Evaluierung von Hybridwintergerste zur Nutzung als Ganzpflanzensilage (GPS) unter dem Aspekt der Instabilität des verwendeten cytoplasmatisch-kerngenischen männlichen Sterilitätssystems (CMS)

Abstract

Gerste (Hordeum vulgare L.) ist, gemessen an der Produktionsmenge, das weltweit fünftwichtigste Getreide. Neben der Verwendung in Brau- und Brennprozessen und in der menschlichen Ernährung wird speziell Wintergerste vorrangig als Futtermittel eingesetzt. Neben diesen Verwertungsrichtungen, bei denen das Hauptaugenmerk auf der Erzielung eines hohen Kornertrags liegt, bietet die Biogasproduktion ein weiteres Einsatzgebiet, in dem Wintergerste zur Ernte als Ganzpflanzensilage Anwendung finden und zur Diversifizierung der Pflanzenartenauswahl beitragen kann. Entscheidend für die Konkurrenzfähigkeit von Wintergerste als Ganzpflanzensilage ist die Steigerung der derzeit vergleichsweise geringen Trockenmasseerträge. Wie in anderen Kulturen gezeigt wurde, konnten jedoch durch den Anbau von Hybridsorten und dem damit verbundenen Heterosiseffekt neben der Steigerung von Kornerträgen auch die Trockenmasseerträge erheblich erhöht werden. Da die Hybridzüchtung in Gerste, wie auch in anderen autogamen Getreidearten, eine noch sehr junge Methode ist und derzeit noch eine untergeordnete Rolle spielt, sollte der Ertragsvorteil von Hybriden gegenüber den Elternlinien in der vorliegenden Arbeit untersucht werden. Dazu wurden in mehrortigen und mehrjährigen Feldversuchen 97 faktorielle Testhybriden auf ihren Korn- und Trockenmasseertrag hin untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Erzielung eines Ertragsvorteils von ca. 10% gegenüber den Elternlinien für beide Merkmale durchaus realisierbar ist, und sich Produktivität und Konkurrenzfähigkeit auf diese Weise signifikant verbessern lassen. Des Weiteren konnte aus den Ergebnissen geschlossen werden, dass besonders die enge genetische Basis der Elternlinien verbunden mit dem Nichtvorhandensein genetisch differenzierter heterotischer Pools als Hauptgründe für den im Vergleich zu fremdbefruchtenden Arten relativ geringen Heterosiseffekt zu nennen sind. Ein weiterer bedeutender Grund für die derzeit noch geringe Anzahl an Hybrid-Wintergerstensorten ist die Instabilität des CMS-Systems. Diese führt in Abhängigkeit von Umgebungstemperatur und Photoperiode zu einer spontanen Fertilitätsrestauration der sterilen Mutterlinien, wodurch sowohl die Erhaltung der Mutterlinien selbst als auch die Erzeugung von reinem Hybridsaatgut erheblich erschwert wird. Die vorliegende Arbeit hatte daher zum Ziel, genotypische Unterschiede zwischen CMS-Mutterlinien aufzudecken sowie die Eingrenzung dieses Vorgangs auf ein Entwicklungsstadium zu ermöglichen. Anhand von drei sterilen Mutterlinien, die in Klimakammerversuchen zu verschiedenen Entwicklungsstadien einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wurden, konnte nachgewiesen werden, dass neben temperatursensitiven Linien auch solche existieren, die trotz Temperaturreiz steril blieben und keinerlei Kornansatz zeigten. Die Antheren dieser Pflanzen wiesen keinerlei Pollen-ähnliche Strukturen auf, was die Annahme bekräftigt, dass das CMS-System die Entwicklung der Antheren und Pollen vermutlich vor dem Tetradenstadium einschränkt, wodurch es nicht zur Ausbildung von Mikrosporen kommt. Das temperaturanfällige Stadium der spontanen Fertilitätsrestauration, das wiederum zur Bildung von befruchtungsfähigem Pollen führt, ließ sich weiterhin auf das Entwicklungsstadium der Pollenreife (nach Abschluss der zweiten Mitose) begrenzen, da eine erhöhte Temperatur ausschließlich zu diesem Stadium zu einem signifikant höheren Kornansatz führte. Die Ergebnisse bzgl. der spontanen Fertilitätsrestauration tragen maßgeblich zur Eingrenzung der temperaturabhängigen Entwicklungsstadien bei und ermöglichen eine gezielte Phänotypisierung möglicher stabiler Mutterlinien. Barley (Hordeum vulgare L.), measured by the production quantity, is the world s fifth most important cereal. Besides its usage in brewing and distilling processes and in human nutrition, especially winter barley is mainly grown for animal feed. In addition to these production purposes, where the focus is on a high grain yield, winter barley can be used as whole plant silage for the bioenergy production and thereby contribute to a diversification of the energy crop repertoire. The competitiveness of winter barley as whole plant silage can thereby the increase by the cultivation of hybrids and the thereby exploited heterosis effect. Because hybrid breeding in barley, as in other autogamous cereals, is a very young method, which currently plays only a minor role, this study aimed to investigate the yield advantage of hybrids compared to parental lines. A total of 97 factorial test hybrids were therefore analyzed for their grain and dry matter yields in multi environmental field trials. It was shown that a yield advantage of approx. 10% compared to the parental lines is feasible for both traits and that the productiveness and competitiveness of barley can thus be significantly increased. Furthermore, it could be concluded from the results that especially the narrow genetic basis of the parental lines combined with missing genetically diverse heterotic pools are the main reasons for the relatively low heterotic effect compared to allogamous species. A further substantial reason for the low number of hybrid winter barley varieties is the instability of the CMS system. This matter leads to a spontaneous fertility restoration of sterile mother lines in dependence to the ambient temperature and the photoperiod and thus to aggravated maintenance of mother lines and development of true hybrid seeds. This study therefore aimed to reveal genotypic differences between CMS mother lines and to identify the developmental stage in which this process occurs, enabling conclusions about the mechanisms and their genetic background. Using three sterile mother lines, which were grown in climate chambers and exposed to higher temperature at different developmental stages, it could be shown that, besides temperature sensitive maternal lines, stable maternal lines also existed that remained sterile despite the temperature treatment and showed no kernel setting. Anthers of these plants were free of pollen-related structures. This supports the assumption that the CMS system suppresses the development of the pollens prior to the tetrad stage, and thus formation of anthers and microspores does not occur. However, lines that reacted with fertility restoration to a higher ambient temperature developed microspores within the anthers. Furthermore, the developmental stage affected by the temperature could be restricted to the stage of pollen maturation (after the second mitosis), because a higher temperature only led to a significantly higher kernel setting when occurring during this stage. The results regarding the spontaneous fertility restoration contribute significantly to the restriction of the temperature dependent developmental stage and facilitate a directed phenotyping of stable mother lines.