CHARACCESS: Genomik und Phänomik österreichischer Käferbohnen-Herkünfte mit dem Fokus auf Hitzetoleranz

Während der Blüte und der Hülsenbildung ist die Käferbohne (Phaseolus coccineus L.) anfällig für Hitzestress und reagiert in Folge mit dem Abwerfen der Blüten sowie Hülsen. Hitzetolerante Sorten sind der Schlüssel zu einer nachhaltigen Langzeitstrategie im Käferbohnen-Anbau in Österreich. In dem Projekt CHARACCESS wurde die genetische Diversität von 84 Käferbohnen-Akzessionen und zehn Käferbohnen-Sorten durch Genotyping-by-Sequencing untersucht. Für 33 ausgewählte Akzessionen und Sorten wurde in einem Glashausversuch vier Wochen Hitzestress (35° C/4 h/d) simuliert. Das Zustellen von Honigbienenvölkern gewährleistete die Bestäubung der Pflanzen im Glashaus. Ausgewählte phänotypische Merkmale wie Blütenbildung und Hülsenbildung der 33 Käferbohnen-Akzessionen und Sorten wurden über die gesamte Versuchsdauer bonitiert. Eine abschließende kombinatorische Analyse der genotypischen und phänotypischen Daten erlaubte die Assoziation von Hitzetoleranz mit dazugehörigen Gen-Segmenten (SNP-Basis) und ermöglicht zukünftig die Entwicklung von molekularen Markern zur Verwendung in Züchtungsprogrammen. Die Käferbohnen wurden im Glashaus vier Wochen lang einem täglichen, vierstündigen (11:00 bis 15:00) Hitzestress von 35 °C ausgesetzt. Ausgewählte phänotypische Merkmale (Blütenanzahl, Hülsenanzahl) wurden über die gesamte Dauer der Hitzeperiode bonitiert. Bei insgesamt 32 von 33 Akzessionen und Sorten konnte eine Hülsenbildung beobachtet werden, wobei bei etwas mehr als der Hälfte der Pflanzen Hülsenansätze größer als 5 cm dokumentiert wurden. Im Durchschnitt dauerte es 14 Tage von der Beobachtung der ersten Blütenbildung an einer Pflanze bis zur ersten Hülsenbildung. Wie zu erwarten reagierten alle 33 Akzessionen und Sorten auf den Hitzestress mit einem Abwerfen der Blüten und Hülsen. So sank innerhalb einer Woche nach Einsetzen des Hitzestresses die Gesamtblütenanzahl für alle 33 Akzessionen und Sorten von 1884 Blüten auf 327 Blüten. Bereits gut ausgebildete Hülsen wurden von den Pflanzen ab einem gewissen Zeitpunkt bevorzugt nicht mehr abgeworfen. Im Gegenzug werden jedoch keine neuen Hülsenansätze und keine Blüten mehr gebildet. Bei neun Akzessionen v.a. steirischer Herkunft bzw. aus dem Burgenland sowie bei der alten Sorte Hara wurden mehr ausgereifte Käferbohnen geerntet als von der Referenzsorte „Bonela“, der in der Käferbohnenproduktion üblicherweise angebauten Sorte in Österreich. Die restlichen 22 Käferbohnen-Akzessionen und -Sorten waren allesamt weniger ertragsstark als die Referenzsorte. Eine Käferbohnen-Akzession aus Italien und eine aus dem Burgenland stachen deutlich als ertragsstärkste Akzessionen heraus. Ziele der Genotypisierung waren die Ermittlung der genetischen Diversität innerhalb der Akzessionen und der Verwandtschaftsstruktur zwischen den Akzessionen und Sorten. Zuletzt wurden die erhaltenen Daten mit phänotypischen Ausprägungen in einer Phänotyp-Genotyp-Assoziationsanalyse korreliert, um die Basis für die weiteren Schritte in Richtung der Entwicklung molekularer Marker für Hitzetoleranz zu bilden. Nach der Analyse der genetischen Diversität der ausgewählten Käferbohnen-Akzessionen konnten von den 84 untersuchten Akzessionen drei (40, 67, 79) als diverser und sechs (21, 27, 31, 47, 49, 77) als schwach divers im Vergleich zu den weiteren Akzessionen beschrieben werden. Die Verwandtschaftsstruktur zwischen den Akzessionen und Sorten wurde eingehend analysiert und für die allgemeine Betrachtung der Ergebnisse die Stammbaumdarstellung gewählt, da diese die beste Auflösung bietet. Neben einer etwas komplexeren Struktur an den Rändern des Baumes lassen sich in der Mitte zwei große Gruppen definieren, deren Akzessionen bzw. Sorten innerhalb der Gruppe näher miteinander verwandt sind. Die Referenzsorte „Bonela“ findet sich in einer dieser Gruppen. Einzelne Akzessionen und Sorten zeigen eine große genetische Ähnlichkeit, was bei der Auswahl von Akzessionen für weitere Untersuchungen berücksichtigt werden kann. In der Phänotyp-Genotyp-Assoziationsanalyse wurde die Korrelation von 483 Loci aus 33 Genotypen mit sechs Ausprägungen getestet. Insgesamt wurden 28 assoziierte genomische Regionen gefunden. Diese bilden die Basis für die weiteren Schritte in Richtung Entwicklung genetischer Marker, welche mit einer bestimmten Eigenschaft verbunden sind. Nach einer entsprechenden Validierung an weiteren Akzessionen könnten diese Marker in weiterer Folge in Züchtungs- und Selektionsprozessen zur Anwendung kommen.