Forschungs- und Innovationsprojekt
Züchterische Optimierung der Aminosäurezusammensetzung von Wintergerste

Wintergerstenparzellen auf dem Feld

Verbesserung der Proteinverwertung in der Schweinemast durch züchterische Optimierung der Aminosäurezusammensetzung von Wintergerste

Ziel dieses Projektes ist es, züchterisch zu einer verbesserten Aminosäurezusammensetzung von Wintergerste beizutragen und somit langfristig die Nährstoffeffizienz in der Schweinehaltung zu erhöhen.
Im Pariser Abkommen zum Klimaschutz hat sich die europäische Politik das Begrenzen der globalen Erwärmung zum Ziel gesetzt. Ein wichtiger Punkt zum Erreichen dieses Klimaschutzziels ist der Abbau von den Stickstoffüberschüssen in der Landwirtschaft. Eine mögliche Maßnahme zum Schließen von den Nährstoffkreisläufen in der landwirtschaftlichen Tierhaltung ist die bedarfsgerechte Versorgung der Tiere.

Leitfaden

Wintergerste wird in Bayern fast vollständig über die Tierproduktion veredelt. In den schweinehaltenden Betrieben stellt die Wintergerste bei der Erzeugung von Ferkeln sowie in der Schweinemast einen bedeutenden Anteil der Schweinerationen dar. Im Bereich der tragenden Sauen ist die Wintergerste sogar häufig die wichtigste Futterkomponente überhaupt. Außerdem erfolgt über die Wintergerste eine merkliche Versorgung der Tiere mit Rohfaser.

Eine Optimierung der Futterrationen in Bezug auf die Aminosäurezusammensetzung und eine Reduktion der Rohproteingehalte der Rationen in der Schweinehaltung hat potenziell viele Vorteile:

  • die Reduktion von teuren oder importierten Eiweißfuttermitteln
  • die Reduktion der renalen Ausscheidung des überschüssigen Proteins und damit der Stoffwechselbelastung und des Energiebedarfes der Tiere
Die bedarfsgerechte Versorgung der Tiere hat somit das Potenzial, die Schweinehaltung nachhaltiger, kosteneffizienter sowie tier- und umweltschonender zu gestalten.
Genaue Informationen über die Aminosäurequalität und -konzentration unterschiedlicher Wintergerstensorten liegen wegen bisherigen produktionstechnischen Anforderungen kaum vor. In den letzten Jahren wurden im Bereich der Analytik von Aminosäuren jedoch große Fortschritte gemacht. Dies hat sich unter anderem in reduzierten Untersuchungskosten sowie einer kürzeren Probenlaufzeit bemerkbar gemacht, so dass es mittlerweile möglich ist, ein größeres Sortiment von Wintergersten auf ihren Gehalt an Aminosäuren zu untersuchen.

Methode

Im Projekt werden zunächst Proben der bayerischen Landessortenversuche aus der Ernte 2017 auf die Aminosäurezusammensetzung untersucht, um festzustellen, wie groß der Sorteneinfluss auf dieses Merkmal ist.
Demnächst wird ein genetisch diverses Sortiment zusammengestellt, welches sowohl moderne Wintergerstensorten aus den bayerischen Landessortenversuchen 2017, als auch alte deutsche Wintergerstensorten und exotische Genotypen aus anderen Ländern umfasst.
Das Wintergerstensortiment wird auf den Gehalt an Aminosäuren untersucht. Zur Aufklärung des genetischen Hintergrundes der Aminosäurezusammensetzung der Wintergerste wird das Sortiment zusätzlich mit einem Hochdurchsatz-SNP-Markersystem untersucht.
Der sortenspezifische Zusammenhang zwischen Stickstoff-Düngung, Wurzelmasse, Nährstoffaufnahme und Aminosäurezusammensetzung wird mittels eines Gewächshausversuchs und eines Freilandversuchs in den Jahren 2019 und 2020 untersucht.
Im Gewächshaus wird das komplette Sortiment (verteilt über beide Jahre) bei unterschiedlichen Stickstoff-Düngungsstufen angebaut und phänotypisiert. Mithilfe der "Moving Fields"-Anlage der LfL wird der Einfluss der Stickstoff-Düngung auf die Ertragsmerkmale des Sortiments sowie das sortenspezifische Wachstum von Sprossen und Wurzeln äußerst genau erfasst.
Die "Moving Fields"-Anlage
Das in ein Gewächshaus eingebaute Förderbandsystem (links) ermöglicht es, 390 kleine Pflanzenbestände automatisch durch ein Gewächshaus zu Messstationen (Mitte) und Beobachtungskammern (rechts) zu transportieren.
Im Freiland wird das Sortiment in den beiden Jahren an den Versuchsstellen in Straßmoos und Neuhof in einem Parzellenversuch mit zwei repräsentativen N-Stufen angebaut. Dieser Freilandversuch dient dazu, die Ertragsdaten aus den Gewächshausversuchen unter Praxisbedingungen zu validieren. Zusätzlich wird an den Freilandproben die Aminosäurezusammensetzung des Rohproteins im Korn untersucht.
Die Ergebnisse werden zeitnah den mit der LfL kooperierenden bayerischen Pflanzenzüchtern zugänglich gemacht und können so gezielt und schnell in die Entwicklung neuer Sorten einfließen.

