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Genetische Adaption an lokale, ökologische Anbaubedingungen: Vergleich zwischen ‚bester’ reiner Linie und genetisch breiter Population am Beispiel Sommer- und Winterackerbohne

Ghaouti, Lamiae; Vogt-Kaute, Werner and Link, Wolfgang (2007) Genetische Adaption an lokale, ökologische Anbaubedingungen: Vergleich zwischen ‚bester’ reiner Linie und genetisch breiter Population am Beispiel Sommer- und Winterackerbohne. [Genetic adaptation to local and organic agronomic conditions: comparison between ‘best’ pure line and ‘best’ genetically wide population, taking spring and winter faba bean as example.] Georg-August-Universität Göttingen, Abteilung Pflanzenzüchtung.

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Summary

Die Fababohne (Vicia faba L.) ist als Körnerleguminose eine ‘low input’-Frucht, die gut zur ökologischen Landwirtschaft passt und die dem ökologischen Anbausystem eine Reihe von Vorteilen gibt (z.B. ‚break crop’, positive N-Bilanz, Unkraut-Unterdrückung). Der Einsatz von Chemikalien in der konventionellen Landwirtschaft mildert dort teilweise die Auswirkungen von Umweltschwankungen auf die Feldfrucht. In der ökologischen Landwirtschaft ist es sehr wichtig, genetische Variation zu nutzen als Mittel, um mit den agro-ökologischen und umweltbedingten Schwankungen umzugehen, um das Risiko eines Anbau-Misserfolges zu vermindern. Deswegen benötigt die ökologische Landwirtschaft Sorten, die besonders an die ökologischen Bedingungen angepasst sind.
Die hauptsächlichen Ziele dieser Studie waren: (1) lokal angepasste Ackerbohnen-Sorten für einige ökologische Bauernhöfe in Deutschland zu entwickeln, und dazu den partizipativen Ansatz zu wählen, (2) eine lokale mit der üblichen, überregionalen Pflanzenzüchtung zu vergleichen, und Inzuchtlinien mit synthetischen Sorten als Sortentyp für die ökologische Landwirtschaft zu vergleichen, (3) die Wirkung von Heterogenität des Inzuchtstatus und der Wuchshöhe auf die Konkurrenz zwischen Fababohnen-Genotypen abzuschätzen und schließlich (4) die Konkurrenzkraft zwischen Unkraut und Ackerbohnen-Genotypen zu prüfen, wenn die Bohnen sich in ihrer Heterozygotie, Heterogenität und Wuchshöhe kontrastierend unterscheiden.
Für das erste Ziel wurden 49 Sommerbohnen-Genotypen und 56 Winterbohnen-Genotypen mit unterschiedlicher genotypischer Struktur (hoch und niedrig heterozygot bzw. heterogen) in Feldversuchen über vier ökologische Standorte und einen konventionellen Standort in Deutschland über die Jahre 2004, 2005 und 2006 geprüft. Das Material umfasste sowohl bei Winterbohnen als auch bei Sommerbohnen 18 Inzuchtlinien, ihre 18 Polycross-Nachkommenschaften, Polycross-Nachkommenschafts-Mischungen, Inzuchtlinien-Mischungen, eine F1-Hybriden-Mischung (Sommerbohnen) und Kontroll-Genotypen. Der Ertrag von synthetischen Sorten wurde aus dem Ertrag von Inzuchtlinien und ihren Polycross-Nachkommenschaften vorhergesagt. Für das zweite Ziel wurden die Resultate der genotypischen Leistung von Inzuchtlinien und Polycross-Nachkommenschaften von Sommerbohnen-Genotypen über diese fünf Orte und diese drei Jahre betrachtet. Für das dritte Ziel wurde ein Experiment über drei Jahre (2004, 2005, 2006) an einem Ort durchgeführt, wo geprüft wurden: eine hochwüchsige Hybride, eine hochwüchsige Hybriden-Mischung, eine kurze Hybriden-Mischen, eine hoch- und eine kurzwüchsige