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Methodenvergleich zur Entwicklung von Maissorten für den Ökologischen Landbau

Burger, Henriette (2008) Methodenvergleich zur Entwicklung von Maissorten für den Ökologischen Landbau. Thesis, Universität Hohenheim, Stuttgart, Institut für Pflanzenzüchtung, Saatgutforschung und Populationsgenetik. . [Unpublished]

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Summary

Der Ökologische Landbau hat in den letzten Jahren in Deutschland stetig an Bedeutung gewonnen. Die Entwicklung hierfür geeigneter Sorten stellt daher eine wichtige Aufgabe der Pflanzenzüchtung dar. In diesem Zusammenhang ist zu überprüfen, ob die Zuchtziele, der Sortentyp und die Züchtungsstrategie auf die Anforderungen der ökologischen Wirtschaftsweise abgestimmt werden müssen. Dazu wurde von der Universität Hohenheim und der KWS SAAT AG von 2004 bis 2006 bei Mais ein Forschungsprojekt durchgeführt, in dessen Rahmen die vorliegende Arbeit entstand. Die wichtigsten Fragestellungen hierbei waren:
(1) Können durch züchterische Selektion spezifisch an die Bedingungen des Ökologischen Landbaus angepasste Sorten entwickelt werden und welche Selektionsstrategie ist hierfür am besten geeignet?
(2) Trägt die Sortenstruktur zur Eignung für die ökologische Wirtschaftsweise bei?
(3) Besitzt aus Landrassen entwickeltes Zuchtmaterial ein erhöhtes Anpassungspotential und eignet es sich deshalb besonders gut als genetische Basis für die Züchtung von Sorten für den Ökologischen Landbau?
Zur Beantwortung dieser Fragestellungen wurden Feldversuche mit modernem Elite- sowie mit Landrassenzuchtmaterial in drei Regionen Deutschlands (Einbeck/Niedersachsen, Stuttgart/Baden-Württemberg und Erding/Bayern) vergleichend unter ökologischen und konventionellen Anbaubedingungen durchgeführt.
Ausgehend von zwei breiten Stichproben modernen Elitezuchtmaterials, die aus 178 Flint- bzw. Dentlinien bestanden, wurden für jede Wirtschaftsweise die 11 besten Flint- und die 11 besten Dentlinien in einem zweistufigen Verfahren selektiert, um daraus im Winter 2005/2006 zwei Sets spezifisch angepasster Hybriden (ÖKO-Hybriden, KON-Hybriden) aufzubauen. Aus dem gleichen züchterischen Ausgangsmaterial wurden vier im Hinblick auf Komponentenzahl (22, 44, 88) und Vermehrungsgeneration (Syn-2, Syn-3) unterschiedliche Synthetics entwickelt.
Die Selektion der für den Aufbau von Experimentalhybriden und Synthetics geeigneten Linien erfolgte nach deren Testkreuzungsleistung in den Jahren 2004 und 2005. Zu diesem Zweck wurden in den Jahren 2004 und 2005 jeweils vier Materialsätze gebildet, von denen jeweils zwei aus Testkreuzungen der Flint- bzw. Dentlinien bestanden. Im Jahr 2004 wurden alle Linien der beiden Ausgangsstichproben getestet, 2005 dagegen nur die im Vorjahr unter den jeweiligen Anbaubedingungen etwa 25 % besten. Das Testen der Flintlinien erfolgte mit Denttestern und das der Dentlinien mit Flinttestern. Im ersten Versuchsjahr wurden jeweils eine Einfachkreuzung, im zweiten je zwei verschiedene Linien als Tester eingesetzt. Die Leistungsprüfungen wurden als 10×10- bzw. 10×8 Gitter mit zwei Wiederholungen in allen drei Regionen angelegt. In einer abschließenden Leistungsprüfung 2006 wurden die beiden Sets spezifisch entwickelter Hybriden (ÖKOHybriden, KON-Hybriden) zusammen mit den vier Synthetics getestet.
