A MAGIC population as an approach to the conservation and development of genetic diversity of winter barley for breeding purposes by on-farm management

Zusätzliche genetische Diversität in Züchtungsprogrammen und im Wintergerstenanbau sind erforderlich, um den Auswirkungen des Klimawandels besser begegnen zu können. Um bestehende Aktivitäten der Wintergerstenzüchter zu ergänzen, wurde 2008 mit einem Programm zur Populationszüchtung begonnen. Von insgesamt 227 deutschen Wintergerstesorten, die im Zeitraum von 1914 bis 2003 eine Sortenzulassung erlangten, wurden 58 Sorten mit SSR-Markern genetisch analysiert. Davon wurden 32 möglichst divergente Elternlinien ausgewählt und anschließend über 6 Generationen nach einem multiparentalen Kreuzungsschema (MAGIC) miteinander gekreuzt. Die daraus resultierenden 324 Linien wurden zu einer heterogenen MAGIC-Population vereint. Um sich an regionale Bedingungen anzupassen und auszudifferenzieren, werden derzeit MAGIC-Subpopulationen in einem Netzwerk bestehend aus 12 unterschiedlichen, ökogeografisch kontrastierenden Standorten in Deutschland an- und nachgebaut und somit als Evolutionsramsche einer natürlichen standortbedingten Selektion unter­zogen. Der Nachbau wird über einen Zeitraum von 6 bis 8 Jahren erfolgen und beinhaltet für jeden Standort zwei unterschiedliche Intensitätsstufen bezüglich Düngung und Pflanzenschutzmaßnahmen. Für die Protokollierung der Anbaubedingungen, die Erfassung von Evaluierungsdaten, aber auch zur Dokumentation des MAGIC-Kreuzungsschemas sowie für nachfolgende Datenanalysen wurde das Informationssystem ROBUSTUM entwickelt. Der beschriebene Ansatz erlaubt eine kontinuierliche und dynamische Anpassung der natürlichen genetischen Vielfalt in unseren Kulturpflanzen an klimatische und standortbedingte agronomische Veränderungen. Damit eignen sich Evolutionsramsche besonders für den ökologischen Anbau, aber auch für Grenzlagen und Standorte mit ungünstigen Boden- und Witterungs­bedingungen. Vor dem Hintergrund zunehmender extremer Klima­bedingungen können diese Eigenschaften in Zukunft noch eine weitaus größere Bedeutung für die Landwirtschaft erlangen. Populationen tragen ferner zum Erhalt bzw. Aufbau einer möglichst breiten genetischen Vielfalt bei. Mit diesem Ansatz lässt sich das Potenzial von Evolutionsramschen abschätzen, das zur Entwicklung nachhaltiger landwirtschaftlicher Produktionssysteme beitragen kann.Additional genetic diversity in crop breeding programmes and in crop production is required to better cope with the impact of climate change. To complement ongoing activities of winter barley breeders, an evolutionary plant breeding programme has been initiated in 2008. Out of 227 German winter barley varieties released between 1914 and 2003, a set of 58 varieties was genetically analysed using SSR markers. Among these, 32 genotypes representing the genetic diversity of the whole set were crossed according to the Multi-parent Advanced Generation Inter-Cross scheme (MAGIC) over six generations. The resulting 324 lines were combined to form a heterogeneous MAGIC winter barley population. In order to adapt to regional agricultural conditions, MAGIC sub-­­­populations are currently being cultivated within a network of 12 eco-geographically contrasting locations and subjected to natural site-related selection as evolutionary bulks. Cultivation and seed saving will take place over a period of 6 to 8 years under high and low input production conditions. An information system named ROBUSTUM has been developed for consistent recording of cultivation conditions, of characterisation and evaluation data as well as for documentation of the pedigree and for sub­sequent data analyses. The present approach enables a continuous and dynamic adaptation of the natural genetic diversity present in our crops to climatic and site-related agronomic changes. This makes the evolutionary bulk particularly suitable for organic cultivation, but also for marginal sites and locations with unfavourable soil and weather conditions. In view of increasingly extreme climatic conditions, these properties may become even more important for agriculture in the future. Populations also contribute to the maintenance and development of a genetic diversity as broad as possible. This approach enables estimation of the potential of evolutionary bulks to contribute to the development of sustainable agricultural production systems

