Evaluierung von Kartoffelgenotypen bezüglich Trockentoleranz

ZusammenfassungZur Identifizierung und Validierung von Kandidatengenen für die Trockentoleranz in Kartoffeln wurden 40 S. tuberosum-Genotypen in einem Gefäßversuch unter einem Rain-out Shelter unter Kontroll- und Trockenstressbedingungen evaluiert. Je Genotyp wurden 24 In-vitro-Pflanzen in 5l Töpfen bis zum Beginn der Knollenbildung unter Kontrollbedingungen kultiviert. Danach wurden die Pflanzen Trockenstress (20 Tage kein Wasser) ausgesetzt bzw. als Kontrolle weiterhin optimal bewässert. Probenahmen von Blättern in den Stress- und Kontrollpflanzen ermöglichten die Bestimmung spezifischer Inhaltsstoffe zu sechs verschiedenen Zeitpunkten. Weiterhin wurden etwa 50 Kandidatengen-Primerpaare für eine Expressionsanalyse mittels Realtime RT-PCR entwickelt. Die nach Beendigung der Stressphase unter Kontrollbedingungen bis zur Ernte kultivierten Kartoffelgenotypen wurden hinsichtlich phänotypischer Merkmale evaluiert. Nach der Ernte erfolgte die Charakterisierung der Erträge, der Ertragsparameter sowie der Knolllenqualität. Der Versuch zeigte eine große Variabilität der ausgewählten Sorten bezüglich ihrer Reaktion auf den Trockenstress. Die Kombination der phänotypischen mit den genotypischen Daten wird zur Entwicklung molekularer Marker beitragen, welche eine gezielte Selektion trockentoleranter Kartoffelgenotypen ermöglichen.Stichwörter: Trockentoleranz, Kartoffel, Realtime RT-PCRAbstractFor the identification and validation of candidate genes for drought tolerance in potatoes, 40 S. tuberosum genotypes were evaluated in a pot experiment in a rainout shelter under control and drought stress conditions. Per genotype 24 in vitro plants were cultured in 5l pots under control conditions until the start of tuber formation. Thereafter, the plants were subjected to drought stress (20 days no water) or in case of the controls were optimally irrigated. Sampling of leaves in the stressed and control plants allowed the identification of specific components related to drought stress at six different times. Furthermore, about 30 primer pairs for candidate gene expression analysis using real time RT-PCR were developed. After termination of the stress phase the potato genotypes were cultured under control conditions until harvest and were evaluated with regard to phenotypic characteristics. After harvest, yield, yield parameters and tuber quality were characterized. The trial showed a great variation of the selected varieties with respect to their response to drought stress. The combination of the phenotypic and the genotypic data will contribute to the development of molecular markers which allow a targeted selection of drought-tolerant potato genotypes.Keywords: drought tolerance, potato, realtime RT-PC

Chilling tolerance in soybeans (Glycine max) – a prerequisite for soybean cultivation in Germany

