Detailed genetic analysis of faba bean (Vicia faba L.) winter-hardiness and related traits

Abstract

Als Körnerleguminose könnte die Fababohne (Vicia faba L.) die Abhängigkeit Europas von pflanzlichem Protein-Import reduzieren. Um diese Ackerfrucht zu fördern und genetisch zu verbessern wurde ein großes europäisches Projekt initiiert. Die gegenwärtige Studie betraf als Teil dieses Projektes die Toleranz der Fababohne gegen nordeuropäischen Winterbedingungen; der Winter ist ein Hauptfaktor für abiotischen Stress in diesen agro-ökologischen Regionen. Diese Studie hatte zum Ziel, die Winterhärte der Fababohne und auch Hilfsmerkmale für Winterhärte zu studieren, den Effekt von Härtung auf die Pflanzen zu bestimmen, QTL für Frosttoleranz zu entdecken und Heterosis für Frosttoleranz zu studieren. Umfangreiche Feldversuch mit einer repräsentativen Stichprobe von frosttoleranten und frostanfälligen Fababohnen-Genotypen erlaubten es, europäische Winter- Genotypen mit hoher Winterhärte und hohem Kornertrag zu identifizieren. Genotyp x Umwelt-Interaktionsanalysen mittels additive main effect and multiplicative interaction (AMMI) zeigten zusätzlich, dass diese Genotypen stabil für beide Merkmale waren; sie verfügten über eine allgemeine Adaptation an die meisten Umwelten. Künstliche und sogenannte provokative Frostprüfungen deuteten an, dass die Frosttoleranz eine signifikante aber keine erschöpfende Komponente der Winterhärte war (0,021 < |r| < 0,737**). Diese Prüfungen erlaubten es, hochgradig frosttolerante experimentelle Linien wie F7-95 zu identifizieren, aber auch europäische Genotypen, die als winterhart bekannt sind, und die entweder eine niedrige Frosttoleranz haben wie z.B. Bulldog/1 oder eine hohen Frosttoleranz wie z.B. Karl. Mit Blick auf Umwelten mit intermediärer Winterstrenge könnten diese künstlichen und provokativen Frostprüfungen benutzt werden, um indirekt die Winterhärte zu erfassen. Der Fettsäuregehalt in Blättern und deren Änderung aufgrund von Härtung, der Prolingehalt und der Membranstabilitätsindex waren signifikant mit der Frosttoleranz korreliert, was die physiologische Bedeutung dieser Merkmale für die Frosttoleranz bestätigt. Darüber hinaus zeigte die Analyse von Blättern und Stängeln, dass der Ölsäuregehalt ohne Härtung und die Veränderung im Ölsäuregehalt und im Linolsäure- plus Linolensäuregehalt in Blättern aufgrund von Härtung deren Frosttoleranz teilweise erklärte (0,347* < r < 0,543**). Obwohl in Stängeln signifikante Veränderung aufgrund von Härtung bei Ölsäure (-1,77%) undLinolensäure (+9,06%) beobachtet wurden, waren diese doch ohne Beziehung zur Frosttoleranz. Um eine Auslese auf Frosttoleranz und schlussendlich auch auf Winterhärte mit DNA-Markern zu unterstützen, wurden QTL-Analysen mit einer Population von 101 sog. rekombinierten Inzuchtlinien durchgeführt. Für alle untersuchten Merkmale wurde eine LOD-Schwelle von 3,25 zur Absicherung mutmaßlicher QTL benutzt. Für Frosttoleranz wurden vier solche mutmaßliche QTL entdeckt; zwei für Frosttoleranz ohne Härtung, die 28,3% (3,44% nach Kreuzvalidierung) der genotypischen Varianz erklärten und zwei für Frosttoleranz mit Härtung, die 12,5% (5,22% nach Kreuzvalidierung) erklärten. Mit Bezug auf physiologische Merkmale die mit Frosttoleranz korreliert waren, wurden drei QTL für Ölsäuregehalt in ungehärteten Blättern entdeckt, die 57,7% (37,2% nach Kreuzvalidierung) der genotypischen Varianz erklärten. Für den Gehalt an Prolin und löslichem Zucker wurde mit einer LOD-Schwelle von 3,25 kein QTL entdeckt. Der unverzerrte Anteil der genotypischen Varianz der nach Kreuzvalidierung erklärt wurde erlaubte es, die Aussichten einer markergestützten Selektion realistisch zu bewerten. Es zeigte sich, dass eine kombinierte markergestützte und phänotypische Selektion effizienter wäre als eine nur phänotypische Selektion und dass somit bedeutende Selektionsgewinne für Frosttoleranz in großen Populationen in den ersten Selektionsgenerationen erwartet werden können. Zusätzlich könnten günstige Allele die von BPL4628 vererbt werden benutzt werden, um die Frosttoleranz europäischer Winterbohnen weiter zu verbessern. Da die meisten zugelassenen Fababohnensorten synthetische oder sonstige Populationssorten sind, stellt Heterosis für Frosttoleranz einen wichtigen Aspekt dar. In einem diallelen Schema mit vier elterlichen Linien wurde signifikante Heterosis beobachtet. Eine Kreuzung zwischen zwei europäischen Linien zeigte allerdings keine Heterosis. Solange keine Hybridsorten produziert werden kann Heterosis für Frosttoleranz nicht vollständig ausgenutzt werden.