Anpassung des Landbaus an den Klimawandel - Pflanzenzüchterische Möglichkeiten - Frank Ordon
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Anpassung des Landbaus an den Klimawandel –
Pflanzenzüchterische Möglichkeiten
Frank Ordon
www.julius-kuehn.de
Klimawandel
https://www.amazon.de
Dai, A. (2010)
Klimawandel
www.digiklix.de
http://www.umweltdaten.de/publikationen/fpdf-l/GGTSPU-styx2.bba.de-6248-7152625-DAT/3133.pdf
Klimawandel
55,7
66,7
aus Beschreibende Sortenliste Bundessortenamt 2017
Klimawandel
Daryanto et al. 2017
aus Beschreibende Sortenliste Bundessortenamt 2019
EMRA (ExtremwetterMonitoring und RisikoAbschätzungssystem zur Bereit-
stellung von Entscheidungshilfen im Extremwettermanagement der Landwirtschaft)
Extremwetterindikator:
Bodenfeuchte in 0-60 cm zum Termin der Aussaat von Winterraps
2017 2018
Prof. Dr. Frank Ordon – UFOP-Perspektivforum 2019
2019
www.julius-kuehn.de
Schaderreger
Insekten
Viren
Bakterien
Pilze
Chimelewski, 2007: Steigerung der Durchschnittstemperatur um 3-6°C ermöglicht Arealausweitung bis
zu 1000 km Richtung Norden
Pilzliche Erreger mit höheren Temperaturansprüchen wie der Schwarzrost oder die
Cercospora-Blattfleckenkrankheit (Cercospora beticola) können sich ausbreiten
BYDV
Commons.wikimedia.org/wiki/File:
E. Schliephake, JKI
Suíkerbiet
TuYV Dr. A. Habekuss
…
NAP Seite 11
NAP Seite 50
Herausforderungen an die Pflanzenproduktion der Zukunft
Versorgung der Bevölkerung mit einer Vielfalt an qualitativ hochwertigen
Lebensmitteln gewährleisten, Bereitstellung geeigneter Futtermittel und
biobasierter Rohstoffe.
Schutz der natürlichen Ressourcen (Boden, Wasser, Luft), Verminderung von
Risiken und negativen Auswirkungen auf die Umwelt, Entwicklung positiver
Wirkungen auf die Umwelt und die Agrarlandschaft
Erhalt und Förderung der Biodiversität/biologischen Vielfalt in der Agrarlandschaft
Anpassung des Ackerbaus an den Klimawandel
Ackerbaustrategie
Biodiversitätsstrategie
Eiweißstrategie
NAP-Pflanzenschutz
Digitalisierung
……….
www.julius-kuehn.dePflanzliche Produktionskette
https://raiffeisen-baumarkt-burgkunstadt.de/sortimente/agrar/saatgut- http://www.agrartechnik-im-einsatz.de/de/index. https://www.google.com/search?q=Mähdres https://www.google.com/search?q=Br
und-saemereien/ php?page=view_pictureBig&id=711520 cher&clientirefox otkorb&client=firefox-
b&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved
=0ahUKEwikpM2395HeAhWPNcAKH
YUwD2AQ_AUIDygC&biw=1680&bih
=893#imgrc=2pOKBip79--MAM:
