Standfestigkeit bzw. Lager von Kurzstroh- und Langstrohroggen am Standort Edelhof, Juli 2021

© Heinrich Grausgruber

RYE-SUS: ERA-NET SUSCROP: Entwicklung von standfestem und klimaangepasstem Roggen - ein Beitrag zur nachhaltigen Getreideproduktion in marginalen Umwelten

Projektleitung

Heinrich Grausgruber

Forschungseinrichtung

Universität für Bodenkultur Wien

Projektnummer

101407

Projektlaufzeit

-

Finanzierungspartner

Bundesministerium für Nachhaltigkeit und Tourismus| Bundesministerium für Landwirtschaft, Regionen und Tourismus

Allgemeine Projektinformationen

Schlagwörter (deutsch)

Getreidezüchtung, Roggen, Ertragsstabilität, Standfestigkeit, Kurzstrohgen

Titel, Abstract, Schlagwörter (englisch)

Titel (englisch)

Development of lodging-resistant and climate-smart rye – a contribution to a sustainable cereal production in marginal environments

Abstract (englisch)

The aim of RYE-SUS is to develop, test and model semi-dwarf rye with optimized harvest index, improved lodging resistance, high yield potential, drought tolerance and minimized risk of ergot infestation for a sustainable intensification also in marginal production environments. Rye is a traditional food grain and a valuable source of energy and protein for livestock. Like other minor cereals, rye is mainly grown in marginal environments where climate and soils are unfavorable for wheat production. To improve rye competitiveness in European agriculture, RYE-SUS aims to i) make use of hybrid breeding as a cutting edge technology of crop improvement and genome-based precision breeding to increase target-specific selection efficiency and accelerate breeding process, ii) develop new genotypes leading to improved lodging and drought tolerance, iii) proof the practical potential of genotypes with a novel plant architecture in target environments, which challenge rye production by growth-limiting factors such as drought, frost or nutrient deficiencies, iv) minimize the risk of extremely toxic ergot alkaloids in the grain, v) exploit natural genetic diversity in adaptive traits and develop new molecular technologies which support the expansion of highly productive rye hybrids in cold climate ecosystems, and vi) develop and exploit a crop model to simulate the growth and development of rye under growth-limiting factors as a tool to support novel integrated pest and crop management methods and practices. RYE-SUS research complements genome-based strategies of genomic selection for harnessing the full yield potential of rye without the need of high investments. While hybrid breeding enables the development and evaluation of new rye genotypes, the knowledge gained is also applicable for the genetic improvement of open pollinating cultivars with simpler and less expensive breeding procedures and shorter development cycles. Active exchange of ideas, concepts, knowledge and technology between participants of RYE-SUS will improve coherence on marker assisted selection in European and Canadian rye breeding programs and generate synergies for more sustainable and resilient crop production through plant breeding. The collaborative research and activities within this transnational consortium develop and deliver unique opportunities for the European Research Area to increase and secure cereal production on finite arable land without increasing water and fertilizer use.

Projektziele

Roggen ist in Europa ein traditionelles Brotgetreide und eine wertvolle Energie- und Eiweißquelle für das Vieh. Die Anbauflächen von Roggen sind in Europa in den letzten Jahrzehnten allerdings kontinuierlich gesunken und dadurch verringerte sich auch die Diversität am Feld und am Teller bzw. im Trog. Weizen, Mais und Gerste dominieren heute als Nahrungs- bzw. Futtermittel. Das Ziel von RYE-SUS ist eine nachhaltige Steigerung und Sicherung der Roggenproduktion ohne Erhöhung des Wasser- und Düngemitteleinsatzes, vor allem auch in Produktionsrandlagen die für die Weizenproduktion ungeeignet sind. Erreicht wird dies durch eine Veränderung der Pflanzenarchitektur. RYE-SUS wird neuartige Gibberellin-sensitive Halbzwerg-Roggen mit optimiertem Ernteindex, hohem Ertragspotential, verbesserter Standfestigkeit, verbesserter Dürretoleranz und geringer Anfälligkeit für Mutterkorn entwickeln.

