Kopfbild gelbe Blumen
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Forschungs- und Innovationsprojekt
Züchterische Verbesserung von Baldrian zur Erhöhung der Rentabilität und Drogenqualität

Gewaschener Wurzelstock von Baldrian mit vielen Seitenwurzeln

Typischer Baldrianwurzelstock mit einer Vielzahl von feinen Seitenwurzeln
Das Baldrianzüchtungsprojekt hat das Ziel, durch Auslese und Kreuzungszüchtung Baldriansorten mit gröberen und weniger verzweigten Wurzelstöcken zu entwickeln. Dadurch sollen Ernte- und Aufbereitungsverluste reduziert und die Reinigung der Wurzeln vereinfacht und beschleunigt werden.

Zuchtziel und Anforderungen an die neue Baldriansorte

Eine neue Sorte kann durch eine Vielzahl von Eigenschaften und Merkmalen charakterisiert werden. Merkmale, die wesentlich zur Entwickelung der neuen Baldriansorte beitragen wurden bestimmt und priorisiert.
Die oberste Priorität der neuen Baldriansorte hat die grobe Struktur der Wurzelstöcke (Rhizom mit Wurzeln).

Diese setzt sich aus mehreren Eigenschaften zusammen:

  • Dicke Adventivwurzeln
  • Geringer Anteil an feinen Seitenwurzeln
  • Kurze Seitenwurzeln
  • Ansatz der Seitenwurzeln weit vom Rhizom entfernt
  • Kleines Rhizom
Schaubild mit überlagernden Kreisen zur Darstellung der Zuchtziele und deren WichtigkeitZoombild vorhanden
Die zweite Priorität nehmen die Inhaltstoffgehalte ein. Diese sollen gut über dem Mindestgehalt des Europäischen Arzneibuchs (Ph. Eur. 9.1) liegen.
Alle weiteren Parameter sollen mindestens dem Durchschnitt der bereits angebauten Populationen entsprechen. Die neue Baldriansorte darf in diesen Eigenschaften nicht negativ auffallen.

Nutzen und Gewinn (benefit) einer groben Wurzelstruktur:

  • Senkung von Produktionskosten
  • Bessere Ausnutzung von Produktionskapazitäten
  • Steigerung der Qualität der Rohware
  • Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit und der Nachhaltigkeit des heimischen Anbaus
  • Sicherung der Arbeitsplätze in den meist ländlichen Räumen
  • Motivation von Mitarbeitern

Die spezifische Herausforderung bei Baldrian

Baldrian ist eine vielgestaltige Pflanzengattung. Selbst Pflanzen einer gemeinsamen Population können sich in wichtigen Merkmalen und Eigenschaften unterscheiden. Sie variieren und sind heterogen. Diese Variationsbreite erleichtert das Erzeugen von neuer Variabilität, erschwert aber auch die Fixierung von gewünschten Merkmalen. Die Züchtungsarbeit wird dadurch herausfordernder und langwieriger.

Herausfordernde Merkmale und Eigenschaften sind beispielsweise:

  • Variable Genetik innerhalb einer Population
  • Verschiedene Ploidiegrade (auch innerhalb einer Population)
  • Vielfältige morphologische Erscheinungsformen
  • Die Blüten entwickeln sich unter natürlichen Wuchsbedingungen erst im zweiten Standjahr
  • Im Blütenstand befinden sich gleichzeitig alle Entwicklungsstufen (Knospen, Blüten, Samen)
  • Erst am Ende eines Anbaujahres kann die Leistung der Wurzelstöcke ermittelt werden
Genomanalyse Gelbild mit Bandenmuster
Diploide Zelle mit 14 angefärbten Chromosomen
Tetraploide Zelle mit 28 angefärbten Chromosomen
Oktoploide Zelle mit 56 angefärbten Chromosomen
Verschiedene Formen und Farben von Baldrianblättern
Verschiedene Farben der frühesten Blätter beim Frühjahrsaustrieb
Blütenstand mit Blütenknospen, Blüten und Samen
Körbe mit im Herbst geernteten, gewaschenen Baldrianwurzeln

Methoden und Arbeitsschwerpunkte des Züchtungsprojekts

Baldrian wird bereits seit Anfang des 20. Jahrhunderts immer wieder züchterisch bearbeitet. Das Pflanzenmaterial und die Zuchtziele haben sich jedoch im Laufe der Zeit verändert. Beschreibungen zur Herangehensweise sind deshalb nicht immer auf das jetzige Zuchtprojekt übertragbar.

