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Doctoral Thesis
2014
Phenotypic and molecular analyses of grain and biomass productivity under irrigated and rainfed conditions in hybrid rye
Phenotypic and molecular analyses of grain and biomass productivity under irrigated and rainfed conditions in hybrid rye
Abstract (English)
Rye (Secale cereale L.) is a small grain cereal used for bread making, livestock feeding and as renewable energy source. These types of usages are leading to different breeding goals. Rye growing regions are affected by climate change and consequently by drought. Germany is touched by rainless periods in spring and early summer in the last years. Again, in spring 2012 farmers in Brandenburg and Lower Saxony were affected by drought periods. Yield losses in those regions, especially in combination with sandy soils are expected. Therefore much attention is paid for breeding of drought resistant germplasm.
Briefly, our objectives of this study were to (1) estimate the biomass and biogas potential of different plant materials, their quantitative genetic parameters and biogas-related traits, (2) analyze two recombinant inbred lines and differences in their yield potential between irrigated and rainfed regime, as well as the relative efficiency for indirect selection for drought resistance in irrigated regime, and (3) investigate the phenotypic performance for ten agronomic and quality traits across multiple environments and estimated the number and effects underlying QTL.
For the biomass-/ biogas analyses a wide range of plant material was analysed. Germplasm resources, full-sib families selected for grain and forage use were tested for their per se and testcross performance and experimental hybrids selected for grain use and population cultivars selected for grain and forage use were analyzed.
Dry matter yields varying across environments from 106 to 177 dt/ha for per se and testcross performance, respectively. For testcross performance, germplasm resources showed similar values to forage rye. The later the maturity stage, the more dry matter yield on the whole plant level was achieved. Estimates of genotypic variances for biomass yield were significant for all rye materials, whereas the variances per se and for testcrosses were for germplasm resources exorbitant higher than for forage and grain rye.
Typical cumulative methane production curves were obtained for the whole plant material from the Hohenheim biogas yield test. Methane yield showed large differences between second and third harvest date for individual plant fractions. Differences between genotypes were not substantial for methane yield although significant in some instances. At EC77/83 hybrids and forage rye reached similar methane yield of about 5000 m3/ha. A high correlation between dry matter yield and methane yield was observed (r=0.95). Concerning
high cost and time consuming analysis of biogas tests, for breeders the main breeding goal should be maximum dry matter yield. Direct selection on dry matter yield should indirect improve methane yield.
Two biparental populations were used for the analysis of drought tolerance. The analysis was performed in duplicate. Both populations were grown under irrigated and rainfed regimes. Striking less rainfall compared to long-term precipitation occurred between April and July, during critical phases of plant development. Grain yield reduction between irrigated and non-irrigated regime ranged from 2% to 29.6% for population A and 2% to 40% for population B, whereas differences between both regimes were significant (P<0.05) for five and four environments, respectively.
Genotypic variances of grain yield were significant in all instances, whereas genotype by irrigation interaction variance between both regimes being significant only in three and four environments for population A and B, respectively. Analysis across those environments revealed significant difference for genotype by irrigation interaction variance and the three-way interaction variance in both populations. Heritability estimates were higher for the irrigated than for the rainfed regime. High interaction variance with environment and no clustering of the two regimes in a multi-dimensional analysis were found. This illustrates the different soil and whether conditions between locations and additionally every location suffered from a different drought stress.
The correlation between both regimes was significant but moderate, but genotypic coefficients considerably higher (Pop-A: 0.86, Pop-B: 0.84), which could be substantiated that testcrosses differed not substantially in drought-resistance. Indirect selection for drought in the irrigated regime was predicted to be equally or more efficient than direct selection in the non-irrigated regime.
Phenotypic and genotypic analysis was done across ten environments for both biparental populations for the general improvement of agronomic and quality traits in rye. Population A were genotyped with a Rye5K SNP array and for population B DArT genotyping was done with a 3K rye array. Additionally both populations were genotyped with about 150 SSRs. The genetic linkage maps comprised 1,819 and 1,265 markers for population A and B, respectively and were used for the QTL analysis for ten agronomic and quality traits.
