Zuckerrübenanbau unter veränderten Klimabedingungen - Trockenstresstoleranz und Stickstoffnutzungseffizienz von Zuckerrübengenotypen | Sugar beet cultivation in a changing climate - drought stress tolerance and nitrogen use efficiency of sugar beet genotypes

Natürliche Ressourcen wie Wasser und Stickstoff sind unverzichtbar für das Pflanzenwachstum. Die Wasserverfügbarkeit wird jedoch in Zukunft aufgrund klimatischer Veränderungen häufiger begrenzt sein, sodass Sorten benötigt werden, die Trockenstressphasen überdauern können und effizient in der Wassernutzung sind. Auch ein effizienter und nachhaltiger Einsatz von Stickstoff ist anzustreben, da zu hohe Stickstoffmengen mit umweltschädlichen Emissionen einhergehen. Um mögliche Ansatzpunkte für die züchterische Verbesserung der Ressourceneffizienz von Zuckerrüben zu erlangen, sollte im ersten Teil dieser Arbeit der Effekt von Trockenstress und im zweiten Teil die Reaktion auf unterschiedliches Stickstoffangebot bei verschiedenen Zuckerrübengenotypen untersucht werden. Für die Entwicklung trockentoleranter Sorten ist es wichtig die Wachstumsphase mit der stärksten Reaktion auf Trockenstress zu kennen, damit in dieser Phase gezielt selektiert werden kann. Ebenso sollte es nach Möglichkeit ein Merkmal geben, mit dem an Trockenstress-bedingungen angepasste Genotypen identifiziert werden können. Daher wurde in den in Manuskript I beschriebenen Versuchen untersucht, in welcher Wachstumsphase Zuckerrüben den höchsten Wasserbedarf haben und folglich am anfälligsten für Trockenstress sind. Außerdem sollten Ursachen für genotypische Unterschiede in der Wassernutzungseffizienz (WNE) untersucht werden, sowie geprüft werden, ob dieses Merkmal zur Selektion von Genotypen mit Anpassung an Trockenstress geeignet ist. Dafür wurden in den Jahren 2019 und 2020 Gefäßversuche im Gewächshaus mit vier Genotypen durchgeführt. Durch eine Reduktion der Bewässerung auf 50 % der Wasserhaltekapazität (WHK) wurde Trockenstress in unterschiedlichen Wachstumsphasen simuliert. Bei unbegrenzter Wasserversorgung (100 % WHK) entwickelte sich der Wasserverbrauch parallel zur Wachstumsrate. Dies deutet darauf hin, dass der Wasserbedarf durch die Wachstumsrate bestimmt wird. Daher verursachte früher Trockenstress in der Phase mit der höchsten Wachstumsrate die stärkste Ertrags-beeinträchtigung, die später in der Vegetation nicht mehr kompensiert werden konnte. Im Gegensatz zum Zuckerertrag unterschied sich der Wasserverbrauch zwischen den Genotypen, was zu genotypischen Unterschieden in der WNE führte. Dabei trat jedoch keine relevante Interaktion zwischen Genotyp und Wasserversorgung auf, sodass es keinen Hinweis auf eine Trockentoleranz der Genotypen mit hoher WNE gibt. Vielmehr deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die WNE eher durch das Zuckerertragspotenzial eines Genotyps als durch die Wasserversorgung bestimmt wird. Daher sollte bei der Züchtung von Zuckerrübengenotypen mit Anpassung an Umwelten mit wechselnder Wasserversorgung nach dem Zuckerertragspotenzial selektiert werden. Manuskript II zielte darauf ab, unter natürlichen Bedingungen Ursachen für genotypische Unterschiede in der Reaktion auf verschiedene Umwelteinflüsse, insbesondere Trockenstress, zu untersuchen. Dabei sollten Umweltbedingungen definiert werden, unter denen Zuckerrüben am besten selektiert werden können, um diese hinsichtlich Rübenertrag und Zuckergehalt klassifizieren zu können, sowie der Zusammenhang zwischen Ertragspotenzial und Ertragsstabilität untersucht werden. Dazu wurde in Feldversuchen in den Jahren 2018 und 2019 an drei