Dokumentation der innerartlichen Vielfalt von Kulturarten – Informationssysteme für pflanzengenetische Ressourcen

Die biologische Vielfalt in der Agrarlandschaft wird geprägt von der Vielfalt von Kulturarten im Anbau und von der Vielfalt innerhalb der angebauten Kulturarten (Genotypen- oder Sortenvielfalt). Zur Sicherstellung letzterer wurden mehrere Millionen Muster verschiedener Kulturarten und ihrer wildlebenden Verwandten in Genbanken eingelagert. Moderne Informationstechnik hilft, diese Vielfalt effizient zu erschließen und nutzbar zu machen. Im Europäischen Kooperationsprogramm für pflanzengentische Ressourcen (ECPGR) werden für fruchtartspezifische Arbeitsgruppen zentrale fruchtartspezifischen Datenbanken betrieben. Das Institut für Züchtungsforschung an landwirtschaftlichen Kulturen betreut die Internationale Datenbank für Beta und die Europäische Avena Datenbank. Als typische Anwendungsfälle für die Arbeit an genetischen Ressourcen werden Implementierungen vorgestellt für die verbundene Recherche von Herkunfts- (Passport-) und Merkmalsdaten, für die geographische Verortung von Vorkommen und Merkmalen, für das Management von Feldversuchen zur Charakterisierung und Evaluierung genetischer Ressourcen und für die Fotodokumentation. Stichwörter: Sortenvielfalt, Genbankmuster, fruchtartspezifische Datenbanken, Merkmalsdaten, geographische Verortung, Feldversuchsmanagement.Documentation of intra-specific diversity in crops – information systems for plant genetic resourcesSummaryThe biological diversity in agricultural areas is formed by the diversity of crops and the diversity within crops (diversity of genotypes or cultivars). To conserve the diversity within crops several millions of samples of crop species and their wild relatives have been stored in genebanks. Modern information technology helps to make this diversity accessible and get it into use. In the European Cooperative Programme for Plant Genetic Resources (ECPGR) central crop databases are provided to crop specific working groups. The Institute for Breeding Research on Agricultural Crops manages the International Database for Beta (IDBB) and the European Avena Database (EADB). As typical use cases for the work in genetic resources following implementations are shown: combined research for origin (passport) and trait data (characterisation and evaluation); geographic localisation of occurrences and traits; management of field experiments for characterisation and evaluation of crop genetic resources; documentation of images.Keywords: Cultivar diversity, genebank accessions, European central crop databases, trait data, geographic localisation, management of field experiments

