Einsatz von genetischen Ressourcen in der modernen Maiszüchtung

Dr. Walter Schmidt und Dr. Henriette Burger

KWS SAAT AG, D-37555 Einbeck

Fachtagung der SKEK am 12. November 2009 in Zollikofen

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Einsatz von genetischen Ressourcen in der modernen Maiszüchtung

� Erfolgsfaktoren für ein erfolgreiches Hybridmais-Züchtungsprogramm:

� Optimales Heterosis-Pattern

� Effiziente Reziproke Rekurrente Selektion

� Schnelle und effiziente Inzuchtlinienentwicklung

� Flächendeckendes Prüfnetz für die Hybridentwicklung

� Große züchterisch nutzbare Varianz sowohl im Saatelter- wie auch im Pollenspender-Genpool. Diese wird sichergestellt durch:

� Hohe effektive Populationsgröße im Zuchtprogramm (~ 90 %)

� Durch Integration von neuem Zuchtmaterial (~ 10 %)

• Einkreuzung von Elitezuchtmaterial aus anderen KWS Zuchtprogrammen ( ~ 9 %)

• Einsatz von Genetischen Ressourcen (~ 1 %)

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Einsatz von genetischen Ressourcen in der modernen Maiszüchtung

� Erfolgsfaktoren für ein erfolgreiches Hybridmais-Züchtungsprogramm:

� Optimales Heterosis-Pattern

� Effiziente Reziproke Rekurrente Selektion

� Schnelle und effiziente Inzuchtlinienentwicklung

� Flächendeckendes Prüfnetz für die Hybridentwicklung

� Große züchterisch nutzbare Varianz sowohl im Saatelter- wie auch im Pollenspender-Genpool. Diese wird sichergestellt durch:

� Hohe effektive Populationsgröße im Zuchtprogramm (~ 90 %)

� Durch Integration von neuem genetischen Material (~ 10 %)

• Einkreuzung von Elitezuchtmaterial aus anderen KWS Zuchtprogrammen ( ~ 9 %)

• Einsatz von Genetischen Ressourcen (~ 1 %)

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Stichwort 'Genetische Diversität'

Körner von 20 peruanischen Landsorten

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Stichwort 'Genetische Diversität'

In Hybridmais-Zuchtprogrammen wird unterschieden:

� 1. Genetische Diversität zwischen dem Saatelter- und dem Pollen-spender-Pool. Diese garantiert eine große zusätzliche Heterosis.

� 2. Genetische Diversität innerhalb des Saatelter- und innerhalb des Pollenspender-Pools. Diese sichert den langfristigen Selektionsgewinn.

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Optimales Heterosis-Pattern

� Zusätzliche Heterosis bei Mais (nach Hallauer und Miranda, 1981):

� Untersuchte Ausgangspo-pulationen:611

� Aus diesen erzeugtePopulationskreuzungen:1394

� Mittlerer Heterosiszuwachs: 19.5%

� Regel: Je größer die genetische Divergenz zwischen den Popul-ationen, umso ausgeprägter ist die zusätzliche Heterosis

� Ausnahmen bei extremer Nicht-Adaption eines oder beider Kreu-zungspartner

Kolben aus 8 peruanischen Maispopulationen

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Unterschiedliche optimale Heterosis-Pattern in den verschiedenen KWS Züchtungsprojekten

KWL

REI

ALE

DeutschlandEIN

GON

Nordwest-Europa

Nord-Frankreich

Süd-Frankreich

REN CHA

ALZ

LEO MUR

Italien

MCESüdost-Europa

Dent x Flint Heterosis - Pattern

Dent x Dent Heterosis – Pattern aus den USA

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Typische Kolben einer deutschen Dent x Flint- und einer italienischen Dent x Dent - Hybride

Dent x Flint - Hybride Dent x Dent - Hybride

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Optimales Heterosis-Pattern in Deutschland

� Zusätzliche Heterosis bei Mais

� Erfahrungswert in Deutschland:

25 % Leistungszuwachs in Kreuzungen zwischen europäischem Flint- und nordamerikanischem Dent-Zuchtmaterial

Links: Europäischer Flintmais (Gelber Badischer Landmais)

Rechts: Amerikanischer Dentmais

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Optimales Heterosis-Pattern

Abb. aus Charcosset 2009

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Das KWS Heterosis-Pattern in den Zuchtprogrammen nördlich der Alpen und der Loire

� Der europäische Flintpool ist ein einzigartiges Genmaterial, das nur in Europa nördlich der Alpen und der Loire züchterisch weiterentwickelt wurde.

� In den USA und im südlichen Europa wurden und werden nur Dentpools züchterisch bearbeitet.

