DROST: TdRF2024_Machbarkeitsstudie: Methoden zur Bewertung von Trockenstresstoleranz in der Sortenwertprüfung (methods for evaluation of DROught Stress Tolerance in VCU testing)
Projektleitung
Martin Fuchs
Forschungseinrichtung
Österreichische Agentur für Gesundheit und Ernährungssicherheit (AGES)
Projektnummer
102100Projektlaufzeit
-
Finanzierungspartner
Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Regionen und Wasserwirtschaft
Allgemeine Projektinformationen
Abstract (deutsch)
Der Klimawandel stellt die Landwirtschaft vor erhebliche Herausforderungen. Qualitätsweizen wird hauptsächlich in den trockenen Regionen Ostösterreichs angebaut, wo der Ertrag stark vom Wasserangebot abhängt. Auch Mais leidet zunehmend unter Trockenstress, während Bewässerungsmöglichkeiten begrenzt sind. Klimamodelle prognostizieren längere Dürrephasen für Österreich, die den Anbau stark beeinträchtigen.
Eine Lösung sind neue Sorten mit verbesserter Trockenheitstoleranz. Bisher müssen sich Landwirt:innen auf Informationen aus Prospekten verlassen, da es keine standardisierte Bewertung in der Sortenwertprüfung gibt. Die offiziellen Protokolle erfassen lediglich Parameter, die nicht die Sortenleistung unter Trockenstress widerspiegeln. Der Ertrag in trockenen Regionen bleibt als einzige Orientierung, ein präziser Indikator für Trockenstresstoleranz fehlt.
Um eine aussagekräftige Bewertung der Trockenresistenz vorzunehmen, bedarf es geeigneter Methoden. Ziel des Projektes ist es, innovative Methoden zu testen und deren Eignung für die Sortenwertprüfung zu evaluieren. Dazu werden drei trockene Standorte im Osten Österreichs gewählt, und ein Rain Out Shelter wird genutzt, um den Trockenstress gezielt zu erhöhen. Die Erhebung des Wasserrückhaltevermögens sowie das Monitoring der Bodenfeuchtigkeit mittels Sensoren sollen präzise Daten über das Ausmaß der Trockenheit liefern, um eine umfassende Beurteilung des Trockenstresses für verschiedene Sorten und Standorte zu ermöglichen.
Moderne Phenotyping-Methoden wie NIR-Spektroskopie und Drohnen mit Spezialkameras werden eingesetzt, um den Einfluss des Wassermangels auf die Gesundheit und Stoffwechselaktivität der Pflanzen zu erfassen. Neben den üblichen Qualitätsparametern wird auch das Proteom der Körner in verschiedenen Entwicklungsstadien mittels LC-MS/MS untersucht. Die Quantifizierung wichtiger Enzyme und Hitzeindikatoren kann Aufschluss darüber geben, wie sich die Sorten bei Trockenstress verhalten.
Die gewonnenen Daten ermöglichen es, die besten Verfahren zu identifizieren. Eine Bewertung mittels SWOT-Analyse wird Empfehlungen für eine kosteneffiziente Umsetzung in der Sortenwertprüfung liefern. Moderne Verfahren zur Beurteilung der Trockenresistenz innerhalb der Sortenwertprüfung leisten einen wichtigen Beitrag zur Anpassung an den Klimawandel und zur Nachhaltigkeit, wodurch die österreichische Landwirtschaft zukunftsfähig gemacht und die Ernährungssicherung sowie Wettbewerbsfähigkeit verbessert werden.
Schlagwörter (deutsch)
Trockenstresstoleranz, Wertprüfung, Klimawandelanpassung, Getreide
Titel, Abstract, Schlagwörter (englisch)
Titel (englisch)
DROST: methods for evaluation of DROught Stress Tolerance in VCU testing
Abstract (englisch)
Climate change presents significant threats for agriculture. Quality wheat is primarily grown in the dry regions of eastern Austria, where yields heavily depend on water supply. In recent years, maize has suffered from drought stress, but possibilities for irrigation are limited. Additionally, climate models forecast longer periods of drought for Austria, impacting cultivation.
