Genetische Adaption an lokale, ökologische Anbaubedingungen: Vergleich zwischen ‚bester’ reiner Linie und genetisch breiter Population am Beispiel Sommer- und Winterackerbohne

Die Fababohne (Vicia faba L.) ist als Körnerleguminose eine ‘low input’-Frucht, die gut zur ökologischen Landwirtschaft passt und die dem ökologischen Anbausystem eine Reihe von Vorteilen gibt (z.B. ‚break crop’, positive N-Bilanz, Unkraut-Unterdrückung). Der Einsatz von Chemikalien in der konventionellen Landwirtschaft mildert dort teilweise die Auswirkungen von Umweltschwankungen auf die Feldfrucht. In der ökologischen Landwirtschaft ist es sehr wichtig, genetische Variation zu nutzen als Mittel, um mit den agro-ökologischen und umweltbedingten Schwankungen umzugehen, um das Risiko eines Anbau-Misserfolges zu vermindern. Deswegen benötigt die ökologische Landwirtschaft Sorten, die besonders an die ökologischen Bedingungen angepasst sind. Die hauptsächlichen Ziele dieser Studie waren: (1) lokal angepasste Ackerbohnen-Sorten für einige ökologische Bauernhöfe in Deutschland zu entwickeln, und dazu den partizipativen Ansatz zu wählen, (2) eine lokale mit der üblichen, überregionalen Pflanzenzüchtung zu vergleichen, und Inzuchtlinien mit synthetischen Sorten als Sortentyp für die ökologische Landwirtschaft zu vergleichen, (3) die Wirkung von Heterogenität des Inzuchtstatus und der Wuchshöhe auf die Konkurrenz zwischen Fababohnen-Genotypen abzuschätzen und schließlich (4) die Konkurrenzkraft zwischen Unkraut und Ackerbohnen-Genotypen zu prüfen, wenn die Bohnen sich in ihrer Heterozygotie, Heterogenität und Wuchshöhe kontrastierend unterscheiden. Für das erste Ziel wurden 49 Sommerbohnen-Genotypen und 56 Winterbohnen-Genotypen mit unterschiedlicher genotypischer Struktur (hoch und niedrig heterozygot bzw. heterogen) in Feldversuchen über vier ökologische Standorte und einen konventionellen Standort in Deutschland über die Jahre 2004, 2005 und 2006 geprüft. Das Material umfasste sowohl bei Winterbohnen als auch bei Sommerbohnen 18 Inzuchtlinien, ihre 18 Polycross-Nachkommenschaften, Polycross-Nachkommenschafts-Mischungen, Inzuchtlinien-Mischungen, eine F1-Hybriden-Mischung (Sommerbohnen) und Kontroll-Genotypen. Der Ertrag von synthetischen Sorten wurde aus dem Ertrag von Inzuchtlinien und ihren Polycross-Nachkommenschaften vorhergesagt. Für das zweite Ziel wurden die Resultate der genotypischen Leistung von Inzuchtlinien und Polycross-Nachkommenschaften von Sommerbohnen-Genotypen über diese fünf Orte und diese drei Jahre betrachtet. Für das dritte Ziel wurde ein Experiment über drei Jahre (2004, 2005, 2006) an einem Ort durchgeführt, wo geprüft wurden: eine hochwüchsige Hybride, eine hochwüchsige Hybriden-Mischung, eine kurze Hybriden-Mischen, eine hoch- und eine kurzwüchsige Inzuchtlinie, dieses in allen möglichen Zwei-Komponenten-Kombinationen des Typs „Linie plus Hybride“ und „Linie plus Linie“. Für jede Kombination wurde eine Serie von fünf Mischungs-Anteilen der je zwei Komponenten aufgestellt. Effekte aufgrund von Konkurrenz zwischen den Komponenten wurden auf der Ebene