Zwei weitere Feldversuche in den Jahren 2005 und 2006 dienten der Untersuchung des natürlichen Anpassungspotentials von aus Landrassen entwickeltem Zuchtmaterial an die ökologische Wirtschaftsweise. Anhand einer Testkreuzungsserie mit Linien, die mittels invivo-Haploidentechnik aus Landrassen entwickelt worden waren, sollten 2005 erste Kombinationsfähigkeitsdaten gewonnen werden. In einem abschließenden Versuch 2006 wurde die Testkreuzungsleistung von Linien, die aus den Populationssorten (Landrassen) ‘Gelber Badischer Landmais’ und ‘Schindelmeiser’ entwickelt worden waren, mit derjenigen von veralteten und modernen Elite-Linien verglichen. Die Versuche wurden in beiden Jahren in allen drei Regionen als 10×10 Gitter angelegt.
Anhand der 2006 geprüften Sets spezifisch entwickelter Hybriden (ÖKO-Hybriden, KONHybriden) konnte gezeigt werden, dass durch gezielte Selektion eine Anpassung an die ökologische Wirtschaftsweise erreicht werden kann. Bei ökologischer Wirtschaftsweise erreichten die ÖKO-Hybriden einen um durchschnittlich 2,2 % höheren Kornertrag als die KON-Hybriden. Umgekehrt waren die KON-Hybriden den ÖKO-Hybriden unter konventionellen Anbaubedingungen um durchschnittlich 1,6 % überlegen.
Im Hinblick auf die Wahl der optimalen Selektionsstrategie lässt sich anhand der vorliegenden quantitativ-genetischen Parameter keine abschließende Aussage treffen. Die für die ökologische Wirtschaftsweise ermittelten Varianzkomponenten- und Heritabilitätsschätzwerte waren den unter konventionellen Bedingungen ähnlich. Die geschätzten phänotypischen Korrelationen zwischen ökologischer und konventioneller Wirtschaftsweise waren mäßig straff für den Kornertrag und straff für den Korn-TSGehalt.
Für die entsprechenden genotypischen Korrelationskoeffizienten ergaben sich keine konsistenten Schätzwerte.
Wie aufgrund ihrer Struktur erwartet, zeigten die neu entwickelten Populationssorten (Synthetics) eine überdurchschnittliche Anpassung an die ökologische Wirtschaftsweise.
Der Ertragsrückgang von konventioneller zu ökologischer Wirtschaftsweise betrug hier durchschnittlich nur 8 %, hingegen 15 % für die Vergleichshybriden. Allerdings war die Ertragsfähigkeit der Synthetics deutlich (ca. 23 %) geringer als die der Hybriden. Mittels DH-Technik aus den Landrassen ‘Gelber Badischer Landmais’ und ‘Schindelmeiser’ entwickelte Linien lagen in der Testkreuzungsleistung bei 73 bzw. 79 % der Leistung moderner Elitesorten. Bezogen auf die Leistung von Linien aus der Anfangsphase der Hybridzüchtung (First-Cycle-Linien) erzielten die aus Landrassen entwickelten DH-Linien eine um durchschnittlich 4 % bessere Testkreuzungsleistung bei ökologischer im Vergleich zu konventioneller Wirtschaftsweise. Diese Ergebnisse bestätigten, dass aus Landrassen entwickeltes Zuchtmaterial eine wertvolle genetische Ressource für die Züchtung von Öko Sorten darstellt. Die aus den Landrassen ‘Gelber Badischer Landmais’ und ‘Schindelmeiser’ entwickelten Linien befanden sich in der Testkreuzungsleistung auf einem ähnlichen Ertragsniveau wie die berühmte First-Cycle-Linie ‘F2’, die auf die Französische Population ‘Lacaune’ zurückgeht. Die Landrassen ‘Gelber Badischer Landmais’ und ‘Schindelmeiser’ bieten somit ähnlich gute Nutzungsperspektiven wie ‘Lacaune’. Außerdem konnte gezeigt werden, dass mit der DHTechnik ein Werkzeug zur Verfügung steht, das es erlaubt, Landrassen effektiv als genetische Ressource für die Pflanzenzüchtung einzusetzen.

