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Performance of Winter Wheat Cultivars in Organic and Conventional Farming Systems
Global betrachtet war die Steigerung der Erträge zur Bekämpfung von Hunger in den vergangenen Jahrzehnten das Hauptziel in der Weizenzüchtung (Triticum aestivum L). Mit der Einführung von Verzwergungsgenen wurde der Ernteindex verbessert, der das Verhältnis Kornertrag zur oberirdischen Gesamtbiomasse darstellt. Begleitet von einer ansteigenden Zufuhr von Stickstoff- (N) und Phosphor- (P) Düngern und der Anwendung von Pestiziden hat dies zu einem beträchtlichen Ertragszuwachs geführt. Durch die jahrzehntelange Züchtung auf Hochertragssorten für den intensiven Anbau wurde möglicherweise das optimale Düngungsniveau im Weizenanbau verschoben und so indirekt auf Sorten mit einem höheren Nährstoffbedarf selektiert. Arbuskuläre Mykorrhiza können zur Nährstoffversorgung von Pflanzen vor allem unter nährstofflimitierten Bedingungen beitragen. Ergebnisse aus der Literatur lassen vermuten, dass die Züchtung unter nährstoffreichen Bedingungen dazu geführt haben könnte, dass moderne Sorten die Fähigkeit zur Kolonisierung mit arbuskulärer Mykorrhiza verloren haben. Aus dieser Situation heraus ergibt sich die Frage, ob Sorten, die aus solchen Züchtungsprogrammen hervorgegangen sind, für den biologischen Anbau geeignet sind.
Im Fokus dieser Arbeit stand die Beurteilung der Notwendigkeit spezifischer Züchtungsprogramme für den biologischen Landbau. Dabei wurde folgende Hypothese überprüft: Sorten, die unter biologischen Bedingungen gezüchtet worden sind, sind besser an die Bedingungen im biologischen Landbau angepasst als konventionell gezüchtete Hochleistungssorten. Zwei einjährige Feldstudien mit je acht bis zehn Winterweizensorten wurden in insgesamt sieben Umwelten durchgeführt. Eine erste Studie wurde 2007 im biologischen und konventionellen Verfahren im DOK-Langzeitversuch durchgeführt, in dem verschiedene Anbausysteme seit 1978 verglichen werden. In einer zweiten Studie wurden die Sorten 2008 unter Praxisbedingungen auf biologisch bewirtschafteten Betrieben in verschiedenen pedo-klimatischen Regionen der Schweiz geprüft. Im Gegensatz zum DOK-Langzeitversuch, einem fruchtbaren Löss-Standort, waren die Praxisbetriebe auf sandigen bis sandig-lehmigen Böden und hatten ein insgesamt geringeres Ertragspotenzial. Teilziele der Arbeit waren (i) der Vergleich der Erträge, der Backqualität und der Nährstoffeffizienz von modernen Winterweizensorten aus biologischen und konventionellen Züchtungsprogrammen sowie alten Sorten, angebaut unter biologischen und konventionellen Bedingungen im DOK-Langzeitversuch auf fruchtbarem Lössboden, (ii) der Vergleich der Leistung dieser Sorten auf drei biologisch bewirtschafteten Praxisbetrieben an Standorten mit geringem Ertragspotenzial, (iii) die Analyse der phänotypischen Stabilität der Sorten und (iv) die Bestimmung der Wurzelkolonisierung mit arbuskulärer Mykorrhiza unter Feldbedingungen sowie deren Korrelationen mit der Nährstoffkonzentration von Phosphor (P), Mangan (Mn) und Zink (Zn) im Pflanzengewebe und im Korn, mit der Nährstoffaufnahme ins Korn und mit dem Kornertrag.
Im DOK-Langzeitversuch waren 2007 die Kornerträge unter konventionellen Bedingungen deutlich höher als unter biologischen Bedingungen. Erwartungsgemäss erzielten die konventionell gezüchteten Sorten die höchsten Erträge innerhalb des konventionellen Anbauverfahrens während die biologisch gezüchteten Sorten keine Überlegenheit gegenüber den konventionellen Sorten in den biologischen Systemen zeigten. Im Gegensatz zu den Ergebnissen im DOK-Langzeitversuch, waren die Erträge der biologisch gezüchteten Sorten auf den drei biologischen Praxisbetrieben in 2008 leicht höher als die der alten und der konventionell gezüchteten Sorten. Signifikant gesichert war dieser Unterschied am Standort mit dem insgesamt tiefsten Ertragsniveau.