Y=GxExM
Genotyp Boden Pflanzenschutz
Sorte Witterung Düngung
…….. ……..Success of breeding for resistance in wheat in Germany
Success of breeding for resistance in wheat in Germany
Stripe rust Grain yield
T1: 110 kg N/ha -0.11%/a r = -0.36 ***
T3: 220 kg N/ha -0.13%/a r = -0.37 ***
% leaf area diseased
t/ha
T1 +38 kg/ha*a r =0.61 ***
T2 +34 kg/ha*a r =0.65 ***
T3 +46 kg/ha*a r =0.62 ***
T4 +36 kg/ha*a r =0.69 ***
Powdery mildew
T1: 110 kg N/ha -0.13%/a r = -0.56 ***
% leaf area diseased
T3: 220 kg N/ha -0.14%/a r = -0.53 ***
Topfit 1972 Memory 2013
Year of release
Zetzsche et al. in prepKlassische Pflanzenzüchtung
Erfassung genetischer P1 x P2 Schaffung von
Variation I
Ausgangsvariation
F1
F2 II Selektion von
H. vulgare Sortenkandidaten
Sorten
Landrassen
F3
H. vulgare ssp.
spontaneum
F4
F5
H. bulbosum
F6
Hordeum sp.
F7
n=30
F8 III Prüfung, Erhaltung
und Vermehrung
F9
F10
Nutzung genetischer
Variation
Pedigree SelektionPflanzenzüchterisches Instrumentarium
Haploiderzeugung und Chromosomenverdopplung
P1 x P2
Genomsequenzen
HD-Markertechnologien
Transcriptomics
Metabolomics
Marker Fernie, A.R., N. Schauer, 2008:
Trends in Genetics 25, 39-48Pflanzenzüchterisches Instrumentarium
EST Genotyping by
Marker type RFLPs Genomic SSRs AFLPs SNPs/SSRs DArTs BOPAs/OPAs iSelect sequencing
single marker single marker few marker single marker
Throughput application application application application 6K 1,5K 9K 50K
platform/ platform/ platform/ platform/ simultaneous
few markers low few markers simultaneous simultaneous simultaneous simultaneous multiplexing
Multiplexing no mutiplexing multiplexing multiplexing multiplexing analysis analysis analysis analysis NGS/GBS
Amount of D N A Large amount low amount low amount low amount low amount low amount low amount low amount low amount
Quality of D N A very good average average average very good very good very good very good very good
https://www.pflanzenforschung.de
M. Delseny et al. (2010) Plant Sci. 179: 407-422
http://www.uni-giessen.de/fbz/zentren/ifz/monatsfeed/F2.large2.jpg/imagePflanzenzüchtungsforschung und -züchtung
Systematische Nutzbarmachung genetischer Ressourcen
1.750 Genbanken weltweit, 7.4 Mio. Akzessionen
130 Genbanken mit mehr als 10.000 Akzessionen
www.julius-kuehn.deSystematische Nutzbarmachung genetischer Ressourcen
Phänotypisierung
7%
18.5%
0%
20%
25%
0%
5%
3%
Hochdurchsatzphänotypisierung Automatische Detektion der 11
infizierten Blattfläche %
GenotypisierungSystematische Nutzbarmachung genetischer Ressourcen
Genomweite Assoziationsstudien GWAS
Millner et al. 2018: Nature GeneticsPflanzenzüchtungsforschung und -züchtung
Systematische Nutzbarmachung genetischer Ressourcen
https://conference.geneticdiversity.julius-kuehn.de/
www.julius-kuehn.deKlimawandel: Genomweite Assoziationsstudien (GWAS) Trockenstress
Genomregionen mit Beteiligung an
Trockenstresstoleranz und Blattseneszenz
