Innovations- und Forschungsprojekt
Genpoolanalysen von Mais und Soja für Bayern - Teilprojekt Soja

Einzelne Sojabohnenpflanze auf dem Feld mit gutem Hülsenansaz

Aufbau, genetische Analyse und züchterische Umsetzung für Mais und Soja im Rahmen der Biodiversitätsstrategie und Eiweißinitiative Bayerns - Teilprojekt Genpoolanalyse Soja

Genetische Ressourcen sind neben Boden und Wasser die wichtigste Grundlage für Landwirtschaft und Ernährung. In der Kombination mit Züchtung ist es die innovativste Möglichkeit, regional wie überregional angepasste Antworten zur Reaktion auf kritische Fragestellungen wie Lebensmittelsicherheit und Klimawandel zu finden. Genetische Ressourcen sind damit von höchster wirtschaftlicher wie ökologischer Bedeutung. Im vorliegenden Biodiversitätsprojekt sollen regional genutzte Maislandsorten im Rahmen der „Biodiversitätsstrategie“ und Soja-Genbankmaterial im Rahmen der „Eiweißinitiative Bayerns“ für die bayerische Landwirtschaft nutzbar gemacht werden.
Während beim Mais die Restaurierung, Erhaltung und Weiterentwicklung der bereits eingeführten historischen Ressource Mais im Focus steht, wird bei Soja der Aufbau einer neuen genetischen Ressource für den Sojabohnenanbau in Bayern angestrebt.
Das Projektziel genetische Ressourcen für Ernährung und Landwirtschaft nicht nur erhalten sondern auch aktiv nutzen zu können, wird den im Mai 2013 gefassten Beschluss des Bayerischen Landtags 16/16833 „Saatgut-Vielfalt erhalten“ unmittelbar umsetzen.

Hintergrund und Zielsetzung

Blick in das Regallager der Genbank in Gatersleben mit Sojabohnen in GläsernZoombild vorhanden
Die zu den Leguminosen zählende Sojabohne (Glycine max) findet in Deutschland nicht nur wegen der GVO-freien Versorgungssicherheit von Futtermitteln wachsendes Interesse, sie ist auch im Vergleich mit allen anbauwürdigen Körnerleguminosen die Hülsenfrucht mit dem höchsten Eiweißgehalt (mindestens aber 34% Protein) bei bester Eiweißqualität. Im Rahmen der neu gegründeten Eiweißinitiative soll der Sojabohnenanbau in Bayern für die ökologische Erzeugung von hochwertigen Futter- und Nahrungsmitteln deutlich erweitert werden. In Bayern stieg die Anbaufläche bereits von 2.400 ha (2010) auf 6600 ha (2016), in Deutschland liegt sie 2016 bislang bei 16.000 ha.
Die Sojabohne ist zwar weltweit sehr gut erforscht, aber nicht für die in Bayern benötigten frühen bis sehr frühen Reifegruppen. Für den Anbau in Bayern werden regional angepasste Sorten von hoher Qualität mit besonderer Ertragssicherheit benötigt. Die derzeit verfügbare Sortenauswahl der wärmeliebenden Sojabohne für die kühleren Reifezonen Bayerns ist mit „deutlich zu gering“ zu beschreiben. Auch der regional auftretende Trockenstress ausgelöst durch den Klimawandel setzt der Soja stark zu. Einer Erweiterung des genetischen Pools und damit der Züchtung hochwertiger, ertragsstabiler Sojabohnensorten für die bei uns benötigten frühen Reifegruppen kommt deshalb ein besonderer Stellenwert zu.

Ziel des Teilprojekts Soja ist die Beschreibung von genetischen Ressourcen und die Entwicklung von regional adaptiertem Pre-Breeding Material, wobei molekulare Analysen und klassische Züchtung Hand in Hand bis zur Abgabe von wertvollem Zuchtmaterial zielorientiert umgesetzt werden.
Der Forschungsschwerpunkt Eiweiß der LfL konnte zudem um das Züchtungsprojekt der Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung erweitert werden.

Prüfung und Entwicklung von Sojabohnenzuchtmaterial für die Fütterung

Material und Methoden

Soja-Zuchtgarten auf dem Feld mit KleinparzellenZoombild vorhanden
Molekulare Analysen stellen die Grundlage der exakten genetischen Charakterisierung des zu prüfenden Soja-Genpools dar. Markerdaten bieten einen ersichtlich neuen Zugang, vorhandenes und neues Ausgangsmaterial für die Züchtung auf Basis der vererbten Gene intensiv prüfen und praxisrelevant selektieren zu können.
Um einen Einstieg in die Kulturpflanze Soja und eine erste Einschätzung über ihre verfügbare genetische Diversität zu erlangen, wurden unselektierte Sojalinien von Genbanken der USA (GRIN-USDA), Kanadas (GRIN-CA) und Deutschlands (IPK-GB) sowie zugelassene Sorten aus Österreich und der Schweiz herangezogen. Dieses Ausgangsmaterial wird aktuell in Feldversuchen phänotypisch bezüglich der Merkmale Blühzeitpunkt, Hülsenreife und Pflanzenhöhe evaluiert und auf pflanzenbauliche Eignung für den Sojabohnenanbau in Süddeutschland geprüft und selektiert. Die genetische Diversität der ausgewählten Sojalinien und -sorten wurde mittels Hochdurchsatz-Genotypisierung (5.400 SNP-Marker/Sorte und Linie) und Sequenzanalyse von Kandidatengenen für die erhobenen Merkmale untersucht. Ergebnisse aus den molekularen Analysen und den Feldversuchen fließen in diesem Projekt in einer umfassenden Assoziationsstudie zusammen um genetische Faktoren mit phänotypischen Informationen zu verknüpfen zu können. Für die langfristig ausgelegte Nutzung der umfangreichen Datenmengen und um die Ergebnisse aus den vorliegenden Forschungsprojekten vernetzt nutzbar zu machen, wird eine Datenbank aufgebaut, die sowohl die phänotypischen als auch die molekularen Daten für jede einzelne Sorte und Linie übersichtlich und zugreifbar zusammenfasst.