In allen geprüften Umwelten stieg die Backqualität deutlich von den alten zu den modernen biologisch und konventionell gezüchteten Sorten an. Unter biologischer Bewirtschaftung war die Stickstoffeffizienz aller Sorten generell höher als unter konventionellen Bedingungen und stieg auch mit dem Jahr der Zulassung der Sorten an. Auf den ertragsschwächeren Praxisbetrieben war die Stickstoffeffizienz der biologisch gezüchteten Sorten höher als die der konventionell gezüchteten Sorten. Dies konnte in den biologischen Anbauverfahren am fruchtbaren DOK-Standort nicht bestätigt werden.
Im DOK-Langzeitversuch mit dem direkten Vergleich der biologischen und konventionellen Anbauverfahren traten keine signifikanten Genotyp-Umwelt-Wechselwirkungen für agronomisch wichtige Parameter auf. Im Gegensatz dazu wurden in 2008 zwischen den drei Praxisbetrieben und auch in der Gesamtanalyse über alle sieben Prüfumwelten in 2007 und 2008 signifikante Genotyp-Umwelt-Wechselwirkungen festgestellt. Dieses Ergebnis unterstreicht die grosse Bedeutung einer Selektion unter den jeweiligen Zielumwelten. Darüber hinaus zeigt diese Studie, dass Selektion nicht nur unter Biobedingungen stattfinden sollte, sondern an möglichst vielen und möglichst unterschiedlichen Standorten, die ein breites Spektrum der Anbausysteme innerhalb des Biolandbaus widerspiegeln.
In Bezug auf Kornertrag und Nährstoffeffizienz ist eine Sorte dann für den biologischen Anbau geeignet, wenn sie dynamisch auf gegebene Umweltbedingungen reagiert. In dieser Studie bedeutet dies eine konstante Zunahme des Kornertrags von den drei marginalen Standorten zu den Bio-Anbauverfahren im DOK-Langzeitversuch. Im Gegensatz dazu wird für Parameter der Backqualität wie z.B. der Feuchtkleberindex eine statische Stabilität benötigt. Dies bedeutet, dass eine Sorte das gleiche Ergebnis in verschiedenen Umwelten erzielt. Eine der biologisch gezüchteten Sorten zeigte gleichzeitig eine hohe Stabilität für die drei Parameter Kornertrag, Stickstoffnutzungseffizienz und Feuchtkleberindex.
Die Wurzelkolonisierung der Weizensorten mit arbuskulärer Mykorrhiza war unter biologischen Bedingungen höher als unter konventionellen Bedingungen. Ein signifikanter Sortenunterschied konnte aber nicht festgestellt werden. In einem biologischen System und in der ungedüngten Kontrolle zeigte sich im DOK-Langzeitversuch eine positive Korrelation zwischen der Wurzelkolonisierung und der P Konzentration im Spross bei der Bestockung. Im konventionellen System im DOK-Langzeitversuch und in den Praxisversuchen wurde keine Korrelation beobachtet. Dies könnte ein Hinweis sein, dass unter spezifischen biologischen Anbaubedingungen eine höhere Wurzelkolonisierung zu einer besseren P-Versorgung beitragen kann. Jedoch zeigte sich dieser Effekt nur in einem frühen Entwicklungsstadium und spiegelte sich nicht in einer höheren P-Aufnahme oder einem höheren Kornertrag wider. Auch konnten keine konsistenten Korrelationen zwischen der Mykorrhiza-Wurzelkolonisierung und den Konzentrationen von Mn und Zn festgestellt werden. Molekulargenetische Studien zur Diversität der arbuskulären Mykorrhizierung mit einer grösseren Anzahl von Sorten, die unter nährstoffarmen Bedingungen angebaut werden, könnten Aufschluss über die Co-Evolution von Weizen und Mykorrhiza im Verlauf der Züchtung geben.