Über die Vorteile hinaus, die Leguminosen generell in der Fruchtfolge bieten, hat die Sojabohne (Glycine max (L.) Merr.) eine für die Ernährung von Mensch und Tier besonders günstige Proteinzusammensetzung. Aufgrund der nicht hinreichenden züchterischen Anpassung von Soja an unsere Klimaverhältnisse kann sie jedoch in Deutschland nur begrenzt angebaut werden. In diesem Zusammenhang ist die Kühletoleranz ein wichtiges Zuchtziel. Um Informationen über die genetische Variation bezüglich der Kühletoleranz zu gewinnen, wurde ein Test zur Erfassung des Hülsenansatzes unter Kühlestress etabliert, bei dem unter kontrollierten Bedingungen ab Blühbeginn 3 Wochen Kühlestress bei 15°C Tag/10°C Nacht appliziert wird. Dieser Test erwies sich als gut geeignet, um genotypische Unterschiede bezüglich des Hülsenansatzes unter Kühlestress reproduzierbar zu erfassen. Dabei wurde sowohl die Toleranz im engeren Sinne in Form eines wenig verminderten Hülsenansatzes unter Kühlestress gefunden, als auch Kompensationsvermögen in Form von vermehrtem Hülsenansatz nach der Kühlestressphase (Toleranz im weiteren Sinne) – bei einigen Genotypen ohne, bei anderen mit deutlicher Reifeverzögerung. Darüber hinaus gab es auch sensitive Genotypen ohne Kompensationsvermögen.Im Feldversuch 2011 und 2013 beobachtete Auswirkungen einer Kühlestressphase nach Blühbeginn auf den Hülsenansatz ergaben eine vergleichsweise gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen aus dem Gefäßversuch unter kontrollierten Bedingungen. Die dreijährigen Feldversuche am Standort Groß Lüsewitz zeigten weiterhin, dass trotz der extrem nördlichen Lage des Standortes Soja erfolgreich in Norddeutschland angebaut werden kann, wenn entsprechend frühreife Sorten (frühe 00–0000) zum Einsatz kommen. Dabei stellte sich heraus, dass in Jahren mit höheren Wärmesummen die etwas späteren Sorten ihr meist höheres Ertragspotential realisieren konnten, über alle Jahre gesehen, die frühen Sorten auf einem etwas niedrigeren Ertragsniveau jedoch ertragsstabiler sind und ertragsstabile Sorten in der Regel auch über eine gute Kühletoleranz verfügen. DOI: 10.5073/JfK.2014.11.02, https://doi.org/10.5073/JfK.2014.11.02Besides advantages in crop rotations, soybeans are best suited for animal feed and human nutrition due to their protein content and composition. But, because of the limited adaptation to growing conditions, soybeans cannot be grown all over Germany mainly due to a lack of chilling tolerance, which is an important goal in soybean breeding in Germany therefore. In order to get information on the genetic variation of chilling tolerance in soybean, a test under controlled conditions was developed applying 15°C day/10°C night temperature for 3 weeks, which allows to get reliable information on pod set under cool conditions. Using this test, genotypes were identified revealing only a small reduction of the number of pods (chilling tolerance in the narrow sense), but also those compensating the loss of pods under cool conditions by a higher pod set in warmer conditions after the chilling period (tolerance in a broader sense). With respect to the latter also genotypic differences concerning the time to harvest were observed. Moreover, real sensitivity without compensation ability occurred. Responses of cultivars to a chilling period in the field trials of 2011 and 2013 showed a good correlation to the results obtained under controlled conditions. These field trials also demonstrated that soybean can be successfully grown even in Northern Germany, in case early ripening varieties (early 00–0000) are used. In this respect, higher yields of later ripening cultivars were observed in years with higher temperature sums while more stable yields but on a lower level were obtained by early ripening cultivars, where cultivars with high yield stability in general also showed a good chilling tolerance. DOI: 10.5073/JfK.2014.11.02, https://doi.org/10.5073/JfK.2014.11.0

Methodische Ansätze zur Verbesserung der Trockenstresstoleranz durch markergestützte Selektion

ZusammenfassungDie Trockenstresstoleranz von Kulturpflanzen tritt aufgrund des Klimawandels zunehmend in den pflanzenzüchterischen Fokus. Eine sichere Selektion anhand des Phänotyps erfordert kontrollierte Bedingungen, ist sehr arbeitsintensiv und damit nur schwer in den praktischen Zuchtbetrieb zu integrieren. Aus diesem Grund sind molekulare Marker von besonderer Bedeutung im Hinblick auf eine Verbesserung der Trockenstresstoleranz. Möglichkeiten der Entwicklung und Nutzung molekularer Marker werden aufgezeigt. Stichwörter: Trockenstresstoleranz, Molekulare Marker, markergestützte SelektionEnhancing drought stress tolerance by marker assisted selection proceduresAbstractTolerance to drought stress has gained evident importance due to climate change. For an efficient phenotypic selection for drought stress tolerance controlled conditions are needed and besides this reliable phenotypic selection is quite laborious and time consuming. Therefore, molecular markers are of special importance with respect to enhancing drought stress tolerance. Possibilities for the development and use of molecular markers are briefly reviewed.Keywords: drought stress tolerance, molecular markers, marker assisted selectio

Identification of genomic regions involved in tolerance to drought stress and drought stress induced leaf senescence in juvenile barley

