Schwerpunkte im Bereich der Energie-pflanzenzüchtung - FNR
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3. Symposium Energiepflanzen Berlin, 2./3. November 2011 Schwerpunkte im Bereich der Energie- pflanzenzüchtung Steigerung des Energieertragspotenzials von Getreidearten (Sorghum, Winterweizen) Wolfgang Friedt Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung, IFZ für Umweltsicherung Universität Giessen
1. Überblick GFP-Projekte Getreidearten 2. Biomasseweizen Sortenversuche Biomasse- und Biogas-Erträge 3. Fruchtfolgegestaltung Erst- und Zweitkulturen 4. Sorghum für Bioenergie F+E-Ziele Verfügbares Material und Methodik Stand und Aussichten
GFP-Gemeinschaftsforschungsprojekte im Bereich Energiepflanzenzüchtung 2005 – 2011 (Stand Oktober 2011)
Quelle: forschung SPEZIAL Energie
Mais Rassen-Monitoring und Pathogenesestudien zur Turcicum-Blattdürre als Beitrag zur nachhaltigen Biomasseproduktion aus Mais Futterpflanzen Entwicklung der Produktlinie Futterpflanzen als Biomasselieferant – Züchtung, Schnittzeitpunkt, Nutzungssystem, Konservierung und Einsatz von Futtergräsern in der Biogasproduktion Verbundprojekt: Optimierung von DH-Technologien in der Gräserzüchtung zur Entwicklung leistungsfähiger Gräsersorten Betarüben Bewertung und Entwicklung von Energierüben als nachwachsender Rohstoff für die Biogaserzeugung Aufklärung des Rizomaniakomplexes als Beitrag zur nachhaltigen Ethanol- produktion aus Zuckerrüben Sicherung der durch Klimaerwärmung bedrohten Rizomaniaresistenz in Zucker- rüben durch molekulargenetische Identifizierung des Resistenzgens Rz2 und Auffinden neuer Resistenzquellen
Öl- und Eiweißpflanzen Effiziente Entwicklung von leistungsfähigem Hoch-Ölsäure-Raps durch Anwendung neuartiger Selektionsmethoden Verbundprojekt: Entwicklung von molekularen Markern für die Züchtung von Hoch- Ölsäure-Winterraps mit Resistenz gegen Verticillium longisporum als Beitrag zur nachhaltigen Rapsöl-Produktion Erhöhung des Ölgehaltes im Raps durch Nutzung chinesischer Genressourcen Verbundvorhaben: Brassica Wildarten als neue genetische Ressource für die Rapszüchtung Verbundvorhaben: Verbesserung der Resistenz von Winterrapssorten gegenüber Sclerotinia sclerotiorum Optimierung der Haploidentechnik beim Winterraps zur Züchtung leistungsfähiger Sorten Entwicklung innovativer Selektionstechniken für die Züchtung von Trockenstress- toleranz beim Winterraps Züchtung von Raps mit Resistenz gegen vom Klimawandel begünstigte Schadinsekten
http://www.fotocommunity.de/
Getreidearten
Weizen
Roggen
Getreide Untersuchungen zur Verwendung von Triticale als Rohstoff für die Ethanolproduktion Verbundprojekt: Optimierung von Getreide für die Biogasnutzung Teilprojekt 1: Züchterische Evaluierung von Sorten und pflanzen- genetischen Ressourcen (PGR) bei Roggen für die Bioenergienutzung Teilprojekt 2: Triticale – Eine Energiepflanze für die Biogasnutzung Verbundvorhaben: Funktionelle Analyse von Introgressionslinien zur Erweiterung der genetischen Diversität des Roggens Winter wheat cultivars maintaining high yield under environments stress Züchtung von Triticalesorten für extreme Umwelten – eine Frage des Sortentyps? Verbundprojekt: Feldbasierte innovative Messtechniken für die Verbesserung der Trockentoleranz von Roggen in Biogasfruchtfolgen