Aktueller Stand

Proben der bayerischen Landessortenversuche aus der Ernte 2017 wurden auf die Aminosäurezusammensetzung untersucht. Die statistische Analyse der Daten zeigte starke Variationen zwischen den Orten für verschiedene Qualitätsparameter wie den Proteingehalt, die Konzentration von essentiellen Aminosäuren (z.B. Lysin, Methionin/Cystein) und den Phosphorgehalt. Es ergaben sich negative Korrelationen zwischen dem Proteingehalt und den Aminosäurekonzentrationen, ein Zusammenhang zwischen dem Phosphorgehalt und der Eiweißqualität wurde dagegen nicht beobachtet. Die Sorten aus den Landessortenversuchen der Ernte 2017 variierten für interessante Merkmale wie z.B. für die Lysinkonzentration, allerdings waren die Unterschiede zwischen den Sorten oftmals recht gering und nicht immer statistisch signifikant. Dennoch war es möglich einige Sorten zu identifizieren, die bzgl. mehrerer Merkmale im gewünschten Bereich lagen.
Auswahl und Herkunft der Sorten
Für den Anbau im ersten Jahr im Gewächshaus und im Freiland wurden insgesamt 50 Wintergerstensorten ausgewählt; je 25 zwei- und mehrzeilige Sorten. Um die genetische Diversität zu erhöhen, wurde bei der Selektion zusätzlich auf das Jahr der Zulassung, den Züchter und die Herkunft geachtet. Zwei selektierte Sorten stammen aus den 20-er Jahren des letzten Jahrhunderts (1921 und 1929), sonst sind aus allen Jahrzehnten seit 1960 Sorten vertreten. Insgesamt sind 26 Zuchthäuser repräsentiert. Die Mehrzahl der Sorten stammt aus Deutschland, in das Sortiment wurden aber auch Sorten aus Österreich, Frankreich, Großbritannien und Dänemark aufgenommen.
Prüfumfang und -verfahren
Das erste Versuchsjahr im Gewächshaus und im Freiland wurde erfolgreich abgeschlossen. In der „Moving Fields“-Anlage wurde im ersten Jahr ein Versuch mit 43 Sorten unter drei N-Stufen mit jeweils drei Wiederholungen angelegt. Es wurden verschiedene agronomische Merkmale (Korngewicht, Tausendkorngewicht, Vollgerstenanteil) erfasst und bereits ausgewertet. In Abhängigkeit des betrachteten Merkmals ergaben sich deutliche Behandlungs- und/oder Sorteneffekte. Über die Eiweißqualität sowie den Phosphorgehalt im Korn können zum jetzigen Zeitpunkt keine Aussagen getroffen werden, da die Analyse noch läuft. Die Bildauswertung zur Erfassung der ober- und unterirdischen Wachstumsdynamik ist in Bearbeitung.
Der erste Freilandversuch an den Versuchsstellen in Straßmoos und Neuhof in der Saison 2018/19 wurde planmäßig durchgeführt. Angebaut wurden 50 Wintergerstensorten im Parzellenmaßstab unter zwei repräsentativen N-Stufen mit jeweils zwei Wiederholungen. Wie auch beim Gewächshausversuch stehen hier vor allem die Eiweißqualität sowie der Phosphorgehalt bei verschiedenen Sorten und/oder Behandlungen im Zentrum des Interesses. Zusätzlich ermöglichte der Anbau in großen Versuchsparzellen (10 m2) eine verlässliche Ertragsabschätzung. Die Kornproben werden im Moment im Labor auf ihre Aminosäurezusammensetzung untersucht.
Im Rahmen des Projektes wird außerdem eine genetische Assoziationsstudie (GWAS) durchgeführt, die interessante Marker-Merkmals-Assoziationen aufdecken soll. Die so identifizierten Marker könnten in der markergestützten Selektion eingesetzt werden und den Züchtungsprozess im Hinblick auf die gewünschte Aminosäure-Zusammensetzung beschleunigen.
Der zweite Freilandversuch an den Versuchsstellen in Straßmoos und Neuhof wurde Ende September 2019 angebaut. Im Januar 2020 startet die Vorbereitung des zweiten Gewächshausversuches.
Abstract in English
Goal of this project is to provide genotypes and genetic markers that enable for the selective breeding of winter barley with an amino acid composition apt for a more efficient usage of nutrients by pig livestock. Winter barley is one of the main crops used to feed pigs and an improved composition of amino acids holds the potential to cut down costs, benefit the environment and improve animal welfare simultaneously. The amino acid composition of modern cultivars will be analyzed to examine the extent to which this trait varies genetically and an attempt will be made to find markers for this trait using high-throughput SNP genotyping. The genotype-specific relationship between nitrogen-fertilization, root biomass, nutrient uptake and amino acid composition will be studied for a collection of 80 selected cultivars, both under greenhouse conditions as well as field conditions. In the greenhouse, the ‘Moving Fields’ high-throughput-phenotyping facility of the LfL will be used to determine with a high level of precision effects of nitrogen-fertilization on harvest traits as well as the growth dynamics of both roots and shoots. In the field, the same selection of cultivars will be grown at different levels of nitrogen-fertilization to validate findings from the greenhouse at conditions more similar to actual farming. Phenotypic data from both experiments will be used to verify previously found markers through genetic association mapping.
Projektinformation
Projektleitung: Dr. M. Herz (Züchtungsforschung Winter- und Sommergerste / IPZ 2b)
Projektbearbeitung: Dr. W.K. Vahl (IPZ 2b), Dr. J Groth (IPZ 2b)
Genehmigte Laufzeit: Juli 2018 – 2022
Projektpartner: Dr. S. Schneider (Tierernährung, ITE 2b)
Dr. G. Schweizer (Genomanalyse, Genquellen und molekulare Pflanzenzüchtung / IPZ 1b)
Finanzierung: Bayerisches Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten
Fördernummer: A/18/10

Kontakt
Am Gereuth 8
85354 Freising
Tel.: 08161 71-3629
Fax: 08161 71-4085
E-Mail: Pflanzenbau@LfL.bayern.de