Improving yield and essential oil content in annual caraway accompanied by utilization of molecular-genetic methods

Autor/innen

  • Daniel Baron von Maydell Julius Kühn Institute (JKI) - Federal Research Centre for Cultivated Plants, Institute for Breeding Research on Horticultural Crops

DOI:

https://doi.org/10.5073/20221115-083801

Schlagworte:

Apiaceae, Umbelliferae, Sequenzierung, Züchtung, Gartenbau

Abstract

Kümmel (Carum carvi) ist eine Kulturpflanze der Familie der Apiaceae mit einer langen Nutzungs- und Anbaugeschichte. Früchte oder extrahierte Bestandteile werden als Gewürz, in Arzneimitteln und zur Keimhemmung bei Kartoffeln verwendet. Bis zur Einführung einjähriger Sorten in den 1990er Jahren basierte der Kümmelanbau in Europa auf zweijährigen Sorten. Der einjährige Anbau verspricht eine Reduzierung der Produktionskosten und eine bessere Integration in die Fruchtfolge. Derzeitige einjährige Sorten erzielen jedoch keine zufriedenstellenden Erträge und keinen zufriedenstellenden Ätherischölgehalt. Zudem wird der Kümmelanbau in Deutschland durch den fortschreitenden Klimawandel riskanter.

Daher wurde ein Züchtungsprojekt gestartet, mit dem Ziel das Ertragspotenzial und den Ätherischölgehalt im einjährigen Kümmel zu erhöhen und an klimatische Änderungen angepasstes Material zu entwickeln. Um Ertragssteigerungen zu erzielen, sollte die Züchtung synthetischer Sorten als potentielle Methode in der Kümmelzüchtung getestet werden. Diese Methode erlaubt partiell die systematische Nutzung von Heterosis. Unter der Annahme einer vorwiegenden Fremdbefruchtung erwarteten Züchter eine starke Heterosis bei Kümmel. Jedoch wurden weder Heterosis noch überwiegende Fremdbefruchtung bei freier Bestäubung für Kümmel bisher experimentell nachgewiesen. Daher war die Gewinnung erster Erkenntnisse zur Heterosis und zur Auskreuzungsrate von Kümmel ein wesentliches wissenschaftliches Ziel dieser Arbeit. Darüber hinaus wird die Kümmelzüchtung dadurch erschwert, dass kaum phänotypische wie genotypische Daten zum verfügbaren genetischen Material vorliegen. Um eine solide Grundlage für neue Züchtungsprogramme zu schaffen, sollte innerhalb des Projekts eine breite phänotypische und genotypische Evaluierung genetischen Materials durchgeführt werden. Diese Arbeit konzentrierte sich auf die genotypische Evaluierung.

Zur phänotypischen und genotypischen Bewertung wurde ein Set von 137 Akzessionen bestehend aus 67 einjährigen und 70 zweijährigen Akzessionen zusammengestellt (Kapitel 1, von Maydell et al. 2021a). Ein GBS wurde für die Genotypisierung ausgewählt und führte zur Generierung eines Sets von 13.155 SNP-Markern. Dieser Ansatz ist in seiner Breite und Tiefe für die Züchtungsforschung an Kümmel einmalig. Die Populationsstruktur wurde unter Verwendung einer Hauptkoordinatenanalyse, eines Bayes‘schen Clusterings, phylogenetischer Bäume und eines „neighbor networks“ untersucht. Alle Analysen zeigten eine Aufteilung der Akzessionen in zwei Subpopulationen, die mit dem Blühtyp assoziiert war. Die AMOVA wies auf eine eher geringe genetische Variation zwischen den beiden Subpopulationen von 7,84 % hin. Zusätzlich wurde bei 35 Akzessionen eine Durchflusszytometrie durchgeführt, um die Genomgröße von Kümmel zu bestimmen. Es wurde eine durchschnittliche Genomgröße von 4.282 pg/2C geschätzt, was in etwa der Hälfte der in der Literatur angegebenen Größe entspricht. Im Allgemeinen wurde bestätigt, dass GBS eine robuste Methode zur Analyse der Populationsstruktur und genetischen Diversität in Sonderkulturen wie Kümmel ohne Referenzgenom sein kann. Mit weiteren nachgelagerten Anwendungen dürfte sich GBS als sehr kosteneffizient und nachhaltig erweisen. In einer weiteren Studie konnten die gefundenen SNP-Marker bereits erfolgreich in diagnostische Marker umgewandelt werden.

