Genetic diversity based on SSR markers, heterosis and yield performance of Brassica rapa for biomass production

Abstract

Die Erzeugung von Biogas gewinnt in Europa zunehmend an Bedeutung. Als Substrat dienen dabei überwiegend Energiepflanzen, und zur Zeit werden etwa 2% der landwirtschaftlichen Fläche in Deutschland für den Anbau von Pflanzen zur Biogaserzeugung verwendet. Etwa 80 % davon ist Mais, eine ursprünglich subtropische Pflanze mit niedriger Kühletoleranz, die erst Ende April gesät werden kann. Zur Erzeugung hoher Biomasseerträge ist es daher sinnvoll, den Anbau von Mais oder anderer wärmeliebender Arten wie Hirse oder Sonnenblume zu kombinieren mit dem Anbau von Arten mit hoher Biomasseproduktion auch unter niedrigen Temperaturen wie Getreidearten, Gräsern, oder Brassica-Arten. So können zwei Kulturen in einer Saison angebaut werden: die erste wird im Herbst gesät und im Frühjahr geerntet, und die zweite wird anschließend im Frühjahr gesät und im Herbst geerntet. Rübsen (Brassica rapa) ist eine traditionelle Ölfrucht in Mittel- und Nordeuropa, aber ihr Anbau ist heute nahezu erloschen. Allerdings gibt es ein erneutes Interesse am Anbau von B. rapa in Europa zur Erzeugung von Biomasse, da es kaum eine andere Fruchtart mit ähnlich hohen Wachstumsraten unter niedrigen Temperaturen im zeitigen Frühjahr gibt. Die Entwicklung von Zuchtprogrammen für B. rapa zur Erzeugung von Biomasse erfordert aber eine bessere Kenntnis der genetischen Variation im europäischen Genpool dieser Art. Bisher hat sich die Züchtung von Rübsen vor allem auf die Verbesserung der Qualität für die menschliche Ernährung oder zur Verwendung als Futtermittel konzentriert, wofür die Erucasäurefreiheit und ein niedriger Glucosinolatgehalt von Bedeutung sind. Diese Zuchtziele unterscheiden sich stark von den Anforderungen an eine Sorte für die Biogaserzeugung. Die Qualitätszüchtung hat dazu geführt, dass das Zuchtmaterial für heutige Sorten zweimal durch eine genetischen „Flaschenhals“ gehen musste, wodurch möglicherweise die genetische Variation reduziert wurde. Daher ist es von Interesse, auch das Potential älterer Sorten zu untersuchen.Diese Arbeit hatte die folgenden Zielsetzungen: (1) die Entwicklung einer Züchtungsstrategie für B. rapa zur Biogaserzeugung unter besonderer Berücksichtigung von Kombinationseignung und Heterosis; (2) die Bestimmung von Biomasseertrag und Heterosis in Kreuzungen innerhalb und zwischen Europäischen Rübsensorten.; (3) die Untersuchung des Einflusses der Qualitätszüchtung auf die genetische Diversität mit Hilfe von molekularen Markern. Zur Untersuchung von Kombinationseignung und Heterosis wurden 15 europäische Winterrübsensorten verwendet. Durch diallele Durchkreuzung dieser Elternsorten wurden 105 Keuzungskombinationen erzeugt. Die Eltern und ihren Kreuzungen wurden in einer Gitteranlage mit zwei Wiederholungen in zwei Jahren an zwei Orten geprüft. Dabei wurden die Merkmale Tage bis Blühbeginn (DTF), Frischmasseertrag (FBY), Trockenmassegehalt (DMC) und Trockenmasseertrag (TBY) erfasst. Die Kreuzungen hatten gegenüber ihren Eltern eine Mehrleistung von 7,6 % für FBY und 5,9 % für DBY. Die höchsten relativen Heterosiswerte waren 21,0 % FBY und 30,4 % für DBY. Die Varianzanalyse zeigte, dass vor allem die spezifische Kombinationsfähigkeit (SCA) von Bedeutung war. Die Korrelation zwischen allgemeiner Kombinationsfähigkeit (GCA) und Elternleistung betrug 0.42** für FBY und 0,53** für DBY. Durch eine Selektion von Elternkombinationen mit hoher SCA für die Herstellung synthetischer Sorten sollte eine schnelle Steigerung der Biomasseleistung von Rübsen möglich sein. Die Leistung synthetischer Sorten im Vergleich zu Vollgeschwister-Nachkommenschaften innerhalb bzw. zwischen Sorten wurde an drei europäischen Winterrübsensorten näher untersucht. Die Vollgeschwister übertrafen die Leistung der Eltern in den meisten Merkmalen. Die Vollgeschwister aus Kreuzungen zwischen Sorten hatten einen signifikant höheren Frisch- und Trockenmasseertrag als die Vollgeschwister aus Kreuzungen innerhalb der Sorten. Die Heterosis der Vollgeschwister zwischen Sorten im Vergleich zu den Vollgeschwistern innerhalb Sorten betrug 9,2 % für DBY, 4,4 % für FBY, und 3,0 % für DMC. Die Korrelation zwischen DBY betrug FBY war 0,61** und die zwischen DBY und DMC 0,86**. Insgesamt gesehen war die Heterosis relativ gering, was darauf hinweist, dass die untersuchten Elternsorten eine geringe Diversität hatten. Um zu untersuchen, ob die Züchtung zu einer Einengung der genetischen Diversität geführt hat, wurden drei unterschiedlich alte Sorten verglichen, die verschiedene Züchtungsperioden repräsentieren. Ihre Diversität wurden an je 32 Pflanzen mit Hilfe von Mikrosatelliten (SSR) untersucht, die alle Kopplungsgruppen des Genoms abdecken. Es wurde nur eine sehr leichte, nicht signifikante Abnahme der Diversität beobachtet, gemessen an der Allelanzahl, dem Informationsindex, und der erwarteten Heterozygotie. Die Qualitätszüchtung hat daher bei Rübsen kaum zu einem Verlust an genetischer Variation geführt. Eine Analyse der molekularen Variation (AMOVA) zeigte, dass 83 % der genetischen Variation innerhalb der Sorten und nur 17 % zwischen den Sorten auftrat. Einzelpflanzen der drei Sorten wurden durch Hauptkoordinatenanalyse sowie durch ein Dendrogram aua einer Clusteranalyse charakterisiert. Auch hier zeigte sich, dass die genetische Variation vor allem innerhalb der Sorten auftrat, wodurch sich der relativ geringe Heterosiszuwachs in Kreuzungen zwischen Sorten erklären lässt. Dennoch trat bei einigen Kombinationen eine deutliche Heterosis auf, die sich zur Steigerung der Biomasseleistung relativ einfach durch die Entwicklung von synthetischen Sorten nutzen lässt.