Winterweizen-Versuch, Rauischholzhausen, Mai 2006
Biogas-/Methan-Ausbeute
Biogas- bzw. Methan-
Gewinnung aus Silage:
Biogas-Labor RauischholzhausenBiomasse- und Methan-Erträge von Getreidearten
und Sorten, Mittelwerte 3-jähriger Leistungsprüfungen,
Rauischholzhausen, 2007-2009
Getreideart Biomasse-Ertrag Methan-Ausbeute
Sorte (dt TM/ha) (L/kg oTM) (L/ha)
Wintergerste
Merlot 135 318 3958
Winterroggen
Vitallo 133 358 4422
Winterweizen
Inspiration 163 390 5837
Tommi 144 403 5335
Wintertriticale
Massimo 175 407 5302
L/ha = Normliter pro HektarWinterweizensorten
Korn- und Stroh-Ertrag
Korrelationen:
Korn- Stroh- TM-
ertrag ertrag Ertrag
Kornertrag r = -0,038 r = 0,241
Stroh-
p = 0,772 r = 0,517
ertrag
TM-Ertrag p = 0,064 pWinterweizensorten
Methan-Ausbeute pro Hektar
Rauischholzhausen 2006Alternative Mischkultur-Anbau:
z.B. Sonnenblumen + MaisErstkulturen:
Rübsen (cv. Lenox) Fruchtfolgesystem-
Grünroggen (cv. Vitallo) Versuche
Erbsen (EFB3) Projekt „Entwicklung und Vergleich
von optimierten Anbausystemen und
Wintergerste (Lomerit) geeigneten Winterweizensorten für die
landwirtschaftliche Produktion von
Energiepflanzen
Zweitkulturen: A: Systemversuch; B: Erfassung der
Biomasseleistung von Winterweizen“
Mais (cv. Atletico) FNR-Förderkennzeichen: 22018205
Zuckerhirse (cv. Rona) Laufzeit: 15.10.2005-14.10.2008
Hessen: HMULV
Sonnenblume (KW0411)
Mais (Atletico) + Sonnenblume (KW0411)
Sudangras (cv. Susu)
Amarant (cv. Bärenkrafft)
Hanf (cv. Futura)
Mais (Atletico) + Sonnenbl. (KW0411) + Amarant (Bärenkrafft)Biomasse- und Gas-Erträge verschiedener Fruchtfolge-
systeme, Mittelwerte ausgewählter Fruchtfolge-Glieder,
Rauischholzhausen 2006
Fruchtfolgesystem Biomasse Methan
(dt/ha TM) (L/kg oTM) (m3/ha)
Erstkultur:
– Winterroggen (GPS) 102 432 4028
Zweitkultur:
– Silomais 137 427 5473
– Sorghum 106 482 4971
– Sonnenblume 153 261 3506
– Mais/Sonnenblume 119 327 3531
L/kg oTM = Normliter je Kilogramm organischer TrockenmasseUnterschiedliche Effizienzkriterien der Photosynthese- leistung von C3- und C4-Pflanzen
Energie-Sorghum für Deutschland Prioritäre Zuchtziele: • Biomasseertrag auf Energiemais-Niveau (leichte Standorte) • Verbesserung der Kühletoleranz (Frühjahr) • Standfestigkeit und Krankheitsresistenz • Frühreife: TS-Gehalt ca. 28% der FM • Hoher Gehalt an vergärbarer Substanz
Sorghum RIL-Population SS79 x M71
Breite Variation für morphologische and physiologische
Merkmale bei Normal- und Stressbedingungen
W. BekeleLeistungsdaten von selektierten Sorghum-Linien und Sorten
im Vergleich zu Maissorten: LP, Groß-Gerau, 2008
Genotyp: FM- TM- Tr.- Zucker CH4
Linie oder Ertrag Ertrag Subst. gehalt (L/kg
Sorte (dt/ha) (dt/ha) (%) (%) oTS)
P1 SS79 925,4 202,8 21,9 13,5 411,1
P2 M71 393,1 119,6 30,4 11,2 432,8
Linie 008 632,3 184,6 29,2 15,0 464,1
Linie 071 672,0 171,7 25,5 16,5 431,0
Linie 076 360,4 110,1 30,6 12,5 431,8
Linie 188 1104,7 238,9 21,6 15,0 421,9
Supersile18 620,9 185,3 29,8 10,0 393,3
Goliath 776,3 248,1 32,0 19,5 361,5
Gavott (Mais) 434,8 205,1 47,2 --- 386,4
Deco (Mais) 527,3 228,4 43,3 --- 405,4
CH4 Volumen auf kg oTS umgerechnet (minus Blindwert), CH4-Gehalt nach 18 Mess-
tagen, Zuckergehalt aus dem Presssaft (Refraktometer), Einheit in Brix.