Summary translation

In Germany, organic farming has continously gained in importance during the last few years. Therefore, the development of varieties being suitable for organic farming poses an important challenge to plant breeding. In this context, it becomes necessary to investigate whether breeding goals, type of variety and selection strategy have to be harmonized with the specific requirements of organic farming. For this purpose a research project on maize was conducted by the University of Hohenheim and KWS SAAT AG between 2004 and 2006, which provided the base for the present thesis. The major questions were:
(1) Does targeted selection generate varieties being specifically adapted to the conditions of organic farming and which selection strategy is most appropriate?
(2) Does the genetic structure of a variety contribute to its suitability for organic farming?
(3) Are landrace-derived breeding materials particularly suited as genetic base for developing varieties for organic farming?
To find answers to these questions, field experiments were carried out with modern elite and landrace-derived germplasm in three regions of Germany (Einbeck/Niedersachsen, Stuttgart/Baden-Württemberg, and Erding/Bayern) under organic versus conventional farming conditions.
Starting from two broad samples of modern elite germplasm, consisting of 178 flint and 178 dent lines respectively, 11 flint and 11 dent lines were selected for each farming system, using a two-stage selection procedure. From these lines, two sets of specifically selected hybrids (ORG hybrids, CON hybrids) were developed in winter 2005/2006. From the same genetic materials four interpool synthetics being different with regard to the number of components (22, 44, 88) and the generation of multiplication (Syn-2, Syn-3) were built up.
Superior lines for build-up of experimental hybrids and synthetics were selected according to their testcross performance in 2004 and 2005. In 2004 all lines of the two starting samples were evaluated whereas in 2005 only selected fractions of approx. 25 % were tested. Flint lines were tested using dent testers and likewise dent lines were tested using flint testers. In 2004 one single cross and in 2005 two inbred lines were used as testers in each line sample. The yield trials were laid out as 10×10 or 10×8 lattices with two replicates in all regions. The two sets of specifically developed hybrids (ORG hybrids, CON hybrids) were tested in a final performance test 2006 together with the four synthetics.
Two additional field trials were carried out in 2005 and 2006 to investigate the potential of landrace-derived breeding materials for adaptation to organic farming. In 2005 first data about combining ability were obtained from a testcross series with double haploid (DH) lines derived from the open pollinated varieties (landraces) ‘Gelber Badischer Landmais’ and ‘Schindelmeiser’ by in-vivo haploid induction. In a final trial 2006 the testcross performance of these lines were compared to that of out-dated and modern elite lines. The trials were laid out as 10×10 lattices in all of the three regions in both years.
Test results of the two sets of specifically developed hybrids (ORG hybrids, CON hybrids) in 2006 demonstrated that specific adaptation to organic farming can be achieved through targeted selection. The ORG hybrids performed better than the CON hybrids under organic farming conditions. Likewise the CON hybrids performed better than the ORG hybrids under conventional farming. The respective differences in grain yield amounted to 2.2 % and 1.6 %, respectively. No final conclusion can be drawn from the quantitative genetic parameter estimates with regard to the choice of the optimal selection strategy. Variance components and heritability coefficients obtained under organic farming resembled those obtained under conventional conditions. Phenotypic correlations between organic and conventional farming were moderate for grain yield and strong for grain dry matter content. No consistent estimates were obtained for the corresponding genotypic correlation for grain yield.
The newly developed open-pollinated populations (synthetics) displayed superior adaptation to organic farming. The yield reduction from conventional to organic farming on average amounted to only 8 % for the open-pollinated varieties and 15 % for the reference hybrids. However, the yielding level of the synthetics was much (about 23 %) lower than that of the hybrids.
Testcross performance of lines derived from ‘Gelber Badischer Landmais’ and ‘Schindelmeiser’ amounted to 73 and 79 %, respectively, of the performance of modern elite varieties. Compared with the performance of lines from the initial phase of hybrid breeding (first-cycle-lines), testcrosses with landrace-derived lines performed better (4%) under organic farming than under conventional farming. These results confirmed that breeding materials derived from landraces are valuable resources for the development of Eco-varieties (varieties with specific adaptation to organic farming). Testcross yields of lines derived from ‘Gelber Badischer Landmais’ and ‘Schindelmeiser’ were of similar magnitude as those of the well known first-cycle-line ‘F2’, originating from the French open-pollinated variety ‘Lacaune’. Hence the landraces ‘Gelber Badischer Landmais’ and ‘Schindelmeiser’ proved to be similarly useful as ‘Lacaune’. Furthermore, our results demonstrate that in-vivo haploid induction is a valuable tool for exploiting landraces as genetic resources for plant breeding.

EPrint Type:Thesis
Thesis Type:Dissertation
Keywords:BÖL, BOEL, FKZ 03OE651/2, ökologischer Maisanbau, Pflanzenzüchtung, Züchtungsstrategien, Ökozüchtung, Sorten, Mais
Subjects: Crop husbandry > Breeding, genetics and propagation
Crop husbandry > Production systems > Root crops
Research affiliation: Germany > University of Hohenheim > Department of Plant Breeding, Seed Science and Population Genetics
Germany > Federal Organic Farming Scheme - BOELN > Plants > Pflanzenzüchtung
Related Links:http://www.bundesprogramm-oekolandbau.de, http://www.bundesprogramm.de/fkz=03OE651/2, http://orgprints.org/perl/search/advanced?addtitle%2Ftitle=&keywords=03OE651/2&projects=BOEL&_order=bypublication&_action_search=Suchen
Deposited By: Burger, Dr. Henriette
ID Code:15793
Deposited On:06 Jul 2009
Last Modified:12 Apr 2010 07:39
Document Language:German - Deutsch
Status:Unpublished
Refereed:Not peer-reviewed

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