In dem aktuellen Züchtungsprojekt werden zwei Arbeisschwerpunkte bearbeitet:

    Schwerpunkt: Züchtung
    Schaubild mit chronologisch gruppierten Kästchen zur Darstellung der einzelnen Züchtungsschritten von der ersten Testung bis zur neuen SorteZoombild vorhanden
    Von 2009 bis 2011 erfolgten mehrere Leistungsprüfungen von Herkünften, die in ganz Europa gesammelte wurden. Die besten Herkünfte und Einzelpflanzen wurden selektiert und sind der Ursprung des vorhandenen Zuchtmaterials.
    Seither erfolgt die züchterische Bearbeitung auf zwei verschiedenen Wegen:
    Bei dem ersten Weg wurden aus Kreuzungen mit selektierten Einzelpflanzen sukzessiv mehrere Kreuzungspopulationen entwickelt. Durch Selektion auf wurzelmorphologische und agrarökonomische Merkmale wurde in jeder Generation versucht, die Leistung zu steigern und zu festigen (Selektionserfolg). 2016 erfolgte eine Leistungsprüfung an mehreren Orten mit drei aussichtsreichen Sortenkandidaten, in der die Homogenität und die Kontinuität der Leistung unter Praxisbedingungen geprüft wurde. Eine Population zeigte eine vielversprechende Merkmalskombination. Die Leistung dieser und weiterer Populationen wird nochmals geprüft.
    Der zweite Weg verfolgt den Ansatz, mit der Kreuzung von Inzuchtlinien eine stärkere Homogenität, Kontinuität und Leistungssteigerung zu generieren. Es erfolgten bis jetzt mehrere Inzuchtschritte von Elite- und Einzelpflanzen und die Erzeugung mehrerer Inzuchtlinien. Die Erzeugung einer Inzuchtgeneration bedarf bei natürlichen Wuchsbedingungen und Evaluierung der Wurzeln mindestens zwei Jahre, durch künstliche Vernalisation ein Jahr. Bei einer schnellen Inzuchtierung kann zwar nicht gezielt auf die Wurzelmorphologie und Inhaltsstoffe selektiert werden, jedoch waren die Inzuchtlinien aus beiden Selektionsstrategien vergleichbar. Mit zunehmender Inzuchtstufe nimmt die Vitalleistung dramatisch ab (Inzuchtdepression). Dadurch reduzierte sich die Anzahl der Inzuchtlinien mit jeder Generation. Erste Kreuzungen aus Inzuchtlinien wurden bereits geprüft und zeigen vielversprechende Ergebnisse.
    Fakten-Check

    von 2009-2016 wurden:

