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

Improving yield and essential oil content in annual caraway accompanied by utilization of molecular-genetic methods

Kümmel (Carum carvi) ist eine Kulturpflanze der Familie der Apiaceae mit einer langen Nutzungs- und Anbaugeschichte. Früchte oder extrahierte Bestandteile werden als Gewürz, in Arzneimitteln und zur Keimhemmung bei Kartoffeln verwendet. Bis zur Einführung einjähriger Sorten in den 1990er Jahren basierte der Kümmelanbau in Europa auf zweijährigen Sorten. Der einjährige Anbau verspricht eine Reduzierung der Produktionskosten und eine bessere Integration in die Fruchtfolge. Derzeitige einjährige Sorten erzielen jedoch keine zufriedenstellenden Erträge und keinen zufriedenstellenden Ätherischölgehalt. Zudem wird der Kümmelanbau in Deutschland durch den fortschreitenden Klimawandel riskanter. Daher wurde ein Züchtungsprojekt gestartet, mit dem Ziel das Ertragspotenzial und den Ätherischölgehalt im einjährigen Kümmel zu erhöhen und an klimatische Änderungen angepasstes Material zu entwickeln. Um Ertragssteigerungen zu erzielen, sollte die Züchtung synthetischer Sorten als potentielle Methode in der Kümmelzüchtung getestet werden. Diese Methode erlaubt partiell die systematische Nutzung von Heterosis. Unter der Annahme einer vorwiegenden Fremdbefruchtung erwarteten Züchter eine starke Heterosis bei Kümmel. Jedoch wurden weder Heterosis noch überwiegende Fremdbefruchtung bei freier Bestäubung für Kümmel bisher experimentell nachgewiesen. Daher war die Gewinnung erster Erkenntnisse zur Heterosis und zur Auskreuzungsrate von Kümmel ein wesentliches wissenschaftliches Ziel dieser Arbeit. Darüber hinaus wird die Kümmelzüchtung dadurch erschwert, dass kaum phänotypische wie genotypische Daten zum verfügbaren genetischen Material vorliegen. Um eine solide Grundlage für neue Züchtungsprogramme zu schaffen, sollte innerhalb des Projekts eine breite phänotypische und genotypische Evaluierung genetischen Materials durchgeführt werden. Diese Arbeit konzentrierte sich auf die genotypische Evaluierung. Zur phänotypischen und genotypischen Bewertung wurde ein Set von 137 Akzessionen bestehend aus 67 einjährigen und 70 zweijährigen Akzessionen zusammengestellt (Kapitel 1, von Maydell et al. 2021a). Ein GBS wurde für die Genotypisierung ausgewählt und führte zur Generierung eines Sets von 13.155 SNP-Markern. Dieser Ansatz ist in seiner Breite und Tiefe für die Züchtungsforschung an Kümmel einmalig. Die Populationsstruktur wurde unter Verwendung einer Hauptkoordinatenanalyse, eines Bayes‘schen Clusterings, phylogenetischer Bäume und eines „neighbor networks“ untersucht. Alle Analysen zeigten eine Aufteilung der Akzessionen in zwei Subpopulationen, die mit dem Blühtyp assoziiert war. Die AMOVA wies auf eine eher geringe genetische Variation zwischen den beiden Subpopulationen von 7,84 % hin. Zusätzlich wurde bei 35 Akzessionen eine Durchflusszytometrie durchgeführt, um die Genomgröße von Kümmel zu bestimmen. Es wurde eine durchschnittliche Genomgröße von 4.282 pg/2C geschätzt, was in etwa der Hälfte der in der Literatur angegebenen Größe entspricht. Im Allgemeinen wurde bestätigt, dass GBS eine robuste Methode zur Analyse der Populationsstruktur und genetischen Diversität in Sonderkulturen wie Kümmel ohne Referenzgenom sein kann. Mit weiteren nachgelagerten Anwendungen dürfte sich GBS als sehr kosteneffizient und nachhaltig erweisen. In einer weiteren Studie konnten die gefundenen SNP-Marker bereits erfolgreich in diagnostische Marker umgewandelt werden. In dieser Studie wurden ausgewählte SNP-Marker verwendet, um die Auskreuzungsrate in Kümmel zu schätzen (Kapitel 2, von Maydell et al. 2020). Ausgewählte einjährige Inzuchtlinien wurden in einem nachbarschaftsbalancierten Polycross-Design platziert, um bei freier Bestäubung F1-Populationen zu erzeugen. Das Genotypisierungssystem PACE wurde implementiert, um sieben F1-Populationen zu untersuchen. Darüber hinaus wurde eine Hochdurchsatz-geeignete DNA-Extraktion adaptiert. Insgesamt wurden mehr als 1.300 