Mendel’s Laws and their impact on plant breeding

Die landwirtschaftliche Pflanzenproduktion wurde im Laufe des letzten Jahrhunderts erheblich gesteigert; so konnte die weltweite Weizenproduktion seit den 1970er Jahren durch Züchtung und effektivere Produktionstechnik fast verdoppelt werden. Auch die Getreidearten Reis, Mais, Gerste und Hirse haben heute eine große globale Bedeutung als Grundlage für Nahrungs- und Futtermittel.Diese Erfolgsgeschichte wäre ohne die Erkenntnisse von Gregor Mendel so nicht möglich gewesen. Mendel hat Vererbungsmuster erkannt und beschrieben, die er als „vererbbare Eigenschaften" bezeichnete. Das Denken in Faktoren (d. h. „Genen") war die Grundlage für ein besseres Verständnis der Vererbung von Eigenschaften; Die Anwendung der Mendel‘schen Regeln in der systematischen Pflanzenzüchtung ermöglichte die kontinuierliche Entwicklung neuer Sorten mit verbesserter Resistenz gegen Krankheiten und Schädlinge sowie besserer Produktqualität. Dies war möglich, weil diese Merkmale häufig von wenigen oder auch einzelnen Genen – monogenisch – gesteuert werden. Ein Beispiel für solche „Mendel’schen Gene“ ist die Resistenz der Gerste gegen die bodenbürtige Gelbmosaikvirose. Eine Vielzahl weiterer Beispiele, z. B. Resistenzen gegen Mehltau und Rostkrankheiten, sind bekannt. Diese Gene können mittels molekularer Methoden markiert und lokalisiert und somit in markergestützten Selektionsverfahren genutzt werden. Auch gehörten sie zu den ersten, die physisch isoliert werden konnten. Isolierte Gene sind die Grundlage für die Nutzung neuer Züchtungstechnologien, z. B. CRISPR/Cas, und sie können mithilfe biotechnologischer Verfahren auch auf andere Sorten, Arten oder Taxa übertragen werden.Aufgrund der offensichtlich zunehmenden Auswirkungen des Klimawandels wird es in Zukunft notwendig sein, neue Sorten mit einer besseren Toleranz gegenüber abiotischem Stress – wie Hitze und Trockenheit – zu züchten. Solche Eigenschaften werden in der Regel nicht von einem oder wenigen Genen kontrolliert; sie sind vielmehr polygenisch vererbt und zeigen daher eine typische quantitative Merkmalsausprägung. Dies gilt auch für die Höhe des Ernteertrags und maßgebliche Qualitätsmerkmale. Für die Züchtung und Verbesserung solch komplexer Merkmale wurden in jüngerer Zeit neue Ansätze entwickelt, so z. B. die QTL Analyse, in der komplexe Merkmale in einzelne Loci zerlegt werden, die einen Teil der beobachteten Varianz erklären; in jüngster Zeit kommen sogenannte genomische Selektionsverfahren hinzu. Auf diese Weise findet in der heutigen wissensbasierten Pflanzenzüchtung auf der Grundlage der Mendel’schen Regeln über die empirische („klassische“) Methodik hinaus eine kontinuierliche Erweiterung und Optimierung des Methodenspektrums statt. Damit wird auch künftig eine Verbesserung des Ertragspotentials, der Ertragsstabilität und der Qualität von pflanzlichen Produkten möglich sein.Cereals like wheat, rice, maize, barley and millets, feed the world. Therefore, global breeding activities, which had been very successful during the last decades, aim at an increase of cereal yields. This, as expected continued success story is the result of the extensive observations and formulation of the fundamental genetic rules that bear his name as Mendel’s law of inheritance (T.H. Morgan 1911). Mendel’s thinking in “heritable characters“ resembling structural “genes“, was the basis for a better understanding of the genetic principles of inheritance; The application of these principles in systematic plant breeding has then allowed the continuous development of improved cultivars.Plant characteristics controlled by a few or only one gene were the first candidates for improvement since they allowed the direct application of Mendel’s rules. Typical examples are resistances against diseases, e.g. due to fungal pathogens or viruses. Today, most of the wheat and barley cultivars grown in Europe are resistant to many diseases. The discovery of resistance of barley against soil-borne barley yellow mosaic virus disease and the clarification of its genetic control is an impressive example for the direct application of Mendel’s law. The respective extensive research was the basis for developing a multitude of resistant barley varieties during recent decades. Numerous further examples for resistance of crop plants against pathogens could be mentioned, here. Such “Mendel genes" can be genetically marked and localized, which subsequently enables marker-assisted selection. They were also among the first to be isolated. Isolated genes are the basis to apply new breeding technologies, e.g. CRISPR/Cas, and to transfer the respective genes to other varieties, species or taxa with the help of biotechnological tools.Due to the obviously increasing effects of climate change, it will be necessary in the future to breed new varieties with higher tolerance to abiotic stress – such as heat and drought. Such traits are usually not controlled by one or a few genes; rather, they are polygenically inherited and therefore show a typical quantitative distribution of respective traits. This also applies to crop yield and relevant quality traits. New approaches have been developed for breeding and improving such complex traits e.g. QTL analyses separating complex traits into several Mendelian loci explaining part of the variance observed and „genomic selection" are widely applied today. In this process, suitable genotypes are examined for genetic variation that indicates a desired trait expression (phenotype). In this way, a continuous optimisation of methodology takes place in today's knowledge-based plant breeding on the basis of Mendel's rules via empirical (“classical") methodology. This will be the cornerstone to improve the yield potential, yield stability and quality of plants in the future

Amplified fragment length polymorphism of Puccinia graminis f. sp. tritici populations in Ethiopia

The genetic structure of forty eight Ethiopian Puccinia graminis f. sp. tritici (Pgt) isolates, representing three major wheat growing regions was investigated using 15 AFLP primer combinations. AFLP analysis generated large number of polymorphic bands (markers) and allowed easy identification of the different genotypes. The study showed a high level of genetic diversity within the isolates. There was no population subdivision based on origin of isolates as reflected by a low coefficient of genetic differentiation (0.107), and a single dendrogram cluster consisting of all isolates except three. Gene flow among populations was estimated to be high. The AFLP analysis characterized the isolates to have high genetic diversity and homogeneity across regions. The developed AFLP fingerprints for the Ethiopian Pgt isolates reported herein could support the breeding program to develop strategies for the deployment of resistance genes in its continued effort to minimize the impact of stem rust on wheat in Ethiopia.Keywords: AFLP, wheat, stem rust, genetic diversity, population differentiatio