    • 252 Eliten selektiert
    • 925 Inzuchtlinien (I1 bis I4) und
    • 621 Kreuzungen aus Inzuchtlinien erzeugt (drei mit Potential als Sortenkandidat)
    • 187 Kreuzungspopulationen (F1 bis F3) entwickelt (zwei mit Potential als Sortenkandidat, ein Sortenkandidat)
    • Insgesamt 25 Feldprüfungen mit rund 1200 Parzellen angelegt
    Isolationskäfige mit Baldrianpflanzen
    Blühender Baldrianbestand am Isolationsstandort
    Blütenstände von Baldrianpflanzen im Gewächshaus mit Pergamintüte isoliert
    Jungpflanzen von zwei Inzuchtlinien mit unterschiedlicher Vitalität bei gleicher Abstammung
    Feld mit Baldrianbeständen einer Leistungsprüfung von Kreuzungspopulationen
    Wurzelstock von Baldrian mit grober Wurzelstruktur
    Schwerpunkt: Untersuchungen am Material und Methodenentwicklung
    Schaubild mit Kreisen, das die bislang entwickelten Methoden und den durchgeführten Untersuchungen am Zuchtmaterial darstellenZoombild vorhanden
    Begleitend zu den Züchtungsarbeiten wurden und werden Untersuchungen und Beobachtungen am Zuchtmaterial durchgeführt, sowie methodische Verfahren für die Züchtungsarbeit entwickelt.
    Beispiele für Untersuchungen und Entwicklungen:
    Zu Anfang fanden molekulargenetische und cytologische Untersuchungen statt. Hierbei wurden die verwandtschaftlichen Verhältnisse im Zuchtmaterial bestimmt. Herkünfte mit gleichem Ploidiegrad zeigten genetisch eine sehr hohe Übereinstimmung.
    In der Auswertung der Leistungsprüfungen wurde beobachtet, dass ein negativer Zusammenhang zwischen grober Wurzelstruktur und niedrigen Inhaltsstoffgehalte existieren könnte. Bei nassanalytischen und bildgebenden, histologischen Untersuchungen konnte jedoch kein genereller Unterschied zwischen dünneren und dickeren Wurzelbestandteilen gefunden werden.
    Wegen fehlender Hybridmechanismen im Zuchtmaterial ist eine hohe spontane Auskreuzungsrate unumgänglich. Molekulargenetische Untersuchungen der Auskreuzungsrate zeigten bei offener, panmiktischer Bestäubung eine Fremdbefruchtung von bis zu 97%.
    Der medizinisch verwendete Baldrian ist eine ausdauernde Art. Mit Beginn der zweiten Vegetationsperiode werden die Blütenstände entwickelt. Hierfür benötigt der Baldrian zuvor kühle Temperaturen. Für Baldrian wurde ein System entwickelt, das Jungpflanzen durch eine eingeleitete Kältebehandlung bereits in der ersten Vegetationsperiode Blüten induzieren lässt. Zusammen mit modernen Lichtregimen ist es gelungen den Generationswechsel von zwei auf ein Jahr zu verkürzen.
    Zur schnellen Vermehrung und Klonierung von selektierten Einzelpflanzen wurden in-vitro-Verfahren entwickelt.
    Begleitend zu der Züchtungsarbeit werden eine Vielzahl der dort erhobenen Daten, Bewertungen und Bonituren ausgewertet und verrechnet. Weil kein etabliertes Zuchtschema für Baldrian existiert, werden hierfür eigene Strategien entwickelt.
    Dendrogramm zur Darstellung der Verwandtschaft der zur Züchtung verwendeten Baldrianherkünfte
    Pflanzencluster von jungen Pflanzen der in-vitro-Vermehrung
    Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme einer Baldrianwurzel im Querschnitt mit leuchtenden Öltröpfchen
    Diagramm zur Clusteranalyse bei unterschiedlichen Ploidigraden bei den zur Züchtung verwendeten Baldrianherkünften
    Schaubild über die Gehalte an ätherischem Öl und der Valerensäuren in unterschiedlichen Bestandteilen des Wurzelstocks von Baldrian
    Blühende Baldrianpflanzen unter LED-Beleuchtung im Gewächshaus

