Erfassung genetischer Unterschiede des Weizens bezüglich der Fähigkeit zur Symbiose mit wurzelendophytisch wachsenden Pilzen und deren Auswirkungen auf die Stresstoleranz

Weizen (Triticum aestivum) ist eine der bedeutendsten Kulturpflanzen für die menschliche Ernährung. Die Notwendigkeit sowohl unter veränderten Klimabedingungen mit häufiger auftretenden abiotischen und biotischen Stresssituationen als auch auf Grenzstandorten langfristig stabile Erträge zu erzielen, führt im konventionellen und insbesondere im ökologischen Landbau zu einem Bedarf an Weizengenotypen mit verbesserter abiotischer und biotischer Stresstoleranz. Neben der Verbesserung der Stresstoleranz per se, stellt die Nutzung der Mykorrhiza eine Möglichkeit zur Verbesserung der Stresstoleranz dar. Das Ziel des Vorhabens war es daher genetische Unterschiede des Brotweizens (Triticum aestivum) bezüglich der Fähigkeit zur Symbiose mit wurzelendopytisch wachsensen Pilzen zu identifizieren, um damit die Grundlagen zu schaffen, entsprechende Unterschiede zukünftig züchterisch nutzbar zu machen. Desweiteren sollten die Auswirkungen der Mykorrhizierung auf die Biomasse- und Kornertragsbildung unter biotischen und abiotischen Stressbedingungen wie Pathogenbefall, Trockenstress oder Phosphormangel, welche verstärkt unter ökologischen Produktionsbedingungen auftreten, sowie entsprechende Wechselwirkungen erfasst und mittels assoziationsgenetischer Studien molekulare Marker für diese Parameter identifiziert werden. Das Projekt leistete damit einen Beitrag zur Anpassung von Kulturpflanzen an den Klimawandel. Zu diesem Zweck wurden in den Versuchsjahren 2011, 2012, 2013 und 2014 an 103 Weizengenotypen Gewächshausversuche zur Mykorrhizierbarkeit, sowie der Ermittlung von Trockenstress- und Phosphormangeltoleranz (30 Genotypen) angelegt. Zudem wurden in den Versuchsjahren 2012/13 und 2013/14 Feldversuche zur Mykorrhizierung von Weizengenotypen unter Freilandbedingungen, sowie ein Freilandversuch zur Bestimmung der Krankheitsanfälligkeit von Weizen gegenüber Blumeria graminis und Puccinia triticina nach Mykorrhizierung durchgeführt. Parallel dazu erfolgte eine Genotypisierung mittels 90k iSelect Chip. Somit konnte eine genomweite Assoziationsstudie (GWAS) zur Identifikation von QTL, die an Trockenstresstoleranz und Mykorrhizierung beteiligt sind, durchgeführt werden. Alle untersuchten Genotypen konnten erfolgreich durch Mykorrhizapilze besiedelt werden, wobei die Art Glomus intraradices der Hauptbesiedler war. Es konnte gezeigt werden, dass eine breite genotypische Variation für das Merkmal Mykorrhizierung existiert, sowohl unter Normal-, Trockenstress- als auch Phosphormangelbedingungen. Weiterhin konnte nachgewiesen werden, dass die Mykorrhizierung bei der Mehrheit der untersuchten Genotypen zu Ertragssteigerungen unter Mangelbedingungen führte, jedoch auch Genotypen auftraten, die mit Ertragsreduktion unter bestimmten Umweltbedingungen reagierten. Es wurde keine Korrelation zwischen der Intensität der Besiedlung und dem Ertragseffekt beobachtet. Vielmehr war der Effekt der Mykorrhizierung auf den Ertrag von den Faktoren Genotyp und Umwelt abhängig. Weiterhin wurde gezeigt, dass eine Mykorrhizierung von Weizen unter Feldbedingungen in geringem Maß möglich war und auch hier genotypische Unterschiede in der Intensität der Besiedlung auftraten. Es konnten jedoch keine signifikanten Ertragsunterschiede zwischen der mykorrhizierten und nicht mykorrhizierten Variante ermittelt werden. Nach der künstlichen Inokulation von Weizen mit Blumeria graminis und Puccinia triticina unter Freilandbedingungen konnte nur temporär ein Effekt der Mykorrhizierung auf die Krankheitsanfälligkeit festgestellt werden. Anhand der durchgeführten Assoziationsstudie wurden signifikante Marker- Merkmalsassoziationen für die Mykorrhizierung bzw. die Trockenstresstoleranz ermittelt