Standorten die Reaktion von sechs Genotypen auf Trockenstress untersucht, wobei eine Bewässerung den Vergleich mit optimalen Wachstumsbedingungen ermöglichte. Es wurden außerdem an einem weiteren Standort Versuche mit drei unterschiedlichen Stickstoff-Angebotsstufen durchgeführt. Dabei konnten in der Abwesenheit von Krankheiten keine signifikanten Unterschiede zwischen den Genotypen in der Ertragsreaktion auf unterschiedliches Wasser- und Stickstoffangebot beobachtet werden. Somit lieferten die Versuche keinen Hinweis auf eine besondere Anpassung der Genotypen an Trockenstress-bedingungen, was wahrscheinlich auf eine Limitierung des Zuckerrübenwachstums durch die Senke (Sink) zurückzuführen ist. Für den Zuckergehalt und den Rübenertrag bestand dagegen eine Genotyp-Umwelt-Interaktion. Die größten genotypischen Unterschiede zeigten sich bei ausreichender Wasserversorgung, sodass Genotypen unter optimalen Wachstumsbedingungen entweder nach hohem Rübenertrag oder hohem Zuckergehalt klassifiziert werden können. Beim Zuckerertrag traten genotypische Unterschiede im Ertragspotenzial und der Ertragsstabilität auf. Jedoch war ein hohes Ertragspotenzial nicht unbedingt mit einer hohen Ertragsstabilität verbunden. Da es wichtig ist, auch bei höherer Variabilität der klimatischen Bedingungen konstant hohe Erträge zu erzielen, wird die Ertragsstabilität in der zukünftigen Züchtung an Bedeutung gewinnen. Neben einer effizienten Wassernutzung ist auch die effiziente Verwendung von Ressourcen wie Stickstoff wichtig für eine nachhaltige Pflanzenproduktion. Daher wurden im Manuskript III die Gründe für genotypische Variation in der Stickstoffnutzungseffizienz (SNE) von unterschiedlichen Zuckerrübengenotypen aufgezeigt und diskutiert. In den Jahren 2018 und 2019 wurden sechs Genotypen in Feldversuchen bei unterschiedlichen N Angebotsstufen mit 65, 120 und 240 kg N ha-1 untersucht. Die Versuche zeigten nur geringe genotypische Unterschiede in der N Aufnahme und N-Aufnahmeeffizienz, aber deutliche genotypische Unterschiede in der SNE. Die vernachlässigbare Interaktion zwischen Genotyp und Umwelt deutet darauf hin, dass die Unterschiede in der SNE unabhängig von der N Versorgung aufgetreten sind und dass es keine Genotypen mit spezieller Anpassung an Bedingungen mit geringer N Verfügbarkeit gibt. Vielmehr resultierten die Unterschiede in der SNE aus Unterschieden im Zuckerertragspotenzial, sodass Selektion auf hohes Zuckerertragspotenzial auch zu Genotypen mit hoher SNE führt. Weiterhin konnte gefolgert werden, dass ein hohes Zuckerertragspotenzial aus einer Assimilatverteilung hin zu hohem Zuckerertrag mit einem geringen Anteil Blattmasse an der Gesamttrockenmasse resultiert. Dabei führte eine geringere Blattmasse tendenziell zu einem höheren Blatt N Gehalt. Ob ein hoher N Gehalt im Blatt auch zur Identifizierung von ertragreichen Genotypen genutzt werden kann, ist unklar. Es konnte lediglich abgeleitet werden, dass eine hohe Blattmasse keine Voraussetzung für hohe Zuckererträge ist. Die vorliegende Arbeit deutet darauf hin, dass es keine Zuckerrübengenotypen mit einer speziellen Anpassung an Trockenstressbedingungen gibt. Da der Wasserbedarf von Zuckerrüben von der Wachstumsrate bestimmt wird, ist die Anfälligkeit für Trockenstress im Frühsommer, in der Phase mit den höchsten Wachstumsraten, am größten. Sowohl die Wassernutzungseffizienz als auch die Stickstoffnutzungseffizienz werden vom Zucker-ertragspotential bestimmt, sodass bei der Entwicklung von Sorten für unterschiedliche Umweltbedingungen auf ein hohes Zuckerertragspotential selektiert werden sollte.