Inzuchtlinie, dieses in allen möglichen Zwei-Komponenten-Kombinationen des Typs „Linie plus Hybride“ und „Linie plus Linie“. Für jede Kombination wurde eine Serie von fünf Mischungs-Anteilen der je zwei Komponenten aufgestellt. Effekte aufgrund von Konkurrenz zwischen den Komponenten wurden auf der Ebene der Parzellen und auf der Ebene der einzelnen Komponenten erfasst. Was das vierte Ziel betrifft, so wurde ein Satz von 24 Genotypen, der aus verschiedenen genotypischen Strukturen zusammengesetzt wurde (acht Inzuchtlinien, acht Polycross-Nachkommenschaften, zwei Inzuchtlinien-Mischungen, zwei F1-Hybriden-Mischungen, vier Kontroll-Genotypen) unter zwei Behandlungen geprüft: mit Unkraut und ohne Unkraut. Die Konkurrenzkraft dieser Fababohnen-Genotypen gegenüber dem Unkraut wurden mit dem Modell-Unkraut Camelina sativa in zwei Orten in den Jahren 2005 und 2006 geprüft.
Die Resultate dieser Versuche zeigten, dass die Kriterien der Landwirte bei der züchterischen Auslese stark durch die biotischen und abiotischen Bedingungen beeinflusst war, denen die Ackerfrucht an dem jeweiligen Ort ausgesetzt war. Der Ertrag bildete für alle Partner ein wichtiges Merkmal für die Einschätzung der Genotypen. Unerwarteterweise wurden anscheinend eher homogene Genotypen als heterogene Genotypen von den Landwirten wertgeschätzt. Aufgrund der großen Genotyp x Orts-Interaktionen der ökologischen Anbauorte versprach eine lokale Züchtung höhere Selektionsgewinne und wäre offensichtlich effizienter als die überregionale Züchtung. Trotz der großen Varianz zwischen Inzuchtlinien, die einer lokalen Züchtung zur Verfügung steht und die einen hohen Auslesegewinn erlaubt, waren die Synthetiks mit dem höchsten Ertrag in beiden Züchtungsstrategien aufgrund ihrer partiell genutzten Heterosis den Linien mit dem höchsten Ertrag überlegen. Durch ihre Heterogenität und Heterozygotie haben synthetische Sorten den Vorteil, an einem gegebenen Anbauort über die Jahre stabiler und auch anpassungsfähig zu sein. Außerdem zeigte sich klar, dass Heterogenität für den Inzuchtstatut, eine Eigentümlichkeit von Fababohnen-Synthetiks, ein Vorteil ist und zu einer Erhöhung der Ertragsleistung führt. Heterogenität der Wuchshöhe im Fall von Inzuchtlinien wurde nicht als Vorteil für die Ertragsleistung gefunden. Mit der Heterozygotie der Genotypen stieg die Konkurrenzkraft gegenüber Unkräutern, was durch die Hybriden-Mischungen gezeigt wurde, die die höchste Konkurrenzkraft hatten, wohingegen Inzuchtlinien am konkurrenzschwächsten waren. Es wurde innerhalb einer genotypischen Struktur (z.B. innerhalb der Gruppe der Inzuchtlinien) keine Korrelation zwischen der Ertragsleistung von Genotypen und ihrer Konkurrenz-Reaktion gefunden. Die Konkurrenzkraft gegen Unkräuter wurde durch frühe Blüte, hohen Wuchs und hohe Heterozygotie verbessert, obwohl einige Inzuchtlinien gefunden wurden, die gegen den Unkrautstress ebenso konkurrenzkräftig waren wie die teilweise heterozygoten und heterogenen Polycross-Nachkommenschaften und Kontroll-Genotypen.
Dennoch, über all die verschiedenen Aspekte dieser Studie erschien generell Heterozygotie und Heterogenität als notwendiges Charakteristikum einer Sorte, um zu den Bedingungen und Auflagen der ökologischen Landwirtschaft zu passen. Somit scheint die synthetische Sorte der angemessene Sortentyp zu sein, der den Erfordernissen der ökologischen Landwirtschaft entspricht.

