Forschung und Biotechnologie
Genomanalyse und markergestützte Pflanzenzüchtung

Die Anzucht einer Gerstennachkommenschaft wird in kleinen Töpfen im Gewächshaus vollzogen. Jede Gerstenlinie erhält eine Erkennungsnummer anhand deren zu jederzeit genetische wie phänotypische Daten zusammengeführt werden können.
Die moderne Biotechnologie erlaubt der Pflanzenzüchtung einen Blick tief ins Innere der Pflanze. In Kombination mit der Pflanzenzüchtung gelingt es ihr auf die stetigen Herausforderungen der Landwirtschaft wie Klimawandel, Ernährungssicherung, Allergien oder Eiweißqualität eine wirkungsvolle Antwort zu finden.
Die strategische Kombination von Züchtung und Genpoolarbeit mit den neuesten Kenntnissen und Methoden der Genomanalyse ermöglicht eine nie gekannte Aussage- und Selektionsgenauigkeit in der Entwicklung merkmalsvererbender Zuchtlinien für die Landwirtschaft. Die Genomanalyse und markergestützte Pflanzenzüchtung eröffnet die Möglichkeit die genetische Diversität im Genpool der Pflanzen nachhaltig nutzen zu können.

Plant and Animal Genome XXVII Tagung vom 12. bis 16. Januar 2019 in San Diego, USA

Blick vom Zuschauersaal auf das Podium
Die Plant and Animal Genome (PAG) ist das weltweit größte internationale Forum für die Genomforschung in Tier und Pflanze. Mehr als 3.000 Wissenschaftler aus Pflanzen- und Tiergenomforschung kommen in über 150 Workshops, an mehr als 1.100 Postern und 1.800 Abstracts zusammen, um die aktuellen Entwicklungen in ihren Forschungsfeldern vorzustellen und zu diskutieren. Darüber hinaus bietet die Wirtschaftsausstellung mit mehr als 130 Ausstellern die Möglichkeit neu entwickelte methodische Ansätze in der Genomforschung auszuloten und zu diskutieren.

Abstracts der Konferenz Externer Link

Ziel des Tagungsbesuches war es, die Ergebnisse zur Blattfleckenresistenz der Gerste im Forschungsprojekt „IdeMoDeResBar“ international zur Diskussion zu stellen, den an der LfL verfolgten Ansatz zu hinterfragen sowie ein methodisches Update für die weitere Projektbearbeitung zu bekommen.
Hintergrund: Der Klimawandel, die berechtigte Sorge um die Umwelt und der Wegfall von Pflanzenschutzwirkstoffen machen es für den Landwirt immer schwieriger seinen Bestand bis zur Ernte krankheitsfrei zu halten. Dazu kommt der wachsende Preisdruck auf landwirtschaftliche Erzeugnisse. Es besteht die Notwendigkeit, Gersten mit verbesserter Resistenz gegen diese Blattfleckenkrankheit zu züchten und zu selektieren - und damit den Landwirten gesunde Sorten anzubieten zu können. Nicht zuletzt der ökologische Anbau profitiert von dieser Form der Resistenzforschung, denn sie ermöglicht die Nutzung biologisch gesunder Sorten im allgemeinen Anbau mit positivem Nutzen für Umwelt und Gesellschaft.
Im zugrundeliegenden Forschungsprojekt werden die Grundsteine für die Resistenzzüchtung zur Blattfleckenkrankheit gelegt und neben dem Zuchtmaterial auch spezielle Methoden der Gendiagnose für die Züchtung gesunder Gersten zur Verfügung gestellt.

Sojatagung 2017 vom 06.12. - 07.12.2017 in Rastatt

Sojabohnenpflanzen mit gutem Hülsenansatz
"Soja im Spannungsfeld von Anbau, Politik und Wirtschaft"
Der Anbau von Sojabohnen hat 2017 mit 18.000 ha bislang seinen höchsten Flächenumfang in Deutschland erreicht. Projekte der LfL bearbeiten und Beschreiben die vorhandenen genetischen Ressourcen der Sojabohne mit regionalem Bezug, unterstützen mit modernsten Markertechniken die Selektion in Züchtungsprogrammen und entwickeln klimatisch angepasstes Soja-Zuchtmaterial der frühen Reifegruppen.

