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Variation und Vererbung von Glucosinolatgehalt und muster in Grünmasse und Samen von Raps (Brassica napus L.) und deren Zusammenhang zum Befall mit Rapsstängelschädlingen

dc.contributor.advisorBecker, Heiko C. Prof. Dr.
dc.contributor.authorBrandes, Haiko
dc.date.accessioned2016-01-13T09:44:01Z
dc.date.available2016-01-13T09:44:01Z
dc.date.issued2016-01-13
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0028-8690-5
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-5459
dc.description.abstractRaps (Brassica napus L.) ist heute die drittwichtigste Ölfrucht weltweit. Einer der Hauptgründe für die große Anbaubedeutung liegt in der Züchtung von Sorten mit niedrigem Gehalt an Glucosinolaten (GSL) im Samen, welche die Koppelnutzung des Öls und des Rapskuchens in der Tierfütterung möglich machte. GSL sind schwefelhaltige, sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe und ein Charakteristikum der Familie der Kreuzblütler, zu der Raps zählt. Die Funktion der GSL in der Pflanze wird zusammen mit dem sie abbauenden Enzym Myrosinase als konstitutiver Abwehrmechanismus gegenüber unspezifischen Fraßfeinden gesehen, dem sogenannten Glucosinolat-Myrosinase System. Raps wird aber auch von Schädlingen befallen, die speziell nur Kreuzblütler als Wirtspflanzen akzeptieren. Bei einigen spezialisierten Schädlingsarten der Kreuzblütler konnte gezeigt werden, dass GSL oder ihre Abbauprodukte einen Einfluss auf das Verhalten bei der Wirtspflanzenwahl, bei der Eiablage oder beim Fraß haben können. Es besteht also die Möglichkeit, dass über GSL in der Grünmasse eine quantitative Resistenz gegenüber Schadinsekten vermittelt wird und die genetische Variation von GSL im Rapsgenpool eine natürliche Resistenzquelle darstellt. Jedoch ist die Vererbung der GSL in Blatt und Stängel im Gegensatz zu den GSL im Samen wenig untersucht. Die Zielsetzung dieser Arbeit bestand daher einerseits in der Evaluierung von GSL-Gehalten und -mustern als potentielle Resistenzfaktoren gegenüber den spezialisierten Rapsschädlingen „Großer Rapsstängelrüssler“ (Ceutorhynchus napi) und „Gefleckter Kohltriebrüssler“ (Ceutorhynchus pallidactylus) und andererseits in einer genetischen Analyse der GSL-Gehalte in Blatt und Stängel. Dazu wurden dreijährige Feldversuche an vier Standorten durchgeführt, in denen 28 genetisch sehr unterschiedliche Genotypen, darunter 15 Rapsresynthesen und 13 ältere und neuere Zuchtsorten hinsichtlich der Variation von GSL-Gehalten und –Zusammensetzungen in Grünmasse und Samen und deren Anfälligkeit gegenüber den beiden Rapsstängelschädlingen evaluiert wurden. Die Daten des Schädlingsbefalls wurden in der Abteilung Agrarentomologie erhoben und entstammen der parallel durchgeführten Dissertation von Schäfer-Kösterke (2015). Um die Selektionsmöglichkeiten auf unterschiedliche GSL-Gehalte in Samen und Grünmasse zu eruieren, wurde die Vererbung von GSL in einem weiteren Experiment mit Hilfe einer DH-Population untersucht. Die Hauptfrage dieser QTL-Kartierung war, inwieweit am GSL-Stoffwechsel beteiligte Genomregionen sich zwischen Stängeln, Blättern und Samen unterscheiden. In der Auswertung der Versuchsserie zur Variation der GSL konnte für die elf identifizierte GSL eine große genetische Variation mit hohen Heritabilitäten festgestellt werden. Als großer Einflussfaktor auf die GSL-Gehalte der Genotypen erwies sich das Entwicklungsstadium der Pflanzen: Die über 28 Genotypen gemittelten GSL-Gesamtgehalte in der Grünmasse nahmen vom ersten Probenahmetermin von 18 µmol im Schossen zum zweiten auf 4 µmol bei Blühbeginn ab. Weiterhin hatten Samen im Mittel der Genotypen um 47 µmol höhere GSL-Gehalte als die Grünmasse, und Stängel um ca. 3 µmol höhere Gehalte als Blätter. Auch die mittlere GSL-Zusammensetzung der Genotypen unterschied sich deutlich zwischen Samen und Grünmasse, jedoch nicht zwischen den zwei Probenahmeterminen. Zusätzlich hatten Standort und Jahr einen Einfluss, wobei in den Jahren 2012 und 2013 die Standorteffekte größer als die der Jahre waren. Zwischen den Pflanzenteilen Blatt und Stängel bestand eine hohe Korrelation von 0,96 für den