� Das bedeutet:

Will man die genetische Breite des aktuellen Flintpools weiten (und dabei aber eine Dent-Flint-Mischpool-Bildung vermei-den), muss man auf die Genetischen Ressourcen derder europäischen Landrassen zurückgreifen

Gelber Bad. Landmais

Rheintaler Ribelmais

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Risiken und Chancen beim Einsatz von Genetischen Ressourcen

� Risiken:

� Dramatischer Leistungsabfall im Merkmal Kornertrag, dem wichtigsten Merkmal in der Körnermaiszüchtung

� Höhere Anfälligkeit für Sommerlager und Stängelfäule

� Enormer Qualitätsverlust in der Silomaiszüchtung durch geringere Stärkegehalte in der Silage

� Höhere Anfälligkeit für Krankheiten, die es früher noch nicht gab (Helminthosporium, Kapatiella, Kolbenfusarien)

� Chancen:

� Hohe Biomasseleistung

� Bessere Restpflanzenverdaulichkeit

� Nährstoffaneignungsvermögen

� Eignung für Mischkultur mit Leguminosen

� Fähigkeit zur Mykorrhizierung

� Neue Resistenzmechanismen

� Nutzung von „Filetstückchen“ (=QTLs) aus dem Genom von Landsorten

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Ertrag-Reife-Diagramm der Testkreuzungen von 80 DH-Linien aus Landsorten im Vergleich zu neuen Hybriden

98 9497

93 9599

92

90

89

88

87

86

85

84

83

82

432

30

29

28

27

2625

24

2322

20

19

1817

16

1514

13

1210

9

8

7

6

580

79

78

77

76

7574

7372

706968

67

66

65

64

63

6260

59

58

57

56

5554

53

52

50

49

48

4746

4544 4342

40

39

38

37 3635 34

33

TIBERIO

TIBERIO

TOURANTOURAN

RONALDINIO

RONALDINIOAMADEO

AMADEO

AMOROSOAMOROSO

54

64

74

84

94

104

64 66 68 70 72

Korn-TS (%)

Korn

ert

rag (

dt/

ha)

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Risiken und Chancen beim Einsatz von Genetischen Ressourcen

� Risiken:

� Dramatischer Leistungsabfall im Merkmal Kornertrag, dem wichtigsten Merkmal in der Körnermaiszüchtung

� Höhere Anfälligkeit für Sommerlager und Stängelfäule

� Enormer Qualitätsverlust in der Silomaiszüchtung durch geringere Stärkegehalte in der Silage

� Höhere Anfälligkeit für Krankheiten, die es früher noch nicht gab (Helminthosporium, Kapatiella, Kolbenfusarien)

� Chancen:

� Hohe Biomasseleistung

� Bessere Restpflanzenverdaulichkeit

� Nährstoffaneignungsvermögen

� Eignung für Mischkultur mit Leguminosen

� Fähigkeit zur Mykorrhizierung

� Neue Resistenzmechanismen

� Nutzung von „Filetstückchen“ (=QTLs) aus dem Genom von Landsorten

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Risiken und Chancen beim Einsatz von Genetischen Ressourcen: Sommerlager

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Risiken und Chancen beim Einsatz von Genetischen Ressourcen

� Risiken:

� Dramatischer Leistungsabfall im Merkmal Kornertrag, dem wichtigsten Merkmal in der Körnermaiszüchtung

� Höhere Anfälligkeit für Sommerlager und Stängelfäule

� Enormer Qualitätsverlust in der Silomaiszüchtung durch geringere Stärkegehalte in der Silage

� Höhere Anfälligkeit für Krankheiten, die es früher noch nicht gab (Helminthosporium, Kapatiella, Kolbenfusarien)

� Chancen:

� Hohe Biomasseleistung

� Bessere Restpflanzenverdaulichkeit

� Nährstoffaneignungsvermögen

� Eignung für Mischkultur mit Leguminosen

� Fähigkeit zur Mykorrhizierung

� Neue Resistenzmechanismen

� Nutzung von „Filetstückchen“ (=QTLs) aus dem Genom von Landsorten

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Helminthosporium-Toleranz und -Anfälligkeit

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Risiken und Chancen beim Einsatz von Genetischen Ressourcen

� Risiken:

� Dramatischer Leistungsabfall im Merkmal Kornertrag, dem wichtigsten Merkmal in der Körnermaiszüchtung

� Höhere Anfälligkeit für Sommerlager und Stängelfäule

� Enormer Qualitätsverlust in der Silomaiszüchtung durch geringere Stärkegehalte in der Silage

� Höhere Anfälligkeit für Krankheiten, die es früher noch nicht gab (Helminthosporium, Kapatiella, Kolbenfusarien)

� Chancen:

� Hohe Biomasseleistung

� Bessere Restpflanzenverdaulichkeit

� Nährstoffaneignungsvermögen

� Eignung für Mischkultur mit Leguminosen

� Fähigkeit zur Mykorrhizierung

� Neue Resistenzmechanismen

� Nutzung von „Filetstückchen“ (=QTLs) aus dem Genom von Landsorten

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Risiken und Chancen beim Einsatz von Genetischen Ressourcen: Hohe Biomasseleistung

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Risiken und Chancen beim Einsatz von Genetischen Ressourcen: Hohe Biomasseleistung

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Wer hat den längsten Mais der Schweiz?

