Forschung und Biotechnologie
Genomanalyse und markergestützte Pflanzenzüchtung

Im Rahmen des IPMorama-Projekts werden Kenntnisse über die Wirtsresistenz mit der Verbreitung von Schädlingen und Krankheitserregern verbunden. Durch das Verständnis der genetischen Resistenz von Nutzpflanzen und der Kartierung der Virulenz von Krankheitserregern wird IMPorama Züchter bei der Entwicklung resistenter Sorten unterstützen. Das Projekt bezieht Akteure der gesamten landwirtschaftlichen Wertschöpfungskette ein und bietet einen umfassenden Rahmen zur Verbesserung des Schädlingsmanagements und der landwirtschaftlichen Nachhaltigkeit.

Im Rahmen einer Exkursion des Carl-Orff-Gymnasiums der 9. Klasse Biologie konnten interessierte Schüler unter der Leitung von Frau Pröbster in der Genomanalyse der Landesanstalt für Landwirtschft selbst experimentieren und DNA aus pflanzlichem Gewebe isolieren. Zusammen mit den Mitarbeitern wurden die einzelnen Arbeitsschritte umgesetzt und die Inkubationspausen mit Informationenen zum Aufbau der DNA und ihrer Anwendung in der Marker-Selektion in Züchtungsprogrogrammen genutzt.

Im Forschungsprojekt LUPISMART wurde an der LfL ein umfassendes weiße Lupine Sortiment, das LUW-Panel (LUW = LUpineWeiß) bestehend aus 255 Genbankakzessionen, Zuchtstämmen und Sorten aufgebaut und intensiv untersucht. Es steht auch zukünftig für Forschungsarbeiten zur Verfügung. Im Projekt konnte über eine erste Markerentwicklung und der Durchführung einer genomweiten Assoziationsstudie (GWAS) Marker-Merkmals-Assoziationen für die Merkmale Anthraknoseresistenz, Alkaloidarmut im Samen und Proteingehalt im Samen bestimmt werden.

Im Forschungsprojekt LUPISMART und darüber hinaus in weiterführenden Arbeiten an der LfL ist es gelungen, in einem breiten Genpool weißer Lupinen SNPs für eine Merkmalskartierung zu entwickeln. Unter Durchführung einer genomweiten Assoziationsstudie (GWAS) konnten für die Merkmale Anthraknoseresistenz, Alkaloidarmut im Samen und Proteingehalt im Samen relevante Marker-Merkmals-Assoziationen bestimmt werden.

Landwirtschaft im Zeichen des Wandels: Klimawandel und sich ändernde Ernährungsgewohnheiten zeigen eine neue Dynamik in der Landwirtschaft und damit wichtige Aufgabenfelder in der Züchtungsforschung auf. Das Forschungsprojekt "MABYSoy" stellt sich der Fragestellung "Stresstolerante Soja-Sorten als Antwort auf Klimastress". Aktive Erweiterung der genetischen Diversität und Marker-Analysen zur Selektion von Trocken- und Kühletoleranz bei Soja stehen im Zentrum der Forschungsunterfangen für heimisch erzeugte Lebens- und Futtermittel.

Mit den vorliegenden Ergebnissen konnte gezeigt werden, dass die markerunterstützte Charakterisierung von PGRs sowie deren Kombination untereinander oder mit ertragsstarken Sorten zur gezielten Verbesserung züchtungsrelevanter Merkmale führt und den Sortengenpool gezielt erweitert. In Projekt konnte wertvolles Pre-Breeding-Material mit neuen Eigenschaften für die Entwicklung regional angepasster Sorten über die Bayerische Pflanzenzuchtgesellschaft (BPZ) für die bayerischen Züchter bereitstellt werden.

Am 22. Februar 2022 fand die GFL-Jahrestagung wegen der Corona-Pandemie online statt. Frau Dr. Grit Schwertfirm war eingeladen, ihren wissenschaftlichen Beitrag zur Züchtungsforschung "Weiße Lupine" an der LfL mit dem Thema: "Renaissance der Weißen Lupine – Züchtungsforschung zur Verbesserung von Anthraknosetoleranz und Qualitätsparametern" vorzustellen.