On the search for the vernalization locus in caraway (Carum carvi) using genotyping by sequencing data

Kümmel (Carum carvi) kann in zweijährige und einjährige Blühtypen unterteilt werden. Zweijährige benötigen einen Kältereiz für die Blühinduktion, während Einjährige keinen Vernalisationsbedarf haben. Aufgrund der besseren Integration in die Fruchtfolge und der geringeren Produktionskosten wird der Anbau Einjähriger als vorteilhaft angesehen. Die verfügbaren einjährigen Sorten weisen jedoch ein unzureichendes Ertragspotential und einen zu geringen Ätherischölgehalt auf. Der zweijährige Genpool enthält wertvolle genetische Diversität, die durch Kreuzungen auf den einjährigen Genpool übertragen werden kann. Laut Literatur zeigen F1-Pflanzen aus Kreuzungen zwischen ein- und zweijährigen Blühtypen ein uniform einjähriges Blühverhalten. Resultierende F2-Populationen zeigen ein Mendelsches 3:1-Verhältnis zwischen einjährigen und zweijährigen Blühtypen. Dies deutet auf eine monogenetische Vererbung der Vernalisation beim Kümmel mit dominanter Einjährigkeit hin. Nach Kreuzungen zwischen ein- und zweijährigen Blühtypen kann das rezessive Allel für die zweijährige Blüte über mehrere Generationen im Zuchtmaterial verbleiben. Daher wäre ein genetischer Marker, der mit dem Vernalisations-Locus assoziiert ist, vorteilhaft, um das rezessive Allel in einem Selektionsschritt zu entfernen. Um Marker zu identifizieren, die mit dem Vernalisations-Locus assoziiert sind, wurden Genotyping by Sequencing (GBS)-Daten zu 70 zweijährigen und 67 einjährigen Blühtypen genutzt. Case-Control-Studien und populationsgenetische Studien wurden durchgeführt. Insgesamt wurden 60 gemeinsame Marker gefunden, die signifikant mit dem Vernalisationsbedarf assoziiert waren. Für 19 Marker wurden diagnostische Marker entwickelt. Diese könnten in Zukunft genutzt werden, um rezessive Allele in segregierenden Populationen zu detektieren.Caraway (Carum carvi) can be divided into biennial and annual flowering types. Biennials require a cold stimulus for initiation of flowering, whereas annuals lack any vernalization requirement. Cultivation of annuals is considered advantageous due to better integration into crop rotation and reduced production costs. However, available annual varieties lack a sufficient yield potential and essential oil content. Valuable genetic diversity exists within the biennial genepool, which can be transferred to the annual genepool by crossbreeding. According to literature, F1 plants from crosses between annual and biennial flowering types uniformly show annual flowering. Resulting F2 populations show a Mendelian 3:1 ratio between annual and biennial flowering types. This indicates a monogenetic inheritance of vernalization requirement in caraway with dominant annual flowering. After crossbreeding annual and biennial flowering types, the recessive allele for biennial flowering can remain within the breeding material over multiple generations. Thus, a genetic marker associated with the vernalization locus would be beneficial to remove the recessive allele in one selection step. To identify markers associated with vernalization requirement, we used genotyping by sequencing (GBS) data of 70 biennial and 67 annual flowering types. We conducted case-control studies and population differentiation-based tests. In total, 60 common markers were found that were significantly associated with vernalization requirement. Out of these, we developed 19 diagnostic markers. In future, these diagnostic markers might be used to detect recessive alleles in segregating populations

Genome-Wide Association Studies Reveal Genomic Regions Associated With the Response of Wheat (Triticum aestivum L.) to Mycorrhizae Under Drought Stress Conditions

