Selektion von Stangenbohnensorten (Phaseolus vulgaris L.) für den Mischanbau mit Mais

Selection of climbing bean varieties (Phaseolus vulgaris L.) for mixed cropping with maize

by Mathias Starke
Doctoral thesis
Date of Examination:2018-07-10
Date of issue:2018-08-15
Advisor:Prof. Dr. Heiko C. Becker
Referee:Prof. Dr. Gunter Backes
Referee:Prof. Dr. Stefan Siebert
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-7013

 

 

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Abstract

English

The mixed cropping of maize and climbing beans (Phaseolus vulgaris L.) is an interesting alternative to the pure cultivation of silage maize, as it potentially combines the high yield performance of maize with the ecological benefits of the cultivation of a legume. The symbiotic nitrogen fixation of the climbing beans makes it possible to reduce the use of mineral nitrogen fertilizers. Improved soil cover reduces weed pressure and also the risk of erosion in heavy rain events. The resulting silage can either be used as a substrate in the biogas plant or serve as a valuable source of protein for cattle feeding. From previous work it is known that a special maize breeding program for mixed cropping with climbing beans is not necessary, because modern varieties with high stability are already well suited for it. In contrast, suitable climbing bean varieties are barely available so far, since the mixed cultivation with maize is fundamentally different from the conventional cultivation in horticulture. For this reason, the present work dealt with the selection of climbing bean varieties especially for mixed cropping with maize. To this end, several late maturity bean varieties, which potentially have a high biomass performance at the time of maize harvesting, were grown in combination with current maize varieties available on the seed market. On the basis of the total dry matter yields of the mixtures and the proportion of bean dry matter to total dry matter, the productivity of the mixed cropping combinations was assessed and compared to the pure cultivation of maize. Finally, a recommendation for the best bean varieties for practical cultivation was made. By measuring the nitrogen content of the bean plants in the experimental year 2017, it was also possible to compare the crude protein contents and crude protein yields of the mixtures and of the pure maize cultivation, which were used to evaluate the potential of this mixed cropping system in cattle feeding. The cultivation of maize and climbing bean varieties took place in three-year field trials. Maize and climbing beans were sown in mixed cultivation with a crop density of 7.5 plants/m² each. The pure cultivation of maize was carried out additionally with a crop density of 7.5 and 10 plants/m². Data from the locations “Einbeck” (2015, 2016 and 2017), “Göttingen” (2015, 2017) and “Wiebrechtshausen” (2017) could be used for statistical calculations. In 2015, the average total dry matter yield of the mixed cropping of 197 dt/ha was reached with a share of about 10% beans. The best plots delivered bean shares of about 24%. However, at the Göttingen site, yields were significantly lower compared to “Einbeck” because of a severe drought during the emergence of both crops. The 2016 trials showed that maize and climbing beans sown as short as possible in succession had significantly higher bean yields than combinations where beans were sown four weeks after the maize - as it was done in 2015. With an average of 6%, the bean proportion was still very low, while at the same time very high total dry matter yields of about 225 dt/ha were reached. On average across all environments of the experimental year 2017, very high bean proportions of about 15% were achieved, among others due to an almost simultaneous sowing of maize and beans which made it possible to get bean proportions up to 30% of the dry matter. Over all trial years, the bean variety 'WAV512' proved to be very productive and even reached the highest bean yield of a special maize/bean combination of 45.9 dt/ha in 2017. This variety is also particularly suitable for mixed cultivation because it has an extremely small thousand-grain weight of only 185 g and thus reduces the additional costs of the bean seeds to a minimum. For practical cultivation, this variety is therefore recommended and can be obtained from VanWaveren Saaten GmbH, Göttingen. In addition, as several varieties of maize were also part of the field trials, it was found that maize varieties from earlier ripening groups generally allow higher bean yields in the