    Ergebnis und Stand des Projekts

    Das Baldrianzüchtungsprojekt befindet sich in der dritten Bearbeitungsphase. Die primären Auslese- und Kreuzungsarbeiten sind abgeschlossen. Weitere Inzuchtgenerationen und Populationskreuzungen werden vorerst nicht mehr erstellt. Vielmehr werden nun die vorhanden Kreuzungen aus Inzuchtlinien und Kreuzungspopulationen geprüft und selektiert. Es erfolgt nun auch die Vermehrung des Saatguts von potentiellen Sorten(-kandidaten) und die Erhaltung des Zuchtmaterials.
    Die gewünschte, grobe Wurzelstruktur ist im Zuchtmaterial und in der daraus entwickelten Populationssorte Weila®riana vorhanden, die Inhaltsstoffe entsprechen dem Europäischen Arzneibuch. Dadurch sind die Wurzeln sowohl im Feld als auch bei der Wäsche leichter zu reinigen, was die zeit- und arbeitsintensive Ernte und Aufbereitung effizienter werden lässt.
    Publikationen
    • Artikel und Vorträge
      • Penzkofer, M., Baron, A., Naumann, A., Krähmer, A., Schulz, H., Heuberger, H., 2018: Characterization of essential oil distribution in the root cross-section of Valeriana officinalis L. s.l. by using histological imaging techniques. Plant Methods 14:41. https://doi.org/10.1186/s13007-018-0309-4
      • Penzkofer, M., Heuberger, H., Steinhauer, B., Nießen, C., Müller, M., 2018: Erkenntnisse zur in-vitro Etabilierung und Vermehrung über direkte Adventivsprossbildung aus unreifen Infloreszenzen bei Valeriana officinalis L. s.l. Z Arznei- Gewurzpfla 22 (1): 33-39
      • Penzkofer, M., Seefelder. S., Heuberger, H., 2018: Estimation of outcrossing rates using genomic marker and determination of seed quality parameters in Valeriana officinalis L. s.l. under field conditions. Euphytica 214:81. https://doi.org/10.1007/s10681-018-2164-9
      • Heuberger, H., Penzkofer M., 2017: Demonstrationsprojekt Arzneipflanzen: Züchterische Verbesserung von Baldrian. Tagungsunterlagen, 2. Kongress „Mit Pflanzenzüchtung zum Erfolg“, 03.-04.04.2017, Berlin, Veranstalter: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe, www.fnr.de, S. 17.
      • Penzkofer, M., 2016: Breeding and research on valerian (Valeriana officinalis L. s.L.). Vortrag. 2nd EUROPAM Workshop Medicinal and Aromatic Plants: Pyrrolizidine Alkaloids, GACP, Breeding and Harvesting. Krems, Austria, 7.7.2016.
      • Penzkofer, M., Seefelder, S., Heuberger, H., 2016: Hybrid-breeding of medicinally used valerian (Valeriana officinalis L. s.l.). A possible concept developing new varieties? In Marthe, F., Riegler, H., 6th International Symposium Breeding Research on Medicinal and Aromatic Plants (BREEDMAP 6), Quedlinburg, Germany, June 19 – 23, 2016, Julius-Kühn-Archiv, 453, 157-160.
      • Argyropoulos, D., Biertümpfel, A., Blum, H., Blüthner, W.-D., Hammer, M., Heuberger, H., Jubaer, H., Junghanns, W., Meinhold, T., Müller, J., Neumaier, G., Paladey, E., Penzkofer, M., Plescher, A., Reichardt, I., Wahl, S., Ziegler, T., 2013: Baldrianwurzeln – effiziente Produktion eines hochwertigen Rohstoffs. Tagungsband zur 2. Tagung "Arzneipflanzen in Deutschland - mit koordinierter Forschung zum Erfolg",16.-17.10.2013, Bad Blankenburg/Thüringen, 24-28.
      • Heuberger, H., Penzkofer, M., 2013: Züchtung von Baldriansorten (Valeriana officinalis L. s.l.) mit groben und inhaltsstoffreichen Wurzeln. Abstract. 23. Bernburger Winterseminar Arznei- und Gewürzpflanzen, 19.02.-20.02.2013, Bernburg.
