CHARACCESS


Nummer: 101193
Akronym: CHARACCESS
Titel (deutsch): Genomik und Phänomik österreichischer Käferbohnen-Herkünfte mit dem Fokus auf Hitzetoleranz
Projektstart: 19.10.2017
Projektende: 19.09.2019
AuftragnehmerIn: Österreichische Agentur für Gesundheit und Ernährungssicherheit GmbH und Bundesamt für Ernährungssicherheit
Projektleitung: DI Dr. Alexandra Ribarits
Finanzierungsstellen: Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft
Amt der Steiermärkischen Landesregierung
Bundesministerium für Nachhaltigkeit und Tourismus
Wissenschaftszweig: LAND- U. FORSTWIRTSCHAFT, VETERINÄRMEDIZIN / Ackerbau, Pflanzenzucht, Pflanzenschutz / Pflanzenzucht / AGRARWISSENSCHAFTEN, VETERINÄRMEDIZIN

Zielsetzung

- Genotypisierung der in der österreichischen Genbank gelagerten Akzessionen mittels GBS (96 Herkünfte)
- Charakterisierung der genetischen Diversität des Materials zur Identifizierung von möglichen Akzessionsduplikation sowie der Unterschiede innerhalb und zwischen den Akzessionen (96 Herkünfte)
- Hitzetoleranz-fokussierte phänotypische Charakterisierung (rund 90 Herkünfte)
- Auswahl von hitzetoleranten Herkünften bzw. Individuen
- Identifikation von putativen an die Eigenschaft der Hitzetoleranz gekoppelten Genabschnitten durch kombinatorische Analyse
- Schaffung von direkt verwertbaren Grundlagen für die Züchtung verbesserter, hitzetoleranter Sorten zur Sicherstellung des Anbaus der Käferbohne als landeskulturell wichtige Kulturart

Durch den hitzebedingten Abwurf der Hülsenansätze kam es bei Käferbohnen in den teils extrem heißen und trockenen Sommern der vergangenen Jahre zu massiven Ernteausfällen. Die züchterische Anpassung der Pflanzen an die steigenden Temperaturen soll verhindern, dass die Pflanzen die Blüten und bereits angesetzte Hülsen während der Hitzeperioden abwerfen. Um dieses Vorhaben zu unterstützen, werden das verfügbare Sortenmaterial und das in der AGES-Genbank gelagerte Material mittels modernster Methoden (Genotypisierung-durch-Sequenzierung, GBS) auf genetische Diversität untersucht und beschrieben. Gleichzeitig werden unter geeigneten Bedingungen im Glashaus phänotypische Unterschiede mit dem Fokus auf Hitzetoleranz erhoben. Die Korrelation von Phänotyp und Genotyp (Modul 1) ermöglicht es, putative genetische Marker aufzuspüren, welche mit der Ausprägung der Hitzetoleranz in Verbindung stehen. Anhand dieser Daten können geeignete Herkünfte ausgewählt werden, um die Pflanzen im Freiland genau zu beschreiben und die putativen Hitzetoleranz-Marker zu validieren (Modul 2, Planung nach Durchführung von Modul 1). Vorrangiges Ziel ist die Beschreibung der Diversität von Sorten bzw. Akzessionen und die Erleichterung der züchterischen Arbeit mit der Käferbohne in Hinblick auf Hitzetoleranz. Zusätzlich können die erhobenen Daten für weitere vielseitige Fragestellungen genutzt werden.

Die letzten Jahre waren laut den Jahresberichten der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG) durchgehend von hohen Sommertemperaturen gekennzeichnet. Durch die stark reduzierte Ernten bis hin zu Totalausfällen kommt es in heißen Jahren zu Engpässen in der Versorgung mit heimischen Käferbohnen. Da gleichzeitig die Nachfrage nach dieser Spezialität steigt, ist es wünschenswert, mehr Ertragssicherheit zu erreichen. Nicht zuletzt kann so die Anbaufläche ausgeweitet werden. Ein wichtiges Ziel von Züchtungsaktivitäten ist daher die Erhöhung der Hitzetoleranz in den Sorten für den kommerziellen Anbau. Dieses Ziel soll durch das vorliegende Projekt unterstützt werden. Die aus dem vorliegenden Projekt resultierenden Ergebnisse dienen dazu, das vorhandene, lagernde Genmaterial hinsichtlich seiner genetischen Vielfalt zu charakterisieren und jene Herkünfte zu selektionieren, welche eine gesteigerte Toleranz gegen Hitze aufweisen. Durch die kombinatorische Analyse von Phäno- und Genotypen lassen sich an die Hitzetoleranz gekoppelte Genabschnitte assoziieren. Auf dieser Grundlage können molekulare Marker für die Nutzung in der Züchtung entwickelt werden.