RYE-SUS wird die Wettbewerbsfähigkeit von Roggen in der europäischen und kanadischen Landwirtschaft verbessern durch:
(i) die Nutzung der Hybridzüchtung: Roggen ist fremdbefruchtend (offen abblühend). Die Selbstinkompatibilität gewährleistet eine hohe Durchkreuzung innerhalb einer Population. Das Auffinden einer Selbstfertilität, cytoplasmatisch vererbter männlicher Sterilität (CMS) sowie entsprechender Restaurationsgene ermöglichte in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts die Entwicklung von Hybridroggen und die Ausnutzung der Heterosis im Hinblick auf eine Vielzahl von Merkmalen. Heute zeichnen sich Hyridroggen u.a. durch deutlich höhere Erträge als Populationssorten aus. Im Rahmen von RYE-SUS werden neuartige, vollständige Roggen-Experimentalhybride hergestellt;
(ii) die Steigerung der zielspezifischen Selektionseffizienz und Beschleunigung der Züchtungsprozesse durch genombasierte Präzisionszucht: Ein kürzlich entwickelter 20k SNP-Array für Weizen, Roggen und Triticale wird zur Erstellung genomweiter Fingerabdrücke verwendet. Auf Grundlage der SNP-Daten wird die Populationsstruktur sowie die genetische Beziehung im Untersuchungsmaterial beschrieben;
(iii) die Verbesserung der Standfestigkeit, Frost- und Dürretoleranz sowie der Nährstoffeffizienz: durch die Einkreuzung des Kurzstrohgenes Ddw1 wird nicht nur die Wuchshöhe verringert und die Standfestigkeit verbessert, sondern auch die Assimilatumlagerung ins Korn erhöht. Dadurch wird auch die Dürretoleranz und die Nährstoffeffizienz erhöht. Die mehrortige und mehrjährige Prüfung wird außerdem eine zuverlässige phänotypische Erfassung der Frosttoleranz ermöglichen (v.a. durch die Standorte in Kanada und Estland) die für die Entwicklung entsprechender molekularer Marker notwendig ist;
(iv) die Reduktion toxischer Mutterkornalkaloide im Erntegut: eine ausreichend hohe Pollenproduktion in den RYE-SUS Experimentalhybriden wird durch die markergestützte Introgression der Restorergene Rfp1, Rfp2 und Rfp4 gewährleistet. Dadurch soll eine vollständige Restauration der Pollenfertilität erzielt werden und somit die Anfälligkeit gegen Mutterkorn minimiert werden. Dadurch wird sich auch die Kontamination des Erntegutes mit den entsprechenden Mykotoxinen (Ergotalkaloide) deutlich reduzieren;
(v) die Nutzung natürlicher Genetik und die Entwicklung neuer molekularer Technologien: die genomweite Genotypisierung und die intensive Phänotypisierung an mehreren europäischen sowie kanadischen Standorten ermöglichen das Auffinden von Genregionen die für wichtige Merkmale des Roggens verantwortlich sind. Dadurch wird eine verstärkte Anwendung der markergestützten Selektion bei Roggen ermöglicht;
und (vi) die Entwicklung eines Wachstumsmodells für Roggen welches eine nachhaltige und optimierte Kulturführung von Roggen ermöglichen wird: erstmals wird für Roggen ein Wachstumsmodell entwickelt welches auch die Auswirkungen des Klimawandels auf die Roggenproduktion erfassen wird. Dafür wird ein bereits etabliertes Wachstumsmodell für Weizen durch umfangreiche Datensätze mit standortspezifischen Boden- und Tageswetterdaten, Aussaatterminen, Düngeintensitäten, Erntemanagementdaten, morphologische Daten sowie Daten zu Ertrag und Ertragskomponenten aus Langzeitversuchen an diversen Standorten in Deutschland und Europa angepasst. Die morphologischen, physiologischen und phänologischen Auswirkungen der genetischen Halmverkürzung in Halbzwergen werden mit Hilfe der geno- und phänotypischen Daten bei der Modellierung berücksichtigt. Das Modell wird eine Optimierung von Produktivität und Nachhaltigkeit des Roggenanbaus unter sich ändernden Klimabedingungen ermöglichen.

Die Forschung in RYE-SUS nutzt die Hybridzüchtung für die Entwicklung von neuartigen Genotypen, die gewonnenen Erkenntnisse bzw. die Halbzwerg-Genetik dienen jedoch auch für die genetische Verbesserung von offen abblühenden Populationsroggen.

