Innovations- und Forschungsprojekt
Von Südostasien nach Bayern: Soja heimisch machen

gelbe und schwarze Sojabohnen

Verbesserung der heimischen Soja: Entwicklung und Etablierung markergestützter Kreuzungspläne zur merkmalsbezogenen, gezielten Kombination von Genbankmaterial und hochwertigem Zuchtmaterial anderer geografischer Herkünfte.

Im Rahmen der Eiweißinitiative Bayerns und der Biodiversitätsstrategie wurde an der Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL) seit 2014 ein umfangreiches Sortiment von Genbankakzessionen aus Deutschland, der Schweiz, Frankreich, Osteuropa, Kanada, China, Korea und Japan angebaut und erstmalig genotypisch und phänotypisch unter heimischen Anbaubedingungen umfassend bewertet. Stammbaumanalysen basierend auf mehreren tausend DNA-Markern haben gezeigt, dass die derzeit im Praxisanbau befindlichen Sojasorten zwar gute Ertragsleistungen haben, genetisch jedoch wenig Variation zeigen. Demgegenüber steht eine große vorhandene genetische Diversität im geprüften Genbankmaterial – dieses zwar mit geringerem Ertragsniveau, aber einem großen Potential für die Verbesserung wesentlicher Merkmale. Das Genbankmaterial bietet damit gute Möglichkeiten zur gezielten Erweiterung des Sortengenpools im Hinblick auf eine bessere Anpassung der Sojapflanzen an heimische Anbaubedingungen. Mit der Etablierung markerbasierter Kreuzungspläne kann mittels Präzisionszucht (SMART breeding) diese enge genetische Fixierung gezielt aufgebrochen und neues Pre-breeding Material für die bayerische Sojazüchtung bereitgestellt werden.

Ausgangssituation

Der Anbau von Soja beginnt mit der Aussaat im April/Mai und endet mit der Ernte reifer brauner Hülsen im September/Oktober. Unter süddeutschen Klimabedingungen ist es für die aus Südostasien stammende Soja schwer, rechtzeitig vor dem Winter reife Hülsen zu produzieren. International existieren bei Soja 13 Reifegruppen MG 000 (sehr frühreif) bis MG X (tropisch), von denen aufgrund der erforderlichen rechtzeitigen Abreife nur die frühen Reifegruppen MG 000 bis MG 00 für Bayern relevant sind. Sojapflanzen dieser Reifegruppen sind in der Lage in der heimischen Vegetationsperiode reife Sojasamen zu liefern. Allerdings finden diese frühen Reifegruppen in der internationalen Forschung bislang nur wenig Berücksichtigung, obgleich die Bedeutung aufgrund ihrer begünstigten Abreife bei Sommertrockenheit auf breiter Ebene zunimmt.

Forschungsziel

Ziel des Vorhabens ist die phänotypische und genotypische Charakterisierung ausgewählter Genbankakzessionen und Sorten für die Entwicklung molekulargenetischer DNA-Marker (Assoziationsstudie) zur Etablierung markergestützter Kreuzungspläne (SMART breeding) bei Soja. Im Mittelpunkt stehen Untersuchungen im Feld und im Labor für die zentralen Merkmale Blühzeitpunkt, Reife, Terminierung und Kühletoleranz sowie Qualitätsparameter im Sojasamen (Aminosäurezusammensetzung, Protein- und Ölgehalt).

