Forschungs- und Innovationsprojekt
Genetische Analyse der Trockenstresstoleranz bei Deutschem Weidelgras - DRYeGRASS

Versuchsanlage der Trockenstressprüfung mit einzelnen Grasparzellen

Genetische Analyse der Trockenstresstoleranz bei Deutschem Weidelgras (Lolium perenne) mittels phänologischer, physiologischer und molekularer Differenzierungsmethoden

Ziel des Projektes ist es, einen Beitrag zur Aufklärung der Vererbungsstruktur des komplexen Merkmals temporäre Trockentoleranz bei Deutschem Weidelgras (wie sie z.B. in Bayern heute schon während der Vorsommertrockenheit in Franken auftritt) zu leisten. Dabei bleibt auch künftig für Standorte mit für Deutschen Weidelgras grundsätzlich zu geringer Wasserversorgung (permanenten Trockenstress) weiterhin der Wechsel zu anderen Gräserarten – mit im Regelfall geringerem Futterwert – notwendig.
Mit innovativen, molekular basierten Züchtungsmethoden soll die Züchtung von Deutschen Weidelgrassorten unterstützt werden, die unter den sich ändernden Umwelt- und Klimabedingungen zum einen eine gute Anpassungsfähigkeit im Hinblick auf Trockenheit zeigen bzw. durch eine erhöhte Wassernutzungseffizienz pro gegebener Einheit Wasser mehr Biomasse bilden können als die aktuellen Sorten. Auf diese Weise kann es gelingen, Erträge und Qualitäten in der Produktion von Grundfutter und damit einer der wichtigsten heimischen Eiweißquellen auch in Zukunft zu sichern. Mit Hilfe innovativer, moderner Methoden der Pflanzenzüchtung, wie der Aufdeckung von Quantitative Trait Loci (QTL) oder den Methoden der genomischen Selektion und des Metabolitenprofilings, können die gesteckten Zuchtziele effizienter erreicht werden, als durch klassische Auslesezüchtung.

Zielsetzung

  • Evaluierung von für das Merkmal "Trockentoleranz" spaltenden Kreuzungspopulationen unter kontrollierten (Rain-out Shelter, Gewächshaus) und natürlichen Trockenstressbedingungen mit verschiedenen vorgeprüften phänologischen und physiologischen Selektionsmerkmalen.
  • Genotypisierung der spaltenden Populationen mit einem anhand der Kreuzungseltern vorselektiertem Sortiment an DNA-Markern.
  • QTL-Analyse zur Aufklärung der Vererbungsstruktur des Merkmals "Trockentoleranz" mit dem Ziel einer effizienteren Selektion auf dieses Merkmal.
  • Erstellung von ausgewählten tetraploiden Populationen aus colchizinierten Eltern-Klonen (Ausgangsmaterial der spaltenden Kreuzungspopulationen), die in Zukunft ermöglichen sollen, die Übertragbarkeit von Ergebnissen zur Trockentoleranz aus genetisch leichter zu untersuchenden diploiden Individuen auf die bei der Neuzüchtung von Sorten häufig verwendeten Tetraploiden abzuschätzen und genetische Effekte von allgemeinen Ploidieeffekten trennen zu können.
  • Etablierung einer NMR-Plattform als neues Werkzeug zur Hochdurchsatzphänotypisierung (Inhaltsstoffprofil) und Selektion auf Basis von Stoffwechselprofilen (Metabolomics).

Ausgangssituation

Erster Schritt - Phänotyping und Populationsscreening

Deutliche Unterschiede im Gewächshaus von trockenstresstoleranten Pflanzen (noch grün) zu anfälligen, vertrockneten Pflanzen
Dieser Themenkomplex konnte mit dem Projekt „Klimawandel Lolium“ mit dem Langtitel „Erfassung der genetischen Diversität für das Merkmal „Trockenstresstoleranz“ bei Deutschem Weidelgras als Basis zur Entwicklung molekulargestützter Selektionsverfahren und klimaangepasster Neuzüchtungen“ abgearbeitet werden.

Erfassung der genetischen Diversität für das Merkmal "Trockenstresstoleranz" bei Deutschem Weidelgras als Basis zur Entwicklung molekulargestützter Selektionsvefahren und klimaangepasster Neuzüchtungen

Logo der Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung und des Projektträgers Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung
Die Förderung des Vorhabens erfolgte aus Mitteln des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages. Die Projektträgerschaft erfolgte über die Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE) im Rahmen des Programms zur Innovationsförderung.
Die in diesem Rahmen durchgeführten Untersuchungen an 200 Sorten und Genbank-Akzessionen im Freiland und einer Selektion von 50 Sorten und Akzessionen daraus in einer semi-kontrollierten Umwelt eines Rain-out-Shelters zeigten eine große genetische Variation für das Merkmal Trockentoleranz in Deutschem Weidelgras auf.
Geeignete sekundäre Selektionsmerkmale – wie z.B. „Massebildung nach Trockenstress“ - konnten identifiziert werden und stehen für das aktuelle Projekt zur Verfügung. Außerdem konnten vier trockenheitstolerante und zwei trockensanfällige, diploide Lolium-Klone selektiert werden.

