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Experimentelle Anwendung und Erweiterung von Werkzeugen zur prädiktiven Züchtung in Kartoffel, Teilvorhaben 2: Materialentwicklung, Feldversuchsdurchführung und Implementierung sensorgestützter Phänotypisierungsmethoden (SaKa)

Kartoffelstärke kann sehr vielseitig eingesetzt werden und ist ein wichtiger Baustein der Nationalen Bioökonomie-Strategie Deutschlands. Im Vergleich zu überwiegend monogen vererbten Merkmalen wie manchen Krankheitsresistenzen sind quantitative Merkmale wie der Knollen- oder Stärkeertrag züchterisch schwieriger zu bearbeiten. Autotetraploidie, geringer Vermehrungskoeffizient und eine Vielzahl relevanter Selektionsmerkmale mindern den Zuchtfortschritt in quantitativen Merkmalen bei Kartoffeln zusätzlich. Verfahren der prädiktiven Züchtung wie genomische Selektion versprechen daher einen großen Nutzen in der Kartoffelzüchtung. In der vorausgegangenen Projektphase (PotatoTools) wurden genomische und statistische Werkzeuge zur prädiktiven Stärkekartoffelzüchtung aber auch erste Vorhersagemodelle entwickelt. Das Hauptziel des vorliegenden Vorhabens ist es nun, unter Nutzung der bereits entwickelten genomischen Ressourcen wesentliche Fragen zum Einsatz prädiktiver Verfahren in der Kartoffelzüchtung zu beantworten. Im Detail planen wir die (i) Erhöhung der Repräsentativität des Sets an strukturellen Genomvarianten durch Erweiterung des Resequenzierungspanels, (ii) Abschätzung der Genauigkeit der Leistungsvorhersage über Materialgruppen unterschiedlichen Verwandtschaftsgrads hinweg sowie der Genauigkeit der Vorhersage von Populationsmittel und Spaltungsvarianz, (iii) Evaluation der Vorhersagegenauigkeit von spektroskopisch erfassten Prädiktoren vgl. zu molekulargenetischen Prädiktoren und (iv) Optimierung von Kartoffelzüchtungsprogrammen hinsichtlich des genutzten Züchtungsschemas und der idealen Balance zwischen kurz- und langfristigem Selektionsgewinn. Mit dem in diesem Projekt gewonnen Wissen wird die prädiktive Züchtung für quantitativ vererbte Merkmale der Kartoffel weiter verbessert sowie für den routinemäßigen Einsatz vorbereitet werden.

Langzeit-Effekte von Rottemist, Mineralduengung und biologisch-dynamischen Praeparaten auf Ertraege und organische Substanz im Boden

Ertragsbildung bei organischer oder mineralischer Duengung (gleiche Mengen Gesamt-Stickstoff) unter extremen Standortbedingungen (Sandboden, trocken-warmes Klima); Fruchtfolge: Rotklee, Sommer-Weizen, Kartoffeln, Winterroggen. Stickstoffdynamik und -bilanzierung. Langfristig stabiler Humusgehalt nur bei Rottemist-Duengung mit Anwendung biol-dyn Praeparate; in Boeden dieser Variante groesste mikrobielle Biomasse und hoechste Enzymaktivitaet.

Feldfrüchte und Grünland

Ermittelt werden der Wachstumsstand und wachstumsbeeinflussende Bedingungen sowie die voraussichtlichen und endgültigen Naturalerträge. Ergänzend werden die Merkmale Gesamterntemengen und Vorratsbestände bei einzelnen Getreidearten und Kartoffeln sowie bei Feldfrüchten die Flächen der vorangegangenen Ernte und die Aussaatflächen für das Folgejahr geschätzt.

Stärke und Zucker

Stärke ist ein pflanzlicher Reservestoff, der in Form von Stärkekörnern in Speicherorganen von Pflanzen (Körner, Knollen, Wurzeln oder Mark) angereichert wird. Stärke wird sowohl im Lebensmittel - als auch im technischen Bereich in breitem Umfang eingesetzt. Die landwirtschaftliche Erzeugung von stärkehaltigen Rohstoffen erfolgt in Deutschland durch den Anbau von Kartoffel, Weizen und Körnermais. In der Zukunft könnten die Markerbse und Neuzüchtungen mit sehr hohem Amylose- ("Amylo-Mais") oder Amylopektinanteil (z. B. Amylose-freie Kartoffel) Bedeutung erlangen, da sich hierdurch verarbeitungs- und anwendungstechnische Vorteile ergeben. Hinsichtlich der Verwendung werden drei wesentliche Produktlinien unterschieden - native Stärke (Papier, Pappe, Leime, Kleber, Gipskartonplatten, Textilverarbeitung, Kosmetika), - modifizierte Stärke (Lacke, Streichfarben, Bindemittel (Quellstärken), kationische Stärken, Papier, Pappe, Tabletten, Stärkeether und -ester) etc. sowie - Verzuckerungsprodukte (Tenside, Sorbit, Kunststoffe, Vitamin C, Alkohole, Biotechnologie).