Bei der weltweit auftretenden Blattfleckenkrankheit der Gerste, ausgelöst durch den Pilz Rhynchosporium konnten in Kooperation mit der Universität Halle acht QTLs für eine resistenzvermittelnde Reaktion gegen diese Pilz-Krankheit in Wildgerste identifiziert werden. Eng flankierende Marker für die Einkreuzung der Wildgersten-Allel in Elite-Linien sind beschrieben.

Im StMELF -Projekt "Markerbasierte Kreuzungspläne bei Soja" der Arbeitsgruppe Genomanalyse konnten wesentliche Ergebnisse zur Züchtung auf Frühzeitigkeit und damit zur Verbesserung frühreifer Genotypen der heimischen Sojabohne erreicht werden. Im Vordergrund stand die Markerentwicklung zur Sortendifferenzierung, Kreuzungskontrolle und Selektion von Sojalinien mit verbesserten, züchtungsrelevanten Eigenschaften bezüglich früher Blüte, früher Reife und Kühletoleranz.

Die Plant and Animal Genome (PAG) ist das weltweit größte internationale Forum für die Genomforschung in Tier und Pflanze. Mehr als 3.000 Wissenschaftler aus Pflanzen- und Tiergenomforschung kommen in über 150 Workshops, an mehr als 1.100 Postern und 1.800 Abstracts zusammen, um die aktuellen Entwicklungen in ihren Forschungsfeldern vorzustellen und zu diskutieren. Darüber hinaus bietet die Wirtschaftsausstellung mit mehr als 130 Ausstellern die Möglichkeit, neu entwickelte methodische Ansätze in der Genomforschung auszuloten und zu diskutieren.

Ziel des Tagungsbesuches war es, die Ergebnisse zur Blattfleckenresistenz der Gerste im Forschungsprojekt "IdeMoDeResBar" international zur Diskussion zu stellen, den an der LfL verfolgten Ansatz zu hinterfragen sowie ein methodisches Update für die weitere Projektbearbeitung zu bekommen.
Hintergrund: Der Klimawandel, die berechtigte Sorge um die Umwelt und der Wegfall von Pflanzenschutzwirkstoffen machen es für den Landwirt immer schwieriger seinen Bestand bis zur Ernte krankheitsfrei zu halten. Dazu kommt der wachsende Preisdruck auf landwirtschaftliche Erzeugnisse. Es besteht die Notwendigkeit, Gersten mit verbesserter Resistenz gegen diese Blattfleckenkrankheit zu züchten und zu selektieren - und damit den Landwirten gesunde Sorten anzubieten zu können. Nicht zuletzt der ökologische Anbau profitiert von dieser Form der Resistenzforschung, denn sie ermöglicht die Nutzung biologisch gesunder Sorten im allgemeinen Anbau mit positivem Nutzen für Umwelt und Gesellschaft.
Im zugrundeliegenden Forschungsprojekt werden die Grundsteine für die Resistenzzüchtung zur Blattfleckenkrankheit gelegt und neben dem Zuchtmaterial auch spezielle Methoden der Gendiagnose für die Züchtung gesunder Gersten zur Verfügung gestellt.

Der Anbau von Sojabohnen hat 2017 mit 18.000 ha bislang seinen höchsten Flächenumfang in Deutschland erreicht. Projekte der LfL bearbeiten und Beschreiben die vorhandenen genetischen Ressourcen der Sojabohne mit regionalem Bezug, unterstützen mit modernsten Markertechniken die Selektion in Züchtungsprogrammen und entwickeln klimatisch angepasstes Soja-Zuchtmaterial der frühen Reifegruppen.

Verantwortungsbewusst erzeugte Lebensmittel aus der Region liegen voll im Trend: Fisch aus Aquakultur, Getreide, Linsen oder Soja.
Unter den Stichworten: "Genetische Diversität – Selektion – Gewebekultur sowie Aquakultur" erfahren Besucher alles über Pflanzen und Fische.
Angewandte Forschung für jeden erlebbar!