Phenotyping revealed large genetic variation for ten agronomic and quality traits. Intensive phenotyping at up to ten environments led to moderate to high heritabilities. Across
environments explained genotypic variance of the individual QTL ranged from 5 to 55%. For 1000-kernel weight, test weight, falling number, and starch content, several QTL with high effects and a frequency of recovery of about 90% were identified in both population.
Rye suffered from drought stress in the last decade. Focusing on general improvement of rye regarding yield and quality, as well as improving rye regarding drought-resistance is important. Future research should be done in fine mapping and validation of the detected QTLs, for exploiting their potential in marker assisted breeding.
Abstract (German)
Roggen (Secale cereale L.) ist eine kleinkörnige Getreideart, die zum Backen, in der Tierfütterung und seit ungefähr zehn Jahren auch als Nachwachsender Rohstoff für die Ethanol- und Methanproduktion genutzt wird. Als Fremdbefruchter ist er für Roggenzüchter besonders interessant und demzufolge auch für die Entwicklung von Hybridsorten. Hybridroggen wird in Deutschland auf ca. 60% der gesamten Roggenanbaufläche kultiviert. Traditionell sind die wichtigsten Zuchtziele der Kornertrag, die Wuchshöhe, die Lagerresistenz, das Tausendkorngewicht und die Auswuchsfestigkeit. Roggen ist gegenüber Weizen und Triticale wegen seiner höheren Leistungsfähigkeit in Deutschland und Polen vor allem auf leichten und sandigen Böden zu finden. In der Zeit zwischen April und Juni regnete es in diesen Regionen weniger als im Vergleich zum langjährigen Mittel. Dieser dadurch entstandene Trockenstress führte in den letzten Jahren zu Ertragsverlusten von bis zu 40%.
Die Nutzung von Roggen als Substrat für die Methanproduktion und das wachsende Verlangen nach trockentoleranten Sorten stellen Züchter immer wieder vor neue Herausforderungen. Molekulare Methoden können helfen, kurzfristiger auf diese Ansprüche zu reagieren.
Die Hauptziele der vorliegenden Studie waren (1) die Schätzung des Biomassepotentials von verschiedenem Roggenmaterial und die der quantitativ genetischen Parameter, welche wichtig für die Selektion sind, (2) die Untersuchung genetischer Unterschiede für Biogas- bezogene Merkmale, (3) Analyse von zwei Testkreuzungspopulationen bezüglich des Kornertrages unter bewässerten und unbewässerten (regenabhängigen) Bedingungen, um Trockentoleranz zu ermitteln und (4) Untersuchung der genetischen Architektur von insgesamt 10 agronomischen Merkmalen und Qualitätsmerkmalen. Alle Experimente beinhalteten Elitematerial und wurden über mehrere Orte getestet (3 bis 5 Orte, 2 Jahre).
In der Biomasse- und Biogasanalyse wurden Genetische Ressourcen, Vollgeschwisterfamilien, Populationssorten und Experimentalhybriden auf ihre Eigen- und Testkreuzungsleistung untersucht. Für die Eigenleistung lag der durchschnittliche Trockenmasseertrag bei 110 dt/ha und für die Testkreuzungsleistung bei 180 dt/ha, wobei für letzteres die genetischen Ressourcen die gleichen Trockenmasseerträge wie der Grünschnittroggen erzielte. Die genotypische Varianz für den Biomasseertrag variiert signifikant für das komplette Roggenmaterial mit mittleren bis hohen Heritabilitäten.