GSL-Gesamtgehalt. Zwischen Samen und Grünmasse war die Beziehung für die GSL-Gesamtgehalte mit 0,60 weniger deutlich und für die Gruppe der indolischen GSL mit 0,14 nicht mehr vorhanden. Die komplexe zeitliche und räumliche Verteilung der GSL innerhalb der Pflanze wird im Zusammenhang mit der Bedeutung von Transportprozessen diskutiert. Bei der Untersuchung der Beziehung zwischen dem Befall durch Stängelschädlinge und GSL stellte sich heraus, dass der natürliche Schädlingsdruck im Freiland mit durchschnittlich 2,6 Rapsstängelrüsslerlarven pro Pflanze und 2,8 Kohltriebrüsslerlarven pro Pflanze sehr niedrig war. Daher konnte eine Differenzierung der Genotypen im Rapsstängelrüsslerbefall nur an einem Standort in den Jahren 2012 und 2013 statistisch abgesichert werden. Für den Kohltriebrüsslerbefall gab es an keinem Standort statistisch absicherbare, genotypische Unterschiede. In den beiden ausgewerteten Umwelten zeigten sich keine signifikanten Beziehungen zwischen GSL-Gesamtgehalt, Alkenyl-GSL, Indol-GSL oder den elf einzelnen GSL und dem Befall mit Rapsstängelrüsslerlarven pro Pflanze. Hauptkomponentenanalysen und Vergleiche zwischen unter-schiedlich stark befallenen Gruppen von Genotypen ließen ebenfalls nicht auf lineare Zusammenhänge zwischen GSL-Gehalten oder -Zusammensetzungen und der Wirtspflanzenpräferenz des Rapsstängelrüsslers oder auch des Stängelfraßes der Larven schließen. Allerdings fiel die Resynthese S30 in beiden ausgewerteten Umwelten durch eine niedrige Anzahl an Rapsstängelrüssler-larven und einen niedrigen Anteil Minierfraß auf. GSL-Zusammensetzung und GSL-Gesamtgehalt von S30 zeigten jedoch keine Besonderheiten. Für die Kartierung von am GSL-Stoffwechsel beteiligten Quantitative Trait Loci (QTL) wurden GSL in Blatt, Stängel und Samen von 120 DH-Linien der DH-Population ‚L16 x Express‘ untersucht. Die beiden Populationseltern L16 und Express unterscheiden sich nicht nur durch unterschiedliche GSL-Gesamtgehalte im Samen (L16 59,0 µmol vs. Express 26,4 µmol) und in der Grünmasse (L16 1,1 µmol vs. Express 6,2 µmol), sondern auch in der relativen Zusammensetzung von Alkenyl- und Indol-GSL (L16 31 % Indol-GSL vs. Express 10 % Indol-GSL). Die über zwei Orte gemittelten GSL-Gehalte der Population waren zum Knospenstadium in der Grünmasse mit 5,4 µmol in Stängeln und 3,7 µmol in Blättern sehr niedrig, zur Reife in den Samen mit 48,6 µmol jedoch hoch. Die Heritabilitäten der Merkmale mit signifikanter genotypischer Variation lagen im Stängel zwischen 0,64 und 0,86, im Blatt zwischen 0,55 und 0,89 und im Samen zwischen 0,70 und 0,98. Die Korrelationen der GSL-Gesamtgehalte zwischen Blatt und Stängel lag bei 0,95, diejenige zwischen Stängel (Blatt) und Samen bei 0,52 (0,53). Die erstellte Kopplungskarte enthielt 4003 SNP-Marker, deren 19 Kopplungsgruppen 2050 centiMorgan abdeckten. Der mittlere Abstand zwischen zwei Markern lag bei 2 cM. Es wurden insgesamt 115 QTL gefunden von denen 49 QTL für die GSL-Gehalte im Samen, 35 QTL für die Gehalte im Stängel und 31 QTL für die Gehalte im Blatt verantwortlich waren. Für aliphatische GSL zeigten sich drei Hauptregionen auf den Kopplungsgruppen A03, C02 und C09. Während auf A03 und C09 QTL aus allen Pflanzenteilen lokalisiert wurden, regulierten die QTL auf C02 spezifisch die Gehalte im Samen. Für Indol GSL-Gehalte von Blatt und Stängel existierten zwei Hauptregionen auf den Kopplungs-gruppen A02 und C07, welche von denen im Samen (auf A03, C02 und C05) getrennt lokalisiert waren. Die Ergebnisse zeigen, dass 1) die Akkumulation von aliphatischen und indolischen GSL durch gentrennte Genomregionen gesteuert wurde, 2) GSL-Gehalte in Blatt und Stängel durch identische Genomregionen kontrolliert wurden und 3) die GSL-Akkumulation im Samen teils von den gleichen Regionen des Genoms wie in Blatt und Stängel, teils aber auch durch für Samen spezifische Genomregionen reguliert wurde.de
dc.language.isodeude
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subject.ddc630de
dc.titleVariation und Vererbung von Glucosinolatgehalt und muster in Grünmasse und Samen von Raps (Brassica napus L.) und deren Zusammenhang zum Befall mit Rapsstängelschädlingende