Natural resources such as water and nitrogen are essential for plant growth. In the future, water will be limited more frequently due to climatic changes. Therefore, varieties are needed that can tolerate periods of drought stress and use water efficiently. The use of nitrogen should also be efficient and sustainable, as excessive amounts of nitrogen are associated with emissions that are harmful to the environment. In order to obtain approaches for breeding improvement of sugar beet resource efficiency, genotypic differences in response to drought stress were studied in the first part of this work. In the second part, the response to varying nitrogen supply of different sugar beet genotypes was investigated. For the development of drought-adapted varieties, it is important to know the growth period with the strongest reaction to drought stress and a trait that can be used to identify genotypes adapted to drought stress conditions. Therefore, the trials described in manuscript I investigated the growth period of sugar beet with highest water demand and consequently the highest susceptibility to drought stress. Furthermore, possible reasons for genotypic differences in water use efficiency (WUE) were investigated, and also if this trait might be used for the selection of drought-adapted genotypes. For this purpose, pot experiments were conducted in the greenhouse with four genotypes in 2019 and 2020. Drought stress was simulated in different growth periods by reduction of irrigation to 50% of the water holding capacity (WHC). Under unlimited water supply (100% WHC), water consumption developed in parallel with the growth rate. This indicates that water demand is determined by the growth rate. Therefore, early drought stress caused the most severe yield impairment in the period with the highest growth rate, which could not be compensated later in the season. In contrast to sugar yield, water use and thus WUE differed among genotypes. However, no relevant interaction between genotype and water supply occurred, so there is no evidence of drought tolerance among genotypes with high WUE. The results suggest that WUE is rather determined by the genotypic sugar yield potential than by water supply. When breeding sugar beet genotypes adapted to environments with variable water supply, selection should focus on high sugar yield potential. Manuscript II summarizes trials which investigated reasons for genotypic differences in the response to different environments, in particular drought stress under natural conditions. In addition, environmental conditions were defined for optimal selection for root yield and sugar content and the relationship between yield potential and yield stability was investigated. In 2018 and 2019, field trials were conducted with six genotypes at three sites with natural occurrence of drought. An irrigation treatment allowed the comparison with optimal growing conditions. Trials were also conducted with three different levels of nitrogen supply. In the absence of disease, no significant differences in the sugar yield response to different water and nitrogen supply were observed between the genotypes. Thus, the trials did not provide evidence for a particular adaptation of the genotypes to drought stress conditions, probably due to the sink limitation of sugar beet. In contrast, there was a genotype-environment interaction for sugar content and root yield. The greatest genotypic differences for classifying genotypes by either high root yield or high sugar content occurred under optimal growth conditions. As root yield increased, sugar content decreased similarly for all genotypes. For sugar yield, genotypic differences occurred in yield potential and yield stability. High yield potential was not necessarily associated with high yield stability. As it is important to achieve consistently high yields even under higher variability of climatic conditions, yield stability will become more important in future breeding. In addition to a high water use efficiency, the efficient use of other resources such as nitrogen is also important for efficient and sustainable crop production. Therefore, the reasons for genotypic variation in nitrogen use efficiency (NUE) of different sugar beet genotypes were investigated and discussed in manuscript III. In 2018 and 2019, six genotypes were evaluated in field trials under different N supply at 65, 120, and 240 kg N ha-1. The trials showed only minor genotypic differences in N uptake and N uptake efficiency, but significant genotypic differences in NUE. The negligible interaction between genotype and environment suggests that the differences in NUE were independent of N supply and that there is no genotypic adaptation to low N availability. Rather, the differences in NUE resulted from differences in sugar yield potential. This indicates that selection for high sugar yield potential also rises NUE. Furthermore, it was concluded that high sugar yield potential results from an assimilate partitioning towards high sugar yield with a low fraction of leaf mass to total dry mass. In consequence, there were indications that lower leaf mass was associated with higher leaf N content. Whether high leaf N content can be used to identify genotypes with high sugar yield potential is unclear, but it became evident that high leaf mass is not a prerequisite for high sugar yields. The current study indicates that there are no sugar beet genotypes with special adaptions to drought stress conditions. As the water requirement of sugar beet is determined by the growth rate, the susceptibility to drought stress is highest in early summer, the period with the highest growth rates. Both water use efficiency and nitrogen use efficiency are determined by sugar yield potential, so selection should be made for high sugar yield potential when developing varieties superior under different environmental conditions.

2022-05-25