6-zeilig
113 Gerste
Elitesorten und
43 Akzessionen
der SBCC
2-zeilig SBCC
Wehner et al. 2015, BMC Plant Biology; Wehner et al. 2016 BMC Plant Biology und Wehner et al. 2016, AgronomyKlimawandel: Genomweite Assoziationsstudien (GWAS) Trockenstress
Identifikation von Marker-Merkmal –
Assoziationen
Protein detection (stress treatment)
Sucrose synthase 4 (SUS4) Nucleotide pyrophosphatase/ phosphodiesterase (AVP1)
Sucrose-cleaving enzyme that is Regulating auxin-mediated developmental processes
involved in nucleic acid break down Increased synthesis confers tolerance to drought by increasing
during leaf senescence (Buchanan- ion retention (Schilling et al. 2013)
Wollaston, 1997)
Identifikation von Genen Abscisic acid-inducible protein kinase (TRIUR3)
Protein kinase which is involved in dehydration stress
response (Anderberg & Walker-Simmons, 1992)
Serine/threonine-protein kinase (SAPK9)
Is activated by hyperosmotic stress
May play a role in signal transduction of hyperosmotic
response (Kobayashi et al. 2004)
Wehner et al. 2015 BMC Plant BiologyTrockenstress / Nährstoffeffizienz
Anpassung an steigenden CO2-Gehalt
100 Wintergerstegenotypen 3jährig geprüft
Genomweite Assoziationstudien
amb: 400 ppm
eCO2: 700 ppm
Relative Ertragsleistung
Mitterbauer et al. (in Vorbereitung)Neue Kulturarten – Erweiterung der Fruchtfolge
Blaue Lupine – Anthraknose Resistenz
Sojabohne - Kühletoleranz
Andenlupine
Andenlupine als neue Biomasse-Pflanze
Auflockerung maislastiger Fruchtfolgen
Fixierung von Luftstickstoff
Lockerung der Bodenstruktur
Insektenweide
www.julius-kuehn.deNeue Kulturarten – Erweiterung der Fruchtfolge
Russischer Löwenzahn (Taraxacum koksaghyz)
als einheimische Quelle für hochwertigen
Naturkautschuk
ESKUSA
Züchtung FhI-IME
JKI-ZL
JKI-SB Agronomie
Wildpflanze
Kulturpflanze?
FhI-IME
Schwerpunkte: • Bestandesetablierung
Conti
• Kulturführung
• Unkrautmanagement Ext-
• Invasivität/genet. Assimilation rak-
tion
Prototypenbau Continental
Produktentwicklung Reifen GmbH
Rohstoff
Prototyp/Produkt?Schaderreger und Klimawandel
Insektenübertragene Viren: TuYV, BYDV, WDV
• Verbot der Saatgutbeizung mit Neonicotinoiden
• Zunehmende Resistenz der Virusüberträger gegenüber insektiziden Wirkstoffen
• Klimatische Veränderungen, insbesondere Temperaturerhöhung im Herbst / Winter
• längeres Infektionsgeschehen im Herbst (z. B. BYDV)
• anholozyklische Überwinterung (Blattläuse)
• kürzere Winterpause (Blattläuse, Zikaden) WasserrübenvergiIbungsvirus
(TuYV) - eine Gefahr für den
• starke Vermehrung ⇒ große Populationen Rapsanbau?
Fischer et al., Raps 1/2017
• Veränderungen im Ackerbau, u.a. reduzierte Bodenbearbeitung
E. Schliephake, JKI
E. Schliephake, JKI
TuYV
WDV
dlz agarmagazin, August 2016
Ein Massenauftreten von Blattläusen im Herbst 2015 und 2016 hat den
Wasserrübenvergilbungsvirus im Raps wieder in den Fokus gerückt.
