Züchterische Verbesserung der Silphie – erste Schritte

Breeding progress in cup plant – first steps

Einleitung

Die Durchwachsene Silphie oder Becherpflanze (Silphium perfoliatum L.) ist eine langlebige, massenwüchsige Staude aus den Präriegebieten Nordamerikas. Sie wird als Alternative/Ergänzung zum Energiemais für Biogasanlagen intensiv untersucht. Als Staude mit langer Blütezeit bereichert sie zudem die Kulturlandschaft und gilt als Bienenweidepflanze (Abb. 1).

Abb. 1. Einzelpflanzenbestand der „Russischen Herkunft“.

Auf weit über 100 Standorten Deutschlands gibt es einen klein- bis mittelflächigen Erprobungsanbau der Silphie (Biertümpfel, 2014). Die prognostizierte Nutzungsdauer liegt bei mindestens 10 Jahren. Von der Silphie sind mehrere Herkünfte verfügbar (Biertümpfel, 2014). Alle zeichnen sich durch eine mehr oder weniger starke Inhomogenität aus. Eine züchterische Bearbeitung liegt nur in Ansätzen vor (Paladey, 2014). Als Voraussetzungen für eine effektive Züchtungsarbeit müssen im Vorfeld folgende Fragen geklärt werden:

• welche Zuchtziele sind zu bearbeiten?

• wie ist die Blüten- und Befruchtungsbiologie?

• gibt es Inzucht?

• wie ist die Ausgangsvariabilität in den Herkünften?

• welche Zucht- und Analysenmethoden sind anzuwenden und welche sind verfügbar?

Zuchtmethodische Überlegungen und erste Ergebnisse werden im Folgenden vorgestellt.

Als Unterauftrag im Verbundprojekt wurden am Julius Kühn-Institut – Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen (JKI) in Berlin methodische Arbeiten zur Entwicklung einer NIRS-Methode zur Bestimmung der energetischen Leistungsmerkmale durchgeführt.

In einem weiteren Unterauftrag wird ein Verfahren zur In-vitro Vermehrung ausgewählter Silphie Genotypen im Institut für Gemüse und Zierpflanzenforschung (IGZ) in Erfurt entwickelt.

Ergebnisse

Die Gesamtleistung kann nur über eine ein- oder zweijährige Leistungsermittlung als Trend prognostiziert werden. Die Bedeutung von Vergärbarkeit, Zellulose- und Ligningehalt hängen stark von den konkreten Bedingungen im Biogasreaktor ab. Auch die technologischen Merkmale haben eine unterschiedliche Wichtung. Winterfestigkeit und Krankheitsresistenz scheinen im Zuchtmaterial ausreichend positiv determiniert zu sein, die Standfestigkeit ist durch die technische Entwicklung der Häckseltechnik kein schwerwiegendes Problem mehr.

Es zeigte sich eine große Variabilität zwischen den Einzelpflanzen. Die Merkmale Stängelanzahl und -durchmesser variierten besonders stark. Signifikante Zusammenhänge zwischen den Merkmalen Stängelanzahl und Stängeldurchmesser (r² = –0,21) konnten in Erfurt nicht gefunden werden, eine Tendenz wenig Stängel – hoher Stängeldurchmesser und umgekehrt war allerdings an beiden Standorten erkennbar.

Bei den indirekten Merkmalen wurden ADF, Lignin, Biogas und Methan an den Klonen in Dornburg bestimmt. Die ADF gibt Auskunft über die im sauren Milieu unverdaulichen Bestandteile von Tierfuttermitteln. Es gab keine signifikanten Zusammenhänge zwischen Lignin und ADF (r² = 0,34). Für die Interpretation der Inhaltsstoffe sind die zeitlichen Verläufe der An- bzw. Abreicherung bestimmter Inhaltsstoffe zu beachten. Als Staude verlagert die Silphie ihre Reservestoffe aus Blatt und Stängel in den Wurzelstock. Oberirdisch verbleiben unverdauliche Gerüstsubstanzen. Einen Eindruck der zeitlichen Verläufe gibt Abb. 2.

