Genetic diversity based on SSR markers, heterosis and yield performance of Brassica rapa for biomass production

Die Erzeugung von Biogas gewinnt in Europa zunehmend an Bedeutung. Als Substrat dienen dabei überwiegend Energiepflanzen, und zur Zeit werden etwa 2% der landwirtschaftlichen Fläche in Deutschland für den Anbau von Pflanzen zur Biogaserzeugung verwendet. Etwa 80 % davon ist Mais, eine ursprünglich subtropische Pflanze mit niedriger Kühletoleranz, die erst Ende April gesät werden kann. Zur Erzeugung hoher Biomasseerträge ist es daher sinnvoll, den Anbau von Mais oder anderer wärmeliebender Arten wie Hirse oder Sonnenblume zu kombinieren mit dem Anbau von Arten mit hoher Biomasseproduktion auch unter niedrigen Temperaturen wie Getreidearten, Gräsern, oder Brassica-Arten. So können zwei Kulturen in einer Saison angebaut werden: die erste wird im Herbst gesät und im Frühjahr geerntet, und die zweite wird anschließend im Frühjahr gesät und im Herbst geerntet. Rübsen (Brassica rapa) ist eine traditionelle Ölfrucht in Mittel- und Nordeuropa, aber ihr Anbau ist heute nahezu erloschen. Allerdings gibt es ein erneutes Interesse am Anbau von B. rapa in Europa zur Erzeugung von Biomasse, da es kaum eine andere Fruchtart mit ähnlich hohen Wachstumsraten unter niedrigen Temperaturen im zeitigen Frühjahr gibt. Die Entwicklung von Zuchtprogrammen für B. rapa zur Erzeugung von Biomasse erfordert aber eine bessere Kenntnis der genetischen Variation im europäischen Genpool dieser Art. Bisher hat sich die Züchtung von Rübsen vor allem auf die Verbesserung der Qualität für die menschliche Ernährung oder zur Verwendung als Futtermittel konzentriert, wofür die Erucasäurefreiheit und ein niedriger Glucosinolatgehalt von Bedeutung sind. Diese Zuchtziele unterscheiden sich stark von den Anforderungen an eine Sorte für die Biogaserzeugung. Die Qualitätszüchtung hat dazu geführt, dass das Zuchtmaterial für heutige Sorten zweimal durch eine genetischen „Flaschenhals“ gehen musste, wodurch möglicherweise die genetische Variation reduziert wurde. Daher ist es von Interesse, auch das Potential älterer Sorten zu untersuchen.Diese Arbeit hatte die folgenden Zielsetzungen: (1) die Entwicklung einer Züchtungsstrategie für B. rapa zur Biogaserzeugung unter besonderer Berücksichtigung von Kombinationseignung und Heterosis; (2) die Bestimmung von Biomasseertrag und Heterosis in Kreuzungen innerhalb und zwischen Europäischen Rübsensorten.; (3) die Untersuchung des Einflusses der Qualitätszüchtung auf die genetische Diversität mit Hilfe von molekularen Markern. Zur Untersuchung von Kombinationseignung und Heterosis wurden 15 europäische Winterrübsensorten verwendet. Durch diallele Durchkreuzung dieser Elternsorten wurden 105 Keuzungskombinationen erzeugt. Die Eltern und ihren Kreuzungen wurden in einer Gitteranlage mit zwei Wiederholungen in zwei Jahren an zwei Orten geprüft. Dabei wurden die Merkmale Tage bis Blühbeginn (DTF), Frischmasseertrag (FBY), Trockenmassegehalt (DMC) und Trockenmasseertrag (TBY) erfasst. Die Kreuzungen hatten gegenüber ihren Eltern eine Mehrleistung von 7,6 % für FBY und 5,9 % für DBY. Die höchsten relativen Heterosiswerte waren 21,0 % FBY und 30,4 % für DBY. Die Varianzanalyse zeigte, dass vor allem die spezifische Kombinationsfähigkeit (SCA) von Bedeutung war. Die Korrelation zwischen allgemeiner Kombinationsfähigkeit (GCA) und Elternleistung betrug 0.42** für FBY und 0,53** für DBY. Durch eine Selektion von Elternkombinationen mit hoher SCA für die Herstellung synthetischer Sorten sollte eine schnelle Steigerung der Biomasseleistung von Rübsen möglich sein. Die Leistung synthetischer Sorten im Vergleich zu Vollgeschwister-Nachkommenschaften innerhalb bzw. zwischen Sorten wurde an drei europäischen Winterrübsensorten näher untersucht. Die Vollgeschwister übertrafen die Leistung der Eltern in den meisten Merkmalen. Die Vollgeschwister aus Kreuzungen zwischen Sorten hatten einen signifikant höheren Frisch- und Trockenmasseertrag als die Vollgeschwister aus Kreuzungen innerhalb der Sorten. Die Heterosis der Vollgeschwister zwischen Sorten im Vergleich zu den Vollgeschwistern innerhalb Sorten betrug 9,2 % für DBY, 4,4 % für FBY, und 3,0 % für DMC. Die Korrelation zwischen DBY betrug FBY war 0,61** und die zwischen DBY und DMC 0,86**. Insgesamt gesehen war die Heterosis relativ gering, was darauf hinweist, dass die untersuchten Elternsorten eine geringe Diversität hatten. Um zu untersuchen, ob die Züchtung zu einer Einengung der genetischen Diversität geführt hat, wurden drei unterschiedlich alte Sorten verglichen, die verschiedene Züchtungsperioden repräsentieren. Ihre Diversität wurden an je 32 Pflanzen mit Hilfe von Mikrosatelliten (SSR) untersucht, die alle Kopplungsgruppen des Genoms abdecken. Es wurde nur eine sehr leichte, nicht signifikante Abnahme der Diversität beobachtet, gemessen an der Allelanzahl, dem Informationsindex, und der erwarteten Heterozygotie. Die Qualitätszüchtung hat daher bei Rübsen kaum zu einem Verlust an genetischer Variation geführt. Eine Analyse der molekularen Variation (AMOVA) zeigte, dass 83 % der genetischen Variation innerhalb der Sorten und nur 17 % zwischen den Sorten auftrat. Einzelpflanzen der drei Sorten wurden durch Hauptkoordinatenanalyse sowie durch ein Dendrogram aua einer Clusteranalyse charakterisiert. Auch hier zeigte sich, dass die genetische Variation vor allem innerhalb der Sorten auftrat, wodurch sich der relativ geringe Heterosiszuwachs in Kreuzungen zwischen Sorten erklären lässt. Dennoch trat bei einigen Kombinationen eine deutliche Heterosis auf, die sich zur Steigerung der Biomasseleistung relativ einfach durch die Entwicklung von synthetischen Sorten nutzen lässt.