Besuchen Sie die Gendiagnose- und Gewebekultur-Ausstellung ganztägig oder gemeinsam mit der Führung Moving Fields und RINEG/Zukunftsgewächshaus (11:15, 13:15 und 15:15 Uhr).
Treffpunkt: Gebäude 9, Verbinderhalle OG

Sie ist eine Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts und spielt in nahezu allen Bereichen des Alltagslebens eine entscheidende Rolle. Über die Entwicklung spezieller DNA-Marker können bemerkenswerte Selektionsstrategien für vielfältige Züchtungsmerkmale verfolgt werden: Beginnend bei der Keimung und Kühletoleranz, über Blühzeitpunkt und Krankheitsresistenzen bis hin zu Erntemerkmalen wie Eiweiß-, Brau- und Backqualität werden sie eingesetzt. Selbst komplexe Reaktionen von Pflanzen unter extremen Witterungseinflüssen werden experimentell mit den Methoden der Hochdurchsatz-Phänotypisierung, Genexpressionsanalyse, Genomanalyse und Bioinformatik erfasst, analysiert und in entsprechenden Züchtungsprogrammen umgesetzt.

Eine weitere Steigerung stellt die Integration von Gewebekulturtechniken und damit der Aufbau von Kartierungs- und Selektionspopulationen für oben genannte DNA-Markertechniken und Auswertemodulen dar.
Hierbei werden z.B. doppelhaploide Pflanzen eingesetzt. Das sind komplett reinerbige Pflanzen, bei denen alle väterlichen und mütterlichen Gene identisch sind. Solche Pflanzen lassen sich im Gewebekultur-Labor ausschließlich aus männlichen oder weiblichen Keimzellen (Pollenkörner, Eizellen) entwickeln, bzw. regenerieren.

Landwirtschaft im Zeichen des Wandels: Klimawandel und sich ändernde Ernährungsgewohnheiten zeigen eine neue Dynamik in der Landwirtschaft und damit wichtige Aufgabenfelder in der Züchtungsforschung auf. Das Forschungsprojekt "MABYSoy" stellt sich der Fragestellung "Stresstolerante Soja-Sorten als Antwort auf Klimastress". Aktive Erweiterung der genetischen Diversität und Marker-Analysen zur Selektion von Trocken- und Kühletoleranz bei Soja stehen im Zentrum der Forschungsunterfangen für heimisch erzeugte Lebens- und Futtermittel.

Mit den vorliegenden Ergebnissen konnte gezeigt werden, dass die markerunterstützte Charakterisierung von PGRs sowie deren Kombination untereinander oder mit ertragsstarken Sorten zur gezielten Verbesserung züchtungsrelevanter Merkmale führt und den Sortengenpool gezielt erweitert. Somit konnte in dem Projekt wertvolles Pre-Breeding Material mit neuen Eigenschaften für die Entwicklung regional angepasster Sorten über die Bayerische Pflanzenzuchtgesellschaft (BPZ) für die bayerischen Züchter bereitstellt werden.

Sojabohne (Glycine max (L.) Merr.) ist ein Schmetterlingsblütler (Ordnung: Faboidae) innerhalb der Familie der Hüsenfrüchtler (Familie: Fabaceae; Gattung: Glycine)
• Soja ist eine Kurztagspflanze.
• Soja stammt ursprünglich aus der Mandschurei im Nordosten Chinas.
• Erste Sojaanbau datiert auf ungefähr 1100 v.Chr.
• Soja ist die erste Hülsenfrucht deren Genom sequenziert werden konnte (Nature vom 14. Januar 2010, 463, S. 218–222).

Wichtige Ergebnisse zur Züchtung auf Frühzeitigkeit und damit zur Verbesserung frühreifer Genotypen der heimischen Sojabohne (Glycine max) konnten in einem vom StMELF geförderten Forschungsprojekt erzielt werden. Im Vordergrund stand die Kartierung der züchtungsrelevanten Eigenschaften frühe Blüte, frühe Reife und Kühlestresstoleranz. Zudem konnten Marker zur Sortendifferenzierung und Kreuzungskontrolle von Sojalinien entwickelt werden. Entsprechende Fluidigm-Arrays für eine sichere, markerbasierte Selektion wurden entwickelt.

Die Blütenausbildung bei Soja ist ein sehr komplexes Wechselspiel von Genen und Effektoren die über Tageslänge, Entwicklungszustand, Temperatur und Phytohormone gesteuert werden. Für die Allele der 3 Hauptgene E1, E3 und E4 konnten molekulare Marker entwickelt und Genbank- wie Sortenmaterial untersucht werden.