mixture, but at the same time produce lower total yields. Mixed cultivation with later maize varieties, however, achieved higher total yields, but caused lower bean proportions. In all experimental years, the clearly negative correlation between maize and bean yield in the mixture (between -0.64 * and -0.88 **) was manifested. A comparison with the maize pure cultivation showed that the yield reduction of the maize yield in the mixture with high bean proportions was stronger than the gain in total yield because of the beans. In the year 2017, the highest yield reduction was observed with 17% compared to the pure maize cultivation with 10 plants/m². The assessment of the nitrogen content of the climbing beans in the experimental year 2017 showed, however, that it is possible to obtain an added value by increasing the crude protein content of the silage, which amounted to between 0.85% and 2.88% of the dry matter. Here, a strong dependence on the location was observed due to differences in bean dry matter yield and crude protein content of the bean plants. In particular, under a nitrogen deficiency, a higher crude protein yield per hectare was achieved. In contrast, with relatively low bean contents in the mixture, pure maize cultivation with 10 plants/m² achieved higher crude protein yields. In the second part of this work, a genome-wide association study (GWAS) was used to identify molecular markers that are significantly associated with climbing bean traits which are important for mixed cropping with maize. This should facilitate future breeding projects of climbing beans specifically for this cropping system. For this purpose, a set of 276 accessions of the species P. vulgaris was genotyped with the BARCBean6K_3 bead chip, which contains a total of 5398 SNPs. The germination under suboptimal temperatures and the tolerance to slight frost temperatures in the primary leaf stage –  both characteristics are important for a simultaneous sowing of maize and beans at the regular sowing time of maize – were assessed on 177 bean accessions in a climatic chamber. The frost damage was recorded by a visual scoring of the turgor pressure, leaf color and plant stability. However, markers significantly associated with these features could not be identified here. In addition, agronomic traits were evaluated in the 2017 field trial at the locations “Einbeck” and “Göttingen” with 173 different bean accessions. Here, significantly associated SNP markers could be detected for the string type of the bean pods as well as the beginning of flowering. A comparison with the literature confirmed a large part of the associations found, among other things also for the growth type of the beans. At the same time, it was found that a strong but insignificant association of the late biomass performance of the climbing beans was in the position of a SNP significantly associated with flowering time. Thus, an early selection of late-flowering and therefore high yielding accessions without cultivation would be conceivable. Another investigated feature was the content of the bean accessions on the antinutritional ingredient “phasine”. This is potentially a significant threat to the suitability of climbing beans as feed; but the actual importance in a ruminant diet has not been sufficiently investigated, yet. However, since it is already known that there is a large variation in phasine content of the beans, a selection of varieties with a very low content would eliminate any concerns about this ingredient. The association analysis with 152 accessions showed significant associations of markers on chromosomes 3 and 4. A review of possible candidate genes in the online database JBrowse revealed a gene cluster in the immediate vicinity of the SNP on chromosome 4, which suggests a functional relationship of phasine with trypsin inhibitors, another important antinutritive ingredient of beans. For the position of the significant marker on chromosome 3, however, no candidate gene could be found. By selecting a very productive bean variety, the present study helped to potentially establish this mixed cropping system in practical agriculture as a real alternative to the pure cultivation of maize. Additionally, the genome-wide association study with P. vulgaris provided molecular markers associated with traits that should be considered in a special breeding program of beans for mixed cropping with maize. This information may help to develop even more productive bean varieties in the future.
Keywords: Maize; Climbing beans; Mixed cropping; Silage; Phaseolus vulgaris; Corn

