Ziele und Möglichkeiten der Züchtung nährstoffeffizienter Nutzpflanzen

Zum Thema "Nährstoffeffizienz" liegt ein weites Spektrum wissenschaftlicher Untersuchungen der verschiedensten Fachgebiete vor. In diesem Beitrag wurden die vorhandenen Untersuchungsergebnisse anhand von zwei Formen der Charakterisierung nährstoffeffizienter Sorten strukturiert. Einerseits wird mit dem deskriptiven Ansatz eine Beurteilung der Ertragsleistungen einer Sorte in verschiedenen Nährstoff-Umwelten in den Vordergrund gestellt. Hieraus ist eine direkte Selektion unter Freilandbedingungen abzuleiten. Andererseits wurde eine analytische Charakterisierung formuliert, aus der eine indirekte Selektion von nährstoffeffizienten Eigenschaften als sekundäre Merkmale zu entwickeln ist. Die Vielzahl möglicher morphologischer, anatomischer und physiologischer Eigenschaften wurde in die Bereiche Aneignungs- und Verwertungseffizienz untergliedert. Eine Definition der Begriffe Low-Input Sorte, Nährstoff-, Verwertungs- und Aneignungseffizienz wurde einführend vorgenommen. Rechtliche und biologische Grenzen wurden anhand des Wertprüfungssystems und der genetischen Diversität aufgezeigt

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

Gene expression profiling via LongSAGE in a non-model plant species: a case study in seeds of Brassica napus

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Serial analysis of gene expression (LongSAGE) was applied for gene expression profiling in seeds of oilseed rape (<it>Brassica napus </it>ssp. <it>napus)</it>. The usefulness of this technique for detailed expression profiling in a non-model organism was demonstrated for the highly complex, neither fully sequenced nor annotated genome of <it>B. napus </it>by applying a tag-to-gene matching strategy based on <it>Brassica </it>ESTs and the annotated proteome of the closely related model crucifer <it>A. thaliana</it>.</p> <p>Results</p> <p>Transcripts from 3,094 genes were detected at two time-points of seed development, 23 days and 35 days after pollination (DAP). Differential expression showed a shift from gene expression involved in diverse developmental processes including cell proliferation and seed coat formation at 23 DAP to more focussed metabolic processes including storage protein accumulation and lipid deposition at 35 DAP. The most abundant transcripts at 23 DAP were coding for diverse protease inhibitor proteins and proteases, including cysteine proteases involved in seed coat formation and a number of lipid transfer proteins involved in embryo pattern formation. At 35 DAP, transcripts encoding napin, cruciferin and oleosin storage proteins were most abundant. Over both time-points, 18.6% of the detected genes were matched by <it>Brassica </it>ESTs identified by LongSAGE tags in antisense orientation. This suggests a strong involvement of antisense transcript expression in regulatory processes during <it>B. napu</it>s seed development.</p> <p>Conclusion</p> <p>This study underlines the potential of transcript tagging approaches for gene expression profiling in <it>Brassica </it>crop species via EST matching to annotated <it>A. thaliana </it>genes. Limits of tag detection for low-abundance transcripts can today be overcome by ultra-high throughput sequencing approaches, so that tag-based gene expression profiling may soon become the method of choice for global expression profiling in non-model species.</p

Breeding progress in wheat: Simultaneous improvement of disease resistance, yield and product quality

Die Weizenzüchtung in Deutschland hat in den letzten Jahrzehnten beeindruckende Erfolge erzielt. Zukünftig steht sie jedoch vor erheblichen Herausforderungen, die Erzeugung hochwertiger Nahrungsmittel unter nachhaltigen Produk­tionsbedingungen zu ermöglichen. Die züchterische Verbesserung des genetischen Ertragspotentials über Jahrzehnte hat einen erheblichen Beitrag zur Steigerung der Weizen­erträge geleistet. Eine weitere Steigerung erscheint möglich, der Fokus sollte künftig jedoch noch mehr in der Stabilisierung der landwirtschaftlichen Erträge liegen. Die Verbesserung der Krankheitsresistenz gegen pilzliche Pathogene, Virosen und verstärkt auch Insekten bleibt dabei eine dauernde Aufgabe, die durch die eingeschränkte Verfügbarkeit pestizider Wirkstoffe zentrale Bedeutung gewinnen wird. Ein sehr hoher Forschungsaufwand wird nötig sein, die Ertragsstabilität gegen abiotische Stressoren, v.a. Trockenheit und Hitze, zu verbessern. Eine Erhöhung der Nährstoffeffizienz ist Voraussetzung für einen geringeren, umweltschonenden Ressourcenverbrauch, während die hohe Kornqualität zu erhalten ist. Die Studie betont das Potential, welches durch neue Züchtungstechniken für die Integration der zahlreichen Ansprüche besteht und regt an, eine Balance zwischen Risikovorsorge und Innovation zu suchen.Wheat breeding has achieved impressive successes in Germany in recent decades. In the future, it will however face considerable challenges in enabling the production of high-quality food under conditions of sustainable production. The improvement of genetic yield potential has made a significant contribution to the increase in grain yields. Further increase seems possible, but the future focus should be to enhance yield stability. Improving disease resistance to fungal pathogens, viruses, and increasingly to insect pests remains a permanent task that will gain central importance due to reduced release of pesticide substances. A significant increase in research efforts will be necessary to improve yield stability against abiotic stresses, mainly drought and heat. Moreover, an increase in nutrient efficiency will be a prerequisite for an environment-friendly resource consumption, while high grain quality has to be maintained. The study stresses the potential of the new breeding techniques, such as genome editing, to integrate all these demands through breeding and suggests searching for a balance between risk prevention and innovation