Einzelpflanzen analysiert. Die Auskreuzungsrate lag zwischen 51,6 % und 82 % und im Durchschnitt bei 66,5 %. Somit wurde für Kümmel eine überwiegende Fremdbestäubung bestätigt. Es wurde jedoch auch ein hoher Anteil an Selbstbefruchtung festgestellt, sodass das Paarungssystem von Kümmel als gemischtes Paarungssystem bezeichnet werden kann. Die Schätzung der Auskreuzungsrate von weiteren Genotypen, in weiteren Jahren und Umgebungen ist wünschenswert. Jedoch ließen die ersten Erkenntnisse bereits vermuten, dass ausgeprägte Heterosis bei Kümmel auftreten sollte, aber aufgrund der unvollständigen Auskreuzung die maximale potentielle Heterosis in der F1/Syn1-Generation vermutlich nicht genutzt werden kann. Schließlich wurden Heterosis und GCA anhand der 18 F1-Populationen untersucht, die im Polycross generiert wurden (Kapitel 3, von Maydell et al. 2021b). 18 Inzuchtlinien wurden mit 18 entsprechenden F1-Populationen und 4 Standardsorten in einem randomisierten vollständigen Blockdesign in zwei Jahren und vier Wiederholungen pro Jahr und Genotyp verglichen. Neben dem Ertrag wurden Blühbeginn, Blühende, Reife, Höhe, Tausendkorngewicht, Stielchenbesatz, Korn-Ausfallrate und Ätherischölgehalt bestimmt. Als zentrales Ergebnis wurde eine „better-parent heterosis“ festgestellt. Die F1-Populationen wiesen signifikant einen höheren Ertrag, ein höheres Tausendkorngewicht und eine größere Pflanzenhöhe sowie einen früheren Blühbeginn, ein früheres Blühende und eine frühere Reife als die entsprechenden Inzuchtlinien auf. Allerdings konnten die F1-Populationen die Standard-Populationssorten nicht wesentlich übertreffen. Es bleibt zu prüfen, ob die Kombination der besten Komponenten letztendlich zu den gewünschten Ertragssteigerungen führt. Darüber hinaus wurden starke negative Korrelationen zwischen Entwicklungsmerkmalen und dem Ertrag gefunden, sodass die Selektion sich früh entwickelnder Genotypen sehr empfehlenswert erscheint. Zusammenfassend kann diese Arbeit als vorbereitender Schritt zur Umsetzung der Heterosiszüchtung und der Anwendung molekulargenetischer Methoden in der Kümmelzüchtung gewertet werden. Die Ergebnisse zeigten, dass Ertragssteigerungen nur durch eine Züchtungsmethode erreicht werden können, die die Nutzung von Heterosis ermöglicht. Daher könnte die Züchtung synthetischer Sorten die Methode der Wahl sein. Genotypische Daten könnten bei Selektionsentscheidungen in neuen Zuchtprogrammen unterstützend eingesetzt werden. Darüber hinaus könnten genotypische Daten und die etablierten molekulargenetischen Methoden die Grundlage für zukünftige genetische Analysen bei Kümmel darstellen.Caraway (Carum carvi) is a species of the Apiaceae family with a long history of usage and cultivation. Fruits or extracted components are used as spice, in pharmaceuticals and for sprout inhibition in potato. Caraway cultivation in Europe was based on biennial varieties until annual varieties were introduced in the 1990s. Annual cultivation promises a reduction of production costs and better integration into crop rotation. However, current annual varieties do not gain satisfying yields and essential oil contents. Moreover, caraway cultivation in Germany becomes riskier due to ongoing climatic changes. Therefore, a breeding project was started to increase yield potential and essential oil content in annual caraway and to develop material adapted to changing climatic conditions. To achieve yield increases, breeding of synthetic varieties should be tested as potential method in caraway breeding. To some extent, this method allows the systematical exploitation of heterosis. Breeders expected to find strong heterosis due to the assumed outcrossing nature of caraway. However, neither heterosis nor predominant outcrossing in open pollination had been experimentally verified for caraway. Hence, gathering first insights into heterosis and into the outcrossing rate of caraway were major scientific goals of this thesis. Moreover, breeding of caraway is hampered by a small amount of phenotypic and genotypic data on available germplasm. To