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Complex study and physical mapping of genes in hexaploid wheat, responsible for embryo development of wheat-rye hybrids via interaction with rye genome

One of the reproductive barriers that can isolate species is embryo lethality which is due to disfunctional interaction between parental genomes. Embryo lethality obtained in crosses of hexaploid wheat with diploid rye is the result of complement interaction between the two genes/alleles Eml-A1 and Eml-R1b from wheat and rye, respectively. In addition, the 1D wheat chromosome carries unknown genetic factor(s) which have strong effect on the viability of wheat-rye hybrid seeds. The goals of the project are: (I) physical mapping and studying dosage effect of Eml-A1 gene (II) development of a method for overcoming embryo lethality in wheat-rye hybrids and (III) physical mapping and cytological study of chromosome 1D wheat gene(s) essential for seed development in wheat rye hybrids. The development of a method of regeneration in callus culture from abnormal immature embryos with lethal genotype by indirect organogenesis will enable us to study the interaction and expression of incompatible wheat Eml-A1 and rye Eml-R1b alleles causing embryo lethality. New information about genes, involved in apical meristem development in early stages of embryogenesis of wheat-rye hybrids (and of other plants) will be gained.

Biodiversifizierungseffekte durch Bioenergiefruchtfolgen: Sorghum bicolor als Nahrungsquelle für Bienen (SoNaBi), Teilvorhaben 1: Entwicklung neuer Sorghum bicolor Zuchtlinien und Hybriden mit stressfesterem Kornansatz und verbesserter Methanausbeute (NPZ)

SoNaBi zielt auf die Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit von Sorghum im Energiepflanzenanbau mit Hilfe und zum Nutzen der Biene. Für eine effiziente Biogaserzeugung aus Sorghum erscheinen frühreife, rispenbetonte Sorten-Ideotypen, die dank verbesserter stofflicher Zusammensetzung das Potenzial für gesteigerte Methanerträge pro Flächeneinheit zeigen, am besten geeignet. Für die Konkurrenzfähigkeit hinsichtlich des Gesamtbiomasseertrags ist bei solchen Sorten jedoch die Kornausbildung als Resultat einer ausreichenden Pollenschüttung, Pollenvitalität und folgenden Embryoentwicklung entscheidend, und kühle Nächte können bei Sorghum zu einer Störung dieser Prozesse und reduziertem Kornansatz führen. In diesem Vorhaben soll daher einerseits die genetische Variation und Determination des Merkmals Kühletoleranz zur Blüte bzw. Pollenfertilität erforscht werden, um die Entwicklung stresstoleranter Sorten zu ermöglichen. Andererseits soll die Eignung von Sorghumpollen als Proteinquelle für Bienen während des defizitären Spätsommers untersucht werden. Das übergeordnete Ziel ist die Nutzung von Synergie-Effekten, in dem Sorghum durch eine verbesserte Pollenschüttung auch unter Stressbedingungen eine sichere Nahrungsquelle für Bienen bietet und andererseits die Befruchtung durch Bienen zu einer Stabilisierung der Erträge beiträgt. Ein Sortiment genotypisierter Inzuchtlinien (n=350) soll in mehrjährigen und mehrortigen Feldversuchen auf Kornansatz und Pollenmerkmale phänotypisiert werden, um die darin gewonnen Ergebnisse für genomweite Assoziationsstudien und die Entwicklung diagnostischer Marker zu nutzen. Die Eignung von Sorghum als Nahrungsquelle für Bienen soll durch Pollenanalysen sowie Fütterungsversuche an Einzelbienen und an Bienenvölkchen in Flugzelten untersucht werden. Letztlich sollen stresstolerante und für Bienen als Proteinquelle geeignete Sorghumsorten entwickelt werden.

BRAWU - Bewertung von Riesenweizengras im Vergleich mit praxisüblichen Anbausubstraten unter Aspekten des Pflanzenbaus, der Wirtschaftlichkeit und des Umweltschutzes, Teilvorhaben 1: Agronomischer Vergleich von Riesenweizengras mit Energiepflanzenfruchtfolgen

