CharAccessII: Entwicklung molekularer Marker zur Unterstützung der Käferbohnenzüchtung (Weiterführung CharAccess)
Projektleitung
Alexandra Ribarits
Forschungseinrichtung
Österreichische Agentur für Gesundheit und Ernährungssicherheit GmbH und Bundesamt für Ernährungssicherheit
Projektnummer
101536Projektlaufzeit
-
Finanzierungspartner
Amt der Steiermärkischen Landesregierung| Bundesministerium für Landwirtschaft, Regionen und Tourismus
Allgemeine Projektinformationen
Schlagwörter (deutsch)
Käferbohne, Phaseolus coccineus, pflanzengenetische Ressourcen, Hitzetoleranz, molekulare Marker
Titel (englisch)
Development of molecular markers to facilitate runner bean breeding (Continuation CharAccess)
Abstract (englisch)
Due to climate change, more frequent and longer periods of heat are to be expected in Austria. Scarlet runner beans react to heat stress by shedding flowers and young pods, which leads to greatly reduced harvests up to total crop failure. Thus, an important goal of runner bean breeding is the development of heat-tolerant varieties to secure long term runner bean production in Austria. Breeding efforts to adapt the plants to high temperatures can prevent the plants from shedding the flowers and already formed pods during the heat periods. This goal can be achieved by using heat-tolerant plant genetic resources and by identifying genetic markers for rapid screening for heat tolerance. In the CharAccess project, several genetic regions potentially associated with heat tolerance traits could be identified by combinatorial analysis. For this purpose, a total of 96 runner bean varieties and accessions stored in the AGES gene bank in Linz were analysed by genotyping-by-sequencing. The CharAccessII project builds on the knowledge gained in CharAccess. The aim is to validate the SNP regions associated with heat tolerance in order to develop molecular markers available for practical breeding. For this purpose, similar to CharAccess, 64 runner bean accessions, varieties and lines will be exposed to heat stress in the greenhouse. The following runner beans are foreseen for the cultivation in the greenhouse: Controls that were already genotyped and phenotyped in CharAccess, yet uncharacterized accessions from the AGES gene bank, accessions already genotyped but not phenotyped in CharAccess, origins from a Spanish gene bank and breeding lines from an Austrian breeding company. Heat-tolerant accessions are identified by a continuous assessment in the greenhouse. Accessions that have not yet been genotyped are analysed using the MassARRAY method. The newly collected data as well as the data from CharAccess are incorporated into an association analysis, which validates the results from CharAccess and possibly also reveals new potential marker regions associated with heat tolerance. By this, SNPs resulting from RAD sequencing and the subsequent association analysis are validated on further accessions. In the end, a MassARRAY assay will be available which can be used for first testing purposes in breeding and selection.
Projektziele
Die Käferbohne (Feuerbohne, Prunkbohne, Türkische Bohne, Schminkbohne, Rosenbohne; Phaseolus coccineus L.) ist seit dem 16. Jahrhundert in Österreich bekannt. Die Anbauflächen schwankten in den vergangenen Jahren zwischen 440 ha und 621 ha. Für die Steirische Käferbohne g.U. wurden 2019 420 ha gemeldet (Plattform zum Schutz der Steirischen Käferbohne g.U.), was einem Großteil der steirischen Anbauflächen entspricht. Tatsächlich befindet sich der weitaus überwiegende Teil der Flächen in der Steiermark. Die Käferbohne ist damit für die steirischen Bauern von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Als typisches Produkt der südöstlichen Steiermark – von der Region für die Region – entwickelte sich die Käferbohne zur unverkennbar steirischen Spezialität (s. „Genussregion Südoststeirische Käferbohne“). Sie wird aber auch in anderen Regionen und Bundesländern kultiviert. Die Bewältigung der Folgen des Klimawandels mit dem vorrangigen Ziel der Entwicklung trockenheits-und hitzetoleranter Sorten ist weltweit eine der größten landwirtschaftlichen Herausforderungen und erfordert Ansätze auf unterschiedlichen Ebenen, vom Aufspüren von als Markern geeigneten Genregionen über die Charakterisierung von Genen, die mit einer Toleranz gegenüber Hitzestress assoziiert sind, bis hin zur Verwendung pflanzengenetischer Ressourcen. Auch die Bohnenzüchtung muss sich diesen Herausforderungen stellen. Das Projekt CharAccess hatte die Beschreibung ausgewählter Genbankherkünfte zum Inhalt. Sequenz- und Phänotypisierungsdaten sind dabei wichtige Informationen, die für mögliche NutzerInnen ein deutlich verbessertes Serviceangebot darstellen. Es wird so möglich, Interessierten die gewünschten Daten für die Auswahl geeigneter Akzessionen rasch zur Verfügung zu stellen. Nach entsprechenden Vorarbeiten und Aufbereitung der Daten können ZüchterInnen die einzelnen Akzessionen der Genbank gezielt nach den gesuchten Eigenschaften durchsuchen. Ein weiterer Nutzen dieses Ansatzes ist die Bereitstellung molekularer Marker. Tatsächlich sind moderne molekulare Werkzeuge zur Charakterisierung der genetischen Ressourcen und die Entwicklung molekularer Marker einerseits und die umfassende phänotypische Charakterisierung der Pflanzen andererseits wesentliche Elemente einer integrierten Züchtungsstrategie zur Verbesserung der Hitzetoleranz.