Abb. 2. Zeitliche Verläufe von Methanausbeute und Methanertrag (Daten der TLL).

Der Methangehalt der organischen Substanz sinkt ab Mitte August stetig. Der Methanertrag sinkt gleichfalls, wenn auch langsamer, da der Biomasseertrag bis Anfang September noch steigt.

Nach den Erfurter Bonituren wurden 13 EP mit wenigen aber dicken Stängeln selektiert und in Isolierung gepflanzt. Damit sollte die Standfestigkeit positiv beeinflusst werden. Die 13 EP hatten im Mittel bei NLC in Erfurt 10% bzw. in der TLL in Dornburg 8% weniger Lignin als die 100 Einzelpflanzen, die an beiden Standorten als Klone standen. Der ADF-Wert blieb in Dornburg bei den selektierten EP 44% unter dem Mittel aller Pflanzen. Beide Merkmale stehen für die bakterielle Umsetzbarkeit, diese Inhaltsstoffe sollten möglichst niedrig sein.

Saatgut für den nächsten Selektionsschritt wurde von isolierten EP und als Ramsch der 13 positiven EP geerntet.

Die getrennte Vermehrung positiver EP erforderte eine Isolation von Blütenständen und den Einsatz von Fliegen als Bestäubungshilfe. Es liegt also Geitonogamie – die Bestäubung zwischen Blüten der gleichen Pflanze – vor, was aber den gleichen genetischen Effekt hat wie die Bestäubung innerhalb einer Blüte.

Auffallend war zunächst der generell schwächere Samenansatz nach Isolation. Von 73 Isolationen blieben 17 ganz ohne Samenansatz und nur 10 brachten eine „normale“ Menge gut ausgebildete Samen hervor. Das kann ein Ergebnis der mikroklimatischen Bedingungen unter dem Isolationsbeutel oder eine befruchtungsbiologische Benachteiligung von Selbst- gegenüber Fremd­befruchtung sein. Der Vergleich von Nachkommen aus Selbstung und Fremdbefruchtung gibt weitere Hinweise auf mögliche Inzuchtdepressionen. In Tab. 3 sind Nachkommenschaften aus freier und isolierter Abblüte verglichen.

Bereits nach einer Selbstungsgeneration sind deutliche Wachstumsminderungen zu beobachten, was auf Inzuchtdepressionen hindeutet. Bei Bestätigung dieser Beobachtung in weiteren Inzuchtgenerationen hätte das Auswirkungen auf die zu wählende Zuchtmethode.

Abb. 3. Zeitliche Verläufe von Ligningehalt und ADF (Daten des JKI und der TLL).

Während für Lignin keine zeitliche Abhängigkeit beobachtet werden konnte, stieg der ADF-Gehalt vom Sommer zum Herbst deutlich an. Auch die NIRS-Ergebnisse zeigten Unterschiede zwischen „frühen“ und „späten“ Ernteproben. Diese Unterschiede scheinen nach den ersten Ergebnissen also nicht allein im Lignin- sondern auch im Cellulose-Gehalt begründet zu sein.

Darauf aufbauend wurden 2014 und 2015 parallel nasschemische und NIRS-Untersuchungen durchgeführt. Die NIRS-Analysen schlossen auch grobe und feine Probenvermahlungen sowie unterschiedliche Zwischen­lagerzeiten ein. Zusammenfassend konnten anhand der Proben 2014 und 2015 für ADF, RA und TS Modelle mit guter Korrelation erhalten werden (R²> 0,9, RPD > 3,0), wenn NIRS- und Referenzanalytik zeitnah erfolgten. Ebenso sind die Ergebnisse bei Verwendung von grobem Pflanzenmaterial generell besser gegenüber dem fein vermahlenen Material außer beim Merkmal ADF. Bei allen Modellen scheint der Ligningehalt (ADL) aber schlecht mit den NIRS-Spektren zu korrelieren. Da der Gehalt an Lignin aber auch indirekt in den Trockenmasse- und ADF-Werten enthalten ist, lässt sich die spätere Biogasausbeute auch auf Basis der anderen Kenngrößen abschätzen.