Bedeutung des Projekts für die Praxis

Die Steirische Käferbohne zeichnet sich durch einen hohen ernährungsphysiologischen Wert aus (vgl. z.B. https://www.steirische-spezialitaeten.at/kulinarik/steirische-kaeferbohne.html) und besitzt darüber hinaus auch einen landeskulturellen Wert. Das Projektthema ist hochaktuell, da die Steirische Käferbohne im August 2016 als geschützte EU-Ursprungsbezeichnung eingetragen wurde (https://www.bmlfuw.gv.at/service/presse/land/2016/160824K-ferbohne.html). Das vorliegende Projekt unterstützt die Qualitätsstrategie und sichert die regionale österreichische Wertschöpfung. Durch den regionalen Anbau der Käferbohne kann die Wertschöpfung in der Region gehalten werden und ein Beitrag zur menschlichen Eiweißversorgung geleistet werden. Aufgrund der durch den Klimawandel bedingten erhöhten Temperaturen während der Blühphase litt in den letzten Jahren jedoch die Ertragsstabilität im Anbau, weswegen die tatsächlichen Anbauflächen weit hinter dem Marktpotential dieses Produktes zurückliegen. Eine züchterische Bearbeitung der Käferbohne in Hinblick auf Hitzetoleranz ist daher dringend erforderlich. Das Projekt kann durch den Einsatz neuer Methoden einen wertvollen Beitrag zur Weiterentwicklung der Steirischen Käferbohne leisten und den Züchtungsprozess beschleunigen, damit eine zukünftige Nutzung dieser wertvollen Frucht weiter gewährleistet werden kann.

Abschlussbericht


Kurzfassung (deutsch)