Bedingt durch den Klimawandel wird für Österreich zukünftig ein starker Anstieg der Hitzetage (> 30 °C) in den Sommermonaten prognostiziert. Käferbohnen werfen unter Hitzestress während der Blühphase verstärkt Blüten und Hülsen ab. In heißen Jahren kommt es daher zu stark reduzierten Ernten bis hin zu Totalausfällen, was zu Engpässen in der Versorgung mit heimischen Käferbohnen führt. Eine gesteigerte Ertragssicherheit durch die Erhöhung der Hitzetoleranz von neuen Sorten für den kommerziellen Anbau ist ein wichtiges Ziel der Züchtung. Das Projekt CharAccessII dient der Unterstützung der Züchtung von hitzetoleranten Käferbohnensorten. Dazu erfolgt eine Hitzetoleranz-fokussierte Phänotypisierung, verbunden mit einer nutzerorientierten Genotypisierung ausgewählter Herkünfte der Käferbohne, mit dem Ziel, die im Projekt CharAccess mittels einer Assoziationsstudie charakterisierten genetischen Marker (SNP-Regionen) zu validieren. Die Ergebnisse ermöglichen, das vorhandene, lagernde Genmaterial hinsichtlich seiner genetischen Vielfalt zu charakterisieren und jene Herkünfte zu selektieren, welche eine gesteigerte Toleranz gegen Hitze aufweisen. Durch die kombinatorische Analyse von Phäno- und Genotypen lassen sich an die Hitzetoleranz gekoppelte Genabschnitte assoziieren. Auf dieser Grundlage sollen am Ende des Projekts molekulare Marker für die Nutzung in der Züchtung bereitgestellt werden.
- Genotypisierung der in der österreichischen Genbank gelagerten Akzessionen
- Charakterisierung der genetischen Diversität des Materials zur Identifizierung von möglichen Akzessionsduplikation sowie der Unterschiede innerhalb und zwischen den Akzessionen
- Hitzetoleranz-fokussierte phänotypische Charakterisierung
- Auswahl von hitzetoleranten Herkünften bzw. Individuen
- Identifikation von putativen, an die Eigenschaft der Hitzetoleranz gekoppelten, Genabschnitten durch kombinatorische Analyse
- Schaffung von direkt verwertbaren Grundlagen für die Züchtung verbesserter, hitzetoleranter Sorten zur Sicherstellung des Anbaus der Käferbohne als landeskulturell wichtige Kulturart
Bedingt durch den Klimawandel wird für Österreich zukünftig ein starker Anstieg der Hitzetage (> 30 °C) in den Sommermonaten prognostiziert. Käferbohnen werfen unter Hitzestress während der Blühphase verstärkt Blüten und Hülsen ab. In heißen Jahren kommt es daher zu stark reduzierten Ernten bis hin zu Totalausfällen, was zu Engpässen in der Versorgung mit heimischen Käferbohnen führt. Eine gesteigerte Ertragssicherheit durch die Erhöhung der Hitzetoleranz von neuen Sorten für den kommerziellen Anbau ist ein wichtiges Ziel der Züchtung. Das Projekt CharAccessII dient der Unterstützung der Züchtung von hitzetoleranten Käferbohnensorten. Dazu erfolgt eine Hitzetoleranz-fokussierte Phänotypisierung, verbunden mit einer nutzerorientierten Genotypisierung ausgewählter Herkünfte der Käferbohne, mit dem Ziel, die im Projekt CharAccess mittels einer Assoziationsstudie charakterisierten genetischen Marker (SNP-Regionen) zu validieren. Die Ergebnisse ermöglichen, das vorhandene, lagernde Genmaterial hinsichtlich seiner genetischen Vielfalt zu charakterisieren und jene Herkünfte zu selektieren, welche eine gesteigerte Toleranz gegen Hitze aufweisen. Durch die kombinatorische Analyse von Phäno- und Genotypen lassen sich an die Hitzetoleranz gekoppelte Genabschnitte assoziieren. Auf dieser Grundlage sollen am Ende des Projekts molekulare Marker für die Nutzung in der Züchtung bereitgestellt werden.
