Raps (Brassica napus L.) ist heute die drittwichtigste Ölfrucht weltweit. Einer der Hauptgründe für die große Anbaubedeutung liegt in der Züchtung von Sorten mit niedrigem Gehalt an Glucosinolaten (GSL) im Samen, welche die Koppelnutzung des Öls und des Rapskuchens in der Tierfütterung möglich machte. GSL sind schwefelhaltige, sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe und ein Charakteristikum der Familie der Kreuzblütler, zu der Raps zählt. Die Funktion der GSL in der Pflanze wird zusammen mit dem sie abbauenden Enzym Myrosinase als konstitutiver Abwehrmechanismus gegenüber unspezifischen Fraßfeinden gesehen, dem sogenannten Glucosinolat-Myrosinase System. Raps wird aber auch von Schädlingen befallen, die speziell nur Kreuzblütler als Wirtspflanzen akzeptieren. Bei einigen spezialisierten Schädlingsarten der Kreuzblütler konnte gezeigt werden, dass GSL oder ihre Abbauprodukte einen Einfluss auf das Verhalten bei der Wirtspflanzenwahl, bei der Eiablage oder beim Fraß haben können. Es besteht also die Möglichkeit, dass über GSL in der Grünmasse eine quantitative Resistenz gegenüber Schadinsekten vermittelt wird und die genetische Variation von GSL im Rapsgenpool eine natürliche Resistenzquelle darstellt. Jedoch ist die Vererbung der GSL in Blatt und Stängel im Gegensatz zu den GSL im Samen wenig untersucht.
Die Zielsetzung dieser Arbeit bestand daher einerseits in der Evaluierung von GSL-Gehalten und -mustern als potentielle Resistenzfaktoren gegenüber den spezialisierten Rapsschädlingen „Großer Rapsstängelrüssler“ (Ceutorhynchus napi) und „Gefleckter Kohltriebrüssler“ (Ceutorhynchus pallidactylus) und andererseits in einer genetischen Analyse der GSL-Gehalte in Blatt und Stängel. Dazu wurden dreijährige Feldversuche an vier Standorten durchgeführt, in denen 28 genetisch sehr unterschiedliche Genotypen, darunter 15 Rapsresynthesen und 13 ältere und neuere Zuchtsorten hinsichtlich der Variation von GSL-Gehalten und –Zusammensetzungen in Grünmasse und Samen und deren Anfälligkeit gegenüber den beiden Rapsstängelschädlingen evaluiert wurden. Die Daten des Schädlingsbefalls wurden in der Abteilung Agrarentomologie erhoben und entstammen der parallel durchgeführten Dissertation von Schäfer-Kösterke (2015). Um die Selektionsmöglichkeiten auf unterschiedliche GSL-Gehalte in Samen und Grünmasse zu eruieren, wurde die Vererbung von GSL in einem weiteren Experiment mit Hilfe einer DH-Population untersucht. Die Hauptfrage dieser QTL-Kartierung war, inwieweit am GSL-Stoffwechsel beteiligte Genomregionen sich zwischen Stängeln, Blättern und Samen unterscheiden.
In der Auswertung der Versuchsserie zur Variation der GSL konnte für die elf identifizierte GSL eine große genetische Variation mit hohen Heritabilitäten festgestellt werden. Als großer Einflussfaktor auf die GSL-Gehalte der Genotypen erwies sich das Entwicklungsstadium der Pflanzen: Die über 28 Genotypen gemittelten GSL-Gesamtgehalte in der Grünmasse nahmen vom ersten Probenahmetermin von 18 µmol im Schossen zum zweiten auf 4 µmol bei Blühbeginn ab. Weiterhin hatten Samen im Mittel der Genotypen um 47 µmol höhere GSL-Gehalte als die Grünmasse, und Stängel um ca. 3 µmol höhere Gehalte als Blätter. Auch die mittlere GSL-Zusammensetzung der Genotypen unterschied sich deutlich zwischen Samen und Grünmasse, jedoch nicht zwischen den zwei Probenahmeterminen. Zusätzlich hatten Standort und Jahr einen Einfluss, wobei in den Jahren 2012 und 2013 die Standorteffekte größer als die der Jahre waren. Zwischen den Pflanzenteilen Blatt und Stängel bestand eine hohe Korrelation von 0,96 für den GSL-Gesamtgehalt. Zwischen Samen und Grünmasse war die Beziehung für die GSL-Gesamtgehalte mit 0,60 weniger deutlich und für die Gruppe der indolischen GSL mit 0,14 nicht mehr vorhanden. Die komplexe zeitliche und räumliche Verteilung der GSL innerhalb der Pflanze wird im Zusammenhang mit der Bedeutung von Transportprozessen diskutiert.