Weitere Tagungsinformationen Externer Link

AG Krankheitsbekämpfung (DPG) und AG Resistenzzüchtung (GPZ) am 04. und 05.12.2017 im Kolpinghaus in Fulda

Fortschritte in der Resistenzzüchtung bei landwirtschaftlichen Kulturpflanzen

Weitere Tagungsinformationen finden Sie unter: Externer Link

17. Münchner Wissenschaftstage vom 25. - 28.11.2017 in der Alten Kongresshalle

kleine Reaktionsgefäße in einem grünen Rack, die DNA-Proben für die Stammbaumanalyse enthalten
Bauer 4.0 - unser täglich Brot
Verantwortungsbewusst erzeugte Lebensmittel aus der Region liegen voll im Trend: Fisch aus Aquakultur, Getreide, Linsen oder Soja.
Unter den Stichworten: „Genetische Diversität – Selektion – Gewebekultur sowie Aquakultur“ erfahren Besucher alles über Pflanzen und Fische.
Angewandte Forschung für jeden erlebbar!
Die Gendiagnose ist eine Schlüsseltechnologie der Pflanzenzüchtung, die für die Beschreibung der alten, wie für die Entwicklung neuer Sorten eine entscheidende Rolle spielt. Beginnend bei Krankheitsresistenz und Klimastress bis hin zu Erntemerkmalen wie Eiweiß-, Brau- und Backqualität werden spezifische DNA-Tests entwickelt und eingesetzt. Mittels Bioinformatik werden die praxisrelevanten Züchtungsdaten verarbeitet und ausgelesen und in strategische Züchtungsprogramme überführt.
Ein Schwerpunkt am Ausstellungsstand wird die genetische Stammbaumerstellung der Sojabohne basierend auf Genbankmaterial sein. Davon abgeleitet werden DNA-Marker gestützte Selektionsschritte für die Verbesserung der Züchtungsprogramme zu Blühgenen und Reifegruppen der Sojabohne gezeigt.

17. Münchner Wissenschaftstage Externer Link

Biotechnologieführungen am Tag der offenen Tür in Freising am 17. September 2017

Besuchen Sie die Gendiagnose- und Gewebekultur-Ausstellung ganztägig oder gemeinsam mit der Führung Moving Fields und RINEG/Zukunftsgewächshaus (11:15, 13:15 und 15:15 Uhr).
Treffpunkt: Gebäude 9, Verbinderhalle OG

Tag der offenen Tür der LfL in Freising, 17. September 2017: Thema "Wasser" im Fokus Externer Link

Gendiagnose in der Züchtungsforschung

Durchsichtige Reaktionsgefäße mit Blattproben.
Sie ist eine Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts und spielt in nahezu allen Bereichen des Alltagslebens eine entscheidende Rolle. Über die Entwicklung spezieller DNA-Marker können bemerkenswerte Selektionsstrategien für vielfältige Züchtungsmerkmale verfolgt werden: Beginnend bei der Keimung und Kühletoleranz, über Blühzeitpunkt und Krankheitsresistenzen bis hin zu Erntemerkmalen wie Eiweiß-, Brau- und Backqualität werden sie eingesetzt. Selbst komplexe Reaktionen von Pflanzen unter extremen Witterungseinflüssen werden experimentell mit den Methoden der Hochdurchsatz-Phänotypisierung, Genexpressionsanalyse, Genomanalyse und Bioinformatik erfasst, analysiert und in entsprechenden Züchtungsprogrammen umgesetzt.

Gewebekultur in der Züchtungsforschung

Gerstenanzucht in Töpfen für die DNA-Isolation
Eine weitere Steigerung stellt die Integration von Gewebekulturtechniken und damit der Aufbau von Kartierungs- und Selektionspopulationen für oben genannte DNA-Markertechniken und Auswertemodulen dar.
Hierbei werden z.B. doppelhaploide Pflanzen eingesetzt. Das sind komplett reinerbige Pflanzen, bei denen alle väterlichen und mütterlichen Gene identisch sind. Solche Pflanzen lassen sich im Gewebekultur-Labor ausschließlich aus männlichen oder weiblichen Keimzellen (Pollenkörner, Eizellen) entwickeln, bzw. regenerieren.