Aufnahme von Fremdchemikalien durch verschiedene Pflanzen, die auf Boeden mit Kompost wachsen. Nachweis von Fremdchemikalien in pflanzlichen und tierischen Nahrungsmitteln sowie im Carcinomgewebe des Menschen

In bereits gewonnenen Ergebnissen stellten wir fest, dass Pflanzen Fremdchemikalien in unterschiedlicher Konzentration in den oberirdischen und unterirdischen Teilen anreichern. Den Boeden wurden unterschiedliche Mengen von Kompost beigegeben, dessen Schadstoffgehalt vorher untersucht worden war. In den Pflanzen wurden Blei, Cadmium, Chrom und polycyclische Aromaten bestimmt. Es soll geklaert werden, welche Beziehung zwischen dem Schadstoffgehalt der mit Kompost behandelten Boeden und den auf solchen Boeden gezogenen Pflanzen bestehen. 1. Weine aus Weinbaugebieten, in denen seit Jahren industriell hergestellter Kompost als 'Bodenverbesserungsmittel' (100 t/ha) Anwendung fanden sich PAK von 0,1-05 ug 3,4-Benzpyren/1,1,0-3, oug 3,4-Benzinfluoranthen/1 und 1,36-3,21 mg Blei/l Wein. (Grenzwert fuer Blei im Wein: 0,3 mg Blei/l). 2. Nahrungspflanzen (Moehren, Sommergerste, Sommerweizen, Mais, Kartoffeln und Dill), die auf drei unterschiedlich alten Parzellen einer Muelldeponie mit verschiedenen Abdeckschichten gezogen worden waren sowie auf einem Kontrollbeet. Nachgewiesen wurden in Abdeckschicht, Muellschicht und Boden und in den Pflanzen PAK sowie Cd, Cr und Pb. Die Abdeckschichten unterschieden sich in Sickerwasserberegnung und Bodenbehandlung. Auffallend waren bei diesem Feldversuch eine Reduzierung des Massenertrages und Laengenwachstums sowie eine Instabilitaet der Pflanzen.

Vorkommen und Bildungsbedingungen sowie Bestimmung von Patulin und Aflatoxinen in Lebensmitteln pflanzlicher Herkunft, Mykotoxine bei pflanzlichen Ernteprodukten

a) Kommen unter bei uns ueblichen Lagerbedingungen bei Kartoffeln, Gemuese und Obst nach Pilzbefall Toxine vor? b) Infektion von Erntegut mit bekannten Pilzen, Lagerung und chromatographische Identifizierung der Toxine. c) Lagerversuche und Studium der Bildungsbedingungen der Toxine.

Possible effects of transgenic plants on soil organisms

Soil is the first component of the environment that can be effected by GM plants, because they do not only consume the nutritive substances from the soil, but also release there different compounds during a growing period, and leave in the soil their remains. If the plants are modified to increase their resistance to plant pathogens, particularly bacteria, they can also affect the other microorganisms important for plant development. Also there are no considerable data about possible effect of GM plants on soil organic matter and chemical processes in soil. For the experiment it is planned to use transgenic potato plants (Solanum tuberosum L. cv. Desiree) expressing a chimerical gene for T4 lysozyme for protection against bacterial infections; - obtaining and short-term growing of GM plants in laboratory conditions; - extraction and collection of root exudates and microbial metabolites from rhizosphere; - analysis of these exudates by Pyrolysis-Field Ionisation Mass Spectrometry (Py-FIMS) in comparison with the exudates of wild-type plants and transgenic controls not harbouring the lysozyme gene, and with dissolved organic matter from non-cropped soil; - creation of 'fingerprints' for each new transgenic line in combination with certain soil on the basis of marker signals. Expected impacts: - New highly cost-effective express testing system for the risk assessment of genetically modified plants at the earliest stages of their introduction; - The conclusion about safety/danger of GM plants for the soil ecosystems; - Model for prediction of possible risk caused by GM plants.

Ressourcenschonendes Bewässerungs- und Stickstoffdüngungsmanagement für Kartoffel und Winterweizen