lay a sound foundation for new breeding programs, a broad phenotypic and genotypic evaluation of available germplasm should be conducted within the project. This thesis is focused on the genotypic evaluation. For phenotypic and genotypic evaluation, a set of 137 accessions consisting of 67 annual and 70 biennial accessions was composed (chapter 1, von Maydell et al. 2021a). A GBS was chosen for genotyping and led to the generation of a set of 13,155 SNP markers. This approach was unique in its breadth and depth for caraway breeding research. Population structure was investigated by using a PCoA, a Bayesian clustering analysis, phylogenetic trees and a neighbor network. Across all analyses a separation of accessions into two subpopulations was supported, which was associated with the flowering type. AMOVA indicated a rather low genetic variation between the two subpopulations of 7.84%. In addition, flow cytometry was conducted for 35 accessions to determine the genome size of caraway. An average genome size of 4.282 pg/2C was estimated, which is about half the size indicated in literature. In general, it was corroborated that GBS can be a robust method to analyze population structure and genetic diversity in minor crops like caraway without a reference genome. With further downstream applications, GBS should turn out to be highly cost-efficient and sustainable. In a subsequent study, generated SNP markers were already successfully be converted to diagnostic markers. In this study, selected SNP markers were used to estimate the outcrossing rate in caraway (chapter 2, von Maydell et al. 2020). Selected annual inbred lines were placed in a neighbor-balanced polycross design to produce F1 populations by open pollination. The genotyping system PACE was implemented to genotype seven produced F1 populations. Moreover, a high-throughput DNA extraction was adopted. In total, more than 1,300 individual plants were analyzed. The outcrossing rate ranged from 51.6% to 82% and was on average 66.5%. Therefore, predominate outcrossing was confirmed for caraway. However, a large proportion of self-fertilization was found as well, so that the mating system of caraway can be defined as a mixed mating system. The estimation of the outcrossing rate in more genotypes, years and environments is desirable. Yet, those first insights indicated that heterosis should be strong in caraway, but due to incomplete outcrossing maximum potential heterosis might not be exploited in F1/Syn1 generation. Finally, heterosis and GCA were investigated based on the 18 F1 populations generated in the polycross (chapter 3, von Maydell et al. 2021b). 18 inbred lines were compared with 18 corresponding F1 populations and four standard cultivars in a randomized complete block design with two years of growing and four repetitions per year and genotype. As pivotal finding, better-parent heterosis was detected. Significantly, F1 populations showed a higher yield, thousand-grain weight and height and an earlier beginning of flowering, end of flowering and maturity than corresponding inbred lines. However, F1 populations did not considerably outperform standard population cultivars. It remains to be seen whether the combination of the best components to a synthetic variety finally leads to the desired yield increases. Additionally, strong negative correlations were found between developmental traits and yield so that selection of early developing genotypes seems highly recommendable. To conclude, this thesis can be seen as a pioneering step towards implementing heterosis breeding and utilizing molecular-genetic methods in caraway breeding. Results indicate that yield increments can only be accomplished by a breeding method that enables the exploitation of heterosis. Hence, breeding of synthetic varieties could be the method of choice. Genotypic data could be a valuable aid in selection decisions in new breeding programs. Moreover, genotypic data and the implemented molecular-genetic methods could be the foundation for future genetic analyses in caraway