BACKGROUND: Premature leaf senescence induced by external stress conditions, e.g. drought stress, is a main factor for yield losses in barley. Research in drought stress tolerance has become more important as due to climate change the number of drought periods will increase and tolerance to drought stress has become a goal of high interest in barley breeding. Therefore, the aim is to identify quantitative trait loci (QTL) involved in drought stress induced leaf senescence and drought stress tolerance in early developmental stages of barley (Hordeum vulgare L.) by applying genome wide association studies (GWAS) on a set of 156 winter barley genotypes. RESULTS: After a four weeks stress period (BBCH 33) leaf colour as an indicator of leaf senescence, electron transport rate at photosystem II, content of free proline, content of soluble sugars, osmolality and the aboveground biomass indicative for drought stress response were determined in the control and stress variant in greenhouse pot experiments. Significant phenotypic variation was observed for all traits analysed. Heritabilities ranged between 0.27 for osmolality and 0.61 for leaf colour in stress treatment and significant effects of genotype, treatment and genotype x treatment were estimated for most traits analysed. Based on these phenotypic data and 3,212 polymorphic single nucleotide polymorphisms (SNP) with a minor allele frequency >5 % derived from the Illumina 9 k iSelect SNP Chip, 181 QTL were detected for all traits analysed. Major QTLs for drought stress and leaf senescence were located on chromosome 5H and 2H. BlastX search for associated marker sequences revealed that respective SNPs are in some cases located in proteins related to drought stress or leaf senescence, e.g. nucleotide pyrophosphatase (AVP1) or serine/ threonin protein kinase (SAPK9). CONCLUSIONS: GWAS resulted in the identification of many QTLs involved in drought stress and leaf senescence of which two major QTLs for drought stress and leaf senescence were located on chromosome 5H and 2H. Results may be the basis to incorporate breeding for tolerance to drought stress or leaf senescence in barley breeding via marker based selection procedures. ELECTRONIC SUPPLEMENTARY MATERIAL: The online version of this article (doi:10.1186/s12870-015-0524-3) contains supplementary material, which is available to authorized users

Genomik-basierte Verbesserung des heimischen Sojazuchtmaterials und Etablierung eines molekularen Screeningsystems für Soja-Pathogene

Zur Einleitung von Pflanzenschutzmaßnahmen bei Soja ist es essentiell, Informationen über vorhandene Pathogene zu gewinnen. Basierend auf der quantitativen Real Time-PCR wurden Einzelnachweise für die Hauptpathogene der Sojabohne in Deutschland entwickelt. Die Pathogenität der Krankheitserreger wurde geprüft und das Inokulationsverfahren für weitere Untersuchungen etabliert. Erste Mehrfach-Nachweise für verschiedene Erreger und Probentypen wurden entwickelt, die für eine frühzeitige Detektion von Erregern in Soja-Proben (Saatgut, Pflanze, Boden) verwendet werden können. Im Rahmen des Projekts wurde zudem durch Kombination von aktuellen und zukünftigen Klimaparametern sowie Genotypisierungs- und Phänotypisierungsdaten eine Kernkollektion von Akzessionen erstellt, die sich durch eine hohe Diversität auszeichnet und sich für den Anbau unter den Bedingungen von Zentraleuropa eignet. Dabei wurden neue Gene für Umweltadaptation identifiziert, für die molekulare Marker für die Züchtung entwickelt werden, und geeignete Akzessionen für die Einkreuzung in aktuelle Züchtungsprogramme wurden selektiert. Die Ergebnisse zeigen außerdem klar, dass hochertragreiche Linien gezüchtet werden können, um die Sojaanbauregion nach Norden zu erweitern. Zudem bieten die gewonnenen Varianzkomponenten, Heritabilitäten und Merkmalskorrelationen eine solide Grundlage für die Gestaltung von Zuchtprogrammen, insbesondere auch von Speed-Breeding Programmen, die zukünftig mit genomischer und phänomischer Selektion beschleunigt werden können. Es wurden bereits erste Linien an die private Pflanzenzüchtung abgegeben, die in weiteren Prüfungen ermitteln, ob die Linien als Sorten zugelassen werden können. Gerade in kühleren Lagen, wie z.B. in Norddeutschland, ist die Gefahr von Ertragseinbußen auf Grund von Kühlestress groß. In diesem Projekt wurden Linien von Kreuzungsnachkommenschaften und ein diverses Set aus Genbankakzessionen hinsichtlich ihres Hülsenansatzes nach einer Kühlestressphase charakterisiert. Das Testsystem führte zu reproduzierbaren Ergebnissen und es wurden erste QTL für den Hülsenansatz unter Stressbedingungen ermittelt