Die Kulturpflanze Riesenweizengras (Elymus elongatum / Agropyron elongatum) wird zunehmend als alternatives Anbausubstrat für Biogasanlagen verwendet. Ihm werden hohe Trockentoleranz, sehr hohe Methanerträge und ökologische Vorteile zugeschrieben, die es zu einem Kandidaten für Klimaanpassung (Sommertrockenheit) und Klimaschutz (THG-Emissionen) macht. Bisher beruhen die meisten Empfehlungen und Beratungen jedoch auf Anbauerfahrungen in Übersee und theoretischen Überlegungen. Erste bundesweite wissenschaftliche Untersuchungen verifizierten die positiven Erwartungen und bescheinigen der Kultur ein großes aber noch weitgehend unerforschtes Potential. Diese Untersuchung soll bisher fehlende ökonomische und ökologische Vergleiche mit gängigen Energiepflanzen wie Mais, Zuckerrüben, Ackergras und Getreide-Ganzpflanzengetreide (GPS) durchführen und so Fachwissen zur einzelbetrieblichen Bewertung und Anbauentscheidung liefern. Insbesondere bei erwartetem starkem Anstieg des bundesweiten Anbauumfangs ist die frühzeitige Generierung von Versuchsergebnissen unter wissenschaftlichen Bedingungen unerlässlich. Versuchsfragen (Auszug): - ist Riesenweizengras konkurrenzfähig? - Einfluss auf Folgekultur - Gewässerschutzsaspekte - Ertragsstabilität - ökonomische Bewertung - ökologische Bewertung (u.a. THG-Emissionen, Humusgehalte).

PHÄNOBRID: Züchterische Optimierung von Hybrid-Wintergerste für den Anbau in Biogas-Fruchtfolgen mit Hilfe umfassender Phänotypisierungen von stressrelevanten Merkmalen, Teilvorhaben 4: Bestimmung der spezifischen Kombinationsfähigkeit

Im Projekt werden Züchtungsstrategien für eine optimale Nutzung von Hybridgerste in Biogas-Fruchtfolge entwickelt. Basis sind Mutter- und Vaterlinien aus Zuchtprogrammen der Wirtschaftspartner. Ein publiziertes und etabliertes CMS-System (cytoplasmatische männliche Sterilität) soll in unterschiedliche Mutterlinien eingebracht werden. Durch Untersuchung mit hocheffizienten molekularen Techniken werden Marker zur Selektion von CMS- bzw. Restorerlinien entwickelt. Mit Hilfe eines Gametozides werden 230 Testhybriden erstellt, die an sechs Standorten auf Merkmale hin phänotypisiert werden, die für Verwendung von Wintergerste als Biogassubstrat wichtig sind (Spätsaatverträglichkeit, Winterhärte, Strohstabilität, Resistenz gegen Pilz- und Viruskrankheiten). Merkmale, die mit Stresstoleranz und Vitalität im Zusammenhang stehen, wie Wurzelwachstum Prolingehalt und C13 Discriminierung werden untersucht. Eine Assoziationsstudie ermöglicht die Identifizierung von neuen Markern für Merkmale im Zusammenhang mit der Nutzung von Wintergerste als nachwachsendem Rohstoff. Mit Elternlinien und Testhybriden werden am WZW, der LfL und am IBG-2 molekulare Grundlagen von Heterosis aufgeklärt. Die beteiligten Unternehmen führen Feldversuche an 6 Orten durch. Durch Assoziationskartierung an der LfL können stressrelevante Gene identifiziert und das Ausmaß an Heterosis abgeschätzt werden. Mit markergestützer Selektion ist die spezifische Kombinationsfähigkeit von Elternlinien optimierbar.

BRAWU - Bewertung von Riesenweizengras im Vergleich mit praxisüblichen Anbausubstraten unter Aspekten des Pflanzenbaus, der Wirtschaftlichkeit und des Umweltschutzes, Teilvorhaben 2: Ökonomische Bewertung von Riesenweizengras