German

Der Mischanbau von Mais und Stangenbohnen (Phaseolus vulgaris L.) ist eine interessante Alternative zum Reinanbau von Silomais, da hier das hohe Ertragspotenzial des Maises mit den ökologischen Vorteilen des Anbaus einer Leguminose kombiniert werden könnte. Durch die symbiotische Stickstofffixierung der Stangenbohnen ist eine Reduzierung des Einsatzes von mineralischem N-Dünger möglich. Eine verbesserte Bodenbedeckung vermindert außerdem den Unkrautdruck sowie die Erosionsgefahr bei Starkregen. Die so produzierte Silage kann entweder als Substrat in der Biogasanlage eingesetzt werden oder als wertvolle Quelle pflanzlichen Eiweißes für die Rinderfütterung dienen. Aus früheren Arbeiten ist bekannt, dass ein spezielles Mais-Zuchtprogramm für den Mischanbau mit Stangenbohnen nicht nötig ist, sondern moderne Sorten mit einer hohen Standfestigkeit bereits gut dafür geeignet sind. Im Gegensatz dazu stehen aber bisher kaum leistungsfähige Stangenbohnensorten zur Verfügung, da sich die Nutzung im Mischanbau mit Mais grundsätzlich von der Nutzung im Gartenbau unterscheidet. Aus diesem Grund beschäftigte sich die vorliegende Arbeit mit der Selektion von Stangenbohnensorten speziell für den Mischanbau mit Mais. Hierzu wurden mehrere spätreife Stangenbohnensorten, welche potenziell eine hohe Biomasseleistung zum Erntezeitpunkt des Maises besitzen, in Kombination mit aktuellen, auf dem Saatgutmarkt verfügbaren Maissorten angebaut. Auf der Basis der Gesamt-Trockenmasseerträge der Gemenge sowie des Anteils der Bohnen-Trockenmasse an der Gesamt-Trockenmasse wurde die Ertragsfähigkeit der Mischanbauten untereinander beurteilt, sowie im Vergleich zum Reinanbau des Maises betrachtet. Dadurch sollte eine Sortenempfehlung der Stangenbohnen für den praktischen Anbau ausgesprochen werden können. Durch die Messung der Stickstoffgehalte der Bohnenpflanzen im Versuchsjahr 2017 wurde außerdem ein Vergleich der Rohproteingehalte und -erträge des Erntegutes aus den Mischanbauten und dem Mais-Reinanbau möglich, durch den das Potenzial des Mais/Stangenbohnen-Mischanbaus in der Rinderfütterung bewertet werden konnte. Der Anbau von Mais- und Stangenbohnensorten erfolgte in dreijährigen Feldversuchen, wobei Mais und Stangenbohnen im Mischanbau mit einer Bestandesdichte von jeweils 7,5 Pflanzen/m² ausgesät wurden. Der Mais-Reinanbau erfolgte zusätzlich mit einer Bestandesdichte von 7,5 und 10 Pflanzen/m². Zur Versuchsauswertung konnten Daten der Standorte Einbeck (2015, 2016 und 2017), Göttingen (2015, 2017) und Wiebrechtshausen (2017) genutzt werden. Im Jahr 2015 wurde ein durchschnittlicher Gesamt-Trockenmasseertrag der Mischanbauten von 197 dt/ha bei einem Anteil der Stangenbohnen von etwa 10 % erreicht. Die besten Parzellen lieferten dabei Bohnenanteile von ca. 24 %. Am Standort Göttingen waren die Erträge aufgrund starken Wassermangels während des Auflaufens beider Kulturen aber deutlich niedriger, als am Standort Einbeck. Die Versuche des Jahres 2016 zeigten, dass eine möglichst kurz aufeinanderfolgende Aussaat von Mais und Stangenbohnen signifikant höhere Bohnenanteile verursachte, als eine deutlich gestaffelte Aussaat – so wie sie im Jahr 2015 durchgeführt wurde. Mit im Schnitt 6 % waren die Bohnenanteile aber dennoch sehr niedrig, wobei gleichzeitig mit etwa 225 dt/ha sehr hohe Gesamt-Trockenmasseerträge erreicht wurden. Im Durchschnitt über alle Umwelten des Versuchsjahres 2017 konnten sehr hohe Bohnenanteile von etwa 15 % erzielt werden. Dabei wurde ausschließlich auf eine möglichst gleichzeitige Aussaat von Mais und Stangenbohne vertraut, wodurch ein Bohnenanteil bis maximal 30 % an der Trockenmasse ermöglicht wurde. Über alle Versuchsjahre zeigte sich die Stangenbohnensorte ‘WAV512‘ als sehr ertragsstark und erreichte 2017 sogar mit 45,9 dt/ha den höchsten Bohnenertrag einer speziellen Mais/Stangenbohnen-Kombination. Besonders geeignet für den Mischanbau ist diese Sorte zudem, da sie ein extrem kleines Tausendkorngewicht von nur 185 g besitzt und damit die Mehrkosten des Saatgutes auf ein Minimum reduziert. Für einen praktischen Anbau wird diese Sorte daher empfohlen und kann bei der VanWaveren Saaten GmbH, Göttingen, bezogen werden. Da neben mehreren Stangenbohnensorten auch verschiedene Maissorten Teil der Feldversuche waren, konnte zusätzlich herausgefunden werden, dass Maissorten aus früheren Reifegruppen prinzipiell höhere Bohnenerträge im Gemenge erlauben, gleichzeitig aber geringere Gesamterträge erzielen. Mischanbauten mit späteren Maissorten erreichten dagegen höhere Gesamterträge, wobei aber niedrigere Bohnenanteile ermöglicht wurden. In allen Versuchsjahren manifestierte sich