Zusammenfassend zeigt diese Studie die Notwendigkeit, biologisch bewirtschaftete Flächen in Züchtungsprogramme für den Biolandbau einzuschliessen. Wichtig ist dies vor allem in fortgeschrittenen Generationen des Zuchtprogrammes, ab denen die Ertragsselektion stattfindet. Die Hypothese, dass die Fähigkeit von Weizen zur Mykorrhizierung bei modernen Hochleistungssorten verloren gegangen ist, hat sich nicht bestätigt
Genotype x Environment Interactions of Winter Wheat
Winter wheat cultivars for organic farming have to be adapted to highly variable environments. Yield and yield stability, the nutritional value and the bread making quality are here of major importance. Particularly, seed quality, tillering capacity, regeneration ability after harrowing, weed suppression ability, resistance or tolerance against diseases and improved nutrient use efficiency (NUE) under limited nutrient conditions need to be improved by specific breeding efforts (Kunz et al., 2006; Löschenberger et al., 2008).
Ten winter wheat cultivars were grown in 2007 in two organic systems of the DOK long-term experiment in CH-Therwil.
Eight of these cultivars were tested in 2008 at three organic farms in different pedo-climatic environments in Switzerland to observe genotype x environment interactions under different organic conditions. In contrast to the DOK site on a fertile loess soil, the on-farm sites were located on sandy or sandy-loamy sites with lower inherent yield potential. We assessed grain yield, yield components and parameters related to baking quality and NUE. Grain yield at the on-farm sites ranged between 2.2 t ha-1 and 2.8 t ha-1 and was much lower than at the DOK sites ( 3.7 t
ha-1 to 4.2 t ha-1) (Hildermann et al., 2009). Cultivars and sites significantly affected grain yield. Genotype x environment interactions were significant across the three on-farm sites; however they were not significant across all five organically managed sites. Calculated across the on farm sites, there was a tendency towards higher yields of the organically bred cultivars. This effect was statistically significant at the lowest yielding site, where yield of the organically bred cultivars was 14% higher than yields of the conventionally bred cultivars. However, at the DOK sites and averaged across all five organic sites, the organically bred cultivars could not outperform the conventionally bred cultivars.
Similar to the grain yield, the total gluten content increased from the on-farm sites to the DOK sites. Irrespective of the site, the gluten index of the cultivars Scaro, Antonius and Caphorn was stable. In contrast, the gluten index of the cultivars Sandomir, CCP and Titlis highly varied between the tested environments. Yield was significantly correlated with grain N yield (r = 0.93) and nitrogen (N) utilization efficiency (NUtE) (r = 0.72). Genotype x environment interactions were not significant for grain N yield, however strongly significant for NUtE (p < 0.01). The conventionally bred cultivars strongly responded to environmental conditions and showed a low NUtE under at low N supply. In contrast, NUtE of the organically bred cultivars Scaro and Sandomir was stable across all test environments.
Beside high yields, cultivars suitable for organic farming should achieve high baking quality and nutrient use efficiency under nutrient limited conditions. Among the tested cultivars, the organically bred cultivar Scaro revealed such a performance across all tested sites
Sorte x Umwelt-Interaktionen von Winterweizen im biologischen Landbau
The possibilities to balance environmental conditions in organic farming systems are strongly restricted as the input of nutrients is limited and no soluble fertilisers and synthetic pestizides are used. These systems require cultivars that are able to adapt to stressful, less controlled and therefore highly variable environments. This study sums up the results of winter wheat cultivars tested under marginal and fertile soil conditions on organic farms in Switzerland. Three were derived from organic, three from conventional breeding programs and two old cultivars. Across three marginal sites, there was a slight trend towards higher yields of the organically bred cultivars. This difference was statistically signifi cant at the lowest yielding site. However, no such trend could be observed at two fertile sites and across all fi ve sites.