Zweiter Schritt - Erstellung von Kreuzungspopulationen und Prüfung von Biomarkern und genetischen Markern

Gewächshausbepflanzung mit ausgewählten Weidelgras-Kreuzungseltern nach erstem Trockenstress
In einem vom Bayerischen Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten finanzierten Projekt „Klimawandel Lolium II“ mit dem Langtitel „Entwicklung molekulargestützter Selektionsverfahren für Trockentoleranz in Deutschem Weidelgras“ wurden die sechs Eltern diallel verkreuzt und damit spaltende Kreuzungspopulationen aufgebaut. Die Nachkommenschaften wie auch die Eltern wurden verklont, so dass zu Projektbeginn vom DRYeGRASS ausreichend F1-Pflanzen für die geplanten Untersuchungen an den Rain-out Shelterstandorten, sowie zur Produktion von F2-Familien zur Verfügung standen. Auch wurde begonnen die selektierten Eltern-Klone zu polyploidisieren, um Ausgangsmaterial für die Erstellung von direkt korrespondierenden spaltenden tetraploiden Populationen zu schaffen.

Entwicklung molekurargestützter Selektionsverfahren für Trockentoleranz in Deutschem Weidelgras

Kreuzen von Weidelgras - entfernen der Staubbeutel
Im Projekt „Klimawandel Lolium“ konnten geeignete Merkmale zur Selektion auf Trockentoleranz identifiziert werden, die in diesem Projekt für die Phänotypisierung der Kreuzungspopulationen in Feld- und Rain-out Shelterversuchen eingesetzt werden können. Als vielversprechendster Mechanismus der Toleranz gegen temporären Trockenstress, wie er in den Zukunftsszenarien der Klimaforschung prognostiziert wird, konnte die Ausdauerfähigkeit der Pflanzen bei Wassermangel, bzw. ein rascher Wiederaustrieb nach Beendigung des Stresses identifiziert werden. Gleichzeitig konnten wertvolle Erkenntnisse zur Kulturführung und zum Induzieren von Trockenstress bei Deutschem Weidelgras unter kontrollierten Rain-out Shelterbedingungen gewonnen werden.
Etablierungsarbeiten zur NMR-Spektroskopie von Metaboliten an Deutschem Weidelgras wurden von der Firma numares zusammen mit Saatzucht Steinach im Rahmen des Forschungsverbundes ReTroLo (gefördert von BMEL FKZ: 2814500810) durchgeführt. Erste Ergebnisse in der Entwicklung von Biomarkern für Trockentoleranz waren vielversprechend. Das Ziel ist, Metabolite zu identifizieren, die bei einer Erfassung unter optimalen Wachstumsbedingungen eine Vorhersage des Verhaltens unter Trockenstress ermöglichen.
Eine Pilotstudie an den Eltern der für dieses Projekt geplanten Populationen war ebenfalls erfolgreich und erlaubte eine Trennung der als anfällig und tolerant klassifizierten Klone.
Im Rahmen vondes Projekts "Klimawandel Lolium II" wurden die Kreuzungseltern mit einer Kollektion an SNP-Markern genotypisiert und anhand der Ergebnisse ein informatives Sortiment an SNP-Markern selektiert, mit denen die Genotypisierung der Kreuzungspopulationen in DRYeGRASS erfolgen soll.

Dritter Schritt: DRYeGRASS - Pheno- und Genotypisierung der Kreuzungspopulationen sowie Identifikation von Biomarkern (NMR)

Aufbauend auf die geleisteten Arbeiten in den Vorgängerprojekten soll nun, basierend auf dem umfangreichem und somit statistisch signifikantem, sowie sehr gut charakterisiertem Probenmaterial die Etablierung von NMR-basierten Selektionstools vorangetrieben werden und der Schritt von der reinen Forschungsarbeit zur Routineanwendung vorbereitet werden. Dies würde die Selektion unabhängig vom unregelmäßigen Auftreten von Trockenstress im Feld ermöglichen.

Projektablauf

Übersicht der einzelnen Arbeitsschritte im Projekt

Logo der Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung und des Projektträgers Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung
Projektinformation
Projektleitung und -bearbeitung: Dr. S. Hartmann, Dr. P. Westermeier
Projektlaufzeit: 01.09.2016 - 31.08.2019
Finanzierung: Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung
Förderkennzeichen: 2818208615