RYE-SUS

Allgemeine Projektinformationen

Titel (deutsch)

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

Titel (englisch)

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

Abstrakt (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.

Schlagwörter (deutsch)

Getreidezüchtung, Roggen, Ertragsstabilität, Standfestigkeit, Kurzstrohgen

Projektleitung

Heinrich Grausgruber

Forschungseinrichtung

Department für Nutzpflanzenwissenschaften, Universität für Bodenkultur, Wien

Finanzierungspartner

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

Projektnummer

101407

Projektlaufzeit

-

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.