STEM RUST SEEDLING RESISTANCE GENES IN ETHIOPIAN WHEAT CULTIVARS AND BREEDING LINES

Stem rust caused by Puccinia graminis f. sp. tritici is one of the major biotic limiting factors for wheat production in Ethiopia. Host plant resistance is the best option to manage stem rust from its economic and environmental points of view. Wheat cultivars are released for production without carrying race specific tests against stem rust. Hence, genes responsible for resistance in commercial wheat cultivars are not known. The objective of this study was to postulate stem rust resistance genes present in Ethiopian commercial wheat cultivars and advanced breeding lines. Thirty durum wheat (19 commercial cultivars and 11 breeding lines) and 30 bread wheat (20 commercial cultivars and 10 breeding lines) were tested for gene postulation. Stem rust infection types produced on wheat cultivars and breeding lines by ten Pgt races was compared with infection types produced on 40 near isogenic lines carrying single stem rust resistance genes. A total of 11 stem rust resistance genes (Sr5, Sr7a, Sr7b, Sr8a, Sr9e, Sr11, Sr21, Sr27, Sr29, Sr30 and Sr37) were postulated to be present either singly or in combination in the durum and wheat cultivars and breeding lines. Except Sr30, the other postulated genes were susceptible to most of the prevalent Puccinia graminis f. sp. tritici races in Ethiopia. Since Sr30 is also ineffective against Ug99, a gene management strategy that incorporates a combination of genes (gene pyramiding) that provide sufficient protection should be devised to achieve a durable control of stem rust. In addition, the significance of Sr27, Sr29 and Sr37 has to be investigated for Ethiopian agriculture.La rouille de tiges caus\ue9e par Puccinia graminis f. sp. triticiest un facteur majeur limitant de la production du bl\ue9 en Ethiopie. La r\ue9sistance de la plante h\uf4te constitue une meilleure optionpour la gestion de cette rouille sur le plan \ue9conomique et environnemental. Les cultivars du bl\ue9 sont \ue9mis pour la production sans aucun test sp\ue9cifique contre la rouille de tiges. Ainsi, les g\ue8nes responsables de r\ue9sistance dans les cultivars de bl\ue9 commercial ne sont pas connus. L'objectif de cette \ue9tude \ue9tait de postuler les g\ue8nes de r\ue9sistance de la rouille de la tige pr\ue9sents dans les cultivars de bl\ue9 commercial et lign\ue9es am\ue9lior\ue9es.Trente vari\ue9t\ue9s de bl\ue9 dur (19 cultivars de bl\ue9commercial et 11 vari\ue9t\ue9s am\ue9lior\ue9es) et 30 vari\ue9t\ue9s de bl\ue9 pour p\ue2tisserie (20 cultivars de bl\ue9 commercial et 10 de lign\ue9esam\ue9lior\ue9es) \ue9taienttest\ue9s).Les types d'infections de la rouille produits sur les cultivars de bl\ue9 et sur les lign\ue9es am\ue9lior\ue9es par 10 races Pgt \ue9taient compar\ue9saux types d'infection produits sur 40 lign\ue9es isogoniques portant des g\ue8nes de r\ue9sistance \ue0 la rouille de tiges. Un total de 11 g\ue8nes de r\ue9sistance \ue0 la rouille (Sr5, Sr7a, Sr7b, Sr8a, Sr9e, Sr11, Sr21, Sr27, Sr29, Sr30 and Sr37) \ue9taientpr\ue9sum\ue9es pr\ue9sents soit singuli\ue8rement ou en combinaison dans les cultivars debl\ue9 dur et lign\ue9esam\ue9lior\ue9es.A l'exception de Sr30, d'autres g\ue8nes postul\ue9s \ue9taient susceptibles \ue0 la plupart des races pr\ue9valences dePuccinia graminis f. sp. triticien Ethiopie. Du fait que Sr30est aussi inefficace contre Ug99, une strat\ue9gie de gestion g\ue9n\ue9tique incluant une combinaison des g\ue8nes (gene pyramiding) qui fournitune protection suffisante pourrait \ueatre formul\ue9e pour un control durable de la rouille de tiges. En plus, une recherche sur l'implication de Sr27, Sr29etSr37 devra \ueatre faite en agriculture \ue9thiopienne