Die Etablierung von In-vitro-Kulturen war durch das Vorhandensein von Endophyten im Ausgangsmaterial in hohem Maße erschwert und unsicher. Trotz dieser Schwierigkeiten war es möglich, eine für die Oberflächendesinfektion wirksame Behandlung zu finden und ausgehend von Sprossen der Mutterpflanzen, lebende, scheinbar sterile In-vitro-Kulturen aufzubauen. Zur Proliferation wurden Kulturen auf MS- und U-Medium verglichen. Beide führten zur erfolgreichen Vermehrung (Abb. 4).

Abb. 4. In-vitro Proliferation von Sprossexplantaten (Quelle IGZ).

Die weitere Kultur inklusive einer In-vitro-Bewurzelung verlief positiv und stabil. Die Akklimatisierung der In-vitro-Pflänzchen an Gewächshausbedingungen war problemlos. Dies gilt auch für die direkte Überführung von unbewurzelten In-vitro-Sprossen in Substrat. 2016 wurde ein Feldversuch angelegt, um In-vitro-Pflanzen und aus Saatgut vermehrte Pflanzen parallel zu bewerten. Weiterhin werden Versuche zur Depothaltung von In-vitro-Sprossen und zur Frage des einmaligen- oder jährlich notwendigen Vernalisationsbedarfs durchgeführt.

Überlegungen zu den Zuchtmerkmalen und zu der richtigen Zuchtmethode stehen deshalb am Anfang einer züchterischen Bearbeitung. Die eigentlich zu beurteilende Gesamtlebensleistung würde zu einer unwirtschaftlichen Verlängerung des Zuchtprozesses führen. Bisherige Untersuchungen an mehrjährig kultivierten Einzelpflanzen zeigen, dass die wesentlichen Merkmale bereits im ersten und zweiten Nutzungsjahr beurteilt werden können.

Die zu wählende Zuchtmethode muss sich an der bei der Silphie wahrscheinlich auftretenden Inzuchtdepressionen nach Selbstung orientieren. In Tab. 4 sind die zeitlichen Verläufe bei den Methoden Einzelpflanzenselektion und Positive Ramschzüchtung gegenüber gestellt.

Da nach den bisherigen Ergebnissen bereits nach einer Inzuchtgeneration Inzuchteffekte zu beobachten waren, scheint nur der positive Ramsch unter Beibehaltung einer eingeschränkten Heterozygotie erfolgversprechend. Der Zuchtprozess wird unter Einbeziehung der amtlichen Prüfungen ca. 25 Jahre benötigen.

Die Beurteilung der energetischen Zuchtziele wird von den verfügbaren Methoden limitiert. Sowohl die Futtermittelanalytik nach Weender als auch die Laborvergärungen nach dem HBT sind für umfängliches Zucht­material zu langsam und zu teuer. Moderne Verfahren, wie eine direkte Bestimmung der Merkmale an gemahlenem Trockenmaterial mittels NIRS, scheinen eine grundlegende Verbesserung des analytischen Potentials anzubieten.

Der Einsatz von In-vitro Klonierungsverfahren ermöglicht eine schnelle, umfangreiche Vermehrung positiver Einzelpflanzen. Das kann den Zuchtfortschritt gleichfalls beschleunigen. Erste Ergebnisse sind erfolgversprechend.

An den Selektionsarbeiten, der Entwicklung einer NIRS-Technik und einer In-vitro Klonierungsmethode wird im Rahmen des laufenden Projektes weiter gearbeitet.