      • Penzkofer, M., Heuberger, H., Geyer, M., Killermann, B., Konnert, M., 2014: Die Verwendung von Isoenzym-Polymorphismen - eine Herausforderungen bei der Züchtung neuer Baldriansorten (Valeriana officinalis L. s.l.). In Schmiderer, C., Novak, J., Marthe, F., 7. Tagung Arznei- und Gewürzpflanzenforschung, 2014, Wien 14.-17.09.2014, Julius-Kühn-Archiv, 446, 47-51.
      • Penzkofer, M., Heuberger, H., Geyer, M., Müller, M., 2014: Karyologische Variabilität in Kreuzungsnachkommen - eine Herausforderung bei der Züchtung neuer Baldriansorten (Valeriana officinalis L. s.l.). In Schmiderer, C., Novak, J., Marthe, F., 7. Tagung Arznei- und Gewürzpflanzenforschung, 2014, Wien 14.-17.09.2014, Julius-Kühn-Archiv, 446, 47-51.
      • Penzkofer, M., Ziegler, E., Heuberger, H., 2014: Konsequenzen aus der Verteilung relevanter Inhaltsstoffe in Baldrianwurzeln. Tagungsband 24. Bernburger Winterseminar zu Fragen der Arznei- und Gewürzpflanzenproduktion vom 18.02. bis 19.02.14, 28-30.
      • Penzkofer, M., Ziegler, E., Heuberger, H., 2014: Contents of essential oil, valerenic acids and extractives in different parts of the rootstock of medicinal valerian (Valeriana officinalis L. s.l.). Journal of Applied Research on Medicinal and Aromatic Plants, 2014, 1, 3, 98–106, DOI: 10.1016/j.jarmap.2014.08.002.
      • Heuberger, H., Seefelder, S., Müller, M., 2012: Towards developing dihaploids from tetraploid valerian (Valeriana officinalis L. s.l., Valerianaceae). Abstract. 5th International Symposium on Breeding Research on Medicinal and Aromatic Plants, Vienna, June 18-20, 2012, 35.
      • Heuberger, H., Honermeier, B., 2012: Eigenschaften der Baldriansorten und Potenziale für die Züchtung. Kurzfassung. Tagungsband 22. Bernburger Winterseminar zu Fragen der Arznei- und Gewürzpflanzenproduktion vom 21.02. bis 22.02.2012, 29-30.
      • Heuberger, H., Heubl, G., Müller, M., Seefelder, S., Seidenberger, R., 2012: Verwandtschaftsverhältnisse und Ploidiestufen ausgewählter Herkünfte als Ausgangsmaterial für die Züchtung von Arznei-Baldrian (Valeriana officinalis L. s.l.). Z Arznei- Gewurzpfla 2012;17:28-37.
      • Heuberger, H., Heubl, G., Müller, M., Seefelder, S., Seidenberger, R., 2011: Verwandtschaftsverhältnisse und Ploidiestufen ausgewählter Herkünfte und Wildformen des Arznei-Baldrians (Valeriana officinalis L. s.l.). Kurzfassungen der Vorträge und Poster, 6. Fachtagung Arznei- und Gewürzpflanzen, Berlin, 19.-22.09.2011, 90-92.
    • Poster
      • Penzkofer, M., Seefelder, S., Heuberger, H., 2017: Hybridzüchtung bei Baldrian (Valleriana officinalis L. s.l.) – ein mögliches Konzept zur Entwicklung neuer Sorten?. Poster mit Elevator Pitch. 2. Kongress „Mit Pflanzenzüchtung zum Erfolg“, 03.-04.04.2017, Berlin, Veranstalter: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe, www.fnr.de.
      • Penzkofer, M., Heuberger, H., Geyer, M., Killermann, B., Konnert, M., 2014: Die Verwendung von Isoenzym-Polymorphismen - eine Herausforderungen bei der Züchtung neuer Baldriansorten (Valeriana officinalis L. s.l.). Poster anlässlich der 7. Tagung Arznei- und Gewürzpflanzenforschung, 2014, Wien 14.-17.09.2014.
      • Penzkofer, M., Heuberger, H., 2012: Züchtung einer Baldriansorte (Valeriana officinalis L. s.l.). Poster anlässlich der Eröffnung des Grünen Zentrums Puch, 14.10.2012, Puch (Fürstenfeldbruck).