Diese Ergebnisse weisen gute Perspektiven für eine weitere Selektion auf. Signifikante Unterschiede wurden für den Methanertrag, welcher im Hohenheimer Biogas-Ertragstest gemessen wurde, bezogen auf Erntetermin und Pflanzenfraktionen ermittelt. Die Genotypen zeigen nur geringe Unterschiede in diesem Merkmal. Die beste Hybride erreichte ein Methanertrag von 5000 Nm3/ha bei der Ernte zur späten Milchreife. Eine hohe Korrelation zwischen Trockenmasseertrag und Methanertrag (r=0.95, P<0.01) wurde ermittelt. Eine direkte Selektion auf Trockenmasseertrag sollte eine indirekte Selektion auf Methanertrag ergeben.
Zwei biparentale Testkreuzungspopulationen (A, B) mit je 220 Nachkommen wurden bezüglich Trockentoleranz analysiert. Dabei wurden die Genotypen in einer bewässerten und in einer unbewässerten (regenabhängig) Variante auf sechs Umwelten angebaut. Verglichen mit dem langjährigen Mittel ist auffallend wenig Niederschlag zwischen April und Juni auf den vier Standorten gefallen. Aufgrund dieser Tatsache ist der Kornertrag durchschnittlich um rd. 26% niedriger ausgefallen. Die Heritabilitäten waren für die bewässerte Variante höher als für die Unbewässerte. Geringe, aber signifikante Genotyp x Bewässerungs-Interaktionsvarianz wurde in drei Umwelten für Population A und in vier Umwelten für Population B ermittelt. Die Korrelation zwischen den beiden Varianten war hoch (Pop-A: 0.86, Pop-B: 0.84). Die Genotyp x Umwelt x Bewässerungs-Interaktionsvarianz war ähnlich hoch wie die Genotyp x Bewässerungs-Interaktionsvarianz, was bedeutet, dass an jedem Ort ein unterschiedlicher Trockenstress vorherrschte. Zusammenfassend kann man sagen, dass sich Testkreuzungen nicht substantiell in ihrer Trockenstress Eigenschaft unterschieden. Für eine Vorhersage indirekter Selektion innerhalb der bewässerten Variante wurde eine gleiche oder sogar höhere Effizienz ermittelt, als bei der direkten Selektion für beide Varianten.
Um die genetische Architektur von 10 agronomischen Merkmale und Qualitätsmerkmalen zu analysieren, wurden beiden Populationen mit 800 bis 900 molekularen Markern genotypisiert und in zehn Umwelten phänotypisiert. Signifikante genotypische Variation wurde für alle Merkmale mit einer moderaten bis hohen Heritabilität (0.33-0.92) ermittelt. Für die Population A wurden 31 und für die Population B 52 quantitative trait loci (QTL) detektiert, welche 4% bis 74% der gesamten genotypischen Varianz pro Merkmal erklärten. Für die Merkmale Tausendkorngewicht, Hektolitergewicht, Fallzahl und Stärkegehalt konnten einzelne QTL mit großen Effekten detektiert werden, welche mögliche Kandidaten für markergestützte Selektion sind.
Zusammenfassend sollte Hybridroggen als Substrat für die Produktion von Biogas möglichst hohe Biomasseerträge erbringen. Diese können durch die Selektion von genetisch breiten Züchtungspopulationen oder durch die Kreuzung von Genetischen Ressourcen als Bestäuber erreicht werden. Um die Ertragsstabilität und Trockentoleranz zu erhöhen, sollte man unbewässerte Orte auf leichten und sandigen Böden in das Panel der Orte für die Selektion mit einbeziehen. Experimentalhybriden, welche unter diesen Bedingungen vorselektiert sind, könnten direkt auf ihren Biomasseertrag und Trockentoleranz in speziellen Versuchen getestet werden. Einige QTL mit großen Effekten könnte der Züchter in Zukunft nutzen, um wechselnde Züchtungsziele in einem verkürzten Zeitraum zu erreichen.
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State Plant Breeding Institute
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2014-02-17
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English
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Classification (DDC)
630 Agriculture
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Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Gottwald2014,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/5800},
author = {Gottwald, Marlen},
title = {Phenotypic and molecular analyses of grain and biomass productivity under irrigated and rainfed conditions in hybrid rye},
year = {2014},
school = {Universität Hohenheim},
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