Munich, Germany
November 11, 2020
At various locations in Europe with different climatic conditions, the researchers in Prof. Chris-Carolin Schön’s team have cultivated old maize varieties to investigate their genetic potential. - Image: Tom Freudenberg / pict-images
Securing plant production is a global task. Using a combination of new molecular and statistical methods, a research team from the Technical University of Munich (TUM) was able to show that material from gene banks can be used to improve traits in the maize plant. Old varieties can thus help to breed new varieties adapted to current and future climates.
The famous seed vault in Spitsbergen and national gene banks retain hundreds of thousands of seed samples to preserve old varieties of crop plants and the genetic diversity associated with them. Are these seed banks gold mines or seed cemeteries?
Researchers around the globe are investigating whether retained samples contain genes that have been lost through breeding which could be beneficial in counteracting climate change. A research team led by Chris-Carolin Schön, Professor of Plant Breeding at the TUM, is now presenting a solution to harness the genetic potential of old varieties, so-called landraces.
Have good plant characteristics been lost through breeding?
Since the 1960s, maize has been grown in Europe’s fields mainly in the form of hybrid varieties. Hybrid varieties are developed through a specific breeding scheme and, for example are “trimmed” for high yield per hectare or low susceptibility to pests. In order to breed the best variety, a kit of characteristics is needed that could be relevant both today and in the future. Thus, genetic diversity is the basic prerequisite for breeding improved crop plants.
Hybrid varieties, however, carry only a small selection of traits compared to old varieties, the landraces. The question then is whether in addition to undesirable traits, beneficial traits have been lost in the course of many breeding generations. Therefore, the call for landraces has recently been revived, as they are characterized by high biodiversity and are considered a natural source of new genetic variation for breeding. Genetic variation reflects different variants of a gene and can be recognized by differences in the plant’s appearance.
Cold-tolerant varieties: Are they the winners in times of climate change?
The early development of young plants is of particular importance in times of climate change. Drought and heat are the conditions most damaging to crops, such as maize, when they occur during flowering. When a plant can be cultivated early in the year because it can cope with cold, it has already left its flowering period behind when temperatures are particularly high in summer. This means that it is less damaged and yield losses can be avoided.
Professor Schön and her colleagues have been examining landrace varieties for cold tolerance characteristics. For this purpose, they have developed a genome-based method of identifying and making targeted use of beneficial gene resources. After a preliminary study, in which the researchers identified the genetic differences of individual varieties, the researchers selected three landraces for cultivation in different locations with varying climatic conditions within Europe.
Landraces provide advantageous genes for crop improvement
The research team focused on traits related to early plant development and also took into account the stability of the plant (How well does it withstand wind?) and the growth form (straight or bushy?). Using molecular methods that scan the entire genome, they were able to link the data from the field trials to genes relevant to the specific traits.
“We have shown how to find new genetic variation for important traits in agricultural production. The variation in these traits is determined by many genes and is not sufficiently available in current breeding material,” says Manfred Mayer, lead author of the study. “This opens the door to the development of improved climate-adapted hybrid varieties.”
Publications:
Manfred Mayer, Armin C. Hölker, Eric González-Segovia, Eva Bauer, Thomas Presterl, Milena Ouzunova, Albrecht E. Melchinger & Chris-Carolin Schön (2020): Discovery of beneficial haplotypes for complex traits in maize landraces. In: Nature Communications.
More information:
Scientists of the BMBF-funded project network (PPP) MAZE (University of Hohenheim, KWS Saat SE) were involved in the work. The work was mainly funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) within the scope of the funding initiative “Plant Breeding Research for the Bioeconomy” (Project "MAZE").
Verbesserung von Kulturpflanzen mit Saatgut aus Genbanken - Klimaangepasste Pflanzenzüchtung
Die Sicherung der pflanzlichen Produktion ist eine globale Aufgabe. Mit einer Kombination aus neuen molekularen und statistischen Methoden konnte ein Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM) zeigen, dass das Material aus Genbanken für die Verbesserung von Merkmalen in der Maispflanze genutzt werden kann. Alte Sorten können also dabei helfen, klimaangepasste neue Sorten zu züchten.
Genbanken oder der berühmte Saatgut-Tresor in Spitzbergen bewahren Hunderttausende an Saatgutproben, um alte Sorten von Nutzpflanzen und die damit verbundene genetische Diversität zu erhalten. Sind sie eine Goldgrube oder ein Saatgut-Friedhof?