- Genotypisierung der in der österreichischen Genbank gelagerten Akzessionen
- Charakterisierung der genetischen Diversität des Materials zur Identifizierung von möglichen Akzessionsduplikation sowie der Unterschiede innerhalb und zwischen den Akzessionen
- Hitzetoleranz-fokussierte phänotypische Charakterisierung
- Auswahl von hitzetoleranten Herkünften bzw. Individuen
- Identifikation von putativen, an die Eigenschaft der Hitzetoleranz gekoppelten, Genabschnitten durch kombinatorische Analyse
- Schaffung von direkt verwertbaren Grundlagen für die Züchtung verbesserter, hitzetoleranter Sorten zur Sicherstellung des Anbaus der Käferbohne als landeskulturell wichtige Kulturart
Praxisrelevanz
Die Steirische Käferbohne zeichnet sich durch einen hohen ernährungsphysiologischen Wert aus (vgl. z.B. https://www.steirische-spezialitaeten.at/kulinarik/steirische-kaeferbohne.html) und leistet damit einen wertvollen Beitrag zur menschlichen Eiweißversorgung. Sie besitzt darüber hinaus einen landeskulturellen Wert, besonders für die Südoststeiermark (vgl. Sommer und Höbaus 2019), die sich in der Anerkennung als Genuss Region (https://www.genussregionen.at/steiermark/suedoststeirische-kaeferbohne-gu/) widerspiegelt. Die wirtschaftliche Bedeutung zeigt sich auch durch die Zuerkennung der geschützten EU-Ursprungsbezeichnung (vgl. http://steirische-kaeferbohne.at/). Das Marktpotenzial des Produkts ist groß, allerdings konnte die Produktion witterungsbedingt in den letzten Jahren nicht immer mit dem Bedarf Schritt halten. Für den Produzenten ist die Ertragsstabilität ein wichtiger Faktor bei der Anbauentscheidung. Die langfristige Sicherung der regionalen Produktion auch in Zeiten von sich verändernden Klimabedingungen unterstützt die Wertschöpfung in den Anbauregionen. Eine züchterische Bearbeitung der Käferbohne in Hinblick auf Hitzetoleranz ist daher dringend erforderlich. Die Durchführung des Projekts CharAccess war ein Schritt zur Unterstützung dieses wichtigen Vorhabens. Das vorliegende Projekt leistet in Fortsetzung des erfolgreich abgeschlossenen Projekts CharAccess einen wertvollen Beitrag zur Weiterentwicklung der Steirischen Käferbohne. Die Zielsetzung des Projekts berücksichtigt insbesondere die aus den veränderten Klimabedingungen resultierenden aktuellen Herausforderungen. Um die im Projekt CharAccess gewonnen Erkenntnisse in weiterer Folge für die Verwendung in der Züchtungspraxis aufzubereiten und zu diesem Zweck zur Verfügung stellen zu können, ist die weitere Bearbeitung im Rahmen von CharAccessII unbedingt erforderlich.
