Entwicklung von Energiemaissorten für die Mischkultur mit Stangenbohnen | Development of biogas maize cultivars for intercropping with climbing beans

Im Rahmen der Biogasgewinnung in Deutschland wurde Mais schnell zum beliebtesten Substrat für den Einsatz in Biogasanlagen. Die damit verbundene, rasante Steigerung der Maisanbaufläche wurde mit Einführung des „Maisdeckels“ (EEG 2012, § 27) vorerst gestoppt. Dieser begrenzt die Nutzung von Mais und Getreidekorn als Substrat in Biogasanlagen (mit Inbetriebnahme nach 1.1.2012) bei 60 % sofern ein Anspruch auf Förderung bestehen soll. Dennoch ist die Akzeptanz des Maisanbaus in der Öffentlichkeit stark gesunken und wird unter dem Begriff „Vermaisung“ mit einer Vielzahl negativer Aspekte diskutiert. Hierzu gehören neben ökologische Folgen, wie Biodiversitätsverlust und Grünlandumbrüchen auch ökonomische wie eine Erhöhung der Pachtpreise und ethische Argumente wie der „Teller oder Tank“ Konflikt. Um zukünftig sowohl ökonomischen als auch ökologischen Ansprüchen zu genügen, bietet der Maisanbau mit Stangenbohnen in Mischkultur eine interessante Alternative. Die Stangenbohnen bieten eine Nahrungsquelle für Bestäuberinsekten und das Potential die Stickstoffdüngung in der Mischkultur zu reduzieren. Zur Nahrungsmittelproduktion ist dieses System in den Tropen weit verbreitet und auch in Deutschland konnte es auf Anhieb in Vorversuchen zur Biomasseproduktion sehr hohe Erträge erzielen. Die vielversprechenden ersten Erfahrungen führen zu der Frage, ob spezielle Maisgenotypen und –zuchtprogramme sinnvoll sind, welche die Erträge weiter steigern können, oder ob die gängigen Maissorten geeignet sind. Hierzu wurden zunächst 2012 180 Testhybriden (90 Flintlinien mit einem Denttester sowie 90 Dentlinien mit einem Flinttester) sowohl im Reinanbau (10 Maispflanzen /m²) als auch in Mischkultur (7,5 Maispflanzen/m²) mit der Stangenbohnensorte „Neckarkönigin“ (7,5 Bohnenpflanzen/m²) an drei Standorten (Göttingen, Einbeck, Grucking) angebaut, von denen lediglich Einbeck auswertbar war. Aufgrund der Gesamttrockenmasseleistung ihrer Testkreuzungen wurden für jedes Anbausystem die besten 20 Flint- und 20 Dentlinien selektiert. Die Bohnenertragsanteile lagen auf Grund der Frühreife der „Neckarkönigin“ bei durchschnittlich nur 5 % und resultierten in der Aufnahme der Bohnensorten „Bobis a grano nero“ und „Anellino verde“ in die Versuche der Mischkultur im folgenden Jahr. Die selektierten Maislinien wurden im Winterzuchtgarten erneut mit einem Tester des anderen Genpools gekreuzt und 2013 in dem Anbausystem angebaut, in dem sie im Vorjahr selektiert wurden. Der Anbau erfolge an drei Standorten (Göttingen, Einbeck, Eutingen). Auf Grund der schlechten Frühjahrswitterung konnten nur die Versuche in Göttingen und Einbeck auswertet werden. Die Bohnenertragsanteile 2013 lagen bei durchschnittlich nur 2 %, jedoch konnte sich „Anellino verde“ durch eine ausgeprägte Spätreife auszeichnen. Aus den 20 Testhybriden je Genpool und Anbausystem wurden die besten 5 Flint- bzw. Dentlinien je Anbausystem selektiert. Bei den Flintlinien aus der Mischkultur wurde aus versuchstechnischen Gründen nur 4 Linien selektiert. Im Winterzuchtgarten wurden die 5 Flint- und Dentlinien, welche im Reinanbau selektiert wurden, faktoriell miteinander gekreuzt. Gleiches gilt für die 4 Flint- und 5 Dentlinien aus der Mischkultur. So entstanden 45 Experimentalhybriden, welche im letzten Versuchsjahr 2014 sowohl in Reinanbau mit 7,5 Maispflanzen/m² und 10 Maispflanzen/m² als auch in Mischkultur mit „Anellino verde“ (7,5 Maispflanzen/m² und 10 Bohnenpflanzen/m²) an den Standorten Göttingen, Einbeck und Eutingen untersucht wurden. In diesem Jahr konnten Bohnenertragsanteile von bis zu 13 % erreicht werden. In der Maiszüchtung werden bei der Selektion der Trockenmasseertrag und der Trockensubstanzgehalt betrachtet. Zur Berechnung des erwarteten Selektionserfolges wurde daher mit dem reifekorrigierten Ertrag (RekoE) ein Merkmal berechnet, welches Trockenmasseertrag und Trockensubstanzgehalt berücksichtigt. Für dieses Merkmal zeigen 2012 signifikante Maisgenotyp x Anbausystem Interaktionen, dass ein spezielles Zuchtprogramm zur Entwicklung von Maissorten für den Anbau in Mischkultur sinnvoll sein kann. Allerdings lagen die genetischen Korrelationen zwischen RekoE im Reinanbau und RekoE in Mischkultur bei 0,76 – 0,83. Diese hohen Korrelationen lassen eine indirekte Selektion auf Mischkultureignung des Maises attraktiv erscheinen. Hierbei würde im Reinanbau indirekt auf das Zielmerkmal (Mischkultureignung) selektiert. Unter Berücksichtigung, dass eine Selektion in Mischkultur (direkte Selektion) zusätzliche Ressourcen verlangt und Mais ohnehin im Reinanbau in der praktischen Maiszüchtung getestet wird, konnte kein Vorteil auf Seiten der direkten Selektion gegenüber der Selektion im Reinanbau (indirekte Selektion) bei den Flinttesthybriden ermittelt werden. Bei den Denttesthybriden hingegen konnten Vorteile einer direkten Selektion ermittelt werden, da in der Mischkultur die Heritabilität um 0,08 höher war als im Reinanbau. 2014 konnten keine Maisgenotyp x Anbausystem Interaktionen nachgewiesen werden und die Schätzwerte für die genetischen Korrelationen zwischen Reinanbau und Mischkultur lagen bei 1. Dies führt zu der Schlussfolgerung, dass wahrscheinlich kein eigenständiges Zuchtprogramm für Mais in Mischkultur zu rechtfertigen ist. Stattdessen könnte zunächst im Reinanbau eine Vorselektion stattfinden mit einer abschließenden Prüfung in Mischkultur. Obwohl in den Versuchen nur geringe Bohnenanteile realisiert wurden, resultierten aus den in Mischkultur selektierten Linien einige sehr leistungsstarke Hybriden. Für die zukünftige Etablierung der Mischkultur von Mais und Bohnen zur Biomasseproduktion gilt es nun auf Seiten der Bohne das genetische Potential für dieses Anbausystem zu untersuchen und zu nutzen. Erste Begleitversuche im Rahmen dieser Arbeit haben gezeigt, dass hier ein enormes Potential liegt.