Die natürliche Vielfalt in Feld und Labor aufzeigen

Eine Auswahl von 117 Genbankakzessionen und Sorten wurde als Materialset zusammengestellt und wird in Feldversuchen an verschiedenen bayerischen Standorten phänotypisch beschrieben. Dazu werden Daten für die Merkmale Blühzeitpunkt, Blütenfarbe, Terminierung und Reifezeitpunkt erhoben.
Im Besonderen wird mittels eines Klimakammerversuchs ein indirektes Merkmal zur Erfassung und Bewertung der Kühletoleranz etabliert. Hierzu wird der Einfluss von Kühlestress im Keimlings- und Sämlingsstadium unter kontrollierten Bedingungen in der Klimakammer untersucht. Für die Bestimmung der Aminosäurezusammensetzung sowie des Protein- und Ölgehalts werden NIRS-Messungen im LKV in Grub durchgeführt. Im DNA-Labor werden mittels moderner, molekulargenetischer Methoden i) Kandidatengene für die oben genannten Merkmale im Materialset resequenziert, um natürlich vorkommende DNA Varianten (Polymorphismen) aufzudecken, ii) in internationalen Publikationen beschriebene Polymorphismen auf ihre Diversität im Materialset untersucht und iii) mittels illumina® Genotypisierung genomweite Daten zu Einzelnukleotidpolymorphismen (single nucleotide polymorphism = SNP) erhoben.

Verknüpfung von Feld und Labor - Entwicklung von Selektionsmarkern

Sämtliche phänotypische und molekulargenetische Daten werden einer genomweiten Assoziationsstudie zugeführt, um eine Polymorphismus-Merkmal-Wechselwirkung zu prüfen. Finden sich statistisch signifikante DNA Polymorphismen, die einen putativen Einfluss auf ein oder mehrere geprüfte Merkmale haben, werden diese als umweltunabhängige molekulare Marker für die Selektion von Kreuzungspartnern in Züchtungsprogrammen herangezogen.

Vom Labor aufs Feld: Entwicklung SNP-basierter Selektionschips

Für die praxisorientierte Umsetzung der entwickelten molekularen Marker werden SNP-basierte Selektionschips zusammengestellt, die auf der Fluidigm EP1™ Plattform zur Genotypisierung genutzt werden. Hierfür werden mehrere SNP-Marker mit signifikanter Assoziation zu den Zuchtmerkmalen Blühzeitpunkt, Reife, Terminierung, Kühletoleranz, Aminosäurezusammensetzung sowie Protein- und Fettgehalt für Selektionsprogramme ausgewählt. Erste Selektionschips zur Kontrolle erfolgreicher Kreuzungen, Aufklärung von Saatgutvermischung und Auswahl frühreifer Sojaakzessionen wurden bereits erfolgreich entwickelt. Mit der Fluidigm-Nanofluidtechnik wurde eine schnelle, kostengünstige und praxisnahe Genotypisierungsplattform im Genomanalyselabor an der LfL etabliert. Mit Hilfe entwickelter Selektionschips für die Fluidigmplattform können zukünftige Kreuzungsprogramme in der Sojazüchtung markergestützt begleitet und beschleunigt werden.

Projektstatus

Basierend auf den bisher gewonnenen Erkenntnissen wurden erste Kreuzungen zwischen merkmalstragenden Genbankakzessionen und ertragsstabilen Sorten durchgeführt, um Genotypen mit verbesserter Anpassung an das süddeutsche Klima zu identifizieren. Das Ziel aller Arbeiten ist die Bereitstellung von neuem Pre-breeding Material mit erhöhter Klimatoleranz und verbesserten Eigenschaften für die bayerische Sojazüchtung hinsichtlich Ertragsstabilität und Qualität.
Übersichtsgrafik der Projektarbeiten zu Soja an der LfL

Übersicht der Projektarbeiten

Noch unreife Sojaschote auf dem Geld im Gegenlicht

Soja im Feld

Petrischalen in Kühlkammer, mit unterschiedlichen Sojaakzessionen die einem Kühlestress ausgesetzt sind.

Kühletest

Grafik: Etablierung von Selektionschips für die Genotypisierung mittels der Fludigm EP1 TM

Etablierung von Selektionschips

Projektinformation
Projektleitung: Dr. G. Schweizer, Dr. B. Büttner
Projektbearbeitung: Dr. G. Schwertfirm
Kooperationspartener: LfL, Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung, Pflanzenbausysteme und Züchtungsforschung bei Mais
Projektlaufzeit: 01.09.2017 - 31.08.2020
Finanzierung: Bayerisches Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten
Förderkennzeichen: E/17/01