Zielsetzung: Im Zuge des Klimawandels, insbesondere durch einen steigenden Verdunstungsanspruch bei gleichzeitig stagnierenden Niederschlagsmengen, steigen die Anforderungen der Landwirtschaft an Wasserressourcen für die Feldberegnung. Diese stoßen aber regional auf Einschränkungen, da das nachhaltig verfügbare Bewässerungswasser begrenzt ist und konkurrierende Nutzungsansprüche bestehen. Dadurch können optimale Wassergehalte im Boden für das Pflanzenwachstum nicht durchgehend gewährleistet werden. Aus diesem Grund sollte sich die mengenmäßige und zeitliche Verteilung der Bewässerungsgaben am zu erwartenden Ertragseffekt orientieren. Ziel ist es, ineffiziente Wassergaben, also solche ohne relevanten Mehrertrag oder ohne Beitrag zur Produktqualität, zu vermeiden. Ein enger Zusammenhang besteht zudem zwischen der Wasserversorgung, der Ertragsbildung und der Stickstoffnutzungseffizienz. Eine bedarfsgerechte Bewässerung steigert nicht nur die Effizienz der Stickstoffnutzung, sondern ermöglicht auch, das Wasserangebot bei der schlagbezogenen Abschätzung des Ertragspotenzials zu berücksichtigen. Auf diese Weise wird eine gezieltere Düngung möglich, wodurch Emissionen reaktiver Stickstoffverbindungen vermieden werden können. Zur Entscheidungsunterstützung im Bereich der Beregnungssteuerung werden derzeit verschiedene methodische Ansätze genutzt, darunter Messungen des Wasserzustands in Boden und Pflanze sowie wasserhaushaltsbasierte Berechnungen. Diese Verfahren sind jedoch in der Praxis oft zu aufwändig, insbesondere bei einer einzelschlagbasierten Anwendung. Fernerkundliche Messverfahren bieten hier Vorteile, da sie leichter anwendbar sind, schlagbezogen repräsentativere Daten liefern und dadurch in der landwirtschaftlichen Beratungspraxis auf größere Akzeptanz stoßen können. Die bislang dominierenden Wasserhaushaltsberechnungen berücksichtigen allerdings keine Rückkopplungseffekte auf das Pflanzenwachstum und sind daher nicht in der Lage, mögliche Ertragswirkungen zu quantifizieren. Ein vielversprechender Ansatz ist die Nutzung gekoppelter Pflanzenwachstums- und Bodenwasserhaushaltsmodelle. Diese Modelle können Ertragseffekte in Abhängigkeit von Wasserverfügbarkeit besser abbilden, vorausgesetzt, es stehen hinreichend genaue Modelle zur Ertragsbildung der betreffenden Kulturen sowie präzise Felddaten für die Modellkalibrierung zur Verfügung. Ziel des Vorhabens ist es, ein Entscheidungsunterstützungssystem zur Optimierung von Bewässerung und Stickstoffdüngung für die Kulturen Kartoffel und Winterweizen zu entwickeln und in die landwirtschaftliche Beratungsplattform ISIP (Informationssystem Integrierte Pflanzenproduktion) zu integrieren. Für Winterweizen kann dabei teilweise schon auf bestehenden Ansätzen aufgebaut werden. Auf Basis von Feldversuchen sollen Methoden und Modelle entwickelt oder weiterentwickelt werden, um, differenziert nach lokalem Boden- und Wetterregime, funktionale Zusammenhänge zwischen Bewässerungsmenge und -zeitpunkt sowie Ertragsbildung zu erfassen. Hieraus erfolgt dann die Entwicklung optimierter Düngungs- und Bewässerungsstrategien, wobei auch die Allokation knapper Ressourcen innerhalb der Fruchtfolge des Betriebs berücksichtigt wird. Nach der Implementierung soll das Entscheidungsunterstützungssystem in der Beratungspraxis etabliert und evaluiert werden.

Sortenabhaengiges Vorkommen von natuerlichen, unerwuenschten Inhaltsstoffen in Gemuese (Nitrat) und Kartoffeln (Alkaloide)

a) Nitrat ist wegen seiner Umsetzung durch Mikroorganismen zu Nitrit in Lebensmitteln unerwuenscht. In Spinat, roten Rueben und anderen Wurzelgemuesen wird abhaengig von der Sorte und den Anbaubedingungen gelegentlich viel Nitrat angereichert. Es ist Ziel der Untersuchung, 'nitratarme' Sorten aus dem vorhandenen Sortiment auszusuchen. Bei Solanin- und Chaconin-Alkaloiden in Kartoffeln liegen die Verhaeltnisse vergleichbar. b) + c) In Zusammenarbeit mit dem Bundessortenamt werden in mehrjaehrigen Anbauversuchen 'verbraucherfreundliche' Sorten ermittelt.

Möglichkeiten zur Kontrolle des Drahtwums (Agriotes ssp.) im Ökologischen Kartoffelbau

Ökologisch erzeugte Speisekartoffeln werden häufig durch Larvenfraß verschiedener Schnellkäferarten, Drahtwürmer genannt, geschädigt. Dieser Sachverhalt kann zu erheblichen Sortierverlusten führen. Untersucht werden Kontrollmaßnahmen auf Basis differenzierter Bodenbearbeitung und Terminierung der Kartoffelernte sowie die Nutzung von Repellent-Pflanzen. Weiterhin findet ein intensives Monitoring des Verhaltens der männlichen Käfer durch Einsatz von Pheromonfallen statt. Das Monitoring erfolgt seit 2004, die Feldversuche werden seit 2005 durchgeführt.

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