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedVariation and inheritance of glucosinolate content and composition in green matter and seeds of oilseed rape (Brassica napus L.) and their relation to infestation with specialized rape stem weevilsde
dc.contributor.refereeBecker, Heiko C. Prof. Dr.
dc.date.examination2015-02-05
dc.description.abstractengToday oilseed rape (Brassica napus L.) is the third largest oil crop worldwide. One of the reasons for its importance lies in the breeding of cultivars with canola quality and low contents of glucosinolates (GSL). This achievement of plant breeders made it possible to use both the oil for consumption and rapeseed cake as co-product in animal feeding. GSL are sulfur-rich secondary plant compounds and a characteristic of the plant family Brassicaceae. The function of the GSL inside plants, together with the hydrolyzing enzyme myrosinase, is believed to be a constitutive plant defense mechanism against unspecific herbivores: The so called glucosinolate-myrosinase system. Nevertheless, oilseed rape is also infested by pests that only accept Brassicaceae as hosts. For some specialized pests, it could be shown that GSL or their degradation products can influence the behavior of pests regarding the choice of host plant, oviposition or feeding. Thus, the possibility exists that GSL in green tissue can mediate a quantitative resistance and variation of GSL represents a natural source of resistance. Contrary to the seeds, the inheritance of GSL in leaf and stem tissues is not studied well. Objectives of this study were on the one hand to evaluate GSL as potential resistance factor for the two specialized pests rape stem weevil (Ceutorhynchus napi) and cabbage stem weevil (Ceutorhynchus pallidactylus) and, on the other hand, a genetic analysis of GSL contents in leaves and stems. Therefore, a series of field trials was carried out for three years. 28 genetically diverse genotypes, comprising 15 resynthesized lines and 13 old and new breeding lines were tested with regard to their variation of GSL contents and composition as well as their susceptibility to stem weevils. Data of pest infestation were scored parallel by the section of entomology and originate from the dissertation of Schäfer-Kösterke (2015). In order to investigate the possibility of selecting genotypes with differing GSL contents in seed and green matter, the inheritance of GSL was studied in a second experiment with a DH population. The main question of this QTL mapping experiment was to what extent genome regions involved in the GSL metabolism differed between leaf, steam and seed tissues. Regarding GSL variation, the analysis of the first experiment showed a large genetic variation with high heritabilities for the eleven identified GSL. The growth stage of the plants proved to have a big impact on GSL contents: The average GSL content of the 28 genotypes decreased from 18 µmol during early bolting to 4 µmol at the beginning of flowering. Furthermore, seeds had on average 47 µmol higher GSL contents than green matter samples and stems had 3 µmol higher contents than leaves. Also the GSL composition differed significantly between green matter and seeds, but not between the two sampling dates. In addition, location and year had an influence on GSL contents. In 2012 and 2013 the effect of the location was larger than the effect of the year. Between leaf and stem material a high correlation of 0.96 for total GSL contents was found. Between total GSL contents of seed and green matter this correlation was less pronounced with 0.60, and for indolic GSL with 0.14 not significantly different from zero. The complex temporal and spatial distribution of GSL inside plants is discussed with regard to transport processes. The analysis of the relation between stem weevils and GSL showed that the natural infestation pressure was low with 2.6 rape stem weevil larvae per plant and 2.8 cabbage stem weevil larvae per plant. Hence, a statistically significant differentiation between genotypes was found only at one location in 2012 and 2013 and only for number of rape stem weevil larvae. For cabbage