Praxisrelevanz

Roggensorten, die unter geänderten Klima- und Witterungsbedingungen ausreichend stabile Erträge ermöglichen, leisten einen wesentlichen Beitrag für eine klimaresiliente Landwirtschaft. Die wissenschaftlichen Ergebnisse aus RYE-SUS lassen sich unmittelbar in die züchterische Praxis übertragen. Die umfassenden Analysen zur Kornertragsleistung, Standfestigkeit, Frosttoleranz, Mutterkorntoleranz und Enzymaktivität in RYE-SUS adressieren Anforderungen seitens der praktischen Roggenzüchtung.

Die Ergebnisse aus RYE-SUS ergeben Vorteile aus mikro- und makroökonomischer Sicht: die beteiligten Zuchtunternehmen erhalten wichtiges Wissen zu den ausgeprägten Effekten neuartiger Halbzwerg-Genotypen und Genominformationen können unmittelbar für die markergestützte Selektion von Zielmerkmalen genutzt werden können. Dadurch ergibt sich ein strategischer Wettbewerbsvorteils für die beteiligten Zuchtunternehmen. Aus makro-ökonomischer Sicht können Roggensorten mit stabil hoher Ertragsleistung und entsprechender Verarbeitungsqualität einen wesentlichen Beitrag zur Nachhaltigkeit in der Landwirtschaft leisten. Dies gilt insbesondere für Regionen mit widrigem Klima und Boden, in denen praktisch keine Alternative zum Roggenanbau existiert. Die verbesserte Wettbewerbsfähigkeit neuartiger Roggensorten im Vergleich zu anderen Getreidearten führt zudem zu einer erhöhten Agrobiodiversität am Acker und Teller.

Berichte

Abschlussbericht , 31.10.2022

Kurzfassung

Die europäische Getreideproduktion erfährt eine fortschreitende Intensivierung und Spezialisierung auf Weizen und Gerste zu Lasten von Hafer, Roggen und anderen wenig genutzten Getreidearten. Diese Spezialisierung führt zu einem kontinuierlichen Verlust an landwirtschaftlicher Biodiversität und traditioneller Landbewirtschaftungssysteme. Roggen ist die einzige fremdbefruchtende Getreideart und benötigt daher roggenspezifische Strategien hinsichtlich der züchterischen Verbesserung. Das Ziel von RYE-SUS war die Entwicklung, Erprobung und Modellierung von Gibberellin-sensitivem Halbzwergroggen mit optimiertem Ernteindex, verbesserter Standfestigkeit, hohem Ertragspotential und verbesserter Trockenheitstoleranz für eine nachhaltige Intensivierung. Die systematische Ausnutzung der Heterosis und die genetisch optimierte Verteilung der Assimilate auf das Korn soll zur Ernährungssicherheit beitragen ohne mehr Land zu verbrauchen und gleichzeitig die Treihausgas-Emissionen senken. Im Rahmen des Projektes wurden drei Halbzwerg-Genotypen sowie ihre nah-isogenen langstrohigen Schwesterlinien als Sameneltern verwendet, die das sogenannte Pampa Cytoplasma für männliche Sterilität tragen. In Kreuzungen mit 16 Pollenspender wurden 48 Halbzwerg-Prototypen und ihre 48 nah-isogenen langstrohigen Schwesterlinien entwickelt. Die Anwesenheit dreier Gene für die Wiederherstellung der Pollenfertilität in der F1 ermöglicht eine Minimierung des Risikos eines Mutterkornbefalls. Die Prüfung der Experimentalhybride erfolgte unter biologischen Produktionsbedingungen im Marchfeld sowie unter konventionellen Bedingungen im Waldviertel. An keinem der beiden Standorte waren die Kurstrohhybride ertragreicher als ihre langstrohigen Pendants. Im Waldviertel zeigten die kurzstrohigen Typen allerdings eine deutlich bessere Standfestigkeit. Die niedrigeren Kornerträge der Halbzwerghybride war vor allem auf ein niedrigeres Korngewicht zurückzuführen, während die Bestockung etwas höher war als bei den langstrohigen Vergleichshybriden. Auf diverse Qualitätsmerkmale wirkte sich das Kurzstrohgen nicht negativ aus. Auch der Befall mit Mutterkorn war in den Testhybriden nicht erhöht im Vergleich zu offen abblühende Populationssorten. Um das dominante Kurzstrohgen Ddw1 in Zukunft besser nutzen zu können wurde eine Inzuchtlinie mit Ddw1 mit 13 verschiedenen Populationssorten gekreuzt. Halbzwerghybride aus den Kreuzungen mit Elego, Elias und SU Popidol wurden von den österreichischen Partnern verwendet um damit ein Rückkreuzungsprogramm zu starten. Daraus entstandenes Material wird derzeit bei der Saatzucht Edelhof und der Universität für Bodenkultur Wien weitergeführt. Weiters wurde im Rahmen des Projektes ein Referenzsversuch mit 24 Roggensorten, zugelassen zwischen 1876 und 2018, etabliert und über zwei Jahre an verschiedenen Standorten geprüft. Mit Hilfe dieses Sortiments konnte ein deutlicher Zuchtfortschritt, vor allem in den letzten 40 Jahren gezeigt werden, wobei die Hybridsorten den offen abblühenden Populationssorten überlegen sind, auch unter Bedingungen des biologischen Landbaus. Basierend auf fast 40000 historischen Beobachtungen von mehr als 100 Standorten in ganz Deutschland während des Zeitraums 1983 bis 2019 wurde eine Ökobilanz für die Produktion von Weizen und Roggen berechnet. Dabei zeigte sich, dass die Treibhausgas-Emissionen und der CO2-Fußabdruck pro Einheit Ernteprodukt von Roggen kleiner sind als die von Weizen. Hybridsorten zeigten zwar höhere Treibhausgas-Emissionen pro Flächeneinheit, aber einen niedrigeren CO2-Fußabdruck im Vergleich zu Populationssorten. Basierend auf dem umfangreichen Datensatz sowie den Ergebnissen aus den Referenzsortiment und den entsprechenden Klimadaten wurden mehr als 1000 sortenspezifische Pflanzenmodelldateien erstellt um ein bestehendes Wachstumsmodell für Weizen an den Roggen anzupassen. Das kürzlich veröffentlichte Roggen-Referenzgenom ermöglichte zudem die Identifikation von einer Reihe von zuvor unbekannten Genen, die wesentlich zur Winterhärte beitragen. Basierend darauf wurden mehrere molekulare Marker identifiziert die in Zukunft eine Marker-gestützte Selektion auf Winterhärte möglich machen.