der Parzellen und auf der Ebene der einzelnen Komponenten erfasst. Was das vierte Ziel betrifft, so wurde ein Satz von 24 Genotypen, der aus verschiedenen genotypischen Strukturen zusammengesetzt wurde (acht Inzuchtlinien, acht Polycross-Nachkommenschaften, zwei Inzuchtlinien-Mischungen, zwei F1-Hybriden-Mischungen, vier Kontroll-Genotypen) unter zwei Behandlungen geprüft: mit Unkraut und ohne Unkraut. Die Konkurrenzkraft dieser Fababohnen-Genotypen gegenüber dem Unkraut wurden mit dem Modell-Unkraut Camelina sativa in zwei Orten in den Jahren 2005 und 2006 geprüft. Die Resultate dieser Versuche zeigten, dass die Kriterien der Landwirte bei der züchterischen Auslese stark durch die biotischen und abiotischen Bedingungen beeinflusst war, denen die Ackerfrucht an dem jeweiligen Ort ausgesetzt war. Der Ertrag bildete für alle Partner ein wichtiges Merkmal für die Einschätzung der Genotypen. Unerwarteterweise wurden anscheinend eher homogene Genotypen als heterogene Genotypen von den Landwirten wertgeschätzt. Aufgrund der großen Genotyp x Orts-Interaktionen der ökologischen Anbauorte versprach eine lokale Züchtung höhere Selektionsgewinne und wäre offensichtlich effizienter als die überregionale Züchtung. Trotz der großen Varianz zwischen Inzuchtlinien, die einer lokalen Züchtung zur Verfügung steht und die einen hohen Auslesegewinn erlaubt, waren die Synthetiks mit dem höchsten Ertrag in beiden Züchtungsstrategien aufgrund ihrer partiell genutzten Heterosis den Linien mit dem höchsten Ertrag überlegen. Durch ihre Heterogenität und Heterozygotie haben synthetische Sorten den Vorteil, an einem gegebenen Anbauort über die Jahre stabiler und auch anpassungsfähig zu sein. Außerdem zeigte sich klar, dass Heterogenität für den Inzuchtstatut, eine Eigentümlichkeit von Fababohnen-Synthetiks, ein Vorteil ist und zu einer Erhöhung der Ertragsleistung führt. Heterogenität der Wuchshöhe im Fall von Inzuchtlinien wurde nicht als Vorteil für die Ertragsleistung gefunden. Mit der Heterozygotie der Genotypen stieg die Konkurrenzkraft gegenüber Unkräutern, was durch die Hybriden-Mischungen gezeigt wurde, die die höchste Konkurrenzkraft hatten, wohingegen Inzuchtlinien am konkurrenzschwächsten waren. Es wurde innerhalb einer genotypischen Struktur (z.B. innerhalb der Gruppe der Inzuchtlinien) keine Korrelation zwischen der Ertragsleistung von Genotypen und ihrer Konkurrenz-Reaktion gefunden. Die Konkurrenzkraft gegen Unkräuter wurde durch frühe Blüte, hohen Wuchs und hohe Heterozygotie verbessert, obwohl einige Inzuchtlinien gefunden wurden, die gegen den Unkrautstress ebenso konkurrenzkräftig waren wie die teilweise heterozygoten und heterogenen Polycross-Nachkommenschaften und Kontroll-Genotypen. Dennoch, über all die verschiedenen Aspekte dieser Studie erschien generell Heterozygotie und Heterogenität als notwendiges Charakteristikum einer Sorte, um zu den Bedingungen und Auflagen der ökologischen Landwirtschaft zu passen. Somit scheint die synthetische Sorte der angemessene Sortentyp zu sein, der den Erfordernissen der ökologischen Landwirtschaft entspricht