Ein Sortiment von 184 Soja-Genbanklinien weltweiter geographischer Herkunft und aus den beschriebenen Reifegruppen MG 0000 bis MG I sowie 66 alte und aktuelle Sojasorten wurde mit dem BARCSoySNP6K Illumina iSelect BeadChip genotypisiert. Mit dieser Analyse wurden mehr als 1,25 Millionen Datenpunkte erhoben, die für die Beschreibung und Charakterisierung der genetischen Diversität des untersuchten Materials herangezogen wurden. Eine Stammbaumanalyse zeigte, dass das aktuelle Sortenmaterial im Vergleich zum untersuchten Genbankmaterial genetisch sehr eng ist. Hinsichtlich des Genbankmaterials lässt sich eine klare Differenzierung zwischen japanischen, chinesischen und europäischen Herkünften ableiten. Ein letztes Cluster bildet Material verschiedener asiatischer Herkünfte wie China, Korea und Japan. Eine eindeutige Gruppierung bezüglich der bekannten Reifegruppen konnte nicht abgeleitet werden. Die BARCSoySNP6K Illumina iSelect BeadChip Analysen stellen eine wertvolle Ressource zur genetischen Charakterisierung des bearbeiteten Soja-Genpools dar, sie sind gleichzeitig Ausgangsbasis für die Bestimmung von Marker- Merkmalskorrelationen.

Seit tausenden von Jahren (~ 7 - 10.000), seit der Mensch sesshaft wurde, hat er die Samen der besten Gerstenpflanzen ausgewählt und aus Wildgerste domestiziert (Salamini 2002, Nat Rev Genet 3: 410-441). Zunächst konnten die besten und schönsten Körner per Gefühl und Auge, später dann über gezielte Messungen selektiert werden.
Im Zeitalter der Gersten-Genomforschung (IBSC – International Barley Sequencing Consortium) kennen wir viele Gene die für die Ausprägung der sicht- und messbaren Merkmale verantwortlich zeichnen. Aber es sind noch lange nicht alle, auch ihre Wechselwirkung und Regulation sind häufig unbekannt oder sehr komplex. Verschiedene Genome von Kulturgersten (Hordeum vulgare) aber auch von Wildgersten (u.a.Hordeum spontaneum) konnten mittlerweile sequenziert (IBCSC 2012; Nature 436:793-800), die Genabfolgen verglichen und die Gene in ihren verschiedenen Variationen (Allele) ihren Chromosomen zugeordnet werdn. Das Gerstengenom ist nahezu zweimal so groß wie das des Menschen.
Heute sind Funktion und Regulation mancher agronomisch relevanter Gerstengene bekannt - andere bedürfen noch der Aufklärung und Umsetzung. Die moderne Pflanzenzüchtung macht sich mittlerweile den Gencode züchtungsrelevanter Gene zu Nutzen. Sie schaut über Zuhilfenahme molekularer Gerstenmarker nach, ob und welche Gene beispielsweise den höheren Kornertrag oder die bessere Brauqualität liefern. Mit Hilfe spezifischer DNA-Marker erleichtert die Gendiagnose die gezielte Selektion dieser Gene in erheblichem Maße, sie wird als „Markerbasierte Pflanzenzüchtung“ oder „Smart Breeding“ bezeichnet.

Viele interessante Gene führen in ihrem Zusammenspiel zu einer verbesserten Resistenz gegen Gerstenschädlinge oder sie erhöhen die Produktqualität, diese Gene können strategisch über eine gezielte und markerunterstützte Pflanzenzüchtung neu kombiniert werden.
Über den gezielten Anbau solch wertvoller und krankheitsresistenter Sorten wird der Landwirt effizient und kostengünstig eine umweltgerechte und nachhaltige Gerstenproduktion leisten können.