Cultivars suitable for organic farming should achieve high yields but moreover high baking quality and a high nutrient use effi ciency, which was in that study achieved by the organically bred cultivar Scaro
Erträge und Nährstoffgehalte von alten, biologisch und konventionell gezüchteten Winterweizensorten in verschiedenen landwirtschaftlichen Systemen
Due to limited nutrient conditions in organic farming winter wheat cultivars can often
not perform to the full extent of their genetic potential. This study aims to assess
nutrient acquisition potential and yields of old, organically and conventionally bred
winter wheat cultivars. Ten cultivars were tested within the DOK long-term experiment
in two organic systems at low and moderate intensity, a conventional stockless system
and an unfertilized control. Yields and nutrient contents of grain and straw were
significantly affected by cultivars and systems. Cultivar x system interactions were not
detected. Yields were increasing with nutrient level and year of release of cultivars.
Under organic conditions all cultivars performed equally well with respect to yield.
Grain nitrogen content was increasing in line with nitrogen input, but dropping along
year of release of cultivar
Pflugloser Ökoanbau auf schweren Böden
Auf schweren Böden wurden im System Ökolandbau reduzierte Bodenbearbeitung, Gülledüngung und biologisch-dynamische Präparate geprüft.
Stickstoffengpass im Frühjahr, mehr Aufwand für die Unkrautkontrolle, geringere Getreideerträge bei Pflugverzicht stehen belebterem Oberboden und besseren Zwischenfruchterträgen gegenüber.
Überraschend senkten die biologisch-dynamischen Präparate den Gehalt an Fusariumtoxinen
Sorte x Umwelt – Interaktionen von Winterweizen im Biolandbau
Winterweizensorten mit Eignung für den Biolandbau müssen an sehr variable Umweltbedingungen angepasst sein. Möglichkeiten, diese Bedingungen in biologischen Anbausystemen zu kontrollieren, sind stark begrenzt, da die Nährstoffzufuhr limitiert ist und keine chemisch synthetischen Pflanzenschutzmittel und leichtlöslichen Mineraldünger eingesetzt werden. Die Züchtungsziele für den Biolandbau weichen teilweise deutlich von den Zielen für den konventionellen Anbau ab. Von besonderer Bedeutung im Biolandbau sind Bestockungsvermögen, Regenerationsfähigkeit nach mechanischer Unkrautbekämpfung, rasche Nährstoffaufnahme, Unkrautunterdrückungsvermögen, Pflanzenhöhe und Resistenz oder mindestens Toleranz gegenüber Blatt- vor allem aber Ährenkrankheiten, ein gut ausgebildetes Wurzelsystem und eine effiziente Verlagerung der Nährstoffe aus Stängel und Blättern ins Korn
Vom Feld übers Öl bis zur Faser - Regionaler Lavendelanbau auf der Schwäbischen Alb
Das Projekt AlbLavendel untersucht den Anbau von Lavendelsorten, die Gewinnung des ätherischen Öls und die Beurteilung der Ölqualität für die Herstellung von Naturkosmetik. Um die Pflanze vollständig zu verwerten, werden die Rückstände nach der Destillation auf Fasern untersucht
Chancen und Potenziale verschiedener Züchtungsmethoden für den Ökolandbau
Das übergeordnete Ziel dieser Studie war es einen Beitrag zu leisten zur Konsensbildung und Transparenz über die Kriterien zur Beurteilung von Züchtungsmethoden. Weiterführendes Ziel war es die Öffentlichkeit für die Wertvorstellungen und Ziele des ökologischen Landbaus zu sensibilisieren und die Bedeutung des Saatguts für unsere Ernährung ins Bewusstsein zu rufen. Eine nachhaltige Produktion von Lebensmitteln aus ökologischem Anbau erfordert eine Optimierung von Sorten und Anbaumethoden. Dringend notwendig ist es, eine Züchtung mit Fokussierung auf die spezifischen Zuchtziele und Anbaumethoden des Ökolandbaus zu etablieren, um Effizienz und Ertragsstabilität der ökologischen Nahrungsmittelproduktion zu erhöhen. Aber auch die Zunahme von gentechnisch veränderten Sorten, die zunehmende Konzentration auf dem Saatgutmarkt und die eingeschränkte Nutzung genetischer Ressourcen durch die Patentierung von Lebewesen verlangt nach alternativen Ansätzen.