Summary translation

Faba bean (Vicia faba L.) as a grain legume is a low input crop that fits well to the organic farming and provides the organic cropping system with a number of advantages (e.g., break crop, positive N-balance, weed suppression). The use of chemical inputs in conventional farming partially buffers the effects of environmental variation on crops. In organic farming the use of genetic variation as a way to cope with agro-ecological, environmental variation and to reduce the risks of crop failure is of high importance. Therefore, organic farming requires cultivars that are specifically adapted to organic conditions. The main objectives of the present study were: (1) to develop locally adapted cultivars in faba bean for a set of organic farms in Germany through a participatory breeding approach, (2) to compare local versus formal breeding, and inbred line versus synthetic cultivars for organic farming, (3) to assess the effect of heterogeneity for inbreeding status and plant height on competition among faba bean genotypes and finally (4) to test the competitive ability against weeds of faba bean genotypes contrasting in their heterozygosity and heterogeneity and in their plant height.
To fulfill the first objective, 49 spring bean genotypes and 56 winter genotypes with different genotypic structures (more or less heterozygous and heterogeneous), were tested in field trials across four organic farms and one conventional site in Germany across 2004, 2005 and 2006. The material involved in case of spring beans as well as for winter beans, was composed from 18 inbred lines, their 18 polycross progenies, polycross progenies blends, inbred lines blends, one hybrids blend (spring beans) and checks. Yield performance of synthetic cultivars was predicted through the yield performance of inbred lines and their polycross progenies. For the second objective, data of the genotypic performance of inbred lines and polycross progenies of spring bean genotypes over the five locations across the three years were considered. For the third objective, an experiment across three years (2004, 2005 and 2006) was conducted in one location where a tall hybrid, a tall hybrid blend, a short hybrid blend, a tall and a short inbred line were tested in all possible two component “line plus hybrid” and “line plus line” combinations. A sequence of five proportions of the two components was established per combination. Competition effects were recorded at both plot level and at the individual component level. Concerning the fourth objective, a set of 24 genotypes composed from different genotypic structures: eight inbred lines, eight polycross progenies, two inbred line blends, two hybrid blends and four checks were tested under two treatments with weeds and without weeds. The competitive ability of these faba bean genotypes against weeds was tested with a model weed Camelina sativa in two locations during two years (2005 and 2006).
The outcome of these experiments showed that farmer’s criteria of selection were strongly influenced by biotic and abiotic constraints faced by the crop in each location. Yield constituted for all partners an important trait for the evaluation of the genotypes. Unexpectedly, uniform rather than diverse genotypes were apparently appreciated by organic farmers. Due to the large genotype × location interaction in organic locations, local breeding proved to generate higher gains from selection and was obviously more efficient than formal breeding. Despite the large variance among inbred lines available in local breeding which allowed a high gain from selection, highest yielding synthetics were superior in both breeding strategies to highest yielding inbred lines due to their partially expressed heterosis. Through their heterogeneity and heterozygosity, synthetic cultivars have the advantage to be more stable and adaptable across years to a given environment. Besides, heterogeneity for inbreeding status, a characteristic of faba bean synthetic cultivars, proved to be advantageous and led to an increase in yield performance. Heterogeneity in plant height in the case of inbred lines was not found to be favorable for yield performance. As heterozygosity increased in the genotypes, the competitive ability against weeds increased, shown by the hybrid blends which were the most competitive genotypes, whereas inbred lines were least competitive. No correlation was found between the yield performance of genotypes and their competitive response within the genotypic structures (e.g., within lines). Competitive ability against weeds was improved by heterozygosity and high plant height, although some inbred lines were found to be as competitive to weed stress as the partially heterozygous and heterogeneous polycross progenies and checks.
However, through the different aspects of this study, generally heterozygosity and heterogeneity appeared to be the required characteristics in a cultivar in order to match the conditions and constraints of organic farming. Hence, the synthetic cultivar seemed to be the adequate type of cultivar fitting the requirement of organic farming.

EPrint Type:Report
Keywords:BÖL, BOEL, FKZ 03OE438, Sommerackerbohne, Winterackerbohne, Fababohne, Körnerleguminosen, Genotypen, Adaptation, ökologische Anbaubedingungen, Pflanzenzüchtung
Subjects: Crop husbandry > Production systems > Cereals, pulses and oilseeds
Crop husbandry > Breeding, genetics and propagation
Research affiliation: Germany > University of Göttingen > Plant Breeding
Germany > Federal Organic Farming Scheme - BOELN > Plants > Pflanzenzüchtung
Related Links:http://www.bundesprogramm-oekolandbau.de, http://www.bundesprogramm.de/fkz=03OE438, http://orgprints.org/perl/search/advanced?addtitle%2Ftitle=&keywords=03OE438&projects=BOEL&_order=bypublication&_action_search=Suchen
Deposited By: Link, Prof. Wolfgang
ID Code:16684
Deposited On:28 Jan 2010 09:46
Last Modified:12 Apr 2010 07:42
Document Language:German - Deutsch
Status:Unpublished
Refereed:Not peer-reviewed
Additional Publishing Information:Gefördert vom Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) im Rahmen des Bundesprogramms Ökologischer Landbau.
Projektleitung: Prof. Dr. Wolfgang Link, Georg-August-Universität Göttingen, Department für Nutzpflanzenwissenschaften, Abteilung Pflanzenzüchtung

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