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Julius Kühn-Institut (JKI)
Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen

Institutsleitung
Dr. Peter Wehling

Adresse
Groß Lüsewitz
Rudolf-Schick-Platz 3a
18190 Sanitz OT Groß Lüsewitz

Sekretärin
Annett Sitte
Tel: 038209 45-200
Fax: 038209 45-222
zl@  julius-kuehn.  de

Adresse
Erwin-Baur-Str. 27
06484 Quedlinburg
Tel: 03946 47-701
Fax: 03946 47-255
zl@  julius-kuehn.  de

Veröffentlichung
Institutsflyer
Broschüre

Bioökonomie und Kulturartenvielfalt

Traditionelle Kulturarten, die nur noch wenig züchterisch bearbeitet werden, büßen im Vergleich zu intensiv bearbeiteten Fruchtarten an Attraktivität für die Landwirte ein. Sie fallen über Kurz oder Lang aus den landwirtschaftlichen Fruchtfolgen – und damit aus dem Blickfeld und Bewusstsein der Menschen.

Daneben gibt es Pflanzen, die hierzulande bisher noch nicht kultiviert wurden. Sie könnten aber als nachwachsende Rohstoffe zu einer nachhaltigen, biobasierten Wirtschaft beitragen. Wir befassen uns mit der Frage, auf welche Weise die genetische Vielfalt dazu genutzt werden kann, traditionellen oder neuen Kulturpflanzen einen Platz in unserer Landwirtschaft zu sichern. Voraussetzung ist, dass diese die Fruchtfolgen und die biologische Vielfalt in unseren Agrarlandschaften bereichern und als Rohstoffquellen für eine biobasierte Wirtschaft dienen könnten.

Genetische Nutzungspotenziale von Leguminosen als Eiweißpflanzen

Versuchsparzellen mit Blauen Süßlupinen auf dem Groß Lüsewitzer Versuchsfeld des Julius Kühn-Instituts

Der Anbau von Leguminosen erzeugt vielfältige Ökosystemleistungen; hierzu zählen die Einsparung von mineralischem Stickstoffdünger, günstige Vorfruchteffekte, Verbesserung der Bodenstruktur. Sie ermöglichen die Formulierung von Futtermitteln mit niedriger ruminaler N-Bilanz und könnten so zum Tierwohl in der Haltung von Wiederkäuern beitragen. Diese und weitere günstige Effekte haben die Bundesregierung zur Entwicklung einer Eiweißpflanzenstrategie für die Ausweitung des Leguminosenanbaus in Deutschland veranlasst.

Ungeachtet ihrer Ökosystemleistungen sind Leguminosen in den letzten Jahrzehnten vergleichsweise wenig züchterisch beachtet und von intensiver bearbeiteten Kulturen an den Rand gedrängt worden.
Wir erforschen die Optionen, die die genetische Vielfalt bietet, um die züchterisch lange vernachlässigten Körnerleguminosen in der deutschen Landwirtschaft wieder stärker Fuß fassen zu lassen. Der Fokus unserer hierauf gerichteten Forschungsarbeiten liegt auf den landwirtschaftlich nutzbaren Lupinenarten Schmalblättrige Lupine (L. angustifolius), Gelbe Lupine (L. luteus) und Andenlupine (L. mutabilis).

Züchterische Evaluierung der Andenlupine auf ihre Eignung als Biomasse-Pflanze

Andenlupinen zur energetischen Nutzung erreichen beeindruckende Wuchshöhen
Beerntung von Versuchsparzellen mit dem Biomasse-Ernter

Die energetische Nutzung von pflanzlicher Biomasse trägt als CO2-neutrale, erneuer¬bare Ressource zur Schonung endlicher fossiler Ressourcen bei und verhindert somit eine zusätzliche Beschleunigung des anthropogenen Klimawandels.

Die Einbindung von Lupinen in Energiefruchtfolgen kann dank der Einsparung von N-Düngergaben zu einer zusätzlichen Ressourcenentlastung und Verminderung der Netto-THG-Emission in der Landwirtschaft beitragen. In neuen und vielfältigeren Energiefruchtfolgen könnte eine agrarökologisch und wirtschaftlich vertretbare Alternative zu den derzeit vorherrschenden Biogaspflanzenarten geschaffen werden. Hierdurch könnte ein Beitrag zur Diversifizierung unserer Agrarlandschaften geleistet werden. Lupinen als legume Glieder von Energiefruchtfolgen bieten somit die Chance zu einem Gewinn an Nachhaltigkeit und öffentlicher Akzeptanz des Anbaus von Energiepflanzen.