      • Penzkofer, M., Heuberger, H., 2012: Züchtung von Baldriansorten (Valeriana officinalis L. s.l.) mit groben und inhaltsstoffreichen Wurzeln. Poster anlässlich der Eröffnung des Grünen Zentrums in Puch. 14.10.2012, Puch (Fürstenfeldbruck).
      • Heuberger, H., Penzkofer, M., 2012: Züchtung von Baldriansorten (Valeriana officinalis L. s.l.) mit groben und inhaltsstoffreichen Wurzeln. Poster anlässlich des 20-jährigen Bestehens der Forschungsvereinigung der Arzneimittel-Hersteller e. V., Bonn.
      • Honermeier, B., Heuberger, H., Doernfeld, P., 2011: Untersuchungen zur Wirkung von Phytohormonen auf die Blühinduktion von Baldrian (Valeriana officinalis L.). Kurzfassungen der Vorträge und Poster, 6. Fachtagung Arznei- und Gewürzpflanzen, 19.-22.9.2011, S. 103-105.
      • Heuberger, H., Bomme, U., Seefelder, S., Seidenberger, R., 2010: Variabilität der Wurzeleigenschaften und verwandtschaftliche Nähe innerhalb eines aktuellen Baldriansortiments als Ausgangspunkt zur Züchtung. Kurzfassung. Tagungsband 20. Bernburger Winterseminar zu Fragen der Arznei- und Gewürzpflanzenproduktion vom 23.02. bis 24.02.2010, 37-38.
    • Studienarbeiten
      • Baron, A., 2015: Die Verteilung ätherischer Öle in den Wurzeln ausgewählter Genotypen von Valeriana officinalis L. Bachelorarbeit an der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf, Fachbereich Gartenbau und Lebensmitteltechnologie.
      • Geyer, M., 2013: Untersuchung der Cytotypen von Kreuzungseltern und deren Nachkommen bei Valeriana officinalis L. s. l. Masterarbeit an der Fakultät für Agrar- und Gartenbauwissenschaften der Technischen Universität München.
      • Ziegler, E., 2013: Verteilung von ätherischem Öl und Valerensäuren in der Wurzel von Valeriana officinalis L.s.l. Bachelorarbeit an der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf, Fakultät Gartenbau und Lebensmitteltechnologie.
      • Göttl, B., 2011: Valeriana officinalis und seine Erzeugung haploider Pflanzen durch Antheren- und Mikrosporenkultur. Diplomarbeit an der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf, Fakultät Gartenbau und Lebensmitteltechnologie.
      • Geyer, M., 2010: Untersuchungen zum Aufbau einer isoenzymgestützten Methode zur Bestimmung des Selbstbefruchtungsanteils bei Valeriana officinalis L. Diplomarbeit an der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf, Fachbereich Gartenbau und Lebensmitteltechnologie.
      • Nietsch, N., 2010: Versuche zur Erzeugung haploider Pflanzen von Valeriana officinalis L. mittels Mikrosporenkultur. Masterarbeit im Studiengang Horitcultural Science an der Technischen Universität München, Wissenschaftszentrum für Ernährung, Landnutzung und Umwelt, Fachgebiet Obstbau.
    Projektinformation
    Projektleitung und -bearbeitung: Dr. Heidi Heuberger, Katharina Gassner
    Projektlaufzeit: 01.10.2015 - 31.12.2019
    Finanzierung: Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL), Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR)
    Förderkennzeichen: 22003015 (15NR030)
    Kofinanzierende Unternehmen, landwirtschaftliche Betriebe und Organisationen sind:
    Logo des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft mit Förderzusatzingeben
    Logo der Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe e.V.

    Projekt- und Kooperationspartner