5,37 m 5,30 m

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Testkreuzungsleistung von 90 neusten Elitelinien im Vergleich zur Testkreuzungsleistung der Population Rheintaler (+8 Checks)

Energiemais-Leistungsprüfung 2008, Mittel über 3 Orte

1

2

3

4

5

6

7 8

9

10

11

12

13

141516

17

18

19

20

2122

23

24

25

2627

28

29

30

31

32

33

34

3536

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

4849

50

51

52

53 5455

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

6869

7071

72

73

74

7576

77

78

79

80

81

82

83

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86

87

88

89 90

91

92

9394

95

96

97

98

99

100

200

220

240

260

280

31 33 35 37 39 41

Gesamtpflanzen-TS (%)

Gesam

tpfl

an

zen

-TM

(d

t/h

a)

Rheintaler x DT

Rheintaler x DT

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Testkreuzungsleistung von 90 neusten Elitelinien im Vergleich zur Testkreuzungsleistung der Population Rheintaler (+8 Checks)

Körnermais-Leistungsprüfung 2008, Mittel über 3 Orte

1

2

3

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21

222324

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46

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48 4950

51

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60

6162

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72

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74

75

76

77

78

79

80

81

82

83

8485

86

87

88

89

90

91

92

93

94

95

96

9798

99100

102

112

122

132

142

152

67 69 71 73 75

Korn-TS (%)

Ko

rne

rtra

g (

dt/

ha

)

Rheintaler x DT

Rheintaler x DT

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Veränderung des Harvest Index bei Weizen

Fotos: E. Ebmeyer, KWS Lochow

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Veränderung des Harvest-Index beim Mais

Gelber Badischer

Landmais (1953)

Körnermaissorte

Mutin (1980)

Silomaissorte

Ronaldinio (2006)

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Risiken und Chancen beim Einsatz von Genetischen Ressourcen

� Risiken:

� Dramatischer Leistungsabfall im Merkmal Kornertrag, dem wichtigsten Merkmal in der Körnermaiszüchtung

� Höhere Anfälligkeit für Sommerlager und Stängelfäule

� Enormer Qualitätsverlust in der Silomaiszüchtung durch geringere Stärkegehalte in der Silage

� Höhere Anfälligkeit für Krankheiten, die es früher noch nicht gab (Helminthosporium, Kapatiella, Kolbenfusarien)

� Chancen:

� Hohe Biomasseleistung

� Bessere Restpflanzenverdaulichkeit

� Nährstoffaneignungsvermögen

� Eignung für Mischkultur mit Leguminosen

� Fähigkeit zur Mykorrhizierung

� Neue Resistenzmechanismen

� Nutzung von „Filetstückchen“ (=QTLs) aus dem Genom von Landsorten

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Risiken und Chancen beim Einsatz von Genetischen Ressourcen: Eignung für Mischkultur mit Leguminosen

Foto: Eva Körbitz, Salez

Der Rheintaler Ribelmais und die Schwefelbohne haben sich über eine lange Koevolution aneinander angepasst.

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Risiken und Chancen beim Einsatz von Genetischen Ressourcen: Fähigkeit zur Mykorrhizierung

Prüfung von Testkreuzungen mit Landrassenzuchtmaterial mit und ohne Mykorrhiza-Applikation in Grucking, 2009

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Risiken und Chancen beim Einsatz von Genetischen Ressourcen

� Risiken:

� Dramatischer Leistungsabfall im Merkmal Kornertrag, dem wichtigsten Merkmal in der Körnermaiszüchtung

� Höhere Anfälligkeit für Sommerlager und Stängelfäule

� Enormer Qualitätsverlust in der Silomaiszüchtung durch geringere Stärkegehalte in der Silage

� Höhere Anfälligkeit für Krankheiten, die es früher noch nicht gab (Helminthosporium, Kapatiella, Kolbenfusarien)

� Chancen:

� Hohe Biomasseleistung

� Bessere Restpflanzenverdaulichkeit

� Nährstoffaneignungsvermögen

� Eignung für Mischkultur mit Leguminosen

� Fähigkeit zur Mykorrhizierung

� Neue Resistenzmechanismen

� Nutzung von „Filetstückchen“ (=QTLs) aus dem Genom von Landsorten

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Risiken und Chancen beim Einsatz von Genetischen Ressourcen: Neue Resistenzmechanismen