Bisherige Ergebnisse

Im Rahmen des Züchtungsprojekts wurde ein Sortiment von 184 Genbanklinien weltweiter geographischer Herkunft und aus geeigneten Reifegruppen (MG 0000 bis MG I) sowie 66 alten und aktuellen Sojasorten mit dem BARCSoySNP6K Illumina iSelect BeadChip (BLE-561-035) genotypisiert. Der Genotypisierungschip enthält 5.403 SNP-Marker, die gleichmäßig über die 20 Chromosomen des Sojabohnengenoms verteilt sind. Insgesamt wurden mit dieser Analyse mehr als 1,25 Millionen Datenpunkte erhoben, die für die Beschreibung und Charakterisierung der genetischen Diversität des untersuchten Materials herangezogen werden.
Eine Stammbaumanalyse basierend auf den erhobenen Genotypisierungsdaten zeigte, dass das aktuelle Sortenmaterial im Vergleich zum untersuchten Genbankmaterial genetisch sehr eng ist und in nur einem Ast des Stammbaums clustert (Abbildung 1). 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, sodass diesbezüglich eine hohe und auch nutzbare genetische Variabilität vorliegt.

Stammbaum von 66 Sojasorten und 184 Genbanklinien basierend auf Markerdaten des Soja 6K Illumina iSelect Bead Chips. Zu sehen sind fünf Hauptcluster, die farblich unterschieden sind. Die Farben der Beschriftung kodieren verschiedene geographischen Herkünfte.Zoombild vorhanden
Im Hinblick auf zukünftige Kreuzungsarbeiten bei Soja ist die Etablierung einer verlässlichen Methode zur Kreuzungskontrolle zwingend erforderlich. Soja zeichnet sich durch eine extrem hohe Selbstbestäubungsrate bei gleichzeitig sehr kleinen und behaarten Blüten aus – eine hohe Fehlerrate im Kreuzungserfolg reduziert den Züchtungserfolgt in erheblichem Masse und verursacht große Kosten. Eine praxisorientierte und sehr effektive Selektions-Methode auf Markerbasis konnte hierzu bereits an der LfL entwickelt und schon im Februar 2015 im „Pflanzenbaulichen Kolloquium“ an der LfL vorgestellt werden. Diese Methode wird erweitert und spezifiziert.

Sojazüchtung für die Eiweißinitative Bayern

Zusammenfassung und Ausblick

Nummerierte, transparenzte Reaktionsgefäße mit DNA in grünem Ständer
Die erstmalig auf Basis eines SNP-Chips erfolgte genetische Beschreibung des ausgewählten Soja-Materials zeigt eine erstaunlich geringe genetische Basis im derzeit genutzten aktuellen Zucht- und Praxismaterial an. Gleichzeitig liegt jedoch ein sehr großes Potential genetischer Ressourcen zur Erweiterung des züchterisch nutzbaren Genpools vor. Für die Entwicklung von regional adaptiertem Pre-Breeding Material ist es nun notwendig, einen Zusammenhang zwischen genetischer Diversität und merkmalsbezogener Variation herzustellen. Mittels einer Assoziationsstudie können solche Marker-Merkmals-Verknüpfungen statistisch herausgearbeitet werden. Die Ergebnisse der Assoziationsstudie dienen zudem der Identifizierung merkmalsprägender Allele und sind die Grundlage für die Entwicklung molekularer Marker für züchtungsrelevante Merkmale.
Die klassische Züchtung kann über die Selektion im Beobachtungsanbau ein bayerisches Soja-Sortenpanel für den heimischen Sojaanbau bereitstellen, genbasierte molekularen Analysen unterstützen diese Arbeiten mit modernsten Methoden und Möglichkeiten.

Projektinformation
Projektleitung: Dr. J. Eder (IPZ 4a), Dr. G. Schweizer (IPZ 1b)
Projektbearbeitung: Dr. B. Büttner, Dr. G. Schwertfirm (IPZ 1b)
Projektlaufzeit: 01.03.2014 . 31.08.2017
Finanzierung: Bayerisches Staatministerium für Landwirtschaft, Ernährung und Forsten
Förderkennzeichen: A/14/11