Forscherinnen und Forscher rund um den Globus gehen der Frage nach, ob und vor allem welche Rückstellproben dazu geeignet sind, dem Klimawandel zu begegnen, weil sie vorteilhafte Gene enthalten könnten, die durch Züchtung verloren gegangen sind. Ein Forschungsteam um Chris-Carolin Schön, Professorin für Pflanzenzüchtung an der TUM, stellt nun eine Lösung vor, um das genetische Potenzial von alten Sorten, so genannten Landrassen, nutzbar zu machen.
Sind durch Züchtung auch gute Pflanzeneigenschaften verloren gegangen?
Seit den 1960er Jahren wird Mais auf Europas Feldern überwiegend in Form von Hybridsorten angebaut. Hybridsorten werden durch ein bestimmtes Zuchtschema entwickelt und sind beispielsweise auf einen hohen Flächenertrag oder eine geringe Schädlingsanfälligkeit „getrimmt“. Um die beste Sorte zu züchten, braucht man einen Baukasten aus Merkmalen, die heute und in der Zukunft relevant sein könnten. Genetische Diversität ist somit die Grundvoraussetzung für die züchterische Verbesserung der Nutzpflanzen.
Hybridsorten tragen jedoch genetisch nur eine geringe Auswahl an Merkmalen im Vergleich zu alten Sorten, den so genannten Landrassen. Die Frage ist, ob im Laufe von vielen Züchtungsgenerationen außer den unerwünschten Eigenschaften auch gute verloren gegangen sind.
Daher wird in jüngster Zeit der Ruf nach Landrassen wieder laut, denn sie zeichnen sich durch eine hohe Biodiversität aus und werden als natürliche Quelle neuer genetischer Variation für die Züchtung betrachtet. Genetische Variation steht dabei für mehrere Varianten eines Gens. Äußerlich erkennbar ist sie an unterschiedlichen Erscheinungsformen der Pflanze.
Kältetolerante Sorten: Mögliche Gewinner des Klimawandels
Die frühe Jugendentwicklung einer Pflanze ist in Zeiten des Klimawandels von besonderer Bedeutung. Trockenheit und Hitze sind am schädlichsten für Nutzpflanzen, wie den Mais, wenn sie während der Blüte auftreten. Kann nun eine Pflanze schon früher im Jahr angebaut werden, weil sie besser mit Kälte umzugehen weiß, hat sie ihre Blütezeit bereits hinter sich gelassen, wenn die Temperaturen im Sommer besonders hoch sind. Dadurch nimmt sie weniger Schaden und Ertragseinbußen können vermieden werden.
Prof. Schön und ihre Mitarbeiter haben einige Landrassen auf das Merkmal Kältetoleranz hin untersucht. Dazu haben sie eine genombasierte Methode entwickelt, um neue vorteilhafte Gene in Landrassen zu identifizieren und genetische Ressourcen gezielt zu nutzen. Nach einer Voruntersuchung, in der die Forscherinnen und Forscher die Unterschiede in den Genen der einzelnen Sorten herausgearbeitet haben, haben sie drei Landrassen ausgewählt. Diese wurden an verschiedenen Standorten in Europa mit unterschiedlichen klimatischen Bedingungen angebaut.
Landrassen liefern vorteilhafte Gene für neue Züchtungen
Das Forschungsteam nahm vor allem die frühe Jugendentwicklung dieser Pflanzen in den Blick, sowie auch die Pflanzenhöhe und den Blühzeitpunkt. Zudem wurde die Stabilität der Pflanze (Hält sie dem Wind stand?) und die Wuchsform (gerade oder buschig?) analysiert. Mit molekularen Methoden, die das ganze Genom scannen, brachten sie die Daten aus den Feldversuchen mit merkmalsrelevanten Genen in Verbindung.
„Wir haben gezeigt, wie man neue genetische Variation für wichtige Merkmale in der landwirtschaftlichen Produktion findet. Die Variation in diesen Merkmalen wird von vielen Genen bestimmt und ist im aktuellen Zuchtmaterial nur unzureichend vorhanden“, sagt Manfred Mayer, Erstautor der Studie. „Damit eröffnet sich der Weg, neue klimaverbesserte Hybridsorten zu entwickeln.“
Publikationen:
Manfred Mayer, Armin C. Hölker, Eric González-Segovia, Eva Bauer, Thomas Presterl, Milena Ouzunova, Albrecht E. Melchinger & Chris-Carolin Schön (2020): Discovery of beneficial haplotypes for complex traits in maize landraces. In: Nature Communications.
Mehr Informationen:
An der Arbeit waren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des vom BMBF geförderten Projektverbunds (PPP) MAZE beteiligt (Uni Hohenheim, KWS Saat SE). Die Arbeit wurde maßgeblich vom BMBF unter dem Förderprogramm „Pflanzenzüchtungsforschung für die Bioökonomie“ (Projekt “MAZE”) finanziert.
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