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Risiken und Chancen beim Einsatz von Genetischen Ressourcen

� Risiken:

� Dramatischer Leistungsabfall im Merkmal Kornertrag, dem wichtigsten Merkmal in der Körnermaiszüchtung

� Höhere Anfälligkeit für Sommerlager und Stängelfäule

� Enormer Qualitätsverlust in der Silomaiszüchtung durch geringere Stärkegehalte in der Silage

� Höhere Anfälligkeit für Krankheiten, die es früher noch nicht gab (Helminthosporium, Kapatiella, Kolbenfusarien)

� Chancen:

� Hohe Biomasseleistung

� Bessere Restpflanzenverdaulichkeit

� Nährstoffaneignungsvermögen

� Eignung für Mischkultur mit Leguminosen

� Fähigkeit zur Mykorrhizierung

� Neue Resistenzmechanismen

� Nutzung von „Filetstückchen“ (= QTLs) aus dem Genom von Landsorten

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Wissenschaftliche Arbeiten der KWS zum Thema 'Genetische Ressourcen', hier: Beteiligung am Programm 'Population Source'

� Beteiligung am Programm 'Population Source' vom INRA/Frankreich, in dem in den 80er Jahren über 1 000 Populationen (Landsorten und Synthetics) evaluiert wurden

� Weitere züchterische Bearbeitung der vielversprechendsten 200 Popu-lationen aus dieser Kollektion im Rahmen des frühen KWS Zuchtpro-grammes

� Test von 90 Populationen daraus auf Kombinationsfähigkeit zu einem Denttester unter Low- und High-Inputbedingungen

� Aus den 4 besten Landsorten wurden 1 600 Inzuchtlinien entwickelt.

� Nach mehrstufiger Selektion unter Low- und High-Inputbedingungen wurden die 30 besten S4- Linien in den KWS Flintpool integriert

� Diese unmittelbare Nutzung von Linien aus Landsorten ist heute in der Körnermaiszüchtung nicht mehr sinnvoll, da solche Linien gegenüber aktuellen Körnermaislinien zu wenig leisten

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Wissenschaftliche Arbeiten der KWS SAAT AG zum Thema 'Genetische Ressourcen', hier: QTL-Entwicklung

� QTL-Analyse

� Entwicklung von Linien aus Landrassen mittels DH-Technik (Wilde et al. 2009)

� Gelber Badischer Landmais

� Schindelmeiser

� Rheintaler

� Kreuzung dieser Linien mit Elitelinien

� Herstellung von Kalibrationspopulationen

� Populationen von DH-Linien (je Population 300 – 700)

� Schätzung der QTLs

� Übertragung der positiven QTLs aus den Landrassen in das Elitematerial

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Anwendung der DH-Technik

DH–Linien aus der Landsorte Schindelmeiser

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In situ–Erhaltung von Genetischen Ressourcen

In situ – Erhaltung der Landsorte Rheintaler Ribelmais in Salez/CH

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In situ–Erhaltung von Genetischen Ressourcen

H. Oppliger und E. Körbitz bearbeiten den Rheintaler Ribelmais

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In situ–Erhaltung von Genetischen Ressourcen

Rheintaler aus in situ -Vermehrung

Extrem stark ingezüchteter Rheintaler aus der Genbank

In situ – Vermehrung sichert den Erhalt der genetische Breite und passt die Sor-ten an sich verändernde Umweltbedingungen an. Zu den sich sehr schnell verän-dernden Umweltbedingungen zählen vor allem der Krankheits- und Schädlings-druck.

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Literatur

� Hallauer AR, and Miranda JB (1981): Quantitative Genetics in MaizeBreeding. Jowa State University Press, Ames.

� Presterl T, Seitz G, Landbeck M, Thiemt EM, Schmidt W, and Geiger HH(2003): Improving nitrogen-use efficiency in European maize -Estimation of quantitative genetic parameters. Crop Science 43:1259-1265.

� Schmidt W (2003): Hybridmaiszüchtung bei der KWS SAAT AG. In:

Bericht über die 54. Tagung 2003 der Vereinigung der Pflanzenzüchterund Saatgutkaufleute Österreichs. BAL Gumpenstein 25.-27. November2003:1-6.

� Wilde K, Burger H, Prigge V, Presterl T, Schmidt W, Ouzunova M,Schmidt W, Geiger HH (2009): Testcross performance of doubled-haploid lines developed from European flint maize landraces. PlantBreeding doi:10/1111/j.1439-0523.2009.01677.