Die Kulturpflanze Riesenweizengras (Agropyron elongatum) wird zunehmend als alternatives Anbausubstrat für Biogasanlagen verwendet. Ihm werden hohe Trockentoleranz, sehr hohe Methanerträge und ökologische Vorteile zugeschrieben, die es zu einem Kandidaten für Klimaanpassung (Sommertrockenheit) und Klimaschutz (THG-Emissionen) macht. Bisher beruhen die meisten Empfehlungen und Beratungen jedoch auf Anbauerfahrungen in Übersee und theoretischen Überlegungen. Erste wissenschaftliche Untersuchungen verifizierten die positiven Erwartungen und bescheinigen der Kultur ein großes aber noch weitgehend unerforschtes Potential. Diese Untersuchung soll bisher fehlende ökonomische und ökologische Vergleiche mit gängigen Energiepflanzen wie Mais, Zuckerrüben, Ackergras und Getreide-Ganzpflanzengetreide (GPS) durchführen und so Fachwissen zur einzelbetrieblichen Bewertung und Anbauentscheidung liefern. Insbesondere bei erwartetem starkem Anstieg des bundesweiten Anbauumfangs ist die frühzeitige Generierung von Versuchsergebnissen unter wissenschaftlichen Bedingungen unerlässlich. Versuchsfragen (Auszug): - Ist Riesenweizengras konkurrenzfähig? - Einfluss auf Folgekultur - Gewässerschutzaspekte - Ertragsstabilität - Ökonomische Bewertung - Pflanzenschutzbehandlungsindex - Klimaschutzbewertung mit THG-Emissionen - Humusgehalte - Versuchstechnik: Anbau und Bonituren, Proben, Analysen werden durchgeführt. - Auswertung ZALF: Ökologischer Vergleich von Riesenweizengras mit anderen Substratpflanzen. - Auswertung Uni Gießen: Ökonomischer Vergleich von Riesenweizengras mit anderen Substratpflanzen. - Auswertung Gesamtversuch: Auswertung pflanzenbaulicher Parameter und Gesamtauswertung unter Berücksichtigung der ökologischen und ökonomischeren Ergebnisse. - Endbericht - Veröffentlichungen: In Form von Artikeln in regionalen Landwirtschaftsblättern, überregionalen Fachzeitschriften und ggf. wissenschaftlichen Magazinen; ergänzt um Vorträge und Poster.

RoggenDIV: Nutzung von DIVersität zur Entwicklung von GPS-Roggen mit Hilfe von genomischen und spektrometrischen Technologien, Teilvorhaben 1: KWS Lochow GmbH

Voraussetzung für die Erzielung von Zuchtfortschritt für komplexe Merkmale, wie etwa Biomasse- und Kornleistung, ist eine ausreichend hohe genetische Diversität im Züchtungsmaterial sowie Methoden zur effizienten Erschließung und Nutzung dieser Diversität. Allele, die bisher nicht in den Genpools vorhanden sind, müssen aus ansonsten wenig leistungsfähigen, genetischen Ressourcen eingelagert werden. Dies ist in akzeptablen Zeiträumen mit molekularen Markern und Hochdurchsatz-Technologien für die Phänotypisierung wie etwa der Hyperspektraltechnik möglich. Übergeordnetes wissenschaftliches Ziel dieses Projektes ist die genomweite Suche nach quantitative trait loci (QTL) und ihre Lokalisation mittels Assoziationskartierung für agronomisch wichtige Merkmale der Korn- und Biomasseleistung. Neben der Vorhersage über eine Assoziationskartierung lassen sich auch genomische Indizes bilden, die im Rahmen der genomischen Vorhersage verwendet werden. In einem synergistischen Konzept können genomische und spektrometrische Indizes mit direkt erfassten agronomischen Merkmalen wie dem Biomasse- und Korn-Ertrag zu einem übergeordneten Selektionskriterium für die Entwicklung von Ganzpflanzensilage- (GPS-) Hybriden gebündelt werden. Um effizient Biomasse-Roggen für den einheimischen Markt zu entwickeln, werden in diesem Projekt folgende Schritte ausgeführt: (A) Durchführung von mehrortigen und mehrjährigen Feldprüfungen von 1.040 Nachkommen vorgeprüfter Elite-Elternlinien: (B) Assoziationskartierung von Biomasse- und Kornertragsleistung sowie Entwicklung genomischer Indizes; (C) Erfassung von Hyperspektral-Daten anhand mehrerer Drohnenüberflüge während der Vegetationsperiode und Entwicklung spektrometrischer Indizes; (D) Zusammenfassende Analyse der Daten aller Arbeitsbereiche zur Vorhersage relevanter GPS-Eigenschaften.

