecular Biology 58: 367-384

Chen et al. 2009. Genet Resour Crop Evol, 10.1007/s10722-009-9453-z

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance

•Wasseraufnahme Vermögen durch die Wurzel

•Wasserhaltevermögen in den Zellen

•Wasserabgabe durch die Stomata

•Blühzeitpunkt

Komplexe Vorgänge, welche die Trockentoleranz bedingen

an denen eine Vielzahl von Genen beteiligt ist


Trockentoleranz

Osmolyte

Prolin P5Cs

Trehalose otsA, otsB

Dehydrine

Late embryogenesis abundant proteins (LEA) HVA1; OsLEA3

Detoxifizierung

Superoxid Dismutase Mn-SOD

ABA Stoffwechsel

Farnesyltransferase ERA1

Transkriptionsfaktoren DREBs, CFBs, ABF3, SNAC1

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance


Nährstoffeffiziens

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance


Nährstoffeffiziens - Mykorrhiza

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance


CO 2 Düngeeffekt

Photosyntheserate Transpirationskoeffizient

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance

Weigel et al 2005


Schaderreger – Barley yellow dwarf virus (BYDV)

Luteovirus

BYDV-PAV

BYDV-MAV

Polerovirus

CYDV-RPV

50

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0

Infektionstage Herbst

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance

Rhopalosiphum padi & Sitobion avenae

Sitobion avenae

Rhopalosiphum padi

+ssRNA-Virus,isometrische Viruspartikel

(25-30 nm), phloemlimitiert

Ertragsverlustes 20-40%

Beziehung zwischen BYDV-Befall von Wintergerste im Frühjahr und

Herbsttemperatur

Jahr

Infektionstage

Infektionsrate

Infektionstage = Anzahl Tage mit Tagesmitteltemperaturen >= 10°C vom 1.10. bis 31.12.

Befall Frühjahr (%)

Habekuß, A., C. Riedel, E. Schliephake, F. Ordon, 2009. Journal of Cultivated Plants 61, 53-61

50

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0


Schaderreger - Barley yellow dwarf virus (BYDV)

BYDV – Pyramidisierung von QTL

Ryd2 Ryd2 (311 (311 bp) bp)

ryd2 ryd2 (253 (253 bp) bp)

Ryd3

(HVM74)

QTL + (211 bp)

QTL - (218 bp)

Ryd2

(YLP + HSP92 II)

Ryd3 (180 bp)

ryd3 (188 bp)

QTL Post 2H

(HVCSG)

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance

(ryd2, ryd3, QTL-) (Ryd2, Ryd3, QTL+)

Wintergerste, Quedlinburg, April 2008

Habekuß, A., C. Riedel, E. Schliephake, F. Ordon, 2009. Journal of Cultivated Plants 61, 53-61


Gen Identifikation

Rym4/Rym5

Hochauflösende Kartierungspopulation

P11M36

P21M68

rym4

P20M46

B368N12

OP-Z04

0.10

0.97

0.82

0.05

0.34

A

MWG838

OP-AF18H971

E45*M69

MWG010

BMac029

0.10

0.05

0.88

0.34

B

0.05

0.10

MWG838 +

Y57C10 +

E37*M36

E37*M63

E35*M81

E39*M39

STSE31*M41 +

OP-AF18H971 +

E45*M69

MWG010 +

BMac029 *

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance

rym5

E62*M67

Pellio et al., 2005

0.034

0.66

figure taken from:

Buchanan, Gruissem, Jones (2000)

Biochemistry & Molecular Biology of plants

Allelische Diversität

Stein et al. (in prep)


Verwertungsoptionen

Waxy-Gerste

Jansen u. Ordon, 2009. Forschungsreport 16-18

95% Amylopectin, 5% Amylose

Beta-Glucan Gehalt, hohes Wasserbindungsvermögen

Ernährungsphysiologisch günstig

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance

julius-hensel.com

Russischer Löwenzahn

nwz-inside.de

Gentechnische Modifikation der Polyphenoloxidase

Golden Rice

DFG Broschüre „Grüne Gentechnik“

Zunehmend werden Stoffwechselwege für Verwertungseigenschaften identifiziert,

die es erlauben unter Nutzung der natürlichen Variation diese zu verändern, oder sie gentechnisch

zu modifizieren


Genomsequenzierung

Transcriptomics

Proteomics

Metabolomics

Zusammenfassung und Ausblick

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance

Fernie, A.R., N. Schauer, 2008: Trends in Genetics 25, 39-48

Identifikation von Genen

bzw. Netzwerken

Erfassung der allelischen

Diversität und deren Wirkung

Molekulare Pflanzenzüchtung

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

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