In dieser Studie wurden ausgewählte SNP-Marker verwendet, um die Auskreuzungsrate in Kümmel zu schätzen (Kapitel 2, von Maydell et al. 2020). Ausgewählte einjährige Inzuchtlinien wurden in einem nachbarschaftsbalancierten Polycross-Design platziert, um bei freier Bestäubung F1-Populationen zu erzeugen. Das Genotypisierungssystem PACE wurde implementiert, um sieben F1-Populationen zu untersuchen. Darüber hinaus wurde eine Hochdurchsatz-geeignete DNA-Extraktion adaptiert. Insgesamt wurden mehr als 1.300 Einzelpflanzen analysiert. Die Auskreuzungsrate lag zwischen 51,6 % und 82 % und im Durchschnitt bei 66,5 %. Somit wurde für Kümmel eine überwiegende Fremdbestäubung bestätigt. Es wurde jedoch auch ein hoher Anteil an Selbstbefruchtung festgestellt, sodass das Paarungssystem von Kümmel als gemischtes Paarungssystem bezeichnet werden kann. Die Schätzung der Auskreuzungsrate von weiteren Genotypen, in weiteren Jahren und Umgebungen ist wünschenswert. Jedoch ließen die ersten Erkenntnisse bereits vermuten, dass ausgeprägte Heterosis bei Kümmel auftreten sollte, aber aufgrund der unvollständigen Auskreuzung die maximale potentielle Heterosis in der F1/Syn1-Generation vermutlich nicht genutzt werden kann.

Schließlich wurden Heterosis und GCA anhand der 18 F1-Populationen untersucht, die im Polycross generiert wurden (Kapitel 3, von Maydell et al. 2021b). 18 Inzuchtlinien wurden mit 18 entsprechenden F1-Populationen und 4 Standardsorten in einem randomisierten vollständigen Blockdesign in zwei Jahren und vier Wiederholungen pro Jahr und Genotyp verglichen. Neben dem Ertrag wurden Blühbeginn, Blühende, Reife, Höhe, Tausendkorngewicht, Stielchenbesatz, Korn-Ausfallrate und Ätherischölgehalt bestimmt. Als zentrales Ergebnis wurde eine „better-parent heterosis“ festgestellt. Die F1-Populationen wiesen signifikant einen höheren Ertrag, ein höheres Tausendkorngewicht und eine größere Pflanzenhöhe sowie einen früheren Blühbeginn, ein früheres Blühende und eine frühere Reife als die entsprechenden Inzuchtlinien auf. Allerdings konnten die F1-Populationen die Standard-Populationssorten nicht wesentlich übertreffen. Es bleibt zu prüfen, ob die Kombination der besten Komponenten letztendlich zu den gewünschten Ertragssteigerungen führt. Darüber hinaus wurden starke negative Korrelationen zwischen Entwicklungsmerkmalen und dem Ertrag gefunden, sodass die Selektion sich früh entwickelnder Genotypen sehr empfehlenswert erscheint.

Zusammenfassend kann diese Arbeit als vorbereitender Schritt zur Umsetzung der Heterosiszüchtung und der Anwendung molekulargenetischer Methoden in der Kümmelzüchtung gewertet werden. Die Ergebnisse zeigten, dass Ertragssteigerungen nur durch eine Züchtungsmethode erreicht werden können, die die Nutzung von Heterosis ermöglicht. Daher könnte die Züchtung synthetischer Sorten die Methode der Wahl sein. Genotypische Daten könnten bei Selektionsentscheidungen in neuen Zuchtprogrammen unterstützend eingesetzt werden. Darüber hinaus könnten genotypische Daten und die etablierten molekulargenetischen Methoden die Grundlage für zukünftige genetische Analysen bei Kümmel darstellen.

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Veröffentlicht

2022-12-02

Ausgabe

Rubrik

Dissertation