Genetic diversity among North African faba bean landraces for competitive ability against weeds

Die genetische Diversität marokkanischer Ackerbohnen (Vicia faba L.) sollte zur Verbesserung der Konkurrenzkraft von Ackerbohnen gegen Unkraut genutzt werden. Das Ziel dieser Arbeit war die detaillierte Evaluierung der Konkurrenzkraft und Produktivität einer Sammlung marokkanischer Ackerbohnen-Landrassen gegenüber dem Modell­unkraut Sinapis alba. Sechzig marokkanische Ackerbohnen-Landrassen und zwei Standards wurden 2011 und 2013 auf Kornertrag und weitere agronomische Merkmale untersucht, mit und ohne Modellunkraut, in einer Spaltanlage unter Feldbedingungen an zwei Orten im Nordwesten Marokkos. Die Landrassen zeigten signifikante genetische Variation für Produktivität und Konkurrenzkraft. Mehrere Landrassen erreichten höhere Werte als die Standards. Der Ertragsverlust durch den Unkrautstress betrug im Mittel 69%, der Unkraut-Konkurrenz-Index betrug im Mittel rund 1,28. Die Landrassen × Unkraut-Interaktion für Ertrag war eine hoch signifikante und bedeutende Variationsursache. Einige Landrassen kombinierten eine hohe Konkurrenzkraft gegen das Modell­unkraut mit überlegener Produktivität.The genetic diversity of Moroccan faba bean (Vicia faba L.) landraces should be exploited to improve the competitive ability of faba beans against weeds. The objective of this study was to in-detail evaluate competitive ability and productivity of a collection of Moroccan faba bean landraces relative to a model weed, Sinapis alba. Sixty Moroccan faba bean landraces and two checks were evaluated in 2011 and 2013 for grain yield and further agronomic traits, with and without model weed stress, under field conditions at two locations in the northwest of Morocco, using a split-plot design. The landraces showed significant genetic variation for producti­vity and competitive ability. Several landraces exhibited higher values compared to the two checks. Yield loss attributable to weed stress was, on average, about 69%; the weed competitive index was, on average, about 1.28. Land­races × weed treatment interaction for yield was a highly significant and marked source of variation. Several landraces were found to combine high levels of both, competitive ability against the model weed and productivity

Vergleich zwischen Liniensorten und synthetischen Sorten bei lokaler Züchtung von Ackerbohnen (Vicia faba L.) für den ökologischen Landbau

