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Zuchtfortschritt von Zuckerrüben - Rückblickende Analyse und zukünftige Herausforderungen

  • Autor/in: Loel, J.
  • Jahr: 2014
  • Zeitschrift: Dissertation
  • Verlag: Cuvillier Verlag Göttingen
  • Stichworte: Winterrüben, Sorte, Genotyp, Winterhärte, Züchtung, Ertrag, Qualität, Tempertur, Frost

Abstract

Die Züchtung neuer Zuckerrübensorten ermöglicht es, den Ertrag nachhaltig zu steigern und damit den weltweit wachsenden Bedarf an pflanzlicher Biomasse zu bedienen. Daher war das Ziel im ersten Teil dieser Arbeit, die physiologischen und morphologischen Grundlagen des Zuchtfortschritts von Zuckerrüben zu untersuchen. Im zweiten Teil der Arbeit wurden die Mechanismen der Winterhärte sowie das Leistungspotential von im Herbst gesäten Zuckerrüben als Grundvoraussetzung für einen zukünftigen Winterrübenanbau analysiert. In Manuskript I wurde analysiert, wie hoch der Zuchtfortschritt von Zuckerrübensorten in der Vergangenheit war und auf welche physiologischen und morphologischen Veränderungen dieser zurückzuführen ist. Dafür wurden 2007 und 2008 17 Zuckerrübensorten des Zulassungszeitraums 1964 bis 2003 unter gleichen Umweltbedingungen im Feld und im Gewächshaus angebaut. Dadurch konnten die Effekte einer verbesserten Produktionstechnik und klimatische Veränderungen ausgeblendet werden. Der Ertragsanstieg von alten zu neuen Zuckerrübensorten kann somit als Zuchtfortschritt interpretiert werden. Der Zuchtfortschritt von Zuckerrüben, bezogen auf den Bereinigten Zuckerertrag, betrug 0,6 bis 0,9 % a-1. Zurückzuführen war dieser Zuchtfortschritt hauptsächlich auf einen höheren Harvest-Index (höheres Rübe/Blatt- und Zucker/Mark-Verhältnis), eine verbesserte technische Qualität (niedrigere Gehalte an K, Na und Amino-N) und eine verbesserte Assimilation (höherer Chlorophyllgehalt und höhere Assimilationsrate). Keine Veränderung wurde in der Blattflächenentwicklung der jungen Pflanzen sowie der Kambiumringbildung festgestellt. Ferner konnte gezeigt werden, dass sich die Merkmale der Sorten im Verlaufe der Zeit verändert haben. Während anfangs der Ertrag das Hauptzuchtziel war, wurde ab den 1970er - 1980er Jahren aufgrund der technischen Weiterentwicklung der Qualitätsanalyse von Zuckerrüben zunehmend Qualitätsparameter als Zuchtziele definiert. Um den hohen züchterischen Fortschritt in der Zuckerrübenzüchtung weiterhin aufrechterhalten zu können, ist es notwendig, Merkmale wie Krankheits- und Schädlingsresistenz und Stresstoleranz weiter züchterisch zu bearbeiten. Durch die Einführung des Anbausystems Winterrübe könnte sich der Zuchtfortschritt innerhalb kürzester Zeit wesentlich erhöhen (theoretisch ca. 30 % Ertragssteigerung). Dieser mögliche Anstieg im Ertragspotential von Zuckerrüben motiviert daher die gesamte Wertschöpfungskette (Züchtung, Anbauer, Zuckerunternehmen), die Etablierung des Anbausystems Winterrübe voranzutreiben. Eine Grundvoraussetzung für dieses Anbausystem ist die Schosstoleranz der Pflanzen, für deren Realisierung es bereits vielversprechende Ansätze gibt. Viel wichtiger ist es jedoch, eine ausreichende Winterhärte der Pflanzen zu gewährleisten, da die Überwinterung der Pflanzen im Feld unverzichtbar für das Produktionssystem Winterrübe ist. Daher wurde in Manuskript II untersucht, welche Mechanismen es der Zuckerrübe ermöglichen, Frosttemperaturen während der Winterperiode zu überleben. Ziel war es zu analysieren, welche Faktoren einen Einfluss auf die Winterhärte von Zuckerrüben haben. Außerdem wurde untersucht, ob es genotypische Unterschiede in den Mechanismen der Winterhärte von Zuckerrüben gibt. Dafür wurden Feldversuche an 3 Standorten mit jeweils 5 Zuckerrübenhybriden 2009 bis 2012 angebaut. Zusätzlich wurden Gewächshausversuche durchgeführt, um einzelne Aspekte der Winterhärte von Zuckerrüben unter kontrollierten Bedingungen (Akklimatisation, Froststress) untersuchen zu können. Die Ergebnisse zeigen, dass die Überlebensraten in den einzelnen Umwelten (Jahr x Standort) nach Winter sehr unterschiedlich waren. Nur in 5 von 11 Umwelten konnten Überlebensraten über 50 % ermittelt werden. Dagegen war nur ein geringer