Gemäss den Prinzipien des Ökolandbaus ist die Züchtung neuer Sorten ganzheitlich zu betrachten, d.h. nicht nur die gezüchtete Sorte, sondern auch der Prozess der Sortenentwicklung sollte den Grundsätzen des Ökolandbaus entsprechen. Wichtige Kriterien wie die Wahrung der Integrität der Pflanzen, die Erhöhung der genetischen Diversität, die Einhaltung natürlicher Kreuzungsbarrieren sowie die Interaktion der Pflanze mit Boden und Klima sind zu berücksichtigen. Daraus folgt, dass der Einsatz der Züchtungstechniken, die zur Erzeugung genetischer Variation, für Selektion und Vermehrung üblicherweise eingesetzt werden, auf ihre Kompatibilität mit dem Ökolandbau beurteilt werden sollten. Die Diskussion über die Kompatibilität moderner Züchtungstechniken mit den Grundsätzen des Ökolandbaus wird in Ökokreisen seit einigen Jahren im Rahmen von nationalen und internationalen Workshops und Tagungen geführt. Bis anhin ist man aber zu keiner abschliessenden Einschätzung der Techniken gekommen. Währenddessen werden in der Genom-Forschung ständig neue Erkenntnisse gewonnen und hochentwickelte Methoden etabliert, die in öffentlichen und privaten Züchtungsprozesse einfliessen. Damit die Fortschritte der modernen Pflanzenzüchtung auch in die ökologische Pflanzenzüchtung bzw. den Ökolandbau einfließen können, ist es wichtig einen Konsens zu finden.
Um die Basis für eine sachliche Diskussion zu legen, wurden in einem ersten Schritt die einzelnen Züchtungstechniken für die Schaffung genetischer Variation, für die Selektion und für die Vermehrung beschrieben und durch Informationen von Züchtern und Züchtungsforschern ergänzt. Dabei wurden Vor- und Nachteile aufgelistet, um die Potentiale für den Ökolandbau ableiten zu können. Durch eine breit angelegte Umfrageaktion von konventionellen und ökologischen Pflanzenzüchtern und Forschern wurde ermittelt, welche Rolle die einzelnen Züchtungstechniken bereits heute in der praktischen Züchtung bzw. Züchtungsforschung spielen, welche Erfolge sie gebracht haben und welche neuen Technologien in Zukunft eine Schlüsselrolle spielen werden, um eine nachhaltige Lebensmittelversorgung sicherstellen zu können.
Neben der Auslotung der Chancen neuer Techniken wurde ein Kriterienkatalog entwickelt, der eine möglichst sachliche und transparente Beurteilung von Züchtungsmethoden ermöglicht. Dabei wurden sowohl ethische, wissenschaftliche als auch soziologische und marktpolitische Aspekte berücksichtigt. Dieser Kriterienkatalog wurde in einer zweiten breit angelegten Umfrageaktion innerhalb des Öko-Sektors verifiziert. Dazu wurden verschiedene traditionelle und moderne Züchtungstechnologien aufgelistet mit der Bitte eine persönliche Einschätzung zu geben für das potentielle Risiko dieser Technologien bzw. für die Übereinstimmung dieser Technologien mit den Grundwerten des Biolandbaus. Im Anschluss daran sollte eine Gewichtung für die einzelnen Beurteilungskriterien vorgenommen werden, bzw. durch neue Kriterien ergänzt werden.
Die Umfragen wurden ausgewertet, die Bewertungskriterien entsprechend ergänzt und zusammen mit der vorläufigen Beschreibung von 49 Züchtungsmethoden an 50 Experten und Interessensvertreter des Ökolandbaus versandt, die zu einem Expertenworkshop eingeladen wurden.
Der Workshop wurde am 2. März 2011 mit 30 Teilnehmern in Frankfurt durchgeführt. Nach einem kurzen Inputreferat wurde vormittags die Liste der Bewertungskriterien diskutiert und bereinigt und nachmittags in Gruppenarbeiten eine Gewichtung dieser Kriterien für (I) Sorten aus konventionelle Züchtung, (II) Sorten aus Züchtungsprogrammen für den ökologischen Landbau und (III) Sorten aus ökologischer Pflanzenzüchtung durchgeführt. Diese Gewichtungen wurden anschließend im Plenum diskutiert mit dem Ziel einen Minimalkonsens für jedes Kriterium zu erreichen. Im Anschluss an den Workshop wurde das Dossier mit der Beschreibung der verschiedenen Züchtungstechniken überarbeitet, mit den wichtigsten Beurteilungskriterien ergänzt und ins Englisch übersetzt.