Berichte
Kurzfassung
Die Käferbohne (Phaseolus coccineus L.) ist ein typisches Produkt der südöstlichen Steiermark – von der Region für die Region – und entwickelte sich zur unverkennbar steirischen Spezialität. Die Klimakrise führt zu einer deutlichen Zunahme von Hitzetagen, was zu massiven Ertragsausfällen bei Käferbohnen führen kann. Besonders während der Blütezeit leiden Käferbohnenpflanzen unter hohen Temperaturen. Am häufigsten wird der Abwurf von Blüten und Hülsenansätzen beobachtet. Die Entwicklung trockenheits- und hitzetoleranter Sorten ist in Zeiten der Klimakrise weltweit eine der größten landwirtschaftlichen Herausforderungen und erfordert Ansätze auf unterschiedlichen Ebenen. Als Nachfolgeprojekt von CharAccess war das Ziel des Projektes CharAccess II, die Züchtung von hitzetoleranten Käferbohnensorten zu unterstützen. Dazu wurden Käferbohnenherkünfte mittels RAD-Sequenzierung (RADseq) und MassARRAY® genotypisiert, beziehungsweise in Glashausversuchen unter Hitzestressbedingungen phänotypisiert. Durch die kombinatorische Analyse von Phäno- und Genotypen wurden an die Hitzetoleranz gekoppelte Genabschnitte identifiziert und schließlich genetische Marker (SNPs, Single Nucleotide Polymorphisms) für die Nutzung in der Züchtung zur Verfügung gestellt.
In den Glashausversuchen von CharAccess II wurden insgesamt 64 Akzessionen und Sorten unter Hitzestressbedingungen phänotypisiert. Die Versuche umfassten zwei spanische Akzessionen, zwei Zuchtlinien, sowie jene Akzessionen, die in den Versuchen im Projekt CharAccess eine höhere Ertragsleistung zeigten als die Referenzsorte Bonela. Weitere Akzessionen wurden gemäß den Ergebnissen der Sequenzierung aus CharAccess ausgewählt, mit dem Ziel, eine möglichst breite genetische Vielfalt abzudecken. Zusätzlich wurden Akzessionen selektiert, die bisher weder genotypisiert, noch phänotypisiert worden waren. Aufgrund des ausgeprägten Hitzestresses wurden häufig keine Hülsen oder verkümmerte Hülsen ohne Bohnen gebildet, und die Anzahl der geernteten Bohnen war niedrig. In CharAccess II waren 21 Akzessionen, 3 Sorten, sowie 1 Zuchtlinie, in CharAccess 5 Akzessionen und 1 Sorte ertragreicher als die Referenzsorte Bonela. Es konnten in beiden CharAccess-Projekten potenziell hitzetolerante Akzessionen ermittelt werden, und es wurden 4 Akzessionen entdeckt, die sowohl in CharAccess als auch in CharAccess II einen höheren Ertrag unter Hitzestressbedingungen lieferten als Bonela.
Als mögliche Marker für Hitzetoleranz kamen über 100 SNPs in Frage, die sich aus den Assoziationsanalysen von Geno- und Phänotyp ergaben. Aus diesen wurden schlussendlich 18 SNPs aufgrund der positiven Ergebnisse der BLAST-Analyse und des MassARRAY® ausgewählt, weiters waren sie polymorph und trugen ein positives Allel, das sowohl in CharAccess als auch in CharAccess II mit einer erhöhten Anzahl an Hülsen assoziiert war. Für die 26 mittels MassARRAY® genotypisierten Akzessionen wurde die Hitzetoleranz auf Basis dieser SNP Marker berechnet und eine Übereinstimmung von berechneter Hitzetoleranz und Phänotyp gefunden. Ein Wert von über 65 % deutet auf einen hohen Ertrag unter Hitzebedingungen hin. Auf Basis derselben 18 SNPs wurde die Hitzetoleranz jener 33 Akzessionen vorhergesagt, welche mittels RADseq genotypisiert, aber nicht phänotypisiert worden waren. Auf diese Weise wurden insgesamt 65 Akzessionen untersucht und davon konnten 10 potenziell hitzetolerante Akzessionen identifiziert werden. Die ausgewählten SNPs können ein guter Indikator sein, um Hitzetoleranz vorherzusagen. Die Zuverlässigkeit dieser Vorhersage muss in weiteren Praxisversuchen überprüft werden.
Zusammengefasst ermöglichen die Ergebnisse der CharAccess-Projekte eine frühzeitige Überprüfung von Kreuzungen und dem Vorhandensein der potenziellen Hitzetoleranzgene. Damit kann die Entwicklung neuer Linien beschleunigt und vereinfacht werden. Die Erkenntnisse dienen als direkt verwertbare Grundlagen für die Entwicklung verbesserter, hitzetoleranter Sorten um den erfolgreichen Anbau der Steirischen Käferbohne auch in Zukunft zu sichern.