Der Klimawandel, die berechtigte Sorge um die Umwelt und der Wegfall von Pflanzenschutzwirkstoffen machen es für den Landwirt immer schwieriger seinen Bestand bis zur Ernte krankheitsfrei zu halten. Dazu kommt der wachsende Preisdruck auf landwirtschaftliche Erzeugnisse. Deshalb haben in Bayern die Forscher der Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL) gemeinsam mit Wissenschaftlern des James-Hutton Instituts (JHI) in Schottland nach den wirksamsten Resistenzgenen der Gerste gegen die weltweit auftretende Blattfleckenkrankheit gesucht - sie sind mehrfach fündig geworden.
Die Ergebnisse zur Beschreibung und Nutzung dieser gersteneigenen Resistenzgene fanden aktuell gleich zweimal Eingang in die internationale Zeitschrift „Theoretical and Applied Genetics“.
In der Dezemberausgabe 2018 (TAG-131-12, Seiten 2513-2528) zeigte die Forschungskooperation am europäischen Sommergersten-Zuchtmaterial, dass die Gerste ein äußerst erfolgreiches Verteidigungskonzept gegen den für die Blattfleckenkrankheit verantwortlichen Pilz Rhynchosporium commune entwickelt hat. Beobachtungen an vielen Standorten und über mehrere Jahre hinweg haben gezeigt, dass nicht weniger als neun Genorte der Gerste für diese Gegenwehr verantwortlich sind. Darunter befinden sich sechs Hauptgene, von denen bereits jedes für sich alleine zu einer gesünderen Gerste führt. An drei dieser Resistenzgene war die LfL maßgeblich mit Aufklärung und Publikation beteiligt, Selektionsmarker und Zuchtmaterial finden damit ihren Eingang in die Züchtung pilzresistenter Sorten.

Anfang Dezember 2018 konnte von der gleichen Forschungsgemeinschaft und damit unter Beteiligung der LfL, die Entdeckung und Beschreibung eines weiteren, neuen Blattflecken-Resistenzgens für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Pilz Rhynchosporium commune eingereicht werden. Es trägt den Namen Rrs18 (Resistenzgen Rhynchosporium Nr. 18). Das Manuskript wurde von den Gutachtern bereits akzeptiert abgerufen werden.
Gerade im Hinblick auf Brauqualität und Ertragsstabilität der Gerste, unter den sich spürbar ändernden Klimabedingungen, wird diese Krankheit zielführend erforscht und in internationalen Kooperationen intensiv bearbeitet. Es besteht die Notwendigkeit Gersten mit verbesserter Resistenz gegen diese Blattfleckenkrankheit zu selektieren und den Landwirten als eine gesunde Sorte anzubieten. Nicht zuletzt der ökologische Anbau profitiert von dieser Form der Resistenzforschung, sie ermöglicht die Nutzung biologisch gesunder Sorten im allgemeinen Anbau mit positivem Nutzen für Umwelt und Gesellschaft.

Vor der Ernte stehen bereits die ersten genomischen Zuchtwerte der aktuellen Stämme aus dem LfL-Weizenzuchtprogramm zur Verfügung. Dadurch können Linien frühzeitig auf Ertrag selektiert und an private Züchter für die gezielte Anpaarung abgegeben werden. Ziel in der Weizenzüchtungsforschung am Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung ist es, die genomische Selektion nachhaltig zu etablieren, um einen schnelleren Zuchtfortschritt zu ermöglichen.

Im Rahmen des IPMorama-Projekts werden Kenntnisse über die Wirtsresistenz mit der Verbreitung von Schädlingen und Krankheitserregern verbunden. Durch das Verständnis der genetischen Resistenz von Nutzpflanzen und der Kartierung der Virulenz von Krankheitserregern wird IMPorama Züchter bei der Entwicklung resistenter Sorten unterstützen. Das Projekt bezieht Akteure der gesamten landwirtschaftlichen Wertschöpfungskette ein und bietet einen umfassenden Rahmen zur Verbesserung des Schädlingsmanagements und der landwirtschaftlichen Nachhaltigkeit.