On genetic diversity in caraway: Genotyping of a large germplasm collection.

Caraway (Carum carvi) is a widespread and frequently used spice and medicinal plant with a long history of cultivation. However, due to ongoing climatic changes, the cultivation is becoming increasingly risky. To secure caraway cultivation in future, timely breeding efforts to develop adapted material are necessary. Analysis of genetic diversity can accompany this process, for instance, by revealing untapped gene pools. Here, we analyzed 137 accessions using genotyping by sequencing (GBS). Hence, we can report a broad overview of population structure and genetic diversity of caraway. Population structure was determined using a principal coordinate analysis, a Bayesian clustering analysis, phylogenetic trees and a neighbor network based on 13,155 SNPs. Genotypic data indicate a clear separation of accessions into two subpopulations, which correlates with the flowering type (annual vs. biennial). Four winter-annual accessions were closer related to biennial accessions. In an analysis of molecular variance, genetic variation between the two subpopulations was 7.84%. In addition, we estimated the genome size for 35 accessions by flow cytometry. An average genome size of 4.282 pg/2C (± 0.0096 S.E.) was estimated. Therefore, we suggest a significantly smaller genome size than stated in literature

Modellkopplungsmethoden und Testfälle für die gekoppelte Simulation der Strom- und Gasnetze der Nordwestregion Niedersachsens

Der Beitrag bietet einen Einblick in die gekoppelte Simulation von Strom- und Gasnetzen, insbesondere im Hinblick auf ein zukünftiges Wasserstoffnetz. Wasserstoffnetze erweisen sich als ideale Ergänzung zu Stromnetzen, da sie die Fähigkeit besitzen, Überschusskapazitäten zu speichern und Engpässe im Stromnetz zu vermeiden. Um Szenarien wie diese zu simulieren und die Synergie bestmöglich auszuschöpfen, bedarf es einer integrierten Modellierung der Strom- und Gassektoren. Im Kontext des Projekts 'Design und Betrieb Vernetzter Energiesysteme' (DESYS) widmen wir uns der Entwicklung eines umfassenden Modells für die künftigen Strom- und Gasnetze in der Region Nordwest-Niedersachsens. Ein zentrales Ziel unseres Vorhabens ist es, innovative Netzführungskonzepte in diesem Modellgebiet zu konzipieren, zu erproben und zu evaluieren

Interdependence of charging infrastructure and battery demand of light electric 3-wheel motor taxis

The paper analyses the role of publicly accessible single phase charging infrastructure with charging currents of 7 A, 10 A and 16 A in the low voltage grid for an economically viable transformation of the informal transport market of three-wheeler motorcycles in Dar es Salaam from fossil propulsion to battery electric drives. An intensive stakeholder process is conducted to analyse the socioeconomic boundary conditions for this transformation. GPS track data of 65 vehicles in four driver groups is collected for 8 days apiece. The data is analysed to study the driving demand of the informal transport market in Dar es Salaam.Our results show that the increased weight of lead acid batteries cannot be easily compensated for by installing additional charging opportunities. Coincidence factor analysis reveals, that sharing of opportunity charging infrastructure is possible without reduction of the service level. Li-ion batteries plus publically accessible charging infrastructure shows the potential for the transformation within the next 10-15 years