Markerbasierte Sojazüchtung

Steckbrief Soja

Sojabohnen
Sojabohne (Glycine max (L.) Merr.) ist ein Schmetterlingsblütler (Ordnung: Faboidae) innerhalb der Familie der Hüsenfrüchtler (Familie: Fabaceae; Gattung: Glycine)
• Soja ist eine Kurztagspflanze.
• Soja stammt ursprünglich aus der Mandschurei im Nordosten Chinas.
• Erste Sojaanbau datiert auf ungefähr 1100 v.Chr.
• Soja ist die erste Hülsenfrucht deren Genom sequenziert werden konnte (Nature vom 14. Januar 2010, 463, S. 218–222).


Genetik der Soja (Glycine max)

  • 20 Kopplungsgruppen (2n = 2x = 40 Chromosomen)
  • 1,115 x 109 bp (1,1 Gb)
  • Ca. 46.400 Gene (Schmutz et al. 2010)
  • Jahr der Erst-Sequenzierung: 2010
  • Soja-Datenbank: Grant et al. 2010

Markeranalysen für den Blühzeitunkt bei Soja

Lilafarbene Blüte einer Sojapflanze
Die Blütenausbildung bei Soja ist ein sehr komplexes Wechselspiel von Genen und Effektoren die über Tageslänge, Entwicklungszustand, Temperatur und Phytohormone gesteuert werden. Für die Allele der 3 Hauptgene E1, E3 und E4 konnten molekulare Marker entwickelt und Genbank- wie Sortenmaterial untersucht werden.

Markeranalysen für den Blühzeitunkt bei Soja

Stammbaumanalysen von Genbankmaterial bei Soja

Ein Sortiment von 184 Soja-Genbanklinien weltweiter geographischer Herkunft und aus den beschriebenen Reifegruppen MG 0000 bis MG I sowie 66 alte und aktuelle Sojasorten wurde mit dem BARCSoySNP6K Illumina iSelect BeadChip genotypisiert. Mit dieser Analyse wurden mehr als 1,25 Millionen Datenpunkte erhoben, die für die Beschreibung und Charakterisierung der genetischen Diversität des untersuchten Materials herangezogen wurden. Eine Stammbaumanalyse zeigte, dass das aktuelle Sortenmaterial im Vergleich zum untersuchten Genbankmaterial genetisch sehr eng ist. Hinsichtlich des Genbankmaterials lässt sich eine klare Differenzierung zwischen japanischen, chinesischen und europäischen Herkünften ableiten. Ein letztes Cluster bildet Material verschiedener asiatischer Herkünfte wie China, Korea und Japan. Eine eindeutige Gruppierung bezüglich der bekannten Reifegruppen konnte nicht abgeleitet werden. Die BARCSoySNP6K Illumina iSelect BeadChip Analysen stellen eine wertvolle Ressource zur genetischen Charakterisierung des bearbeiteten Soja-Genpools dar, sie sind gleichzeitig Ausgangsbasis für die Bestimmung von Marker- Merkmalskorrelationen.

DNA-Test für Kreuzungsnachweis bei bayerischem Soja an der LfL entwickelt

Markerbasierte Gerstenzüchtung

Seit tausenden von Jahren (~ 7 - 10.000), seit der Mensch sesshaft wurde, hat er die Samen der besten Gerstenpflanzen ausgewählt und aus Wildgerste domestiziert (Salamini 2002, Nat Rev Genet 3: 410-441). Zunächst konnten die besten und schönsten Körner per Gefühl und Auge, später dann über gezielte Messungen selektiert werden.
Im Zeitalter der Gersten-Genomforschung (IBSC – International Barley Sequencing Consortium) kennen wir viele Gene die für die Ausprägung der sicht- und messbaren Merkmale verantwortlich zeichnen. Aber es sind noch lange nicht alle, auch ihre Wechselwirkung und Regulation sind häufig unbekannt oder sehr komplex. Verschiedene Genome von Kulturgersten (Hordeum vulgare) aber auch von Wildgersten (u.a.Hordeum spontaneum) konnten mittlerweile sequenziert (IBCSC 2012; Nature 436:793-800), die Genabfolgen verglichen und die Gene in ihren verschiedenen Variationen (Allele) ihren Chromosomen zugeordnet werdn. Das Gerstengenom ist nahezu zweimal so groß wie das des Menschen.
Heute sind Funktion und Regulation mancher agronomisch relevanter Gerstengene bekannt - andere bedürfen noch der Aufklärung und Umsetzung. Die moderne Pflanzenzüchtung macht sich mittlerweile den Gencode züchtungsrelevanter Gene zu Nutzen. Sie schaut über Zuhilfenahme molekularer Gerstenmarker nach, ob und welche Gene beispielsweise den höheren Kornertrag oder die bessere Brauqualität liefern. Mit Hilfe spezifischer DNA-Marker erleichtert die Gendiagnose die gezielte Selektion dieser Gene in erheblichem Maße, sie wird als „Markerbasierte Pflanzenzüchtung“ oder „Smart Breeding“ bezeichnet.
Viele interessante Gene führen in ihrem Zusammenspiel zu einer verbesserten Resistenz gegen Gerstenschädlinge oder sie erhöhen die Produktqualität, diese Gene können strategisch über eine gezielte und markerunterstützte Pflanzenzüchtung neu kombiniert werden.
Über den gezielten Anbau solch wertvoller und krankheitsresistenter Sorten wird der Landwirt effizient und kostengünstig eine umweltgerechte und nachhaltige Gerstenproduktion leisten können.