One potential solution is developing new varieties with improved drought tolerance. So far, farmers have relied on information from brochures, as there is no standardized evaluation in the Value for Cultivation and Use (VCU) testing of new varieties. The official protocols only record parameters unsuitable for assessing variety performance under drought stress. Currently, yield in dry regions remains the only benchmark, but a precise indicator for drought stress tolerance is lacking.
There is a need for suitable methods to conduct a meaningful assessment of drought resistance. The aim of this project is to test innovative methods, evaluate their suitability for variety value testing, and establish a more sustainable VCU testing process. This study will select three dry locations in eastern Austria. Additionally, a rainout shelter will be used to increase drought stress. The assessment of water retention capacity and the monitoring of soil moisture using sensors aim to provide precise data on the extent of drought, enabling a comprehensive evaluation of drought stress for different varieties and locations.
Modern phenotyping methods, such as near-infrared (NIR) spectroscopy and drones with specialized cameras, will be employed to record the impact of water shortage on plant health and metabolic activity. In addition to the usual quality parameters, the proteome of the grains at various stages will be analyzed using LC-MS/MS. The quantification of important metabolic enzymes and heat indicators can provide insights into how individual varieties respond to drought stress.
Based on the data obtained, the most suitable methods can be identified. A final evaluation using a SWOT analysis will yield recommendations for cost-efficient implementation in VCU testing. Modern methods for assessing drought resistance within VCU testing will significantly contribute to climate change adaptation and sustainability. Additionally, Austrian agriculture will be better prepared for the future, enhancing food security and competitiveness.
Schlagwörter (englisch)
drought stress tolerance, VCU testing, climate change adaptation, cereals
Projektziele
Das Hauptziel dieser Machbarkeitsstudie ist es geeignete Methoden zu finden, um innerhalb der Sortenwertprüfung für Getreide eine effiziente Beurteilung der Trockenresistenz vornehmen zu können. Hierzu müssen verschiedene Ansätze und Verfahren evaluiert werden, welche den Grad an Trockenstress genau und verlässlich beziffern können. Dies soll durch eine Kombination von Monitoring des verfügbaren Wassers im Boden und der Pflanzengesundheit ermöglicht werden. Hierzu werden verschiedene Sensoren und Verfahren bei Weizen und Mais getestet. Anschließend werden die erhobenen Messdaten mit statistischen Verfahren ausgewertet. Erst dann kann erfasst werden, wie hoch der Trockenstress wirklich ist und wie die Pflanzen durch diesen beeinträchtigt werden.
Zusätzliche Analysen des Proteoms ermöglichen es einerseits Markerproteine bzw. Enzyme zu identifizieren, anderseits kann das Verhalten der jeweiligen Sorte näher beschrieben werden, wodurch auch Rückschlüsse auf die Anpassung oder auch Kompensierung von Wassermangel der untersuchten Kulturarten gezogen werden. Zusammen mit aus der Sortenwertprüfung ermittelten Qualitätsparametern und Ertrag der jeweiligen Sorten kann mittels statistischer Verfahren ein Konzept zur korrekten Beurteilung der Trockenheitsresilienz entwickelt werden.
Darüber hinaus sind auch die Wirtschaftlichkeit und einfache Implementierung von großer Bedeutung, weswegen am Ende des Projektes eine SWOT-Analyse durchgeführt wird. Durch die Gegenüberstellung von Potential und Risiken der jeweiligen Methoden kann abgeschätzt werden, welche sich besonders gut und effizient in die Routine der Sortenwertprüfung überführen lassen.