Berichtsdateien

BOKU_RYE-SUS_AT_Endbericht v4.pdf

Abstract (deutsch)

Das Ziel von RYE-SUS war die Entwicklung, Erprobung und Modellierung von Gibberellin-sensitivem Halbzwergroggen mit verbesserter Standfestigkeit, hohem Ertragspotential und verbesserter Trockenheitstoleranz. Es wurden in Summe 48 Halbzwerg-Prototypen und ihre langstrohigen Schwesterhybride entwickelt die in mehrortigen Feldversuchen geprüft wurden, in Österreich unter biologischen Bedingungen im Marchfeld sowie unter konventionellen Bedingungen im Waldviertel. Die Halbzwerghybriden waren in fast allen Fällen ertragsschwächer als ihre langstrohigen Pendants. Im Waldviertel zeigten die Halbzwerg allerdings eine deutlich bessere Standfestigkeit. Die niedrigeren Erträge der Halbzwerge war vor allem auf ein niedrigeres Korngewicht zurückzuführen, während die Bestockung etwas höher war als bei den langstrohigen Vergleichshybriden. Auf Qualitätsmerkmale wirkte sich das Kurzstrohgen nicht negativ aus. Auch der Befall mit Mutterkorn war in den Testhybriden nicht erhöht im Vergleich zu offen abblühende Populationssorten. Mittels Rückkreuzungen wurde das Kurzstrohgen in österreichische Genetik eingekreuzt. Die Kreuzungsnachkommen werden zum Aufbau eines neuen Genpools von den beteiligten Projektpartnern über das Projekt hinaus züchterisch weiterbearbeitet. Weiters wurde ein Referenzversuch mit 24 Sorten, zugelassen zwischen 1876 und 2018, etabliert und über zwei Jahre geprüft. An Hand dieses Sortiments konnte ein deutlicher Zuchtfortschritt, vor allem in den letzten 40 Jahren gezeigt werden, wobei die Hybridsorten den offen abblühenden Populationssorten überlegen sind, auch unter Bedingungen des biologischen Landbaus. Basierend auf historischen Beobachtungen in Deutschland während des Zeitraums 1983 bis 2019 wurde eine Ökobilanz für die Produktion von Weizen und Roggen berechnet. Dabei zeigte sich, dass die Treibhausgas-Emissionen und der CO2-Fußabdruck pro Einheit Ernteprodukt von Roggen kleiner sind als die von Weizen. Hybridsorten zeigten zwar höhere Treibhausgas-Emissionen pro Flächeneinheit, aber einen niedrigeren CO2-Fußabdruck im Vergleich zu Populationssorten. Basierend auf den umfangreichen Datensatz wurde auch ein bestehendes Wachstumsmodell für Weizen an Roggen angepasst. Das kürzlich veröffentlichte Roggen-Referenzgenom ermöglichte zudem die Identifikation einer Reihe von zuvor unbekannten Genen, die wesentlich zur Winterhärte beitragen.