In the majority of wheat growing areas worldwide, the incidence of drought stress has increased significantly resulting in a negative impact on plant development and grain yield. Arbuscular mycorrhizal symbiosis is known to improve drought stress tolerance of wheat. However, quantitative trait loci (QTL) involved in the response to drought stress conditions in the presence of mycorrhizae are largely unknown. Therefore, a diverse set consisting of 94 bread wheat genotypes was phenotyped under drought stress and well watered conditions in the presence and absence of mycorrhizae. Grain yield and yield components, drought stress related traits as well as response to mycorrhizae were assessed. In parallel, wheat accessions were genotyped by using the 90k iSelect chip, resulting in a set of 15511 polymorphic and mapped SNP markers, which were used for genome-wide association studies (GWAS). In general, drought stress tolerance of wheat was significantly increased in the presence of mycorrhizae compared to drought stress tolerance in the absence of mycorrhizae. However, genotypes differed in their response to mycorrhizae under drought stress conditions. Several QTL regions on different chromosomes were detected associated with grain yield and yield components under drought stress conditions. Furthermore, two genome regions on chromosomes 3D and 7D were found to be significantly associated with the response to mycorrhizae under drought stress conditions. Overall, the results reveal that inoculation of wheat with mycorrhizal fungi significantly improves drought stress tolerance and that QTL regions associated with the response to mycorrhizae under drought stress conditions exist in wheat. Further research is necessary to validate detected QTL regions. However, this study may be the starting point for the identification of candidate genes associated with drought stress tolerance and response to mycorrhizae under drought stress conditions. Maybe in future, these initial results will help to contribute to use mycorrhizal fungi effectively in agriculture and combine new approaches i.e., use of genotypic variation in response to mycorrhizae under drought stress conditions with existing drought tolerance breeding programs to develop new drought stress tolerant genotypes

Optimized seed patterns in cereals

Ein optimiertes Aussaatmuster mit gleichmäßigen Abständen zwischen den Pflanzen erhöht den nutzbaren Stand­raum je Einzelpflanze und reduziert intraspezifische Konkurrenzeffekte. Neben höheren und stabileren Erträgen sind auch Vorteile hinsichtlich Ressourcennutzungseffizienz, Stresstoleranz und Unkrautunterdrückungsvermögen zu erwarten. Aktuell wird Getreide vorwiegend in Drillsaat ausgebracht, was nicht dem pflanzenbaulichen Optimum entspricht, jedoch eine hohe Flächenleistung ermöglicht. Alternativ ist für die Getreideaussaat reihenabhängige Einzelkornsätechnik verfügbar, welche bereits deutliche Vorteile hinsichtlich eines gleichmäßigeren Saatbilds zeigt. Den gleichmäßigsten Standraum je Einzelpflanze erreicht man mit einer Gleichstandsaat im Dreieckverband, welche bei Getreide technisch noch nicht realisierbar ist. Um die erwarteten Vorteile der Gleichstandsaat bei Getreide zu überprüfen, werden am Julius Kühn-Institut Versuche zur Gleichstandsaat bei Winterweizen durchgeführt, um Fragestellungen hinsichtlich Ertrag, Ressourcennutzungseffizienz, Stresstoleranz etc. zu beantworten. Parallel dazu sind die Anpassung einer Einzelkornsämaschine sowie die Entwicklung eines mobilen autonomen Systems geplant, die eine Aussaat im Dreieckverband ermöglichen.An optimized seed pattern with even distances increases the utilizable space of individual plants and reduces intraspecific competition. In addition to higher and more stable yields, benefits in terms of resource use efficiency, stress tolerance and weed suppression are expected. Currently, cereals are mainly sown in rows, which does not corres­pond to the crops’ optimum, but allows a fast sowing. Alternatively, precision seeding is available for cereals, which already allows a more uniform seed pattern. The most even spacing per single plant can be achieved with a uniform seed pattern in a triangular lattice, which is technically not yet feasible in cereals. In order to test the expected benefits of a uniform seed pattern in cereals, field trials are conducted at the JKI with winter wheat to answer questions regarding yield, resource use efficiency and stress tolerance. At the same time, the adaptation of a precision seeding and the development of an autonomous sowing system are planned in order to enable a uniform seed pattern