genotypischer Effekt vorhanden. Die Gewächshausversuche haben gezeigt, dass die Minimumtemperatur von Zuckerrüben in einem Bereich von -6 bis -8 °C liegt. Diese Minimumtemperatur überlebten die Pflanzen jedoch nur, wenn sie sich in einem für die Winterhärte optimalen Wachstumsstadium (8 bis 30 mm Wurzeldurchmesser) befanden. Um dieses optimale Wachstumsstadium zu erreichen, benötigten die Pflanzen etwa 600 bis 900 °Cd. Rückblickend konnte daher berechnet werden, dass die Pflanzen in 5 Umwelten zu groß waren, um die Frosttemperaturen während des Winters zu überleben. Somit hat die Umwelt zwei Einflussmechanismen auf die Überlebensrate nach dem Winter: Zum einen gibt sie die Rahmenbedingungen während des Winters vor (z. B. Tiefsttemperatur, Schneebedeckung), welche die Pflanzen überstehen müssen, und zum anderen beeinflusst sie die Entwicklung und damit das Wachstumsstadium der Pflanzen vor dem Winter. Warum die Pflanzen im optimalen Entwicklungsstadium Frost besser überstehen, wurde in Manuskript III untersucht. Da es nur in 4 Umwelten signifikante Unterschiede in der Überlebensrate zwischen den Genotypen gab, konnten auch nur in diesen Umwelten Beziehungen zwischen dem Gehalt unterschiedlicher Inhaltsstoffe und der Überlebensrate überprüft werden. Es wurde festgestellt, dass der Gehalt an Betain, Glutamin und die Osmolalität positiv mit der Überlebensrate nach dem Winter korrelierte. Zudem wurden die Gehalte an Betain, Glutamin und die Osmolalität während eines Akklimatisierungsprozesses der Pflanzen an tiefe Temperaturen in Rübe und Blatt erhöht. Daher wurden diese Substanzen als potentiell frostschützende Inhaltsstoffe von Zuckerrüben identifiziert und können zukünftig bei der Züchtung winterharter Zuckerrüben verwendet werden. Raffinose und Prolin wurden zwar auch während des Akklimatisationsprozesses akkumuliert, korrelierten aber nicht positiv mit der Überlebensrate nach dem Winter. Daher sind diese Substanzen wahrscheinlich eher Indikatoren für eine Froststressreaktion. Ob die verschiedenen Inhaltsstoffe tatsächlich einen funktionellen Effekt auf die Winterhärte haben oder ob sie nur Indikatoren für eine Stressreaktion der Pflanzen sind, lässt sich jedoch noch nicht abschließend beantworten. In Manuskript IV wurden das Leistungspotential sowie die Qualität von Winterrüben für die Nutzung zur Zucker- und Biogasproduktion dargestellt. Hierfür wurden Feldversuche mit jeweils 3 Zuckerrübenhybriden an 3 Standorten 2009 bis 2011 angebaut. Schossende Winterrüben können bis Juni/Juli Gesamtpflanzenerträge von bis zu 15 t ha-1 erreichen. Allerdings ist die Ertragsstabilität von Winterrüben in verschiedenen Umwelten zurzeit noch nicht ausreichend. Die Qualität des Rübenkörpers von schossenden Winterrüben ist aufgrund geringer Zuckergehalte und erhöhter Gehalte an Melassebildnern (K, Na) nicht zur Zuckergewinnung geeignet. Hinsichtlich der Nutzung als Biogassubstrat haben Winterrüben eine gute Qualität. Sie haben zwar aufgrund geringerer NfE-Gehalte und höhere Rohfasergehalte ungünstigere Fermentationseigenschaften als im Frühjahr gesäte Zuckerrüben, sind aber im Vergleich zu Getreideganzpflanzensilage aufgrund deutlich höherer Gehalte an NfE besser geeignet. Es kann daher geschlussfolgert werden, dass die stoffliche Zusammensetzung von Winterrüben zwar gut geeignet ist für den Einsatz in der Biogasanlage, aber die unzureichende Ertragsstabilität den Einsatz in der Praxis vermutlich begrenzt. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass es einen deutlichen Zuchtfortschritt bei Zuckerrüben gab, der hauptsächlich auf einen höheren Harvest-Index, eine verbesserte technische Qualität und eine verbesserte Assimilation zurückzuführen ist und der höchstwahrscheinlich auch zukünftig aufrechterhalten werden kann. Der Winterrübenanbau wird sich letztendlich nur durchsetzen, wenn der Mehrertrag oder sonstige Vorzüge (Arbeitswirtschaftlichkeit, ganzjährige Versorgung der Biogasanlage mit frischen Rüben) den Aufwand rechtfertigen. Dafür ist eine umfassende Bewertung des Gesamtsystems Winterrübe entlang der Wertschöpfungskette notwendig.
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