Abstract (englisch)

The aim of the RYE-SUS project was the development, testing and modeling of gibberellin-sensitive semi-dwarf rye with improved lodging tolerance, high yield potential and improved drought tolerance. A total of 48 semi-dwarf experimental hybrids and their tall sister hybrids were developed and tested in multi-environment field trials, in Austria under organic conditions in the Marchfeld and under conventional management in the Waldviertel. In almost all cases, the semi-dwarf hybrids yielded less than their tall counterparts. In the Waldviertel, however, the semi-dwarfs showed no lodging at all compared to the medium to severe lodging of many tall genotypes. The lower grain yields of the semi-dwarfs were mainly due to a lower kernel weight, while tillering was even higher than that of the tall types. The dwarfing gene did not have a negative effect on quality characteristics. Ergot infestation was also not increased in the test hybrids compared to open-pollinating varieties. The dwarfing gene was introgressed into Austrian genetics by means of backcrossing. The crossbred offspring will be further selected by the involved project partners beyond the project duration in order to build up a new adapted gene pool. Furthermore, a reference trial with 24 varieties, released between 1876 and 2018, was established and tested over two years. With this nursery, a clear breeding progress could be shown, especially in the last 40 years, whereby the hybrid varieties are superior to the open-pollinating varieties, even under organic farming. Based on historical observations in Germany from 1983 to 2019, a life cycle assessment for the production of wheat and rye was calculated. It was shown that the greenhouse gas emissions and the carbon footprint per unit of harvested product from rye are smaller than those from wheat. Hybrid varieties showed higher greenhouse gas emissions per unit area, but a lower carbon footprint compared to open-pollinating varieties. Based on the created data, an existing crop model for wheat was adapted to rye. The recently published rye reference genome also enabled the identification of a number of previously unknown genes that contribute significantly to winter hardiness.

Autor/innen

Grausgruber, H.

Publikationen

Alle Publikationen wurden vom Projektverantwortlichen eingetragen und liegen in dessen Verantwortung.

Lebesmühlbacher J., Hage-Ahmed K., Grausgruber H. (2022). Mykorrhizierung unterschiedlicher Roggensorten unter konventioneller und ökologischer Bewirtschaftung (Tagungsbericht 76. ALVA-Tagung, 30.-31. Mai, Graz, pp. 269-272.). Arbeitsgemeinschaft für Lebensmittel, Veterinär- und Agrarwesen.
Hackauf, B., Rahman Shawon, A., Tsvetkova, N., Plieske, J., Miller, J., Ragupathy, R., Haikka, H., Manninen, O., Tupits, I., Tamm, I., Tenhola-Roininen, T., Tanhuanpää, P., Laine, A., Hanek, M., Banaszak, K., Niewinska, M., Siekmann, D., Zechner, E., Wieser, F., Bergjord Olsen, A.K., Waalen, W., Kottmann, L., Schittenhelm, S., Baga, M., Chibbar, R.N., Feike, T., Voylokov, A.V., Fromme, F.J., Grausgruber, H. (2020). RYE-SUS: a transnational approach to support sustainable grain production in changing environments (70. Jahrestagung 2019, 25-27 November, Raumberg-Gumpenstein, pp. 61-69). Vereinigung der Pflanzenzüchter und Saatgutkaufleute Österreichs. (978-3-900932-73-2).
Gruber, B. (2022). Vergleich von Hybrid- und Populationsroggen unter konventionellem und biologischem Anbau (Masterarbeit). Universität für Bodenkultur Wien.