hier die deutlich negative Korrelation zwischen dem Mais- und dem Bohnenertrag im Gemenge (zwischen -0,64* und -0,88**). Ein Vergleich mit dem Mais-Reinanbau zeigte, dass die Ertragsreduzierung des Maises im Mischanbau bei hohen Bohnenanteilen stärker war, als der Ertragsgewinn durch die Stangenbohnen. Im Versuchsjahr 2017 wurden dabei die höchsten Ertragsrückgänge mit 17 % gegenüber dem Mais-Reinanbau mit 10 Pflanzen/m² beobachtet. Die Erfassung der Stickstoffgehalte der Stangenbohnen im Versuchsjahr 2017 zeigte aber, dass es möglich ist, einen Mehrwert durch eine Erhöhung des Rohproteingehaltes des Erntegutes im Mischanbau zu erlangen, welche zwischen 0,85 % und 2,88 % an der Trockenmasse betrug. Dabei wurde eine starke Abhängigkeit von dem Standort beobachtet, der sich durch Unterschiede im Bohnen-Trockenmasseertrag sowie im Rohproteingehalt der Bohnenpflanzen ergab. Insbesondere unter einem Stickstoffmangel wurde auch ein höherer Rohproteinertrag pro Hektar erreicht. Bei relativ niedrigen Bohnenanteilen im Gemenge erzielte dagegen der Mais-Reinanbau mit 10 Pflanzen/m² höhere Rohproteinerträge. Im zweiten Teil dieser Arbeit sollte eine Genomweite Assoziationsstudie (GWAS) genutzt werden, um molekulare Marker zu identifizieren, welche signifikant mit Eigenschaften der Stangenbohnen assoziiert sind, die für den Mischanbau mit Mais wichtig sind. Dadurch sollen zukünftige Züchtungsvorhaben der Stangenbohnen speziell für dieses Anbausystem erleichtert werden. Hierfür wurde ein Set von 276 Akzessionen der Art P. vulgaris mit dem BARCBean6K_3 Bead Chip genotypisiert, welcher insgesamt 5398 SNPs beinhaltet. Die Erfassung der Keimfähigkeit unter suboptimalen Temperaturen sowie die Frosttoleranz im Primärblattstadium – beides Eigenschaften, die für eine gleichzeitige Aussaat von Mais und Stangenbohnen zum regulären Saatzeitpunkt des Maises wichtig sind – erfolgte dann an 177 Stangenbohnenakzessionen in einer Klimakammer. Die Frostschädigungen wurden dabei durch eine visuelle Bonitur der Merkmale Turgordruck, Blattfarbe und Standfestigkeit erfasst. Signifikant mit den Merkmalen assoziierte SNPs konnten hier jedoch nicht identifiziert werden. Für 173 Stangenbohnenakzessionen erfolgte zudem die Erhebung agronomischer Merkmale im Feldversuch 2017 an den Standorten Einbeck und Göttingen. Hier konnten für die Fädigkeit der Bohnenhülsen sowie den Blühbeginn signifikant assoziierte SNP-Marker entdeckt werden. Ein Vergleich mit der Literatur bestätigte einen Großteil der gefundenen Assoziationen, unter anderen auch für den Wuchstyp der Bohnen. Gleichzeitig konnte festgestellt werden, dass eine starke, aber nicht signifikante Assoziation der späten Biomasseleistung der Stangenbohnen sich in Position eines signifikant mit dem Blühzeitpunkt assoziierten SNPs befand. Dadurch wäre eine frühzeitige Selektion von spätblühenden und damit ertragreichen Akzessionen ohne einen Anbau denkbar. Ein weiteres untersuchtes Merkmal war der Gehalt der Bohnenakzessionen an dem antinutritiven Inhaltsstoff Phasin. Dieser stellt potenziell eine erhebliche Gefahr für die Eignung der Stangenbohnen als Futtermittel dar; wobei aber die tatsächliche Bedeutung in der Wiederkäuerernährung noch nicht ausreichend untersucht wurde. Da aber bereits bekannt ist, dass eine große Variation im Phasingehalt der Bohnen existiert, würde eine Selektion von sehr phasinarmen Sorten alle Bedenken bezüglich dieses Inhaltsstoffes beseitigen. Die Assoziationsstudie mit 152 Akzessionen zeigte signifikante Assoziationen von Markern auf den Chromosom 3 und 4. Eine Überprüfung möglicher Kandidatengene in der Online-Datenbank JBrowse ergab ein Gen-Cluster in unmittelbarer Umgebung des SNPs auf Chromosom 4, das einen funktionalen Zusammenhang des Phasingehaltes zum Gehalt an Trypsin-Inhibitoren, einem weiteren antinutritiven Inhaltsstoff der Bohnen, nahelegte. Für die Position des signifikanten Markers auf Chromosom 3 konnte dagegen kein Kandidatengen ausfindig gemacht werden. Durch Selektion einer sehr ertragsfähigen Stangenbohnensorte konnte die vorliegende Arbeit einen Beitrag dazu leisten, dass sich der Mischanbau von Mais und Stangenbohnen auch in der Praxis als eine Alternative zum Mais-Reinanbau positionieren kann. Gleichzeitig lieferte die genomweite Assoziationsstudie an P. vulgaris molekulare Marker, welche mit Merkmalen, die in einem speziellen Zuchtprogramm der Stangenbohnen für den Mischanbau mit Mais berücksichtigt werden sollten, assoziiert waren. Diese Informationen können helfen, zukünftig noch leistungsfähigere Stangenbohnensorten für den Mischanbau mit Mais zu entwickeln.
 
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