Wurzelwachstum bei Gerste – Optimierung der Nährstoffaufnahme unter Trockenstress durch die züchterische Verbesserung des Wurzelwachstums bei Gerste

Moving Fields: Wurzeln eines Gersten-Kleinstbestandes

Die züchterische Optimierung von Nutzpflanzen im Hinblick auf bessere Ausnutzung von Nährstoffen und Wasser wird zukünftig insbesondere durch die geänderten Klimabedingungen zunehmende Bedeutung erlangen. Eine Steigerung der Wasser- und Nährstoffeffizienz stellt nicht nur einen wichtigen betriebswirtschaftlichen Faktor der landwirtschaftlichen Produktion dar, sondern auch die Basis für die langfristige Sicherung einer ausreichenden Ernährungsgrundlage unter geänderten Umweltbedingungen.

Ein gut ausgebildetes Wurzelsystem ist die wichtigste Voraussetzung für eine optimale Ausnutzung von Wasser und Nährstoffen durch die Pflanze. Um Sortenunterschiede in der Produktion der Wurzelbiomasse zu quantifizieren, soll die "Moving Fields"-Hochdurchsatz-Phänotypisierungs-Anlage der LfL eingesetzt werden.

Ziel

Methode

• Aus Genbankherkünften, Sorten und Zuchtstämmen wurde ein genetisch diverses Sortiment, bestehend aus stresstoleranten und stressanfälligen Sommergerstengenotypen, zusammengestellt.
• Dieses Sortiment wurde über zwei Jahre in einem Rollgewächshaus an der LfL in Freising angebaut. Dieses Rollgewächshaus erlaubt es, Trockenstress sowie eine optimale Wasserversorgung unter Feldbedingungen reproduzierbar zu erzeugen. Als externe Kontrolle wurde das Sortiment auch außerhalb des Rollgewächshauses angebaut, sowohl unter natürlichen Aufwuchsbedingungen als auch mit chemisch induziertem Trockenstress.
• Ein Teil des Sortimentes wurde über drei Jahre in der Moving-Fields-Anlage an der LfL in Freising angebaut. Diese Anlage ermöglicht es, das ober- und unterirdische Wachstum von Kleinstbeständen mittels Bildaufnahmen unter kontrollierten Trockenstressbedingungen und unterschiedlichen N-Düngungsstufen zerstörungsfrei zu verfolgen. Auch ermöglicht sie es, zu erforschen, ob sich die Stickstoff- und Wasser-Effizienz verschiedener Sommergersten-Genotypen mit Hilfe der rhizosphärischen Bakterien verbessern lässt.
• Das Wurzelwachstum sowie das oberirdische Wachstum der Kleinstbestände in den Versuchen an der Moving-Fields-Anlage wurden mit bildgebenden Verfahren quantifiziert. Zusätzlich wurde im Qualitätssicherungslabor der LfL der Stickstoffgehalt in Körnern und Stroh bestimmt. Diese Messungen wurden kombiniert, um so den Zusammenhang zwischen Wurzelwachstum und Nährstoff- und Wassereffizienz zu bestimmen.
• Bereits publizierte Methoden zur Untersuchung von Getreidewurzeln im Boden mittels quantitativer PCR (polymerase-chain-reaction) sollten im Genomanalyselabor der LfL etabliert und auf Gerste übertragen werden, wonach sie zur Bestimmung der Wurzelmasse in den Rollgewächshausversuchen und zur Kalibrierung der über Bildverfahren bestimmten Wurzelmessungen in den Moving Fields Versuchen eingesetzt werden sollen.
• Das Sortiment wurde mit einem Hochdurchsatzverfahren (SNP-Chip) genetisch analysiert. Mit Hilfe einer genetischen Assoziationsstudie werden im Anschluss molekulargenetische Selektionsmarker für die Selektion auf verbessertes Wurzelwachstum entwickelt.

Wurzeln eines Gersten-Kleinstbestandes

• Ein Sortiment mit 56 Sommergerstengenotypen wurde zusammengestellt und für den Anbau im Rollgewächshaus und in der Moving-Fields-Anlage vorbereitet. Dieses Sortiment umfasste einerseits aktuelle Sorten, die als Vergleich dienen, anderseits alte Sorten, aktuelle Sorten und Zuchtstämme, die vermeintlich tolerant gegen Trockenstress sind, sowie ausländische Genotypen aus aridem Gebiet mit Vertretern aller Weltteile.
• Die Versuche im Rollgewächshaus und auf dessen Kontroll-Feldern wurden im ersten Jahr planmäßig durchgeführt. Im Rollgewächshaus gelang es, in der trockenen Variante bis in Bodentiefen von 75 cm Trockenstress zum Zeitpunkt des Ährenschiebens zu erzeugen. Die bewässerte Variante im Rollgewächshaus sowie die beiden externen Versuchsflächen waren dagegen während der Vegetationsperiode ausreichend mit Wasser versorgt.
• 2015 und 2016 wurde ein Teilsortiment in insgesamt 4 Versuchen an der Moving-Fields-Anlage unter verschiedenen Kombinationen von Trockenstressbedingungen, N-Düngungsstufen und Düngung mit rhizosphärischen Bakterien angebaut. Die Erntedaten dieser Versuche wurden bereits analysiert.
• Die Bilder des ober- und unterirdischen Wachstums wurden ausgewertet. Der Stickstoffgehalt in Körnern und Stroh wurde für einen der Versuche – in dem Sommergerste unter unterschiedlichen N-Düngungsstufen, in An- und Abwesenheit rhizosphärischer Bakterien angebaut wurde – gemessen und der Zusammenhang zwischen Düngung, Inhaltsstoffen und Kornertrag bestimmt.
• Die quantitative PCR (polymerase-chain-reaction) Technik wurde an Hand von reinen Wurzelproben etabliert; momentan wird versucht diese Methode auf Bodenproben zu übertragen.

Ergebnis

Zoombild vorhanden

Die beiden Versuche im Rollgewächshaus der LfL stellten sicher, dass ausreichend Material für die Entwicklung der Labormethode verfügbar war. Gleichzeitig lieferten sie Daten bezüglich des Effektes, den Trockenstress unter annähernd natürlichen Bedingungen auf das Erntegut hat. Die verschiedenen agronomisch-bedeutsamen Merkmale wurden mittels univariater Analyse ausgewertet. Um eine schnelle Einschätzung der sortenspezifischen Wassereffizienz zu ermöglichen, wurden zusätzlich Indizes entwickelt, welche die große Zahl der beschreibenden Merkmale zusammenfassen.

Ausblick

Mehr zum Thema