Die Fababohne (Vicia faba L.) ist als Körnerleguminose eine 'low input'-Frucht, die gut zur ökologischen Landwirtschaft passt und die dem ökologischen Anbausystem eine Reihe von Vorteilen gibt (z.B. 'break crop', positive N-Bilanz, Unkraut-Unterdrückung). Der Einsatz von Chemikalien in der konventionellen Landwirtschaft mildert dort teilweise die Auswirkungen von Umweltschwankungen auf die Feldfrucht. In der ökologischen Landwirtschaft ist es sehr wichtig, genetische Variation zu nutzen als Mittel, um mit den agro-ökologischen und umweltbedingten Schwankungen umzugehen, um das Risiko eines Anbau-Misserfolges zu vermindern. Deswegen benötigt die ökologische Landwirtschaft Sorten, die besonders an die ökologischen Bedingungen angepasst sind. Die hauptsächlichen Ziele dieser Studie waren: (1) lokal angepasste Fababohnen-Sorten für einige ökologische Bauernhöfe in Deutschland zu entwickeln, und dazu den partizipativen Ansatz zu wählen, (2) eine lokale mit der üblichen, überregionalen Pflanzenzüchtung zu vergleichen, und Inzuchtlinien mit synthetischen Sorten als Sortentyp für die ökologische Landwirtschaft zu vergleichen, (3) die Wirkung von Heterogenität des Inzuchtstatus und der Wuchshöhe auf die Konkurrenz zwischen Fababohnen-Genotypen abzuschätzen und schließlich (4) die Konkurrenzkraft zwischen Unkraut und Ackerbohnen-Genotypen zu prüfen, wenn die Bohnen sich in ihrer Heterozygotie, Heterogenität und Wuchshöhe kontrastierend unterscheiden. Für das erste Ziel wurden 49 Sommerbohnen-Genotypen und 56 Winterbohnen-Genotypen mit unterschiedlicher genotypischer Struktur (hoch und niedrig heterozygot bzw. heterogen) in Feldversuchen über vier ökologische Standorte und einen konventionellen Standort in Deutschland über die Jahre 2004, 2005 und 2006 geprüft. Das Material umfasste sowohl bei Winterbohnen als auch bei Sommerbohnen 18 Inzuchtlinien, ihre 18 Polycross-Nachkommenschaften, Polycross-Nachkommenschafts-Mischungen, Inzuchtlinien-Mischungen, eine F1-Hybriden-Mischung (Sommerbohnen) und Kontroll-Genotypen. Der Ertrag von synthetischen Sorten wurde aus dem Ertrag von Inzuchtlinien und ihren Polycross-Nachkommenschaften vorhergesagt. Für das zweite Ziel wurden die Resultate der genotypischen Leistung von Inzuchtlinien und Polycross-Nachkommenschaften von Sommerbohnen-Genotypen über diese fünf Orte und diese drei Jahre betrachtet. Für das dritte Ziel wurde ein Experiment über drei Jahre (2004, 2005, 2006) an einem Ort durchgeführt, wo geprüft wurden: eine hochwüchsige Hybride, eine hochwüchsige Hybriden-Mischung, eine kurze Hybriden-Mischen, eine hoch- und eine kurzwüchsige Inzuchtlinie, dieses in allen möglichen Zwei-Komponenten-Kombinationen des Typs "Linie plus Hybride" und "Linie plus Linie". Für jede Kombination wurde eine Serie von fünf Mischungs-Anteilen der je zwei Komponenten aufgestellt. Effekte aufgrund von Konkurrenz zwischen den Komponenten wurden auf der Ebene der Parzellen und auf der Ebene der einzelnen Komponenten erfasst. Was das vierte Ziel betrifft, so wurde ein Satz von 24 Genotypen, der aus verschiedenen genotypischen Strukturen zusammengesetzt wurde (acht Inzuchtlinien, acht Polycross-Nachkommenschaften, zwei Inzuchtlinien-Mischungen, zwei F1-Hybriden-Mischungen, vier Kontroll-Genotypen) unter zwei Behandlungen geprüft: mit Unkraut und ohne Unkraut. Die Konkurrenzkraft dieser Fababohnen-Genotypen gegenüber dem Unkraut wurden mit dem Modell-Unkraut Camelina sativa in zwei Orten in den Jahren 2005 und 2006 geprüft. Die Resultate dieser Versuche zeigten, dass die Kriterien der Landwirte bei der züchterischen Auslese stark durch die biotischen und abiotischen Bedingungen beeinflusst war, denen die Ackerfrucht an dem jeweiligen Ort ausgesetzt war. Der Ertrag bildete für alle Partner ein wichtiges Merkmal für die Einschätzung der Genotypen. Unerwarteterweise wurden anscheinend eher homogene Genotypen als heterogene Genotypen von den Landwirten wertgeschätzt. Aufgrund der großen Genotyp x Orts-Interaktionen der ökologischen Anbauorte versprach eine lokale Züchtung höhere Selektionsgewinne und wäre offensichtlich effizienter als die überregionale Züchtung. Trotz der großen Varianz zwischen Inzuchtlinien, die einer lokalen Züchtung zur Verfügung steht und die einen hohen Auslesegewinn erlaubt, waren die Synthetiks mit dem höchsten Ertrag in beiden Züchtungsstrategien aufgrund ihrer partiell genutzten Heterosis den Linien mit dem höchsten Ertrag überlegen. Durch ihre Heterogenität und Heterozygotie haben synthetische Sorten den Vorteil, an einem gegebenen Anbauort über die Jahre stabiler und auch anpassungsfähig zu sein. Außerdem zeigte sich klar, dass Heterogenität für den Inzuchtstatut, eine Eigentümlichkeit von Fababohnen-Synthetiks, ein Vorteil ist und zu einer Erhöhung der Ertragsleistung führt. Heterogenität der Wuchshöhe im Fall von Inzuchtlinien wurde nicht als Vorteil für die Ertragsleistung gefunden. Mit der Heterozygotie der Genotypen stieg die Konkurrenzkraft gegenüber Unkräutern, was durch die Hybriden-Mischungen gezeigt wurde, die die höchste Konkurrenzkraft hatten, wohingegen Inzuchtlinien am konkurrenzschwächsten waren. Es wurde innerhalb einer genotypischen Struktur (z.B. innerhalb der Gruppe der Inzuchtlinien) keine Korrelation zwischen der Ertragsleistung von Genotypen und ihrer Konkurrenz-Reaktion gefunden. Die Konkurrenzkraft gegen Unkräuter wurde durch frühe Blüte, hohen Wuchs und hohe Heterozygotie verbessert, obwohl einige Inzuchtlinien gefunden wurden, die gegen den Unkrautstress ebenso konkurrenzkräftig waren wie die teilweise heterozygoten und heterogenen Polycross-Nachkommenschaften und Kontroll-Genotypen. Dennoch, über all die verschiedenen Aspekte dieser Studie erschien generell Heterozygotie und Heterogenität als notwendiges Charakteristikum einer Sorte, um zu den Bedingungen und Auflagen der ökologischen Landwirtschaft zu passen. Somit scheint die synthetische Sorte der angemessene Sortentyp zu sein, der den Erfordernissen der ökologischen Landwirtschaft entspricht