SelfieGras: Leistungsstarke Grashybriden für die nachhaltige Biomasseproduktion - Gezielte Nutzung der Selbstfertilität, Teilvorhaben 1: Genetische Charakterisierung von verschiedenen Selbstfertilitäts-Quellen in L. perenne zur gezielten Nutzung der Selbstfertilität

In SelfieGras soll die Hybridzüchtung in Gräsern durch die systematische Nutzung der Selbstfertilität und deren Kombination mit CMS in züchtungsrelevantem Material etabliert werden. Dies soll erreicht werden durch die grundlegende Erforschung der SI- und SF-Mechanismen, und der Erarbeitung von molekularen Werkzeugen, um SF-Quellen in der Züchtung effizient nutzen zu können. SelfieGras beinhaltet die Etablierung von verfügbaren SF Quellen in L. perenne sowie deren genetische und funktionelle Beschreibung durch die Erzeugung spaltender Populationen. Des Weiteren die genetische Kartierung und Isolierung kausaler Gene ausgewählter SF Quellen durch Pool-Sequenzieren hochauflösender Kartierungspopulationen sowie die Entwicklung von DNA Markern in den identifizierten Genen/Genomregionen. Ebenso die Etablierung kurzfristiger Strategien, um die SF mittels Marker-gestützter Rückkreuzung in züchterisch relevantes CMS Material zu bringen. Was schließlich in der Erstellung von Experimentalhybriden, um diese unter Feldbedingungen zu prüfen, mündet. Detaillierte Kenntnisse darüber werden zur Züchtung von ertragreichen Futtergras-Hybridsorten beitragen, die zukünftig der Landwirtschaft als perennierende Alternativen zu existierenden Biogas-Arten für eine effiziente und umweltschonende Ressourcennutzung zur Verfügung stehen. Im ersten Schritt sollen verschiedene Selbst-Fertilitätsquellen in L.perenne etabliert und genetisch als auch funktionell charakterisiert werden. Es folgt die Kartierung und Identifizierung kausaler Gene von ausgewählten SF-Quellen sowie die Entwicklung von Markern. Schließlich werden die SF-Quellen mittels markergestützter Rückkreuzungen in züchterisch relevantes CMS- Material und in vitalen Inzuchtlinien etabliert. Im letzten Schritt erfolgt die Erstellung von Hybridsaatgut für die Prüfung von Experimentalhybriden unter Feldbedingungen.

SelfieGras: Leistungsstarke Grashybriden für die nachhaltige Biomasseproduktion - Gezielte Nutzung der Selbstfertilität, Teilvorhaben 2: Gen-Lokalisierung durch Hochdurchsatz-Sequenzierung

Im Verbundprojekt SelfieGras soll die Hybridzüchtung bei Gräsern durch die systematische Nutzung der Selbstfertilität (SF) und deren Kombination mit Cytoplasmatisch-männliche Sterilität (CMS) in züchtungsrelevantem Material etabliert werden. Dies soll erreicht werden durch die grundlegende Erforschung von Selbst-Inkompatibilitäts (SI)- und SF-Mechanismen, und der Erarbeitung von molekularen Werkzeugen, um SF-Quellen in der Züchtung effizient nutzen zu können. SelfieGras beinhaltet die Etablierung von verfügbaren SF Quellen in Lolium perenne sowie deren genetische und funktionelle Beschreibung durch die Erzeugung spaltender Populationen. Des Weiteren die genetische Kartierung und Isolierung kausaler Gene ausgewählter SF Quellen durch Pool-Sequenzieren hochauflösender Kartierungspopulationen sowie die Entwicklung von DNA Markern in den identifizierten Genen/Genomregionen. Ebenso die Etablierung kurzfristiger Strategien, um die SF mittels markergestützter Rückkreuzung in züchterisch relevantes CMS Material zu bringen. Dies soll schließlich in der Erstellung von Experimentalhybriden münden, die unter Feldbedingungen geprüft werden können. Detaillierte Kenntnisse darüber werden zur Züchtung von ertragreichen Futtergras-Hybridsorten beitragen, die zukünftig der Landwirtschaft als perennierende Alternativen zu existierenden Biogas-Arten für eine effiziente und umweltschonende Ressourcennutzung zur Verfügung stehen. Zunächst sollen verschiedene Selbst-Fertilitätsquellen in L. perenne etabliert und sowohl genetisch als auch funktionell charakterisiert werden. Fokus des Projekt-Teils der an der Universität Bielefeld durchgeführt wird ist die Identifizierung kausaler Genomregionen bzw. Gene ausgewählter SF-Quellen durch Pool-Sequenzieren hochauflösender Kartierungspopulationen durch MBS ('mapping by sequening'), sowie die Entwicklung von molekularen Markern.