Wittkop & Friedt, in Vorb.Bioenergie 2021
Koordination: Prof. Ralf Uptmoor
TP Giessen: Projektinhalte und Ziele
Umfassende Phänotypisierung (kontrollierte und
Feldbedingungen): Kombination von abiotischer
Stresstoleranz und Bioenergieertrag
Entwicklung molekulargenetischer Werkzeuge für die
Selektion: Marker und Kandidatengene für Haupt-QTL
Entwicklung von Material und genomweiten SNPs für
genomische Selektion
Wubishet A. Bekele MSc, ÄthiopienBioenergie 2021: Projekt-Übersicht
RIL Population (SS79 x M71) Diversitätsset (S. bicolor u.a.)
n = 215 n = 200
Marker: AFLP SSR Diversity array markers (DArT)
Phänotypisierung: Effekt von Kälte und Trockenheit auf die Entwicklung
Biparentale QTL-Analyse Assoziationsanalyse
QTL Sequencing: RILs Hochauflösende Analyse
Kandidatengene für Kälte und Trockentoleranz
W. Bekele u.a.RIL-Population: Phänotypisierung
Trockenstress-Reaktion: Feldversuch (Groß-Gerau)
Feldversuch: Trockenstandort, Sandboden, bewässert/unbewässert
W. BekeleRIL-Population: Phänotypisierung
Trockenstress-Reaktion: Gefäßversuch
W. Bekele u.a.Sequenzvariation: SNP discovery
Resequenzierung der Elternlinien SS79 & M71
Vergleich von SS79 und M71 zur Referenz BTx623:
Sequenzvarianten SS79 M71
SNPs in Genregionen 112.185 133.094
SNPs/nicht-codierende Regionen 1.603.454 778.829
Gesamtzahl (bi-allelische SNPs) 1.184.364 636.307
Bekele W. et al., in preparationGenomische Variation
Beispiel: CBF/DREB1-Cluster auf Chromosom Sb2
Sb02g030300 Sb02g030320 Sb02g030330
SS79 DREB1
Sb02g030310
SbCBF6
Sb02g030330
SbCBF6
DREB1 like SbCBF6
Bekele W. et al., in Vorbereitung
M71CBF/DREB1 und Kälte-Toleranz
C-repeat binding factor / dehydration-related element
Große Genfamilie die generell mit Trocken-und Kälte-
Toleranz assoziiert ist
Strukturelle Variation zwischen SS79 und M71
Beträchtliche Sequenzvariation (viele SNPs, 1 Translokation,
Deletionen) in einem CBF1-Cluster auf Chromosom2 in SS79
Bekele W. et al., in Vorbereitung
27Nächste Schritte: “Zerlegung” von QTL
DNA Sequenzierung
(QTL bulk sequencing)
•2 Pools von 30 RILs (unterschiedliche Kältereaktion)
• Illumina Sequenzierung: 0.6x/Linie, 100bp PE
• Auffinden von QTL-assoziierten SNPs
und struktureller Varianten
Bekele , Snowdon & Friedt, in VorbereitungHybridzüchtung
Linie1 X Linie 2
cms Restorer
Eigenleistung
F1 - Kältetoleranz
Hybride - Trockenstreßresistenz
- Frühreife
- Standfestigkeit, etc.
Kombinationseignung
- Biomasseleistung
- Trockenmasseertrag
- Methanausbeute
- etc.Fazit 1. Getreide-Ganzpflanzen erzielen hohe Biomasse- und Biogas- Erträge und sind für energetische Nutzung geeignet 2. Winterweizen-Sorten zeigen eine große genetische Variation für Biomasse- und Biogas- bzw. Methan-Ertrag 3. Das Methan-Bildungspotenzial einzelner Weizen-Genotypen ist beträchtlich; die hohe Heritabilität kann für eine weitere züchterische Verbesserung genutzt werden 4. „Exotische“ Getreidearten wie Sorghum („Hirse“) stehen als Alternativen für die Biomasse-Nutzung zur Verfügung 5. Sorghum-Hirse kommt für die Körnernutzung, vor allem aber für die Biomasse-Nutzung (als Zweitfrucht) infrage 6. Genomforschung und „Marker-gestütze“ Selektion ermög- lichen eine Effizienzsteigerung und Beschleunigung der Züchtung von Energiepflanzensorten (nicht nur Sorghum!)
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