Bei der Untersuchung der Beziehung zwischen dem Befall durch Stängelschädlinge und GSL stellte sich heraus, dass der natürliche Schädlingsdruck im Freiland mit durchschnittlich 2,6 Rapsstängelrüsslerlarven pro Pflanze und 2,8 Kohltriebrüsslerlarven pro Pflanze sehr niedrig war. Daher konnte eine Differenzierung der Genotypen im Rapsstängelrüsslerbefall nur an einem Standort in den Jahren 2012 und 2013 statistisch abgesichert werden. Für den Kohltriebrüsslerbefall gab es an keinem Standort statistisch absicherbare, genotypische Unterschiede. In den beiden ausgewerteten Umwelten zeigten sich keine signifikanten Beziehungen zwischen GSL-Gesamtgehalt, Alkenyl-GSL, Indol-GSL oder den elf einzelnen GSL und dem Befall mit Rapsstängelrüsslerlarven pro Pflanze. Hauptkomponentenanalysen und Vergleiche zwischen unter-schiedlich stark befallenen Gruppen von Genotypen ließen ebenfalls nicht auf lineare Zusammenhänge zwischen GSL-Gehalten oder -Zusammensetzungen und der Wirtspflanzenpräferenz des Rapsstängelrüsslers oder auch des Stängelfraßes der Larven schließen. Allerdings fiel die Resynthese S30 in beiden ausgewerteten Umwelten durch eine niedrige Anzahl an Rapsstängelrüssler-larven und einen niedrigen Anteil Minierfraß auf. GSL-Zusammensetzung und GSL-Gesamtgehalt von S30 zeigten jedoch keine Besonderheiten.
Für die Kartierung von am GSL-Stoffwechsel beteiligten Quantitative Trait Loci (QTL) wurden GSL in Blatt, Stängel und Samen von 120 DH-Linien der DH-Population ‚L16 x Express‘ untersucht. Die beiden Populationseltern L16 und Express unterscheiden sich nicht nur durch unterschiedliche GSL-Gesamtgehalte im Samen (L16 59,0 µmol vs. Express 26,4 µmol) und in der Grünmasse (L16 1,1 µmol vs. Express 6,2 µmol), sondern auch in der relativen Zusammensetzung von Alkenyl- und Indol-GSL (L16 31 % Indol-GSL vs. Express 10 % Indol-GSL). Die über zwei Orte gemittelten GSL-Gehalte der Population waren zum Knospenstadium in der Grünmasse mit 5,4 µmol in Stängeln und 3,7 µmol in Blättern sehr niedrig, zur Reife in den Samen mit 48,6 µmol jedoch hoch. Die Heritabilitäten der Merkmale mit signifikanter genotypischer Variation lagen im Stängel zwischen 0,64 und 0,86, im Blatt zwischen 0,55 und 0,89 und im Samen zwischen 0,70 und 0,98. Die Korrelationen der GSL-Gesamtgehalte zwischen Blatt und Stängel lag bei 0,95, diejenige zwischen Stängel (Blatt) und Samen bei 0,52 (0,53). Die erstellte Kopplungskarte enthielt 4003 SNP-Marker, deren 19 Kopplungsgruppen 2050 centiMorgan abdeckten. Der mittlere Abstand zwischen zwei Markern lag bei 2 cM. Es wurden insgesamt 115 QTL gefunden von denen 49 QTL für die GSL-Gehalte im Samen, 35 QTL für die Gehalte im Stängel und 31 QTL für die Gehalte im Blatt verantwortlich waren. Für aliphatische GSL zeigten sich drei Hauptregionen auf den Kopplungsgruppen A03, C02 und C09. Während auf A03 und C09 QTL aus allen Pflanzenteilen lokalisiert wurden, regulierten die QTL auf C02 spezifisch die Gehalte im Samen. Für Indol GSL-Gehalte von Blatt und Stängel existierten zwei Hauptregionen auf den Kopplungs-gruppen A02 und C07, welche von denen im Samen (auf A03, C02 und C05) getrennt lokalisiert waren. Die Ergebnisse zeigen, dass 1) die Akkumulation von aliphatischen und indolischen GSL durch gentrennte Genomregionen gesteuert wurde, 2) GSL-Gehalte in Blatt und Stängel durch identische Genomregionen kontrolliert wurden und 3) die GSL-Akkumulation im Samen teils von den gleichen Regionen des Genoms wie in Blatt und Stängel, teils aber auch durch für Samen spezifische Genomregionen reguliert wurde.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-goettingen.de/oai:ediss.uni-goettingen.de:11858/00-1735-0000-0028-8690-5 |
| Date | 05 February 2015 |
| Creators | Brandes, Haiko |
| Contributors | Becker, Heiko C. Prof. Dr. |
| Source Sets | Georg-August-Universität Göttingen |
| Language | deu |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralThesis |
| Rights | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ |
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