Die Umfragen und der Expertenworkshop haben grosses Interesse und viele Diskussionen innerhalb und ausserhalb des Ökosektors ausgelöst. Die Diskussionen wurden in der Schweiz im Rahmen von mehreren Züchtungsworkshops für Bio Suisse und in Deutschland im Rahmen der Treffen des Netzwerks für ökologische Pflanzenzüchtung und innerhalb der Verbände weitergeführt wurden. Da die Pflanzenzüchtung und die Lebensmittelsouveränität im Moment von verschiedenen Seiten thematisiert wird, wurde viel Wert auf die Öffentlichkeitsarbeit gelegt und die Ergebnisse der Studie an verschiedensten Veranstaltungen vorgestellt und diskutiert.
Basierend auf dem Workshop und den anschliessenden Diskussionen wurde ein konsensfähiges Grundlagenpapier zur ökologischen Pflanzenzüchtung verfasst, das von den Experten und Interessensvertretern des Ökosektors mitgetragen wird. Dieses Grundlagenpapier soll einerseits die Züchtung für den ökologischen Landbau stärken, Sicherheit für Züchter und Anbauer schaffen und andererseits die Öffentlichkeit sensibilisieren für die Bedeutung von Saatgut und Züchtung für eine nachhaltige Lebensmittelproduktion. Darüber hinaus soll das Grundlagenpapier Transparenz schaffen und die Wertvorstellungen einer ökologischen Pflanzenzüchtung vermitteln. Der Prozess zur Ausformulierung dieses Grundlagenpapiers hat mehrere Rückkopplungen durchlaufen, bis ein Konsens erreicht werden konnte. Dieses Grundlagenpapier wurde ebenfalls in Englisch übersetzt und wird zusammen mit dem Dossier zur Beschreibung und Beurteilung von Züchtungsmethoden für den ökologischen Landbau an der Konferenz des Europäischen Konsortiums zur ökologischen Pflanzenzüchtung (ECO-PB) am 3. November 2011 verteilt und via Internet öffentlich zugänglich gemacht. Durch die Vernetzung mit ECO-PB und dem Dachverband für ökologischen Landbau soll (IFOAM) wird dieses Grundlagenpapier auch auf internationaler Ebene zur Harmonisierung beitragen
Exposure Assessment Approaches for Engineered Nanomaterials
Products based on nanotechnology are rapidly emerging in the marketplace, sometimes with little notice to consumers of their nanotechnology pedigree. This wide variety of nanotechnology products will result (in some cases) in unintentional human exposure to purposely engineered nanoscale materials via the dermal, inhalation, ingestion, and ocular pathways. Occupational, consumer, and environmental exposure to the nanomaterials should be characterized during the entire product lifecycle—manufacture, use, and disposal. Monitoring the fate and transport of engineered nanomaterials is complicated by the lack of detection techniques and the lack of a defined set of standardized metrics to be consistently measured. New exposure metrics may be required for engineered nanomaterials, but progress is possible by building on existing tools. An exposure metric matrix could organize existing data by relating likely exposure pathways (dermal, inhalation, ocular, ingestion) with existing measurements of important characteristics of nanoscale materials (particle number, mass, size distribution, charge). Nanomaterial characteristics not commonly measured, but shown to initiate a biological response during toxicity testing, signal a need for further research, such as the pressing need to develop monitoring devices capable of measuring those aspects of engineered nanomaterials that result in biological responses in humans. Modeling the behavior of nanoparticles may require new types of exposure models that individually track particles through the environment while keeping track of the particle shape, surface area, and other surface characteristics as the nanoparticles are transformed or become reactive. Lifecycle analysis could also be used to develop conceptual models of exposure from engineered nanomaterials.Peer Reviewedhttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/79200/1/j.1539-6924.2010.01446.x.pd