Guideline for selecting and establishing genetic reserves

Genetische Erhaltungsgebiete (GenEG) dienen der aktiven und langfristigen In-situ-und Ex-situ-Erhaltung bestimmter Populationen züchterisch relevanter Wildpflanzenarten. Die Gesamtheit der GenEG soll die genetische Diversität dieser Arten bestmöglich repräsentieren. Dieser Leitfaden beschreibt in acht Schritten ein erprobtes Verfahren für die Planung und die Einrichtung von GenEG anhand der Erfahrungen aus dem Modellund Demonstrationsverfahren „Genetische Erhaltungsgebiete für Wildselleriearten (Apium und Helosciadium) als Bestandteil eines Netzwerks genetischer Erhaltungsgebiete in Deutschland (GE-Sell)“. In den ersten vier Schritten wird die Beschaffung und Aufbereitung von Verbreitungsdaten der Zielarten sowie die Auswahl und Bewertung von Fundorten und Vorkommen für genetische Analysen dargestellt. Schritt 5 ist dem Thema genetische Analyse und der Ergebnisbewertung gewidmet. Die Schritte 6 bis 8 befassen sich mit Aspekten der partizipatorischen Projektplanung und der formalen Ausweisung von GenEG sowie dem Aufbau einer Organisationsstruktur, die für das dauerhafte Management eines Netzwerks von GenEG notwendig ist. Das hier dargestellte Verfahren kombiniert den Genpool-Lösungsansatz zum Aufbau von GenEG mit Elementen der partizipativen Planung von Naturschutzprojekten. Alle Interessensgruppen werden möglichst frühzeitig in die Datenerhebung, Planung, Analyse, Ergebnisinterpretation und die Auswahl von GenEG eingebunden. Am Ende eines gemeinsam gestalteten Entscheidungsprozesses werden klar definierte GenEG ausgewiesen. GenEG sind ein neues Modul des Artenschutzes. Deshalb kann dieser Leitfaden nicht alle Aspekte abschließend behandeln. In einigen Textabschnitten wird daher der vorhandene Handlungsbedarf beschrieben und zur Diskussion gestellt.The genetic reserve conservation technique serves the active and long-term in situ and ex situ conservation of specific populations of wild plant species relevant for breeding. The sum of all genetic reserves should cover the genetic diversity of a species. This guide describes in eight steps a tested procedure for the planning and establishment of genetic reserves based on the experience gained from the model and demonstration project "Development of a nationwide network of genetic reserves for wild celery (GE-Sell)”. The first four steps describe the acquisition and preparation of distribution data of the target species as well as the selection and evaluation of sites and occurrences for genetic analyses. Step 5 is dedicated to genetic analyses and the evaluation of results. Step 6 to 8 deal with aspects of participatory project planning and the formal designation of genetic reserves and the establishment of an organisational structure necessary for the long-term management of a reserves network. The procedure presented combines the gene pool approach to the establishment of genetic reserves with elements of participatory planning of nature conservation projects. All stakeholders are involved as early as possible in the data collection, planning, analysis, interpretation of results and selection of genetic reserves. At the end of a jointly designed decision-making process, clearly defined genetic reserves are identified. Genetic reserves are a new component of species conservation. Therefore, this guideline cannot cover all aspects conclusively and the text also describes and discusses existing needs for action

ABC of the Nagoya protocol in Germany – Access to genetic resources und benefit-sharing

Seit dem 12.10.2014 ist für die Mitgliedstaaten der Europäischen Union die „Verordnung (EU) Nr. 511/2014 des Europäischen Parlaments und des Rates vom 16. April 2014 über Maßnahmen für die Nutzer zur Einhaltung der Vorschriften des Protokolls von Nagoya über den Zugang zu genetischen Ressourcen und die ausgewogene und gerechte Aufteilung der sich aus ihrer Nutzung ergebenden Vorteile in der Union“ in Kraft. Zentrale Elemente der Regelungen betreffen erstens den Zugang zu genetischen Ressourcen (access), zweitens den Vorteilsausgleich bei der Nutzung (benefit-sharing) und drittens die Übereinstimmung der Maßnahmen der Nutzer mit den durch die gesetzlichen Regelungen aufgestellten Anforderungen (compliance). Nationale Regelungen können die Verordnung für die einzelnen Mitgliedstaaten weiter konkretisieren. Seit dem 12. Oktober 2014 müssen Nutzer genetischer Ressourcen darauf achten, ob Erklärungen zur Einhaltung der Sorgfaltspflichten durch die zuständige Behörde verlangt werden, wenn sie genetische Ressourcen aus Vertragsstaaten des Nagoya-Protokolls beziehen. DOI: 10.5073/JfK.2016.04.01, https://doi.org/10.5073/JfK.2016.04.01Since 12 October 2014 “Regulation (EU) No 511/2014 of the European Parliament and of the Council of 16 April 2014 on compliance measures for users from the Nagoya Protocol on Access to Genetic Resources and the Fair and Equitable Sharing of Benefits Arising from their Utilization in the Union” is implemented for member states. Main elements of the regulations concern 1. access to genetic resources, 2. benefit-sharing arising from the use and 3. compliance of measures for users. Member states are able to add national regulations. Effective from 12 October 2014 users of genetic resources are responsible for seeing that due diligence declarations can be requested by a competent authority, if the genetic resource is acquired from a party of the Nagoya-Protocol. DOI: 10.5073/JfK.2016.04.01, https://doi.org/10.5073/JfK.2016.04.0