stem weevil no such significant differentiation was given. In the two remaining environments no significant correlation could be determined between number of rape stem weevil larvae per plant and either the contents of total GSL, sum of aliphatic GSL, sum of indolic GSL or each of the eleven single GSL. Furthermore, principal component analysis and comparisons between groups of low- and high-infested genotypes did not indicate a relation between GSL contents or GSL composition and the host plant preference or the relative feeding damage of rape stem weevil larvae in stems. However, the resynthesized line S30 was notable with low numbers of larvae per plant as well as low percentages of larvae feeding inside stems in both environments. Nevertheless, the GSL contents and composition of S30 did not show specific characteristics. For the objective of mapping QTL involved in the GSL metabolism, GSL were determined in leaf, stem and seed tissues from 120 DH lines of the DH-Population ‘L16 x Express’. The two parents L16 and Express do not only differ in their GSL content in seeds (L16 59,0 µmol vs. Express 26.4 µmol) and green matter (L16 1,1 µmol vs. Express 6,2 µmol), but also in their composition of aliphatic and indolic GSL (L16 ~31 % Indol-GSL vs. Express ~10% Indol-GSL). Averaged over two locations GSL contents of the population at bud stage were as low as 5.4 µmol in stems and 3.7 µmol in leaves. However, seeds at maturity had an average content of 48.6 µmol. Heritabilities of GSL traits with significant genotypic variation ranged between 0.64 and 0.86 in stems, between 0.55 and 0.89 in leaves and between 0.70 and 0.98 in seeds. The correlation of total GSL contents between stem and leaf material was 0.95. Between stem (leaf) and seed this correlation was lower with a correlation coefficient of 0.52 (0.53). The constructed linkage map comprised a total of 4003 SNP markers, which covered 2050 cM distributed over 19 linkage groups (LG). The average distance between two markers was 2 cM. In total 115 QTL were mapped, of which 49 were responsible for GSL contents in seeds, 35 in stems and 31 in leaves. For aliphatic GSL three major regions on linkage groups A03, C02 and C09 could be found. While QTL on LG A03 and C09 were assigned to all three plant tissues, QTL on LG C02 affected specifically GSL contents of seeds. For indolic GSL in leaves and stem QTL were localized on LG A02 and C07, which did not correspond to those from seeds (A03, C02 and C05). The results indicate that 1) accumulation of aliphatic and indolic GSL were regulated by different regions of the genome, 2) GSL in stem and leaves were often controlled by identical genome regions and 3) GSL accumulation in seeds was partly controlled by the same QTL as in leaves and stems, but also partly by seed specific QTL.de
dc.contributor.coRefereePawelzik, Elke Prof. Dr.
dc.subject.gerGlucosinolatede
dc.subject.gerInsektenresistenzde
dc.subject.gerVariation von Glucosinolaten in Grünmassede
dc.subject.gerVererbung von Glucosinolatende
dc.subject.gerspezialisierte Rapsschädlingede
dc.subject.gerQTL Kartierungde
dc.subject.gerGefleckter Kohltriebrüsslerde
dc.subject.gerGroßer Rapsstängelrüsslerde
dc.subject.gerCeutorhynchus napide
dc.subject.gerCeutorhynchus pallidactylusde
dc.subject.gerGlucosinolatvariation in Blatt, Stängel und Samende
dc.subject.gerRapsde
dc.subject.gerBrassica napusde
dc.subject.engglucosinolatesde
dc.subject.enginsect resistancede
dc.subject.engvariation of glucosinolates in leaf, stems and seedsde
dc.subject.enginheritance of glucosinolatesde
dc.subject.engrapeseed pestsde
dc.subject.engspecialized pests of rapeseedde
dc.subject.engQTL mappingde
dc.subject.engrape stem weevilde
dc.subject.engcabbage stem weevilde
dc.subject.engCeutorhynchus pallidactylusde
dc.subject.engCeutorhynchus napide
dc.subject.engBrassica napusde
dc.subject.engOilseed rapede
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-0028-8690-5-7
dc.affiliation.instituteFakultät für Agrarwissenschaftende
dc.subject.gokfullLand- und Forstwirtschaft (PPN621302791)de
dc.identifier.ppn845670255


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