Lehnert, Heike; Serfling, Albrecht and Ordon, Frank (2014) Erfassung genetischer Unterschiede des Weizens bezüglich der Fähigkeit zur Symbiose mit wurzelendophytisch wachsenden Pilzen und deren Auswirkungen auf die Stresstoleranz. [Estimation of the genetic diversity of wheat with regard to the mycorrhization of roots and the impact on stress tolerance.] Julius Kühn-Institut, D-Quedlinburg , Institut für Resistenzforschung und Stresstoleranz.
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Summary
Weizen (Triticum aestivum) ist eine der bedeutendsten Kulturpflanzen für die menschliche Ernährung. Die Notwendigkeit sowohl unter veränderten Klimabedingungen mit häufiger auftretenden abiotischen und biotischen Stresssituationen als auch auf Grenzstandorten langfristig stabile Erträge zu erzielen, führt im konventionellen und insbesondere im ökologischen Landbau zu einem Bedarf an Weizengenotypen mit verbesserter abiotischer und biotischer Stresstoleranz. Neben der Verbesserung der Stresstoleranz per se, stellt die Nutzung der Mykorrhiza eine Möglichkeit zur Verbesserung der Stresstoleranz dar.
Das Ziel des Vorhabens war es daher genetische Unterschiede des Brotweizens (Triticum aestivum) bezüglich der Fähigkeit zur Symbiose mit wurzelendopytisch wachsensen Pilzen zu identifizieren, um damit die Grundlagen zu schaffen, entsprechende Unterschiede zukünftig züchterisch nutzbar zu machen. Desweiteren sollten die Auswirkungen der Mykorrhizierung auf die Biomasse- und Kornertragsbildung unter biotischen und abiotischen Stressbedingungen wie Pathogenbefall, Trockenstress oder Phosphormangel, welche verstärkt unter ökologischen Produktionsbedingungen auftreten, sowie entsprechende Wechselwirkungen erfasst und mittels assoziationsgenetischer Studien molekulare Marker für diese Parameter identifiziert werden. Das Projekt leistete damit einen Beitrag zur Anpassung von Kulturpflanzen an den Klimawandel.
Zu diesem Zweck wurden in den Versuchsjahren 2011, 2012, 2013 und 2014 an 103 Weizengenotypen Gewächshausversuche zur Mykorrhizierbarkeit, sowie der Ermittlung von Trockenstress- und Phosphormangeltoleranz (30 Genotypen) angelegt. Zudem wurden in den Versuchsjahren 2012/13 und 2013/14 Feldversuche zur Mykorrhizierung von Weizengenotypen unter Freilandbedingungen, sowie ein Freilandversuch zur Bestimmung der Krankheitsanfälligkeit von Weizen gegenüber Blumeria graminis und Puccinia triticina nach Mykorrhizierung durchgeführt. Parallel dazu erfolgte eine Genotypisierung mittels 90k iSelect Chip. Somit konnte eine genomweite Assoziationsstudie (GWAS) zur Identifikation von QTL, die an Trockenstresstoleranz und Mykorrhizierung beteiligt sind, durchgeführt werden.
Alle untersuchten Genotypen konnten erfolgreich durch Mykorrhizapilze besiedelt werden, wobei die Art Glomus intraradices der Hauptbesiedler war. Es konnte gezeigt werden, dass eine breite genotypische Variation für das Merkmal Mykorrhizierung existiert, sowohl unter Normal-, Trockenstress- als auch Phosphormangelbedingungen. Weiterhin konnte nachgewiesen werden, dass die Mykorrhizierung bei der Mehrheit der untersuchten Genotypen zu Ertragssteigerungen unter Mangelbedingungen führte, jedoch auch Genotypen auftraten, die mit Ertragsreduktion unter bestimmten Umweltbedingungen reagierten. Es wurde keine Korrelation zwischen der Intensität der Besiedlung und dem Ertragseffekt beobachtet. Vielmehr war der Effekt der Mykorrhizierung auf den Ertrag von den Faktoren Genotyp und Umwelt abhängig. Weiterhin wurde gezeigt, dass eine Mykorrhizierung von Weizen unter Feldbedingungen in geringem Maß möglich war und auch hier genotypische Unterschiede in der Intensität der Besiedlung auftraten. Es konnten jedoch keine signifikanten Ertragsunterschiede zwischen der mykorrhizierten und nicht mykorrhizierten Variante ermittelt werden. Nach der künstlichen Inokulation von Weizen mit Blumeria graminis und Puccinia triticina unter Freilandbedingungen konnte nur temporär ein Effekt der Mykorrhizierung auf die Krankheitsanfälligkeit festgestellt werden. Anhand der durchgeführten Assoziationsstudie wurden signifikante Marker- Merkmalsassoziationen für die Mykorrhizierung bzw. die Trockenstresstoleranz ermittelt.