Identifizierung, Aufbau und Ausbau genetischer Schutzgebiete für wildlebende Verwandte unserer Kulturarten (WVK)

Mit Kultur- und Nutzpflanzenarten verwandte Wildarten sind ungeachtet ihres großen Potenzials als Quellen neuartiger genetischer Variation für die Pflanzenzüchtung nicht ausreichend geschützt. Zur Verbesserung ihres langfristigen Schutzes fordern sowohl internationale als auch nationale Biodiversitätsstrategien die Umsetzung einer In-situ-Erhaltungsstrategie, insbesondere für jene Arten, die für den Menschen von unmittelbarer Bedeutung sind. Zur Operationalisierung dieser Strategie wurde im Rahmen des vom Julius Kühn-Institut koordinierten AEGRO-Projektes die Konzeption des genetischen Schutzgebietes erprobt. Für vier Kulturpflanzengattungen (Avena, Beta/Patellifolia, Brassica, Prunus) wurde das Konzept bis zur Anwendungsreife weiterentwickelt. Nur vier Entscheidungsschritte sind notwendig, um aus einer Vielzahl in Europa verbreiteter Arten jene Vorkommen auszuwählen, für die der Ausbau eines genetischen Schutzareals erforderlich ist. Zur Unterstützung dieser Vier-Schritte-Methode wurden das Informationssystem „Population Level Information System“ (PLIS) und zur Dokumentation der Ergebnisse des Auswahlverfahrens das Informationssystem „Genetic Reserve Information System (GenResIS) entwickelt. In GenResIS sind detaillierte ökogeographische Informationen zu 52 genetischen Schutzgebieten und den darin vorkommenden Arten zu finden. Diese Schutzgebiete dienen nicht nur zur Bewahrung oder Wiederherstellung eines guten Erhaltungszustandes von Pflanzenarten in ihrem natürlichen Lebensraum, sondern auch der Erhaltung von Genen für die Pflanzenzüchtung, wie exemplarisch am Beispiel von Beta vulgaris subsp. maritima als Quelle der Resistenz gegen das Beet Necrotic Yellow Vein Virus (BNYVV) erläutert wird. Stichwörter: Genetische Ressourcen, In-situ-Erhaltungsstrategie, genetische Schutzgebiete, WildartenIdentification, establishment and development of genetic reserves for crop wild relatives (CWR)AbstractDespite their great potential as sources of novel genetic variation for plant breeding crop wild relatives are not protected sufficiently. International as well as national biodiversity strategies call therefore the implementation of the in situ conservation strategy, in particular for those species of immediate relevance to mankind. The genetic reserve concept was tested in the context of the AEGRO project, coordinated by the Julius Kühn-Institut, to operationalise the in situ conservation strategy and to develop the concept for the genera Avena, Beta/Patellifolia, Brassica, Prunus to the point that it can be put into use. Only four decision steps are required to determine those occurrences among the multitude of species distributed in Europe for which the establishment of a genetic reserve is essential. The information system “Population Level Information System” (PLIS) was developed to support the four step methodology; the “Genetic Reserve Information System” (GenResIS) was established to document the results of the selection procedure. GenResIS provides detailed ecogeographic information on 52 genetic reserves as well as on species occurring within these areas. The reserves do not only serve the protection or recovery of species in their natural habitat. They also serve the maintenance of genes for plant breeding as explained using Beta vulgaris subsp. maritima, the source of resistance against the Beet Necrotic Yellow Vein Virus (BNYVV), as an example. Keywords: Genetic resources, in situ conservation strategy, genetic reserve, wild specie

Development of an in situ conservation strategy for crop wild relatives (CWR)

