Agronomic performance and genetic diversity of the root crop yam bean (Pachyrhizus spp.) under West African conditions

Abstract

Die Yambohne (Pachyrhizus spp.) ist eine Knollenleguminose, die fast ausschließlich als Gemüsekultur genutzt wird. In der Gattung werden drei Kulturarten unterschieden: Amazonas-Yambohne (P. tuberosus), Mexikanische Yambohne (P. erosus) und die Anden-Yambohne (p. ahipa). Innerhalb von P. tuberosus werden weiterhin drei Gruppen unterschieden: die Ashipa und Jíquima Gruppen mit niedrigem Trockensubstanzgehalt der Knollen (unter 20 %) und die Chuin Gruppe mit hohem Trockensubstanzgehalt (über 30%) der Knollen. Im Gegensatz zu allen anderen Formenkreisen der Yambohne, die aufgrund ihres hohen Wassergehaltes roh konsumiert werden, werden Chuin-Typen wie Maniok genutzt. Die Yambohne wird heutzutage in Mittel- (P. erosus) und Südamerika (P. tuberosus, p. ahipa) sowie in nahezu allen Ländern Südostasien (P. erosus) angebaut, allerdings meist lokal auf kleinen Flächen. Ein kommerzieller Anbau auf großen Flächen ist aus Mexiko, den Philippinen und Indonesien bekannt. Diese Studie wurde in Benin / Westafrika durchgeführt um die Möglichkeit für die Einführung der Yambohne als proteinreiche Knollenfrucht zu prüfen.Bis vor kurzem wurde die Yambohne züchterisch kaum bearbeitet. Die weite öko-geographische Verbreitung, Stickstofffixierung, leichte Kreuzbarkeit der Arten, Vermehrung über Samen und die Nutzbarkeit als proteinreiche Knollenfrucht lassen den Schluss zu, dass eine Weiterentwicklung dieser vernachlässigten Kulturpflanze sehr erfolgreich sein könnte. Für diese Hypothese sind jedoch genauere und vor allem vergleichbare agronomische Studien des Yambohnen-Genpools erforderlich mit dem Ziel das Ertragspotential, die Variation der wichtigsten agronomischen Merkmale und die genetische Diversität im Yambohnen-Genpool zu schätzen. Hierzu wurden in der vorliegenden Arbeit 34 Akzessionen der Arten P. tuberosus, P. erosus und p. ahipa aus den wichtigsten Anbaugebieten der Yam-Bohne an zwei Standorten in Benin / Westafrika im Jahr 2001/2002 angebaut und 31 agronomische Merkmale und 40 morphologische Merkmale wurden erfasst. In der Anbaupraxis erfolgt ein Entfernen der Blütenstände zur Steigerung der Knollenerträge, da die Samen der Yambohne aufgrund des hohen Rotenongehalts (ca. 1% des Samengewichts) nicht genutzt werden. Aus diesem Grund erfolgte die Erfassung der wichtigsten agronomischen Merkmale: Knollenfrischmasseertrag, Knollentrockenmasseertrag, Biomasse, Trockenmasse der Knolle, Harvest-Index für den Knollenertrag sowie die Schädigung der Knolle durch Nematoden, Insekten und Pilzen in den zwei Behandlungsstufen mit ("pruning") und ohne Entfernen der Blütenstände ("no-pruning"). Ziele der vorliegenden Arbeit waren: (i) die Evaluierung des agronomischen Potentials der verschiedenen Akzessionen und die Analyse der Auswirkung des "Pruning" auf den Ertrag, (ii) die Diversitätsschätzung innerhalb und zwischen den drei Arten aufgrund agronomischer und morphologischer Merkmale mit Hilfe multivariater Statistik, (iii) die Untersuchung der Möglichkeit der Anwendung der Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) zur Diversitätsschätzung.Signifikante Unterschiede zwischen Standorten, Akzessionen und Arten wurden für die meisten Merkmale beobachtet. Bei "no pruning" variierte das Populationsmittel der Landrassen für den Knollenfrischmasseertrag zwischen 12,4 t ha-1 bei p. ahipa und 23,4 t ha-1 bei P. erosus. Der Samenertrag variierte zwischen 1,5 und 2,9 t ha-1 bei