The increase of biogas usage for production of energy from renewable sources lead to a rapid increase in acreage of maize. This development could be slowed down for the time being by the introduction of the „Maisdeckel” (EEG 2012, § 27). This law limits the usage of maize and cereals as a substrate for biogas production to 60% as long as farmers demand subsidies. Nevertheless the reputation of maize in the public has fallen dramatically and is associated due the term “Vermaisung” with a lot of negative aspects, including ecological like loss of biodiversity and pasture, but also economical aspects like the increase of rent for land and ethical reasons like the “food or fuel” discussion. The intercropping of maize and climbing beans is an interesting alternative to fulfill ecological and economical requirements. Climbing beans can serve as a nectar source for pollinators and have the potential to reduce the amount of needed nitrogen fertilizer, when intercropped with maize. This system is widely spread in the tropics for food production and also in Germany it could convince with very high yields in first studies. This first promising studies lead to the question, if special maize genotypes and breeding programs are needed, to further increase yields or if the common maize varieties are convenient. To clarify this question 180 test hybrids (90 flint lines x 1 dent tester, and vice versa) were tested in sole maize cropping (10 maize plants/m²) and in intercropping (7.5 maize plants/m²) with the climbing bean variety “Neckarkönigin” (7.5 bean plants/m²) at three locations (Göttingen, Einbeck, Grucking) in 2012. Just Einbeck was evaluated. Considering their total dry matter yield the 20 best flint and 20 best dent lines were selected. The “Neckarkönigin” as an early mature variety resulted in five percent yield proportion, therefore two other bean varieties („Bobis a grano nero“ and „Anellino verde“) were included into the trials in 2013. The selected maize lines were crossed in the off season nursery with a tester from the complementary gene pool and were in 2013 cultivated in the cropping system (sole or inter) in which they were selected in 2012. In 2013 three locations were used (Göttingen, Einbeck, Eutingen). Because of weather circumstances in spring the trial in Eutingen could not be evaluated. The proportion of beans was in average two percent, but „Anellino verde“ showed very late maturity. From the 20 test hybrids, the best five were selected per gene pool and cropping system. For technical reasons there were just four lines selected for the flint gene pool in intercropping. In the off season nursery the five dent and flint lines from sole cropping were crossed factorial. Same is true for the five dent and four flint lines selected in intercropping. This resulted in 45 experimental hybrids, which were tested in sole cropping (7.5 maize plants/m² or 10 maize plants/m²) as well as in intercropping with „Anellino verde“ (7.5 maize plants/m² and 10 bean plants/m²) in Göttingen, Einbeck and Eutingen in 2014. Bean yield proportions of 13 percent were reached. Dry matter yield and dry matter content are main components for the selection in modern maize breeding. For the calculation of the expected gain of selection the maturity corrected yield (MCY) was used. This trait combines the dry matter yield and dry matter content in one trait. In 2012 significant maize genotype x cropping system interactions were found for the MYC and showed the possible need of a specific breeding program for the development of maize genotypes with adaption to intercropping. Nevertheless the genetic correlations between MYC in sole cropping and MYC in intercropping were between 0.76 and 0.83. These high correlations favor an indirect selection for adaption of intercropping of maize. That means that in sole cropping circumstances an indirect selection for the selection target (intercropping adaption) would take place. Considering that a selection in intercropping would require additional resources and maize is selected anyway in sole cropping, no advantage for the direct selection compared to the selection in sole cropping could be detected for the flint test hybrids. For the dent test hybrids advantages of a direct selection were detected, because the heritability was 0.08 higher in intercropping than in sole cropping. In 2014 no maize genotype x cropping system interactions were detected and the estimation for genetic correlations were close to 1. That leads to the conclusion that it is hard to justify a separate breeding program for maize with intercropping adaption. Instead a preselection in sole cropping could take place with a final evaluation in intercropping. Despite the very low proportions of beans, the crosses of the selected line in intercropping resulted in very high yielding hybrids. For the future establishment of the maize bean intercropping approach for biogas production, it is now necessary to investigate and use the genetic potential of the bean. First trials associated with this thesis showed an enormous potential.