Voies de progrès génétique pour les légumineuses en Europe et en Afrique du Nord

National audienceComme source de protéines, tant pour l’alimentation humaine qu’animale, les variétés de légumineuses àgraines et fourragères qui ont la capacité d’utiliser la ressource azotée de l’air, constituent des leviersimportants pour la construction d’une agriculture durable. Que ce soit en Europe ou en Afrique du Nord, uneforte demande variétale se développe pour les légumineuses, afin de répondre au besoin d’une diversitéd’espèces et de systèmes de culture pourvoyeurs de services alimentaires, environnementaux etécologiques. Un progrès génétique a été fait au courant des dernières décennies mais reste limité à cause deverrous biotechniques, financiers et parfois organisationnels au sein des filières.Le marché des semences de légumineuses se caractérise par une forte proportion de semences de ferme(souvent > 50%). Ceci affaiblit la filière semencière, les investissements en sélection et recherche, et parconséquence le renouvellement variétal. Nous décrirons plus en détail cette situation par des données dumarché des semences et des variétés illustrant des différences entre les espèces de légumineuses et desdivergences-convergences entre les contextes France-Afrique du Nord. La dynamique insufflée par leCatalogue des Espèces et variétés constitue un pilier fondamental du secteur semencier formelprépondérant en France alors qu’en Afrique du Nord, un secteur informel peu régulé prédomine.Une grande diversité de légumineuses est conservée en ex-situ dans d’importantes collections nationales etinternationales qui seront présentées. En Afrique du Nord, les dispositifs de gestion à la ferme desressources génétiques sont aussi une composante déterminante de la gestion de la diversité. Les actions depréservation et de caractérisation phénotypique des ressources génétiques ont un coût important, mais sontessentielles pour la construction et l’adaptation d’une diversité variétale composée de formes améliorées,traditionnelles ou de mélanges, comme facteur de résilience.Pour les systèmes agricoles marginaux mobilisant peu d’intrants dans les conduites agricoles, le leviervariétal est une composante clé du progrès agronomique. Des actions d’amélioration génétique participativesont souvent mises en place pour permettre l’exploitation des spécificités des variétés locales tout endiversifiant les objectifs d’utilisation (qualité nutritionnelle, résistance aux stress biotiques et abiotiques …).Nous évoquerons quelques exemples.La mobilisation des avancées scientifiques pour des fins de sélection, notamment par l’utilisation des outilsmoléculaires, est divergente entre la France et l’Afrique du Nord. Le programme collaboratif français sur lespois d’hiver à semis précoce (pois Hr) est un exemple d’une action très intégrée filière-sélectionneurrecherche.D’autres programmes de recherche nationaux et internationaux ont permis aussi un gain detemps et d’efficacité par l’introduction d’une sélection multi-caractérielle, assistée par marqueurs et ledéploiement d’une approche translationnelle qui vise à transférer les connaissances acquises sur une espèce vers une autre. L’utilisation des résultats de recherche est plus modeste en Afrique du Nord où la sélectionreste essentiellement phénotypique.Les 50 dernières années de recherche et de sélection ont apporté un progrès génétique certain mais encoreinsuffisant. Si l’amélioration des rendements reste un objectif important, des attentes plus précises sontexprimées et font l'objet de travaux de génétique et d'amélioration. On enregistre, à titre d’exemple, desattentes montantes sur les résistances aux stress hydriques et thermiques et aux bio-agresseurs dans uncontexte de changement climatique, de réduction de l’usage des pesticides et de développement del’agroécologie. De multiples questions sont transversales entre les espèces et sont communes à la France età l’Afrique du Nord. Nous en parlerons