P. tuberosus, 3,5 und 4,6 t ha-1 bei P. erosus und zwischen 2,6 und 2,7 t ha-1 bei p. ahipa. Mit "Pruning" wurde der Knollenfrischmasseertrag um 48 % bei P. tuberosus, 91 % bei P. erosus und 61 % bei p. ahipa gesteigert, wobei gleichzeitig der Knollentrocken-masseertrag um 58 % bei P. tuberosus, 100 % bei P. erosus und 66 % bei p. ahipa zunahm. Die Chuin-Typen zeigten einen hohen Knollentrocken-massegehalt (ungefähr 30 % der Knollenfrischmasse). Akzessionen mit Frühreife wurden innerhalb von p. ahipa identifiziert und Akzessionen mit hohem Knollenertrag und hohem Samenertrag bei P. erosus, wobei in dieser Art zwei Akzessionen auffielen, die am Standort mit Trockenstress nur eine geringe Reduktion des Knollen- und Samenertrags zeigten. In allen drei Arten wurde eine hoch signifikante genetische Variation für Knollenfrischmasse-ertrag und Knollentrockenmasseertrag festgestellt.Die Schätzung der Diversität im Yambohnen Genpool erfolgte mit multivariater Statistik (Hauptkomponenten und Clusteranalysen) anhand von 71 morpho-agronomischen Merkmalen. Die Hauptkomponenanalyse zeigte, dass mit den ersten beiden Hauptkomponenten 62% der Gesamtvariation aller Merkmale erklärt werden konnten. Drei klar getrennte Gruppen konnten mit der Hauptkomponentenanalyse sowie der Clusteranalyse festgestellt werden, die den drei Arten p. ahipa, P. erosus und P. tuberosus entsprechen. Die P. tuberosus Akzession TC118 wurde aufgrund des niedrigen Knollenfrischmasseertrags, Knollentrockenmassegehalts und Samenertrags in einer isolierten Gruppe eingestuft. Keine Beziehung wurde zwischen geographischem Ursprung und Diversität beobachtet.Die Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) ist heute ein wichtiges Hilfsmittel für die Qualitätsevaluierung von Kulturarten geworden. In der vorliegenden Studie wurde NIRS verwendet um die Diversität im Genpool einer Kulturpflanzengruppe zu schätzen. Die spektralen Daten von intakten (nicht zermahlenen) Samenproben der Akzessionen wurden hierzu als Merkmale betrachtet und mit einer Hauptkomponenten- und Clusteranalysen verrechnet. Die Clusteranalyse zeigte klare Gruppen innerhalb der Arten und häufig eine Fusionierung von Akzessionen entsprechend denen der Clusteranalyse auf Basis morphologisch-agronomischer Daten. Allerdings konnte auf höheren Fusionierungsstufen lediglich P.ersous und p. ahipa von einander getrennt werden. Eine klare Trennung aller drei Arten war nicht möglich.Die Arbeit zeigt das Potential der Yam-Bohne für ihre Einführung in Benin und West Afrika. Akzessionen mit dem höchsten Knollenfrischmasseertrag wurden innerhalb von P. erosus gefunden. Bei allen drei Arten traten Akzessionen mit hohem Knollentrockenmasseertrag auf und Akzessionen mit Frühreife wurden bei p. ahipa gefunden. Multivariate Analysen konnten zeigen, dass es eine große genetische Variabilität zwischen und innerhalb der drei Arten gibt. Die Variabilität innerhalb von P. tuberosus ist auch groß, da Akzessionen der Chuin Gruppe sich von der Akzession der Ashipa Gruppe unterscheiden. Da interspezifische Hybridisierungen zwischen allen drei Arten möglich sind, kann die gesamte genetische Variabilität innerhalb von Pachyrhizus züchterisch genutzt werden. Einige Landrassen der Yam-Bohne sind bereits jetzt für die Einführung in Benin und in Westafrika im allgemein attraktiv. Eine züchterische Bearbeitung der Yambohne in kleinem Maßstab sollte zu deutlichen Zuchtfortschritten führen - die erforderlichen Kreuzungseltern für ein solches Programm konnten in dieser Arbeit identifiziert werden.