Verzeichnis zum Abruf der Gerstendatenbank am Helmholtzzentrum München

Genetik der Gerste (Hordeum vulgare)

  • Chromosomenzahl: 2n=2x=14
  • Genomgröße: 5.1 Gb (Basenpaare)
  • Ca. 32.000 Gene (ca. 2-3% des Genoms)
  • Jahr der Erst-Sequenzierung: 2012

Den Blattflecken der Gerste den Kampf angesagt

Gerstenbestand mit starkem Rhynchosporiumbefall - braune, längliche Flecken
Gesundes Getreide ohne Chemie
Der Klimawandel, die berechtigte Sorge um die Umwelt und der Wegfall von Pflanzenschutzwirkstoffen machen es für den Landwirt immer schwieriger seinen Bestand bis zur Ernte krankheitsfrei zu halten. Dazu kommt der wachsende Preisdruck auf landwirtschaftliche Erzeugnisse. Deshalb haben in Bayern die Forscher der Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL) gemeinsam mit Wissenschaftlern des James-Hutton Instituts (JHI) in Schottland nach den wirksamsten Resistenzgenen der Gerste gegen die weltweit auftretende Blattfleckenkrankheit gesucht - sie sind mehrfach fündig geworden.
Die Ergebnisse zur Beschreibung und Nutzung dieser gersteneigenen Resistenzgene fanden aktuell gleich zweimal Eingang in die internationale Zeitschrift „Theoretical and Applied Genetics“.
In der Dezemberausgabe 2018 (TAG-131-12, Seiten 2513-2528) zeigte die Forschungskooperation am europäischen Sommergersten-Zuchtmaterial, dass die Gerste ein äußerst erfolgreiches Verteidigungskonzept gegen den für die Blattfleckenkrankheit verantwortlichen Pilz Rhynchosporium commune entwickelt hat. Beobachtungen an vielen Standorten und über mehrere Jahre hinweg haben gezeigt, dass nicht weniger als neun Genorte der Gerste für diese Gegenwehr verantwortlich sind. Darunter befinden sich sechs Hauptgene, von denen bereits jedes für sich alleine zu einer gesünderen Gerste führt. An drei dieser Resistenzgene war die LfL maßgeblich mit Aufklärung und Publikation beteiligt, Selektionsmarker und Zuchtmaterial finden damit ihren Eingang in die Züchtung pilzresistenter Sorten.
Anfang Dezember 2018 konnte von der gleichen Forschungsgemeinschaft und damit unter Beteiligung der LfL, die Entdeckung und Beschreibung eines weiteren, neuen Blattflecken-Resistenzgens für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Pilz Rhynchosporium commune eingereicht werden. Es trägt den Namen Rrs18 (Resistenzgen Rhynchosporium Nr. 18). Das Manuskript wurde von den Gutachtern bereits akzeptiert abgerufen werden.
Gerade im Hinblick auf Brauqualität und Ertragsstabilität der Gerste, unter den sich spürbar ändernden Klimabedingungen, wird diese Krankheit zielführend erforscht und in internationalen Kooperationen intensiv bearbeitet. Es besteht die Notwendigkeit Gersten mit verbesserter Resistenz gegen diese Blattfleckenkrankheit zu selektieren und den Landwirten als eine gesunde Sorte anzubieten. Nicht zuletzt der ökologische Anbau profitiert von dieser Form der Resistenzforschung, sie ermöglicht die Nutzung biologisch gesunder Sorten im allgemeinen Anbau mit positivem Nutzen für Umwelt und Gesellschaft.