Während der Blüte und der Hülsenbildung ist die Käferbohne (Phaseolus coccineus L.) anfällig für Hitzestress und reagiert in Folge mit dem Abwerfen der Blüten sowie Hülsen. Hitzetolerante Sorten sind der Schlüssel zu einer nachhaltigen Langzeitstrategie im Käferbohnen-Anbau in Österreich. In dem Projekt CHARACCESS wurde die genetische Diversität von 84 Käferbohnen-Akzessionen und zehn Käferbohnen-Sorten durch Genotyping-by-Sequencing untersucht. Für 33 ausgewählte Akzessionen und Sorten wurde in einem Glashausversuch vier Wochen Hitzestress (35° C/4 h/d) simuliert. Das Zustellen von Honigbienenvölkern gewährleistete die Bestäubung der Pflanzen im Glashaus. Ausgewählte phänotypische Merkmale wie Blütenbildung und Hülsenbildung der 33 Käferbohnen-Akzessionen und Sorten wurden über die gesamte Versuchsdauer bonitiert. Eine abschließende kombinatorische Analyse der genotypischen und phänotypischen Daten erlaubte die Assoziation von Hitzetoleranz mit dazugehörigen Gen-Segmenten (SNP-Basis) und ermöglicht zukünftig die Entwicklung von molekularen Markern zur Verwendung in Züchtungsprogrammen. Die Käferbohnen wurden im Glashaus vier Wochen lang einem täglichen, vierstündigen (11:00 bis 15:00) Hitzestress von 35 °C ausgesetzt. Ausgewählte phänotypische Merkmale (Blütenanzahl, Hülsenanzahl) wurden über die gesamte Dauer der Hitzeperiode bonitiert. Bei insgesamt 32 von 33 Akzessionen und Sorten konnte eine Hülsenbildung beobachtet werden, wobei bei etwas mehr als der Hälfte der Pflanzen Hülsenansätze größer als 5 cm dokumentiert wurden. Im Durchschnitt dauerte es 14 Tage von der Beobachtung der ersten Blütenbildung an einer Pflanze bis zur ersten Hülsenbildung. Wie zu erwarten reagierten alle 33 Akzessionen und Sorten auf den Hitzestress mit einem Abwerfen der Blüten und Hülsen. So sank innerhalb einer Woche nach Einsetzen des Hitzestresses die Gesamtblütenanzahl für alle 33 Akzessionen und Sorten von 1884 Blüten auf 327 Blüten. Bereits gut ausgebildete Hülsen wurden von den Pflanzen ab einem gewissen Zeitpunkt bevorzugt nicht mehr abgeworfen. Im Gegenzug werden jedoch keine neuen Hülsenansätze und keine Blüten mehr gebildet. Bei neun Akzessionen v.a. steirischer Herkunft bzw. aus dem Burgenland sowie bei der alten Sorte Hara wurden mehr ausgereifte Käferbohnen geerntet als von der Referenzsorte „Bonela“, der in der Käferbohnenproduktion üblicherweise angebauten Sorte in Österreich. Die restlichen 22 Käferbohnen-Akzessionen und -Sorten waren allesamt weniger ertragsstark als die Referenzsorte. Eine Käferbohnen-Akzession aus Italien und eine aus dem Burgenland stachen deutlich als ertragsstärkste Akzessionen heraus. Ziele der Genotypisierung waren die Ermittlung der genetischen Diversität innerhalb der Akzessionen und der Verwandtschaftsstruktur zwischen den Akzessionen und Sorten. Zuletzt wurden die erhaltenen Daten mit phänotypischen Ausprägungen in einer Phänotyp-Genotyp-Assoziationsanalyse korreliert, um die Basis für die weiteren Schritte in Richtung der Entwicklung molekularer Marker für Hitzetoleranz zu bilden. Nach der Analyse der genetischen Diversität der ausgewählten Käferbohnen-Akzessionen konnten von den 84 untersuchten Akzessionen drei (40, 67, 79) als diverser und sechs (21, 27, 31, 47, 49, 77) als schwach divers im Vergleich zu den weiteren Akzessionen beschrieben werden. Die Verwandtschaftsstruktur zwischen den Akzessionen und Sorten wurde eingehend analysiert und für die allgemeine Betrachtung der Ergebnisse die Stammbaumdarstellung gewählt, da diese die beste Auflösung bietet. Neben einer etwas komplexeren Struktur an den Rändern des Baumes lassen sich in der Mitte zwei große Gruppen definieren, deren Akzessionen bzw. Sorten innerhalb der Gruppe näher miteinander verwandt sind. Die Referenzsorte „Bonela“ findet sich in einer dieser Gruppen. Einzelne Akzessionen und Sorten zeigen eine große genetische Ähnlichkeit, was bei der Auswahl von Akzessionen für weitere Untersuchungen berücksichtigt werden kann. In der Phänotyp-Genotyp-Assoziationsanalyse wurde die Korrelation von 483 Loci aus 33 Genotypen mit sechs Ausprägungen getestet. Insgesamt wurden 28 assoziierte genomische Regionen gefunden. Diese bilden die Basis für die weiteren Schritte in Richtung Entwicklung genetischer Marker, welche mit einer bestimmten Eigenschaft verbunden sind. Nach einer entsprechenden Validierung an weiteren Akzessionen könnten diese Marker in weiterer Folge in Züchtungs- und Selektionsprozessen zur Anwendung kommen.

Berichtsdokumente/Anlagen


logo Genomik und Phänomik österreichischer Käferbohnenherkünfte mit dem Fokus auf Hitzetoleranz - Characcess (Abschlussbericht) fin. (30042.34 kB)
BerichtsautorInnen: DI Dr. Alexandra Ribarits; Dr. Eva Maria Sehr; DI Philipp von Gehren; Barbara Riegler BSc; DI Martin Schwab; Dr. Linde Morawetz; Mag. DI Eveline Adam BSc; DI Paul Freudenthaler;
Haben Sie Fragen? Kontaktieren Sie uns