Hermann Krauß/agrarheute, 14.07.2017Schaderreger und Klimawandel
Zunahme der Winterraps Prüfnummern mit TuYV Resistenz
in der Zulassung des BSA
12
10
8
Anzahl
6
4
2
0
2015 2016 2017 2018
Jahr
Anzahl Prüfnummern Bundessortenamt/JKI mit R54 Resistenz
www.julius-kuehn.deBarley yellow dwarf (BYDV)
Luteovirus
BYDV-PAV Rhopalosiphum padi & Sitobion avenae
BYDV-MAV Sitobion avenae
Polerovirus
CYDV-RPV Rhopalosiphum padi
+ssRNA-Virus,isometric particles
(25-30 nm), phloem limited
Dr. A. Habekuss yield losses 20-40%
Relation between BYDV-attack of winter barley in spring and temperature in autumn
Infection days - autumn Attack - spring (%)
50 50
45 45
Infection days
40 Attack 40
35 35
30 30
25 25
20 20
15 15
10 10
5 5
0 0
Year
Infection days = Number of days with a diurnal mean temperature >= 10°C between 1st of
October and 31st of December Habekuß et al. 2009Pyramiding of resistance genes: BYDV
´RIL K4-56´ (Ryd3) x ´DH21-136´ (Ryd2 + QTL Post)
2,0
G F D C E CD A B
Ryd2 (311 bp)
1,8
ryd2 (253 bp)
1,6
1,4
ELISA extinction
Ryd2 1,2
1,0
(YLP + HSP92 II) 0,8
0,6
0,4
0,2
Ryd3 (180 bp) 0,0
Ryd2 Ryd2 Ryd2 Ryd2 ryd2 ryd2 ryd2 ryd2 DH21- RIL K4- Rub-
Ryd3 Ryd3 ryd3 ryd3 Ryd3 Ryd3 ryd3 ryd3 136 56 ina
QTL+ QTL- QTL+ QTL- QTL+ QTL- QTL+ QTL- (Ryd2 (ryd2 (ryd2
Ryd3 ryd3 Ryd3 ryd3
Allele combination QTL+) QTL-) QTL-)
(HVM74) ryd3 (188 bp)
QTL + (211 bp)
QTL Post 2H
QTL - (218 bp)
(HVCSG)
Segregation Ryd2/ Ryd3/ Post-QTL
rrr rrs rsr srr ssr srs rss sss
(ryd2, ryd3, QTL-) (Ryd2, Ryd3, QTL+)
No. DH-lines 89 49 45 99 49 77 38 29 winter barley, Quedlinburg, April 2008
Riedel, C., A. Habekuss, E. Schliephake, R. Niks, I. Broer, F. Ordon, 2011 Theor. Appl. Genet. 123, 69-76.Pflanzenzüchtungsforschung und -züchtung
Pflanzenzüchtungsforschung und -züchtung
Resistenz gegen Rapsglanzkäfer
Verhaltensparameter Akzession Duftstoff- und
Rapsglanzkäfer Screening Metabolom-Analysen Resistenz
x10 5 -ESI EIC(218.1027) Scan Frag=300.0V MSneg_Sample1_1uL.d
x10 5 -ESI EIC(218.1027)
2.4 Scan Frag=300.0V MSneg_Sample1_1uL.d
2.2
x10 5 -ESI EIC(218.1027)
2.4 Scan Frag=300.0V MSneg_Sample1_1uL.d
2
2.2
2.4 1.8
2
2.2 1.6
1.8
2 1.4
20
1.6
1.8 1.2
1.4
1.6 1
1.2
1.4
0.8
1
1.2
0.6
0.8
1
0.4
0.6
0.8 0.2
verschie-
0.4
0.6 0
0.2
0.4 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12
Negative
0
0.2 Counts vs. Acquisition Time (min)
Duftpräferenz 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12
0
Counts vs. Acquisition Time (min)
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12
Counts vs. Acquisition Time (min)
dene Korrelation
Metabolitenprofile
Sorten zum Verhalten
und Arten 55
5
Verhalten
4.5
4
Fraß- 3.5
3
2.5
präferenz 2
1.5
1
0.5
0
6.95 7 7.05 7.1 7.15 7.2
Inhaltsstoff A
Unterschiedliche Signale
Resistenz-
H
O N
NH
6
5.5
112.9856
HN NH2
Larval- Biomarker
5
4.5
4
3.5
entwicklung 3
2.5
OH
225.1130
2
339.0725
130.9925
1.5
178.9773
165.0191
119.0360
577.1555
431.1913
150.9981
679.1508
256.9541
477.0635
307.1392
207.9305
235.9252
525.2332
322.0925
268.0041
448.1811
402.0887
499.1780
384.9336
593.1501
1
293.0997
640.1506
691.1477
0.5
0