Rrs18 - Resistenzgen Rhynchosporium Nr. ^18 Externer Link

Markerbasierte Weizenzüchtung

Erste Ergebnisse zur Zuchtwertschätzung beim Weizen

Zuchtwertschätzung Winterweizen 2017 mit Symbol Weizenähre
Vor der Ernte stehen bereits die ersten genomischen Zuchtwerte der aktuellen Stämme aus dem LfL-Weizenzuchtprogramm zur Verfügung. Dadurch können Linien frühzeitig auf Ertrag selektiert und an private Züchter für die gezielte Anpaarung abgegeben werden. Ziel in der Weizenzüchtungsforschung am Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung ist es, die genomische Selektion nachhaltig zu etablieren, um einen schnelleren Zuchtfortschritt zu ermöglichen.

Erste Ergebnisse zur Zuchtwertschätzung beim Weizen

Markerbasierte Lupinenzüchtung

Lupinenpflanze mit weißer Blüte
Die Weiße Lupine (Lupinus albus L.) ist durch ihre sehr gute klimatische Adaption bestens an die vorherrschenden Witterungsbedingungen im mitteleuropäischen Raum angepasst und deshalb in großen Gebieten anbauwürdig. Eine Erhöhung des Leguminosenanteils in der Anbau-Fruchtfolge wird aufgrund ihrer Mobilisierung von Phosphat im Boden insbesondere aber wegen der Luft-Stickstofffixierung aus umwelttechnischen wie landwirtschaftlichen Gründen nachdrücklich gefordert. Ihr Anbau führt zu einer Verbesserung der Bodenstruktur bei gleichzeitiger Einsparung an Düngemitteln – Stichwort „Nitratauswaschung“ – und führt zu einer Verbesserung der Anbaudiversifikation in der Landwirtschaft.
Die Weiße Lupine gilt unter den Süßlupinen als die ertragreichere und zudem die bevorzugte Anbauform in Mittel- und Süddeutschland, sie stellt als zusätzliche Art aus der Gruppe der Leguminosen eine zu fördernde Erweiterungsmöglichkeit für nachhaltige Bewirtschaftungssysteme dar. Die breitblättrige Weiße Lupine beschattet im Vergleich zur Blauen Lupine den Boden besser und beugt damit einer Spätverunkrautung vor. Aufgrund ihrer wesentlich geringeren Wärmebedürftigkeit im Vergleich zur Sojabohne sowie den allgemein geringen Bodenansprüchen, kann die Weiße Lupine auch an ungünstigen Standorten einen entsprechenden Beitrag zur nachhaltigen Eiweißversorgung leisten und die Abhängigkeit von importierten Rohproteinträgern reduzieren. Der Eiweißgehalt variiert je nach Art und Sorte der Lupinen zwischen 34% und 55%, bei einer gleichzeitig sehr hohen Eiweißwertigkeit. Eigenschaften, die eine breitgefächerte Verwertung dieser Körnerleguminose von der Humanernährung bis zum Tierfutter ermöglichen.
Der etablierte Anbau der Weißen Lupine wurde Anfang bis Mitte der 90er Jahre durch das Auftreten der Pilzkrankheit Anthraknose (Erreger: Colletotrichum lupini) jäh gestoppt und kam bis heute zum Erliegen, Ernteausfällen von bis zu 100% sind möglich. Die Anbaufläche von Lupine-Arten in Deutschland liegt 2019 bei ca. 21tsd Hektar (Stat. Bundesamt 2019). Dabei ist der Anteil der Weißen Lupine sehr gering (unter 4%). Ein Anbau der Weißen Lupine ohne entsprechende Anthraknosetoleranz ist sowohl für die konventionell als auch ökologisch bewirtschaftende Landwirtschaft ein untragbares Risiko. Der unten vorgestellte Forschungsantrag LUPISMART soll einen entscheidenden Beitrag zur Verbesserung der Anthraknosetoleranz und damit zur Wiedereinführung des Anbaus der Weißen Lupine beitragen.