Die Ziele des Projekts sind daher:
- detaillierte Bodenanalysen, um die Verfügbarkeit von Wasser für die Pflanzen und mikrobielle Enzymaktivitäten an den jeweiligen Versuchsstandorten zu bestimmen
- Testen von verschiedenen Phenotyping Methoden und Verfahren, um den Einfluss von Trockenstress exakt und verlässlich messen zu können
- Auswirkungen von Trockenheit auf die Pflanzengesundheit, Stoffwechsel und Qualität sortenspezifisch zu evaluieren
- Statistische Auswertung und Modellierung, um den Trockenstress und die Resistenz von Sorten aussagekräftig bewerten zu können
- Anschließende Erhebung des Potentials und Risiken der verschiedenen Verfahren, um zukünftig eine aussagekräftige und effiziente Implementierung innerhalb der Sortenwertprüfung zu ermöglichen
Praxisrelevanz
Der fortschreitende menschengemachte Klimawandel stellt die österreichische Landwirtschaft vor enorme Herausforderungen. In Österreich steigen die Durchschnittstemperaturen fast doppelt so schnell wie im globalen Durchschnitt und haben bereits einen Anstieg um 2 °C erreicht, wobei die Monate Juni und Juli besonders stark betroffen sind (APCC, 2014). In den letzten Jahren kam es bereits zu erheblichen Ertragsausfällen aufgrund von Trockenheit bei einer Vielzahl von Kulturarten. Der prognostizierte Temperaturanstieg und längere Phasen mit geringem Niederschlag werden vermehrt zu starken Trockenstressereignissen führen, auch in Regionen, die bisher kaum betroffen waren. Diese zunehmende Unsicherheit veranlasste die Österreichische Hagelversicherung, die Dürreindex-Versicherung einzuführen. Im vergangenen Jahr bezifferte die Versicherung den Dürre-Schaden auf 170 Millionen Euro. Global betrachtet stellt Dürre den größten Schadfaktor in der Landwirtschaft dar, insbesondere für Feldkulturen (FAO, 2023). Für die Zukunft sind Wetterextreme zu erwarten, die bisher in diesem Ausmaß und weitreichenden Folgen noch nicht dokumentiert wurden (Kornhuber et al., 2023).
Obwohl Bewässerung lokal Erträge absichern kann, stehen für einen Großteil der Flächen nicht genügend Wasserressourcen zur Verfügung. Eine einfache Anpassungsmöglichkeit für Landwirt:innen besteht in der Wahl von trockenstresstoleranten Sorten. Züchtungsunternehmen bewerben bereits Sorten, die unter trockenen Bedingungen bessere Erträge liefern. In den Sortenlisten der europäischen Staaten sucht man jedoch vergeblich nach entsprechenden Merkmalen, obwohl Landwirt:innen auf fundierte und neutrale Informationen angewiesen wären.
Die Bestimmung der Trockenheitstoleranz einer Sorte ist komplex, da Trockenstress in jedem Entwicklungsstadium Auswirkungen auf den Ertrag haben kann. Besonders einflussreich auf den Ertrag ist Trockenheit während der Blüte und der Kornfüllungsphase. Relevante Unterschiede bestehen darin, ob eine Sorte durch erweitertes Wurzelwachstum, erhöhte Wassernutzungseffizienz oder eine frühere Reife in der Lage ist, späte Trockenheit zu umgehen (Basu et al., 2016).
Moderne Technologien wie das Hochdurchsatz-Screening (High-Throughput-Phenotyping) mittels Drohnen bieten wertvolle Einblicke in den physiologischen Status von Pflanzen. Aufgrund der Vielzahl an Informationen, die so für ganze Feldbestände erhoben werden können, findet diese Technologie zunehmend Praxisanwendung in Züchtungsunternehmen. Die Kombination aus phänologischen Daten und meteorologischen Daten wie Niederschlag und Bodenfeuchte ermöglicht eine umfassende Erfassung von Trockenstress im Feldbestand, inklusive wichtiger Parameter wie der Wassernutzungseffizienz. Auch für die Wertprüfung sind diese Technologien von Interesse, da viele Informationen bei vergleichsweise geringem Arbeitsaufwand erhoben werden können (Passioura, 2012). Drohnenflüge sind jedoch gleichzeitig mit einem erheblichen logistischen Aufwand verbunden, wie etwa Fluggenehmigungen, und sind abhängig von passenden Wetterbedingungen. Daher sollen bei DROST alternativ handgehaltene Geräte getestet werden, um einerseits eine Datenvalidierung durchzuführen und andererseits als Alternative für eine spätere Implementierung in der Wertprüfung getestet zu werden.
Weichweizen und Mais als flächenstärkste Ackerkulturen in Österreich sind hier geeignete Beispielkulturen, um die Bewertung von Trockenstresstoleranz in der Wertprüfung zu evaluieren. Nicht zuletzt hängt die Ernährungssicherung Österreichs davon ab, ob es gelingt die Landwirtschaft an die zunehmenden Herausforderungen des Klimawandels anzupassen.