80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720
Strukturanalyse
www.julius-kuehn.dePflanzenzüchtungsforschung und -züchtung Workshop 23.-24.5.2019
Gene isolation via map based cloning
Map based cloning
1. Mapping of the gene 2. Construction of a 3. Phenotyping of 4. Further marker saturation 5. Identification of 6. Identification
of interest on low to high resolution segmental RILs (F4) by using sequence information a BAC contig and of rym13 by
medium resolution mapping population and marker saturation from rice, sorghum candidate genes transformation,
using available high brachypodium and NGS data based on the TILLING, RNAi
density maps from barley (GenomeZipper) physical map of
barley or re-
sequencing of the
target interval
0 GBM1015
WMS06 0.09 k0xxx6
0.53 k0xxx7
7,25 cM
0.96 k0xxx5
1.47 k0xxx1
1.64 k0xxx2
GBM1015
2.59 rym13
rym13
5.97 cM 3.40 k0xxx3
HVM67 4.22 k0xxx4
k0xx10
Humbroich et
5.03
al. 2010 5.20 k0xx11
5.25 HVM67
www.julius-kuehn.deIsolation of virus resistance genes: rym4 und rym11
HvPDIL5-1
Yang et al. 2014. www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1320362111
Stein, N., D. Perovic, J. Kumlehn, B. Pellio, S. Stracke, S. Streng, F. Ordon, A. Graner, 2005. The Plant Journal 42, 912-922
figure taken from:
Buchanan, Gruissem, Jones (2000)
Biochemistry & Molecular Biology of plants
rym4 x rym9 x rym11 rym5 x rym9 x rym11
rym4 x rym9 rym4 x rym11 rym9 x rym11 rym5 x rym9 rym5 x rym11
rym4 rym5 rym9 rym11
www.julius-kuehn.deAllele mining: rym11
365 Wild barley (H. spontaneum)
847 Landrace (H. vulgare)
559 Cultivar (H. vulgare)
5 H. agriocrithon
Total = 1,816 accessions
Number of accessions carrying different alleles
1 4 1 28
Yang et al. 2014. www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1320362111
www.julius-kuehn.deAllele Editing: Gerichtete Mutagenese unter Verwendung von
Endonucleasen
Meganucleases
ZFNs Zinc-Finger Nucleases
TALENs Transcription Activator-Like Effector Nucleases
CRISPR Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats
Puchta and Fauser (2014) The Plant Journal
Cas CRISPR-associated, RNA-guided endonuclase-Sequenzinformation
-omics Technologien
Identifikation von Genen
bzw. Netzwerken
G. Hammer et al. 2006: Trends in Plant
Science 11, 587-593
Erfassung der allelischen
Diversität und Editierung
Fernie, A.R., N. Schauer, 2008: Trends in Genetics 25, 39-48
Nutzbarmachung durch geeignete
Markertechnologien
Institute for Resistance Research and Stress ToleranceDr. Dragan Perovic
Dr. Ilona Krämer
Dr. Antje Habekuß
Thanks
Dr. Thomas Lüpken
Dr. Doris Kopahnke
Dr. Janine König Dr. Brian Steffenson
Dr. Albrecht Serfling
Fluture Novakazi Dr. Kostya Kanyuka
Dr. Thomas Vatter
Dr. Holger Zetzsche Prof. Dr. Olga Afanasenko
Leila Fazilkhani
Frances Karlstedt Dr. Richard Pickering
Dr. Paul Johnston
Prof. Dr. Wolfgang Friedt
Prof. Dr. Andreas Graner
Dr. Nils Stein
Dr. Ping Yang
Dr. Martin Mascher
Dr. Jochen Kumlehn
Prof. Dr. Klaus Pillen
Dr. Ernesto Igartua
Dr. Ana Casas
Dr. Cristina Silvar
www.julius-kuehn.deVielen Dank für ihre Aufmerksamkeit
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