Summary translation
Wheat (Triticum aestivum) is one of the most important crops for human nutrition worldwide. Due to climate change and an increased demand for wheat, tolerance against biotic and abiotic stress is an important goal in wheat breeding, today. Besides raising stress tolerance per se, the use of mycorrhiza for improving stress tolerance is an option.
Therefore, the project aimed at the estimation of the genetic diversity of wheat with respect to root colonization by mycorrhizal fungi and its impact on yield especially under abiotic and biotic stress conditions. Based on these results molecular markers should be identified based on genome wide association studies (GWAS).
To achieve this, several greenhouse trials were conducted in 2011, 2012, 2013 and 2014. Root colonization by mycorrhizal fungi, tolerance to drought stress and phosphorous deficiency were evaluated. Furthermore, in 2012/13 an 2013/14 field trials were conducted, in order to evaluate mycorrhizal root colonization of wheat under field conditions. In addition, possible changes of the susceptibility of wheat to Blumeria graminis and Puccinia triticina after mycorrhization were determined. In parallel to the analyses of phenotypic data, genotyping using the wheat 90K iSelect chip was conducted in order to identify QTL involved in mycorrhization and tolerance to drought stress via genome wide association studies (GWAS).
Inoculation with spores of mycorrhizal fungi was successful so that on all wheat genotypes analysed mycorrhiza symbiosis was detected. Glomus intraradices was identified as the pre-dominant root colonizing Glomus species. A broad genetic diversity of wheat to generate mycorrhiza symbiosis was detected under control conditions as well as under drought stress and phosphorous deficiency conditions. The majority of genotypes showed increased yield under stress conditions after the formation of a mycorrhizal symbiosis. However, some genotypes showed reduced yield after mycorrhization and no correlation between the amount of root colonization and the increase in yield could be observed. The effect of mycorrhization on yield response was strongly affected by genotype and environment. Furthermore, also in field conditions the formation of mycorrhiza and genotypic differences could be detected. Due to environmental effects, e.g. different soil and weather conditions, root colonization was lower in field conditions in comparison to the colonization observed in the greenhouse. No significant differences of yield between the mycorrhizal and non mycorrhizal treatment could be detected in the field. Moreover, mycorrhization did not affect the susceptibility of wheat to Blumeria graminis and Puccinia triticina. Finally, genome wide association studies revealed several significant marker trait associations with respect to root colonization by mycorrhizal fungi and drought stress tolerance.
| EPrint Type: | Report |
|---|---|
| Keywords: | BÖL, BOEL, BÖLN, BOELN, FKZ 10OE078, Mykorrhiza, Trockenstress, Pflanzenzüchtung, Weizen |
| Subjects: | Crop husbandry > Production systems > Cereals, pulses and oilseeds Crop husbandry > Breeding, genetics and propagation Crop husbandry > Crop health, quality, protection |
| Research affiliation: | Germany > Federal Organic Farming Scheme - BOELN > Plants > Pflanzenzüchtung Germany > Federal Research Centre for Cultivated Plants - JKI > Institute of Resistance Research and Stress Tolerance |
| Related Links: | http://www.bundesprogramm-oekolandbau.de, http://www.bundesprogramm.de/fkz=10OE078, http://orgprints.org/cgi/search/advanced?addtitle%2Ftitle=&keywords=10OE078&projects=BOEL&_order=bypublication&_action_search=Suchen |
| Deposited By: | Ordon, Prof. Dr. Frank |
| ID Code: | 28100 |
| Deposited On: | 20 Jan 2015 11:37 |
| Last Modified: | 16 Feb 2015 10:34 |
| Document Language: | German/Deutsch |
| Status: | Unpublished |
| Refereed: | Not peer-reviewed |
| Additional Publishing Information: | Gefördert durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages im Rahmen des Bundesprogramms Ökologischer Landbau und andere Formen nachhaltiger Landwirtschaft. Projektleitung: Prof.Prof. Dr. Frank Ordon, Julius Kühn-Institut, Institut für Resistenzforschung und Stresstoleranz |
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