Innovations- und Forschungsprojekt
LUPISMART – Weiße Lupine von der Nische in die Praxis

Der Anbau der Weißen Lupine ist im letzten Jahrzehnt nahezu zum Erliegen gekommen. Auslöser war und ist die Anthraknose, eine durch den Pilz Colletotrichum lupini ausgelöste Pflanzenkrankheit. Bei Befall dringt der Erreger in die Leitgefäße der Lupinen ein und unterbricht deren Nährstoffversorgung, so dass die Triebe sich eindrehen und absterben. Die Folgen sind extreme Ernteverluste bis hin zum totalen Ertragsausfall. Die Züchtung anthraknosetoleranter Sorten ist damit von zentraler Bedeutung für eine Wiederaufnahme des Lupinenanbaus.

Ziel des Forschungsprojektes LUPISMART ist es, der Weißen Lupine im ökologischen wie konventionellen Anbau durch die Bereitstellung anthraknose­toleranter Linien zu einem Durchbruch zu verhelfen. Im Mittelpunkt des Verbundprojekts stehen umfangreiche Toleranzprüfungen im Feld und Gewächshaus. Es werden phänotypische und genotypische Charakterisierungen ausgewählter Genbankakzessionen, Stämme und Sorten für die Selektion anthraknosetoleranter Lupinen herangezogen und auch die Futterqualitätsmerkmale (Proteingehalt, Eiweißmuster, Süße) der Lupine berücksichtigt. Über einen Smart-breeding-Ansatz werden molekulargenetische DNA-Marker für Stammbaumanalysen, die Kartierung der Merkmale und die Etablierung markergestützter Kreuzungspläne bei Lupine entwickelt.

Im Projekt LUPISMART der Verbundpartner LfL Freising, LfL Ruhstorf, LL Triesdorf und JKI Groß Lüsewitz wird ein umfangreiches Sortiment Weißer Lupinen, bestehend aus Sorten (n=15), Zuchtstämmen (n=75) und Genbankakzessionen (n=160) in mehrortigen Feldversuchen (Freising, Ruhstorf, Triesdorf, Groß Lüsewitz) und im Gewächshaus auf Anthraknosetoleranz und tierfutterrelevante Qualitätsparameter geprüft. Die besten Lupinen werden den Züchtern als PreBreeding-Material zur Verfügung gestellt. Aktuelle Genotypisierungsmethoden sollen mehrere tausend genomweite SNPs identifizieren. Über eine genomweite Assoziationsstudie werden molekulare DNA Marker detektiert, die signifikant mit Anthraknosetoleranz sowie agronomischen Merkmalen korreliert sind und die Züchtung anthraknose-toleranter Weißer Lupinen über eine markergestützte Selektion erlauben. Markerbasierte Stammbaumanalysen beschreiben die verfügbare und nutzbare genetische Diversität in der Weißen Lupine.
Das Projekt Lupismart wird der Weißen Lupine über die Bereitstellung von Selektionsmarkern und ausgewähltem Zuchtmaterial zu einer Renaissance im Anbau heimischer Eiweißpflanzen verhelfen.

Im Forschungsprojekt LUPISMART konnte an der LfL ein umfassendes weiße Lupine Sortiment, das LUW-Panel (LUW = LUpineWeiß), bestehend aus Genbankakzessionen, Zuchtstämmen und Sorten aufgebaut werden. Die 255 Lupinenakzessionen wurden in wiederholten Resistenzprüfungen (2 Jahre, je 4 Standorte) auf die Vererbung einer Anthraknoseresistenz im Feld und selektiv im Gewächshaus überprüft. Zur weiteren phänotypischen Beschreibung, insbesondere für die züchterische und wirtschaftliche Nutzung der genetischen Ressource, wurde eine Bestimmung agronomischer und tierfutterrelevanter Qualitätsparameter durchgeführt. Aktuelle Methoden, wie GBS (Genotyping by Sequencing), SeqSNP targeted GBS und BiomarkX (Standard BioTools) Genotypisierung, sowie die unmittelbare Einbindung des aktuell publizierten Referenzgenoms zur Weißen Lupine (Hufnagel et al. 2020) führten zur Identifizierung von 24.576 genomweiten SNPs im LUW-Panel, die für die Durchführung einer Stammbaumanalyse und genomweiten Assoziationsstudie (GWAS) herangezogen wurden. Das LUW-Panel mit den umfangreichen erhobenen phänotypischen und genotypischen Daten stellt eine wertvolle Ressource für die weitere wissenschaftliche Bearbeitung der Kulturart "Weiße Lupine" dar.

Die im Forschungsprojekt von Frau Dr. Schwertfirm durchgeführte genomweite Assoziationsstudie (GWAS) führte zu relevanten Marker-Merkmals-Assoziationen für die Merkmale Anthraknoseresistenz, Alkaloidarmut im Samen und Proteingehalt im Samen. Auf den Chromosomen Lalb_Chr04, Lalb_Chr21 und Lalb_Chr24 wurden für das Entwicklungsstadium BBCH63 (75 % Blüte) und auf den Chromosomen Lalb_Chr10 und Lalb_Chr19 für das Entwicklungsstadium BBCH77 (erste Hülsen) hochsignifikante Marker-Merkmalsassoziationen für das Merkmal Anthraknosetoleranz nachgewiesen. In der Summe waren je nach Umwelt und Entwicklungsstadium bis zu 23 Loci auf 17 Chromosomen an der Resistenzantwort der Weißen Lupine gegen Anthraknose beteiligt. Ein Majorgen wie bei blauer und gelber Lupine beschrieben, konnte bei der Weißen Lupine bislang nicht gefunden werden. Im untersuchten Genpool Weiße Lupine konnten jedoch unbekannte und züchtungsrelevante pflanzengenetische Ressourcen als PreBreeding-Material mit gleichwertiger Anthraknoseresistenz wie bei den Sorten Celina und Frieda identifiziert werden, die zeitnah in das Züchtungsprogramm Weiße Lupine an der LfL integriert werden.

Für den mit NIRs bestimmten Alkaloidgehalt im Samen konnten bei der Untersuchung von 166 Akzessionen der in der Literatur beschriebene pauper-Locus auf Lalb_Chr18 bestätigt und zwei weitere, neue Loci für Alkaloidarmut auf Lalb_Chr14 und Lalb_Chr16 bestimmt werden. Hinsichtlich des Proteingehalts im Samen konnten erstmalig signifikant assoziierte SNP-Marker für dieses Merkmal bei weißer Lupine identifiziert werden.

Die Transformation der Markeranwendung für die Praxis erfolgt über einen an der LfL entwickelten BiomarkX-Genotypisierungsarray mit der gezielten Zusammenstellung von 96 SNP-Markern für alle drei analysierten Merkmale. Dieser Genotypisierungsarray ermöglicht die Realisierung der Marker-gestützten Selektion bei weißer Lupine in Bezug auf die wichtigsten züchtungsrelevanten Merkmale Anthraknoseresistenz, Alkaloid- und Proteingehalt im Samen.

Autoren: Schwertfirm, G., Schneider, M., Haase, F., Riedel, C., Lazzaro, M., Ruge-Wehling, B. und Schweizer, G.: