COBRA-Austria: ERA-net Core Organic II: Pflanzenzüchtung für den Biolandbau - Resistenz gegen Zwergsteinbrand

Das Projekt COBRA Austria hatte zum Ziel, Steinbrand- und Zwergsteinbrand-Resistenzgene zu kartieren und damit assoziierte molekulare Marker in Winterweizen zu identifizieren. Zu diesem Zweck wurden 6 Kartierungspopulationen, basierend auf Kreuzungen zwischen exotischem Zuchtmaterial und anfälligen, dafür an hiesige Bedingungen angepassten Weizensorten, erstellt, welche den Resistenzquellen Blizzard, Bonneville, PI119333, M822123, PI178383 und PI560841 zuzuordnen sind und je 100-130 Linien umfassten. 2014 bis 2016 wurden diese Populationen an je einem Standort in Österreich (Tulln) auf Resistenz gegenüber gewöhnlichem Steinbrand, an drei Standorten in Österreich (Schönfeld, Tulln, und Lambach und einem Standort in den USA (Utah) auf Zwergsteinbrand Resistenz getestet. Die künstliche Inokulation mit Zwergsteinbrand an den Standorten in Österreich führte aufgrund ungünstiger Witterungsverhältnisse zu niedrigen Befallswerten, so dass keiner der Versuche erfolgreich ausgewertet werden konnte. Die künstliche Inokulation mit Zwergsteinbrand in den USA, sowie Steinbrand in Österreich lieferten in jedem der Versuchsjahre exzellenten Befallsdaten, so dass insgesamt vier Steinbrand Versuche (Tulln 2014, Tulln 2015, Tulln 2016, Glashaus Tulln 2016) und zwei Zwergsteinbrand Versuche (Utah 2015 und Utah 2016) erfolgreich ausgewertet werden konnten. Drei Kartierungspopulationen – Blizzard, Bonneville und PI119333 – wurden ausgewählt und mittels SNP Chip Technologie genotypisiert. Die gemeinsame statistische Analyse von Phänotyp und Genotyp Daten ermöglichte 1) die Bestimmung der Genomabschnitte in den Resistenzquellen Blizzard, Bonneville und PI119333, welche Resistenz gegenüber Zwergsteinbrand und Steinbrand vermitteln und 2) SNP Marker zu identifizieren, welche mit diesen „major“ QTL auf den Weizen Chromosomen 1A, 1B und 7D assoziiert sind und in der praktischen Züchtung von Steinbrand bzw. Zwergsteinbrand resistenten Sorten für den Biolandbau Anwendung finden werden. Die Selektion von verbesserten Sortenkandidaten mithilfe genetischer Marker erlaubt eine deutlich schnellere und gezieltere Sortenentwicklung im Vergleich zu ausschließlich phänotypischer Selektion.

Available in English only Background Plant breeding is crucial in creating organic crop production systems that can better cope with interacting stresses such as pests and diseases (especially seed-borne diseases), weeds and the increasingly erratic and unpredictable variation in climate and weather. In this context, COBRA aimed to support and develop organic plant breeding and seed production with a focus on increasing the use and potential of plant material with high genetic diversity in cereals (wheat and barley) and grain legumes (pea and faba bean), through coordinating, linking and expanding existing breeding and research. Although systems based on high, within-crop diversity have shown promising results in organic systems and are now subject to intensive research, their benefits cannot be exploited currently, due to agronomic, regulatory and other hurdles. Also, it is currently unclear which plant breeding approaches, high diversity or otherwise, are most efficient to breed varieties for organic agriculture. To help these aims, COBRA's work was arranged into a management workpackage to coordinate the work and the following five sub-programmes: (1) To improve methods ensuring seed quality and health Progress was made in handling individual seeds in terms of their actual and potential resistance to seed-borne disease. One of the most important problems, bunt of wheat, was advanced considerably in terms of the 'gene for gene' interaction between host and pathogen and in observing the performance of the, currently, most effective resistance genes. Wheat populations, grown over two generations, did not change in their response to bunt. In barley, progress was made in identifying and confirming known and novel resistances to a range of the most important seed-borne diseases. Benign sprays were confirmed as potentially useful for Ascochyta blight control in peas. (2) To determine the potential to increase resilience, adaptability, and overall performance in organic systems by using crop diversity at various levels Valuable progress was made in confirming, expanding and understanding the resilience of the performance of composite cross populations of wheat. A wide range of molecular markers were identified in barley which will help in selecting genotypes adapted to expected future changes in climate and weather. Progress was also made with organic trials of grain legumes. The early development stages of composite cross populations in the field is now better understood in relation to nutrient use efficiency. (3) To improve breeding efficiency and to develop novel breeding methods to enhance and maintain crop diversity A range of different technologies has been improved for selecting within composite cross populations using NIR spectrometry, colour markers and molecular markers; many of these are non-destructive. Of more immediate value, new composite cross populations involving winter and spring wheat genotypes and including bunt resistant genotypes have now been made. Progress has also been made with bulk breeding of peas, although single genotypes may still be preferred for cropping applications. (4) To identify and remove structural barriers to organic plant breeding and seed production It was important to bring together interested individuals and groups from different European countries to cover available experience and discuss further developments. Most importantly, this was also done directly in consultation with DGSanco, and booklets on the discussions and findings were published and distributed. (5) To improve networking and dissemination in organic plant breeding COBRA successfully established and utilised its website, produced regular newsletters and undertook training and farm days throughout the life of the project to raise the awareness of the project and to also communicate and discuss the finds and outcomes of the work undertaken by its various partners. Conclusion COBRA’s strength is its focus on coordinating, linking and expanding ongoing organic breeding activities in cereals and grain legumes across Europe, drawing together experts from previously separated areas.

Das Projekt „Pflanzenzüchtung für den Biolandbau – Resistenz gegen Zwergsteinbrand“ hat zum Ziel, molekulare Marker für Zwergsteinbrand Resistenz in Winterweizen zu entwickeln. Zu diesem Zweck wurden mehrere Kartierungs-populationen, basierend auf Kreuzungen zwischen nicht angepassten, aber hoch resistenten (Land-)sorten und anfälligen, aber an hiesige Bedingungen angepasste Weizensorten, erstellt. Für 2015 wurden 6 Kartierungspopulationen – basierend auf unterschiedlichen Resistenzquellen – ausgewählt, welche je 100-130 Linien umfassen. Diese wurden an zwei Versuchsstandorten in Österreich und einem zusätzlichen Standort in den USA auf Zwergsteinbrand Resistenz getestet. Zusätzlich wurde das gesamte Sortiment an einem Standort in Österreich auf Resistenz gegen gewöhnlichen Steinbrand geprüft. Die Standorte mit Zwergsteinbrand Inokulation in Tulln und Schönfeld zeigten witterungsbedingt niedrigen Befall; der Zwergsteinbrand Versuch in den USA, sowie der Steinbrand Versuch in Tulln lieferten jedoch ausreichend Befallsstärke und aussagekräftige Ergebnisse. Basierend auf den Ergebnissen der bis dato durchgeführten Feldversuche konnten 3 Populationen ausgewählt werden, welche im Herbst 2015 mittels SNP Chip analysiert (genotypisiert) werden. Die Elternlinien wurden bei COBRA Partnern auf Steinbrand (Schweden) und Zwergsteinbrand (Schweden, Tschechien und Deutschland) getestet und hielten dem lokalen Befallsdruck in allen Experimenten stand. Das Befallsmuster innerhalb des Differentialsortiments, welches in mehreren Ländern auf Resistenz gegenüber Steinbrand und Zwergsteinbrand getestet wurde, zeigt, dass – wenn man auch Untersuchungen aus früheren Jahren miteinbezieht – einzig Bt11 und Bt12 solide (monogenische) Resistenz gegen Zwergsteinbrand und Steinbrand vermitteln können; ansonsten bietet komplexe Resistenz, so wie wir sie in einigen der hochresistenten Elternlinien vermuten können, wie z.B. Blizzard und Bonneville, den besten Schutz. Die gemeinsame statistische Analyse von Phänotyp und Genotyp Daten wird uns nächstes Jahr – nach einem letzten Feldversuchsjahr in Österreich und den USA 2016 – ermöglichen, jene Genomabschnitte zu bestimmen, welche für die Resistenz von Winterweizen gegen Zwergsteinbrand und Steinbrand verantwortlich sind und geeignete molekulare Marker zu entwickeln, welche in der praktischen Züchtung von Steinbrand resistenten Sorten für den Biolandbau Anwendung finden können.