RoggenDIV: Nutzung von DIVersität zur Entwicklung von GPS-Roggen mit Hilfe von genomischen und spektrometrischen Technologien, Teilvorhaben 2: Universität Hohenheim

Voraussetzung für die Erzielung von Zuchtfortschritt für komplexe Merkmale, wie etwa Biomasse- und Kornleistung, ist eine ausreichend hohe genetische Diversität im Zuchtmaterial sowie Methoden zur effizienten Erschließung und Nutzung dieser Diversität. Allele, die bisher nicht in den selbstfertilen Genpools vorhanden sind, müssen aus ansonsten wenig leistungsfähigen, genetischen Ressourcen eingelagert werden. Dies ist in akzeptablen Zeiträumen mit molekularen Markern und Hochdurchsatz-Technologien für die Phänotypisierung wie etwa der Hyperspektraltechnik möglich. Übergeordnetes wissenschaftliches Ziel dieses Projektes ist die genomweite Suche nach quantitative trait loci (QTL) und ihre Lokalisation mittels Assoziationskartierung für agronomisch wichtige Merkmale der Korn- und Biomasseleistung. Neben der Vorhersage über eine Assoziationskartierung lassen sich auch genomische Indizes bilden, die im Rahmen der genomischen Vorhersage verwendet werden. In einem synergistischen Konzept können genomische und spektrometrische Indizes mit direkt erfassten agronomischen Merkmalen wie dem Biomasse-und Korn-Ertrag zu einem übergeordneten Selektionskriterium für die Entwicklung von Ganzpflanzensilage (GPS) -Hybriden gebündelt werden. Um effizient Biomasse-Roggen für den einheimischen Markt zu entwickeln, sind folgende Schritte nötig: (A) Durchführung von mehrortigen und mehrjährigen Feldprüfungen von 1.040 Nachkommen vorgeprüfter Elite-Elternlinien: (B) Assoziationskartierung von Biomasse- und Kornertragsleistung, Entwicklung genomischer Indizes; (C) Erfassung von Hyperspektral-Daten anhand mehrerer Drohnenüberflüge während der Vegetationsperiode und Entwicklung spektrometrischer Indizes; (D) Zusammenfassende Analyse der Daten aller Arbeitsbereiche zur Vorhersage relevanter GPS-Eigenschaften.

Biodiversifizierungseffekte durch Bioenergiefruchtfolgen: Sorghum bicolor als Nahrungsquelle für Bienen (SoNaBi), Teilvorhaben 3: Erfassung der genetischen Variation und Determination von Pollenfertilität und Kornansatz bei Sorghum bicolor unter Kühlestress

SoNaBi zielt auf die Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit von Sorghum im Energiepflanzenanbau mit Hilfe und zum Nutzen der Biene. Für eine effiziente Biogaserzeugung aus Sorghum erscheinen frühreife, rispenbetonte Sorten-Ideotypen, die dank verbesserter stofflicher Zusammensetzung das Potenzial für gesteigerte Methanerträge pro Flächeneinheit zeigen, am besten geeignet. Für die Konkurrenzfähigkeit hinsichtlich des Gesamtbiomasseertrags ist bei solchen Sorten jedoch die Kornausbildung als Resultat einer ausreichenden Pollenschüttung, Pollenvitalität und folgenden Embryoentwicklung entscheidend, und kühle Nächte können bei Sorghum zu einer Störung dieser Prozesse und reduziertem Kornansatz führen. In diesem Vorhaben soll daher einerseits die genetische Variation und Determination des Merkmals Kühletoleranz zur Blüte bzw. Pollenfertilität erforscht werden, um die Entwicklung stresstoleranter Sorten zu ermöglichen. Andererseits soll die Eignung von Sorghumpollen als Proteinquelle für Bienen während des defizitären Spätsommers untersucht werden. Das übergeordnete Ziel ist die Nutzung von Synergie-Effekten, in dem Sorghum durch eine verbesserte Pollenschüttung auch unter Stressbedingungen eine sichere Nahrungsquelle für Bienen bietet und andererseits die Befruchtung durch Bienen zu einer Stabilisierung der Erträge beiträgt. Ein Sortiment genotypisierter Inzuchtlinien (n=350) soll in mehrjährigen und mehrortigen Feldversuchen auf Kornansatz und Pollenmerkmale phänotypisiert werden, um die darin gewonnen Ergebnisse für genomweite Assoziationsstudien und die Entwicklung diagnostischer Marker zu nutzen. Die Eignung von Sorghum als Nahrungsquelle für Bienen soll durch Pollenanalysen sowie Fütterungsversuche an Einzelbienen und an Bienenvölkchen in Flugzelten untersucht werden. Letztlich sollen stresstolerante und für Bienen als Proteinquelle geeignete Sorghumsorten entwickelt werden.

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