Wildpflanzenarten sind als genetische Ressource der Pflanzenzüchtung und als Teil komplexer ökosystemarer Wirkungsketten gleichermaßen von Bedeutung und unver­zichtbar. Der Artenverlust schreitet fast ungebremst fort und betrifft auch wild vorkommende Verwandte unser Kultur- und Nutzpflanzen (WVK-Arten). Völkerrechtlich besteht eine verbindliche Pflicht zur Umset­zung einer Erhaltungsstrategie für Wild- und Kulturpflanzenarten, die die Vorzüge der In-situ-Erhaltung im natürlichen Lebensraum mit den Vorteilen der Ex-situ-Erhaltung in Genbanken verbindet. Im Beitrag wird auf die Komponenten einer deutschen In-situ-Erhaltungsstrategie eingegangen. Das Konzept des genetischen Erhaltungs­gebietes (GenEG) wird einleitend vorgestellt und ein Plan zu dessen Umsetzung erörtert. Durch die Auswahl und das langfristige Management genetisch distinkter Vorkommen von WVK-Arten in ihrem natür­lichen Verbreitungsgebiet kann die genetische Variation einer limitierten Anzahl von Arten aktiv erhalten werden. Hierzu müssen die geeignetsten WVK-Arten ermittelt, Vorkommen dieser Arten durch Anwendung des floristischen Lösungsansatzes oder des Genpool-Lösungsansatzes identifiziert, Flächen als GenEG ausgewiesen und durch ein Netzwerk von Kooperationspartnern betreut werden. Auf die Notwendigkeit einer besseren Kommunikation zur Bedeutung und Wert biologischer Vielfalt, insbesondere der genetischen Vielfalt von WVK-Arten, wird hingewiesen. Der rechtliche Handlungsspielraum für die Ausweisung von GenEG, der mögliche Flächenbedarf und finanzielle Aspekte werden erörtert.Wild species are equally important and indispensible as genetic resource for plant breeding and as element of complex ecosystematic processes. The loss of species continues almost unabated and also hits crop wild relatives (CWR). According to international law, the implemen­tation of a conservation strategy for wild and cultivated species combining the best elements of the in situ conservation strategy with those of the ex situ conservation strategy is obligatory. The paper elaborates components of a German in situ conservation strategy. The genetic reserve concept is introduced. An implementation plan is discussed which will allow the informed choice and long-term active maintenance of a limited, genetically distinct occurrences within the distribution area of the species required to maintain a wide range of genetic variation. To this end priority CWR need to be determined. The floristic approach or the genepool approach can be applied to identify occurrence and their sites suited for the establishment of a genetic reserve. The established set of genetic reserves is jointly management by a network of cooperation partners. The need for improved public awareness building on the importance and value of biological diversity, especially of the genetic diversity of CWR, is emphasized. The legal scope for the designation of genetic reserves, the possible space requirement and financial aspects are discussed

Distribution and abundance of Beta patula Aiton and other crop wild relatives of cultivated beets on Madeira

Auf Madeira und benachbarten Inseln sind vier mit Kulturrüben verwandte Wildarten heimisch: Beta patula, Beta vulgaris subsp. maritima, Patellifolia procumbens, and Patellifolia patellaris. Alle Arten sind wertvolle genetische Ressourcen für die Zuckerrübenzüchtung. Die endemische Art Beta patula kommt nur im östlichen Teil von Madeira auf den Schären Ilhéu do Desembarcadouro und Ilhéu Chão vor. Auf beiden Schären wurde die Anzahl der Individuen dieser sehr seltenen Art sowie von zwei weiter verbreiteten Arten, B. vulgaris subsp. mari­tima und P. procumbens, ermittelt und ihr Lebensraum beschrieben. Die Einrichtung eines genetischen Schutzgebietes für Beta patula wird in diesem Beitrag vorgeschlagen, um diese Art effektiver schützen zu können.In the Archipelago of Madeira four crop wild relatives of beets are native: Beta patula, Beta vulgaris subsp. mari­tima, Patellifolia procumbens, and Patellifolia patellaris. All species are valuable genetic resources for the sugar beet breeding. Only in the very eastern part of the Madeira Island on the islet Ilhéu do Desembarcadouro and Ilhéu Chão the endemic species Beta patula can be found. On both islets the plant number of this very rare species, and of the two widely distributed species B. vulgaris subsp. maritima and P. procumbens was established and the habitat described. The results of the species census are presented. The establishment of a genetic reserve for Beta patula is suggested in this paper with the objective to protect this species more effectively