Das Projekt „Pflanzenzüchtung für den Biolandbau – Resistenz gegen Zwergsteinbrand“ hat zum Ziel, molekulare Marker für Zwergsteinbrand Resistenz in Winterweizen zu entwickeln. Zu diesem Zweck wurden mehrere Kartierungspopulationen, basierend auf Kreuzungen zwischen nicht angepassten, aber hoch resistenten (Land-)sorten und anfälligen, aber an hiesige Bedingungen angepasste Weizensorten, erstellt. Aufgrund des witterungsbedingt sehr niedrigen Zwergsteinbrandbefalls an beiden Versuchsstandorten in Österreich, lieferten die Kartierungspopulationen 2014 unzureichende Differenzierungen, was die zwingende Notwendigkeit von mehrjährigen Feldversuchen unterstreicht. Die Elternlinien wurden auch bei COBRA Partnern in Tschechien und in Deutschland getestet und hielten dem lokalen Befallsdruck in allen Experimenten stand. In kleinerem Umfang wurden 2014 auch Steinbrand Resistenzprüfungen durchgeführt und lieferten sehr aussagekräftige Ergebnisse für die geprüften Kartierungspopulationen. Das Befallsmuster innerhalb des Differentialsortiments – welches an mehreren Orten und in mehreren Ländern getestet wurde – zeigt, dass einzig Bt11 und Bt12 solide (monogenische) Resistenz gegen Zwergsteinbrand und Steinbrand vermitteln können; ansonsten bietet komplexe Resistenz, so wie wir sie in einigen hochresistenten Elternlinien vermuten können, den besten Schutz. Für 2015 wurden Kartierungspopulationen ausgewählt, welche auf 6 Resistenzquellen basieren. Diese werden wir an zwei Versuchsstandorten in Österreich und einem zusätzlichen Standort in den USA auf Zwergsteinbrand Resistenz testen. Zusätzlich wird das gesamte Sortiment an einem Standort in Österreich auf Resistenz gegen Steinbrand geprüft werden. Ausgewählte Populationen werden 2015 mittels GBS (genotyping by sequencing) genotypisiert werden. Die gemeinsame Auswertung der phänotypischen und genotypischen Daten wird in Folge die Bestimmung jener Genomabschnitte erlauben, welche für die Resistenz von Winterweizen gegen Zwergsteinbrand (und Steinbrand) verantwortlich sind.

Das Projekt „Pflanzenzüchtung für den Biolandbau – Resistenz gegen Zwergsteinbrand“ hat zum Ziel, molekulare Marker für Zwergsteinbrand Resistenz in Winterweizen zu entwickeln. Zu diesem Zweck wurden mehrere Kartierungspopulationen, basierend auf Kreuzungen zwischen Zwergsteinbrand resistenten und anfälligen Winterweizensorten, erstellt. Das Versuchsjahr 2013 ist als „Pilotversuchsjahr“ zu betrachten, da es relativ anspruchsvoll ist, künstlich einen starken Befall mit Zwergsteinbrand zu induzieren. 2013 wurde eine Auswahl unserer Kartierungspopulationen in Feldversuchen an den 2 Standorten Tull (NÖ) und Lambach (OÖ) auf Resistenz gegen Zwergsteinbrand Befall geprüft. Am Standort Tulln (NÖ) war die künstliche Infektion mit Zwergsteinbrand nicht erfolgreich, am Standort Lambach (OÖ) konnte der Versuch ausgewertet werden. Im Jahr 2014 wird ein Großteil unserer Kartierungspopulationen in Feldversuchen an den 2 Standorten Schönfeld (NÖ, Waldviertel) und Lambach (OÖ Alpenvorland) auf Resistenz gegen Zwergsteinbrand Befall geprüft. Die Versuche wurden gegenüber 2013 im Aufbau optimiert. Die phänotypischen Untersuchungen 2014 werden uns ermöglichen, 2-3 aussichtsreiche Populationen – d.h. solche, in denen das Merkmal Zwergsteinbrand Resistenz gut differenziert – für die anschliessende Genotypisierung auszuwählen. Die gemeinsame Auswertung der phänotypischen und genotypischen Daten wird in Folge die Bestimmung jener Genomabschnitte erlauben, welche für die Resistenz von Winterweizen gegen Zwergsteinbrand verantwortlich sind.