Biogas production has recently become of major interest in Europe. The substrate mainly used is biomass from energy crops and 2% of agricultural land in Germany is presently used for the cultivation of energy crops. However, about 80% of the biogas substrate is today coming from maize, a crop of sub-tropical origin with low cold tolerance which can not be sown before end of April. For maximum biomass production per year, cold tolerant crops like some cereals, forage grasses, and also Brassica with high biomass production even under low temperatures could be rotated with higher temperatures crops like maize, sorghum or sunflower that are adapted to higher temperature. This will give the possibility for growing two crops in one season: the first one sown in autumn and harvested in spring, followed by a second crop sown in spring and harvested in autumn. Brassica rapa was traditionally grown as winter oilseed crop in Northern and Central Europe, but the cultivation has nearly deceased. However, there is a renewed interest in cultivation of winter B. rapa in Europe to produce biomass, because of its high growth rate under low temperatures during early spring. To design breeding programs for the development of winter B. rapa cultivars for biomass production, a better knowledge on the genetic diversity of the European winter B. rapa gene pool is required. To date, the European winter B. rapa has been bred primarily to enhance its nutritional value for human and animal consumption, for which seeds with zero erucic acid and low glucosinolate content are important. These targets are quite different from the criteria for bioenergy (biogas) for which high biomass yield is required. The improvement of seed quality in B. rapa implies that its germplasm had to go twice through a breeding bottleneck possibly causing a reduction in genetic diversity. Therefore it is of interest to evaluate also the potential of older cultivars. This study was carried out with the following objectives; 1. To develop a breeding strategy for biomass production of European winter Brassica rapa for biogas production, 2. To determine the biomass yield and heterosis of crosses within and between European Brassica rapa cultivars, 3. To examine the effect of crop improvement on genetic diversity in oilseed Brassica rapa cultivars detected by molecular markers. To analyze heterosis and combining ability, 15 winter B. rapa cultivars of European origin were used. These cultivars were crossed in a half-diallel without reciprocals to produce 105 combinations. The parents and the 105 combinations were evaluated for days to flowering (DTF), fresh biomass yield (FBY), dry matter content (DMC), dry biomass yield (DBY) and plant height (PH) in a lattice design with two replicates at two locations in Germany for two years. The crosses surpassed in average their parents by 7.6 % for FBY and 5.9% for DBY. Maximum mid parent heterosis was 21.0 % for FBY and 30.4 % for DBY. Analysis of variance showed that genetic variance was mainly due to specific combining ability (SCA). The correlation between parental performance and general combining ability (GCA) was 0.42** for FBY and 0.53** for DBY. Selection of parental combination with high specific combining ability to produce synthetic cultivars could rapidly improve biomass yield. Based on predominance of SCA and the high within cultivar diversity, the performance of synthetics, within cultivar full-sibs and between cultivar full-sibs were studied in three European winter cultivars of B. rapa. The mean of full-sibs were higher than the mean of the parents for most traits. The full-sibs within and between cultivars differed significantly for fresh biomass yield and dry biomass yield. Relative mid parent heterosis of between cultivar full-sibs calculated over within cultivar full-sibs was 9.2% for DBY, 4.4% for FBY and 3.0% for DMC across environments. The correlation between DBY and FBY was 0.61** and between DBY and DMC was 0.86**. Heterosis for biomass production observed in cultivar crosses was low, indicating a relativelylow genetic diversity between the three cultivars. To investigate the impact of bottlenecks in B. rapa breeding on the genetic diversity, three open pollinated cultivars were compared, each representing a different breeding period. Diversity was estimated on 32 plants per cultivar with 16 simple sequence repeat (SSR) markers covering each of the B. rapa linkage groups. Loss of genetic diversity over the three cultivars was indicated by a slight, but non significant decrease in allele number, information index and expected heterozygosity. This indicates that no major genetic erosion caused by quality breeding in European winter B. rapa. Eighty three percent of the total genetic variation was attributed to within cultivar variation and the remaining 17% to between cultivar variation by analysis of molecular variance (AMOVA). Individual plants of the three cultivars were characterized by both principal coordinate analysis (PCA) and a dendrogram from cluster analysis. These show that high genetic diversity exists mainly within cultivars which explain the relative small amount of additional heterosis in crosses between cultivars. However, the performance of synthetic cultivars was comparable to between cultivar full-sibs and could be utilized for biomass production.