Verbreitung und Abundanz von Beta patula Aiton und anderen mit Kulturrüben verwandten Wildarten auf Madeira

In the Archipelago of Madeira four crop wild relatives of beets are native: Beta patula, Beta vulgaris subsp. maritima, Patellifolia procumbens, and Patellifolia patellaris. All species are valuable genetic resources for the sugar beet breeding. Only in the very eastern part of the Madeira Island on the islet Ilhéu do Desembarcadouro and Ilhéu Chão the endemic species Beta patula can be found. On both islets the plant number of this very rare species, and of the two widely distributed species B. vulgaris subsp. maritima and P. procumbens was established and the habitat described. The results of the species census are presented. The establishment of a genetic reserve for Beta patula is suggested in this paper with the objective to protect this species more effectively.Auf Madeira und benachbarten Inseln sind vier mit Kulturrüben verwandte Wildarten heimisch: Beta patula, Beta vulgaris subsp. maritima, Patellifolia procumbens, and Patellifolia patellaris. Alle Arten sind wertvolle genetische Ressourcen für die Zuckerrübenzüchtung. Die endemische Art Beta patula kommt nur im östlichen Teil von Madeira auf den Schären Ilhéu do Desembarcadouro und Ilhéu Chão vor. Auf beiden Schären wurde die Anzahl der Individuen dieser sehr seltenen Art sowie von zwei weiter verbreiteten Arten, B. vulgaris subsp. maritima und P. procumbens, ermittelt und ihr Lebensraum beschrieben. Die Einrichtung eines genetischen Schutzgebietes für Beta patula wird in diesem Beitrag vorgeschlagen, um diese Art effektiver schützen zu können.PNM (Parque Natural da Madeira), Dra. Rosa Pires, the Nature Wardens of PNM (Claudio Alves, Gil Pereira, João Paulo Mendes, Nelson Santos, Isamberto Silva and Filipe Viveiros), Paulo Costa, as well as the Portuguese Navy for the safety navigation to “Ilhéu Chão” and back to the Madeira Island. We would also like to thank DRIGOT for providing us with all the necessary maps. This work is part of Workpage 6, case study Beta, of the EU project “An integrated European in situ management work plan: implementing genetic reserves and on farm concepts”, AGRI GENRES 057, coordinated by the Julius Kühn-Institute and co-funded by the EU Commission, DG AGRI within the framework of council regulation 870/2004.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Netzwerk zur Erhaltung der Anpassungsfähigkeit von Kulturpflanzen (NEA*-KULT), Teilvorhaben Wintergerste

Dieser Beitrag begründet, weshalb das JKI ein Langzeitprojekt bei Wintergerste koordiniert und 32 genetisch verschiedene Wintergerstensorten nach dem Schema „Multi-parent Advanced Generation Intercross“ kreuzt. Im Jahr 2011 wurde die Erzeugung der zweiten Generation (G2) abgeschlossen. In der ersten Phase des Vorhabens entwickelte Verfahren zur Überprüfung des Kreuzungserfolges mit Mikrosatelliten-Markern sowie geplante Arbeiten werden beschrieben.Stichwörter: Genetische Ressourcen, Anpassungsfähigkeit, MAGIC, WintergersteNetwork for the maintenance of the adaptability of crops (NEA-KULT), sub-project winter barleyAbstractThis contribution states why the JKI is coordinating a winter barley long-term project and is performing crosses between 32 genetically distinct winter barley varieties according to the “Multi-parent Advanced Generation Intercross” schema. The production of the second generation (G2) was completed in the year 2011. Procedures developed during the first phase of the project suited for controlling the success of crosses with microsatellite marker as well as planed works are described. Keywords: Genetic resources, adaptability, MAGIC, winter barle