Entwicklung ökologischer Regionalsorten bei Ackerbohnen

The agronomic performance of faba bean showing a range of genotypic structures (heterozygosity, heterogeneity) was analysed in four different organic locations and one conventional location in 2004. Heterogeneous and heterozygous genotypes were most often highest performing (grain yield). The project is continued

Conventional and molecular breeding tools for accelerating genetic gain in Faba Bean (Vicia Faba L.)

Faba bean is a cool-season grain legume crop, which is grown worldwide for food and feed. Despite a decrease in area under faba bean in the past, the interest in growing faba bean is increasing globally due to its high seed protein content and its excellent ecological service. The crop is, however, exposed to diverse biotic and abiotic stresses causing unstable, low grain yield. Although, sources of resistance to main diseases, such as ascochyta blight (Ascochyta fabae Speg.), rust (Uromyces viciae-fabae (Pers.) Schroet.), chocolate spot (Botrytis fabae Sard.) and gall disease (Physioderma viciae), have been identified, their resistance is only partial and cannot prevent grain yield losses without agronomical practices. Tightly associated DNA markers for host plant resistance genes are needed to enhance the level of resistance. Less progress has been made for abiotic stresses. Different breeding methods are proposed, but until now line breeding, based on the pedigree method, is the dominant practice in breeding programs. Nonetheless, the low seed multiplication coefficient and the requirement for growing under insect-proof enclosures to avoid outcrossing hampers breeding, along with the lack of tools such as double haploid system and cytoplasmic male sterility. This reduces breeding population size and speed of breeding hence the chances of capturing rare combinations of favorable alleles. Availability and use of the DNA markers such as vicine-convicine (vc−) and herbicide tolerance in breeding programs have encouraged breeders and given confidence in marker assisted selection. Closely linked QTL for several biotic and abiotic stress tolerance are available and their verification and conversion in breeder friendly platform will enhance the selection process. Recently, genomic selection and speed breeding techniques together with genomics have come within reach to accelerate the genetic gains in faba bean. Advancements in genomic resources with other breeding tools, methods and platforms will enable to accelerate the breeding process for enhancing genetic gain in this species

Is nitrogen accumulation in grain legumes responsive to growth or ontogeny?

International audienceNitrogen (N) accumulation in legumes is one of the main determinants of crop yield. Although N accumulation from symbiotic nitrogen fixation or N absorption from the soil has been widely investigated, there is no clear consensus on timing of the beginning of N accumulation and the termination of N accumulation and the physiological events that may be associated with these two events. The analyses conducted in this study aimed at identifying the determinant of N accumulation in two grain legume species. Nitrogen accumulation dynamics and mass accumulation and development stages were recorded in the field for several genotypes of common bean (Phaseolus vulgaris) and faba bean (Vicia faba) under different growing conditions. This study showed that during the vegetative stages, N accumulation rate was correlated with mass accumulation rate. However, the maximum accumulation of N did not correspond to the time of the maximum mass accumulation. In fact, for both species, N accumulation was found to persist in seed growth. This challenges a common hypothesis that seed growth causes a decrease in N accumulation because of a shift of the photosynthate supply to support the seed growth. Even more surprising was the shift of the active accumulation of N in faba bean to late in the growing season as compared with common bean. N accumulation by faba bean only was initiated at high rates very late in vegetative growth and persisted at high rates well into seed fill