Im Forschungsprojekt LUPISMART wurde an der LfL ein umfassendes weiße Lupine Sortiment, das LUW-Panel (LUW = LUpineWeiß) bestehend aus 255 Genbankakzessionen, Zuchtstämmen und Sorten aufgebaut und intensiv untersucht. Es steht auch zukünftig für Forschungsarbeiten zur Verfügung. Im Projekt konnte über eine erste Markerentwicklung und der Durchführung einer genomweiten Assoziationsstudie (GWAS) Marker-Merkmals-Assoziationen für die Merkmale Anthraknoseresistenz, Alkaloidarmut im Samen und Proteingehalt im Samen bestimmt werden.

m Forschungsprojekt LUPISMART und darüber hinaus in weiterführenden Arbeiten an der LfL ist es gelungen, in einem breiten Genpool weißer Lupinen SNPs für eine Merkmalskartierung zu entwickeln. Unter Durchführung einer genomweiten Assoziationsstudie (GWAS) konnten für die Merkmale Anthraknoseresistenz, Alkaloidarmut im Samen und Proteingehalt im Samen relevante Marker-Merkmals-Assoziationen bestimmt werden.

Am 22.02.2022 fand die GFL-Jahrestagung wegen der Corona-Pandemie online statt. Frau Dr. Grit Schwertfirm war eingeladen ihren wissenschaftlichen Beitrag zur Züchtungsforschung „Weiße Lupine“ an der LfL mit dem Thema: „Renaissance der Weißen Lupine ‐ Züchtungsforschung zur Verbesserung von Anthraknosetoleranz und Qualitätsparametern“ vorzustellen.

Die Weiße Lupine (Lupinus albus L.) ist durch ihre sehr gute klimatische Adaption bestens an die vorherrschenden Witterungsbedingungen im mitteleuropäischen Raum angepasst und deshalb in großen Gebieten anbauwürdig. Eine Erhöhung des Leguminosenanteils in der Anbau-Fruchtfolge wird aufgrund ihrer Mobilisierung von Phosphat im Boden insbesondere aber wegen der Luft-Stickstofffixierung aus umwelttechnischen wie landwirtschaftlichen Gründen nachdrücklich gefordert. Ihr Anbau führt zu einer Verbesserung der Bodenstruktur bei gleichzeitiger Einsparung an Düngemitteln – Stichwort „Nitratauswaschung“ – und führt zu einer Verbesserung der Anbaudiversifikation in der Landwirtschaft.
Die Weiße Lupine gilt unter den Süßlupinen als die ertragreichere und zudem die bevorzugte Anbauform in Mittel- und Süddeutschland, sie stellt als zusätzliche Art aus der Gruppe der Leguminosen eine zu fördernde Erweiterungsmöglichkeit für nachhaltige Bewirtschaftungssysteme dar. Die breitblättrige Weiße Lupine beschattet im Vergleich zur Blauen Lupine den Boden besser und beugt damit einer Spätverunkrautung vor. Aufgrund ihrer wesentlich geringeren Wärmebedürftigkeit im Vergleich zur Sojabohne sowie den allgemein geringen Bodenansprüchen, kann die Weiße Lupine auch an ungünstigen Standorten einen entsprechenden Beitrag zur nachhaltigen Eiweißversorgung leisten und die Abhängigkeit von importierten Rohproteinträgern reduzieren. Der Eiweißgehalt variiert je nach Art und Sorte der Lupinen zwischen 34% und 55%, bei einer gleichzeitig sehr hohen Eiweißwertigkeit. Eigenschaften, die eine breitgefächerte Verwertung dieser Körnerleguminose von der Humanernährung bis zum Tierfutter ermöglichen.
Der etablierte Anbau der Weißen Lupine wurde Anfang bis Mitte der 90er Jahre durch das Auftreten der Pilzkrankheit Anthraknose (Erreger: Colletotrichum lupini) jäh gestoppt und kam bis heute zum Erliegen, Ernteausfällen von bis zu 100% sind möglich. Die Anbaufläche von Lupine-Arten in Deutschland liegt 2019 bei ca. 21tsd Hektar (Stat. Bundesamt 2019). Dabei ist der Anteil der Weißen Lupine sehr gering (unter 4%). Ein Anbau der Weißen Lupine ohne entsprechende Anthraknosetoleranz ist sowohl für die konventionell als auch ökologisch bewirtschaftende Landwirtschaft ein untragbares Risiko. Der unten vorgestellte Forschungsantrag LUPISMART soll einen entscheidenden Beitrag zur Verbesserung der Anthraknosetoleranz und damit zur Wiedereinführung des Anbaus der Weißen Lupine beitragen.