Wir untersuchen das Potenzial der hierzulande noch nicht angebauten Andenlupine (Lupinus mutabilis) für die bioenergetische Nutzung. Um eine Einschätzung der Eignung der untersuchten Materialgruppen zur Haupt- oder Zweitfruchtnutzung zu ermöglichen, werden die Versuche in zwei Aussaatzeitvarianten angelegt. In zusätzlichen Feldprüfungen testen wir das gesamte Material hinsichtlich seiner Anfälligkeit gegen die bedeutendste Lupinenkrankheit in Deutschland, die Anthraknose. Um ein genetisch möglichst diverses Pflanzenmaterial einbeziehen zu können, evaluieren wir eine Auswahl an Genbankmaterial von L. mutabilis, um massetaugliche Typen zu identifizieren. Neben dem Gesamttrockenmasseertrag werden auch die Biogas- bzw. Methanerträge bestimmt.

Unser Kooperationspartner in diesem Vorhaben ist die Universität Rostock, Agrar- und Umweltwissenschaftliche Fakultät, Professur für Agrartechnologie und Verfahrenstechnik, und das Thünen-Institut, Institut für Öklogischen Landbau.

Kontakt:
Dr. Steffen Roux

Steigerung des Anpassungspotenzials der Andenlupine

Erhaltungsarbeiten bei Andenlupine im Zuchtgarten
Andenlupinen bringen Farbe in die Agrarlandschaft

Ursprünglich in Mitteleuropa nicht heimische Kulturpflanzen wie die Andenlupine (Lupinus mutabilis) können zu einer Steigerung der Kulturartenvielfalt in der Agrarlandschaft beitragen. Dazu müssen sie aber zuvor an hiesige Klima- und Anbaubedingungen züchterisch angepasst werden.

Die aus dem südamerikanischen Andengebiet stammende Andenlupine ist aufgrund ihrer Anpassung an die klimatischen Bedingungen und die Tageslängen ihrer Herkunftsregion nur eingeschränkt für den Anbau in der hiesigen Landwirtschaft geeignet. Neben vielfältigen Ökosystemleistungen, wie sie legume Fruchtfolgeglieder mit sich bringen, würde die Andenlupine als Körnerleguminose eine Eiweißquelle mit hohem Proteingehalt bei höherem Fettgehalt als bei den etablierten Lupinenarten bieten. Hierfür gilt es, die Anpassung der Andenlupine an die Anbaubedingungen Mitteleuropas zu verbessern.

Wir untersuchen dazu das Potenzial pflanzengenetischer Ressourcen der Andenlupine für einen Anbau unter unseren klimatischen und edaphischen Anbaubedingungen. Im Mittelpunkt unseres Interesses stehen dabei Merkmale wie Frühzeitigkeit in Blüte und Reife, Kornansatz und erreichte  Samenreife bei guter Widerstandsfähigkeit gegen Krankheitserreger. In mittelfristig angelegten Prebreeding-Arbeiten entwickeln wir Linien der Andenlupine mit hohem Kornertragspotenzial für unsere Anbauregion zur Etablierung einer neuen heimischen Eiweißquelle.

Kontakt:
Dr. Steffen Roux

Genetische Diversität für Auswuchsfestigkeit bei Triticale

Abgeschnittene Triticale-Ähren mit Karyopsen, die im Provokationstest bei hoher Luftfeuchte mit vorzeitiger Keimung reagieren

Eine nachhaltige Rohstoff- und Energiebereitstellung ist das Kernziel biobasierter Wirtschaft. Hierzu zählt die Erschließung von Verwendungsmöglichkeiten nachwachsender Rohstoffe im Non-food-Bereich.

Triticale ist als nachwachsender Rohstoff gut für die Bioethanol-Produktion geeignet. Außerdem kann der Anbau dieser recht robusten Getreideart zur Kulturartenvielfalt beitragen. Um die Vorteile dieser Kulturpflanze in vollem Umfang realisieren zu können, müsste ihr aber ihre Neigung zum Auswuchs abgewöhnt werden. Triticale hat im Vergleich zu anderen Getreidearten in seinen reifen Karyopsen einen hohen Stärkegehalt und gleichzeitig ein sehr aktives Enzymsystem, welches die korneigene Stärke weitgehend in vergärbare Zucker konvertieren kann. Mit seiner hohen Enzymaktivität bringt Triticale eine sehr gute Rohstoffeignung für die Bioethanol-Herstellung mit, vor allem in kleintechnischen Anlagen, die auf dieses Potenzial setzen.

Eine Kehrseite dieser positiven Eigenschaft ist die nur schwach ausgeprägte Keimruhe (Dormanz). Besonders bei feuchter Witterung kann es daher bereits vor der Ernte zu erheblichem Auswuchs kommen. Als Auswuchs wird bei Getreide das sichtbare Keimen der Karyopsen in der Ähre bezeichnet. Auswuchs führt zu Verlusten an verwertbarem Erntegut, weil ein Teil der Sameninhaltsstoffe während der erfolgenden Keimung veratmet wird und weitere Teile durch die Verminderung der Homogenität und Lagerfähigkeit des Erntegutes infolge von rasch zunehmendem Pilzbefall und Oxidation der Sameninhaltsstoffe verloren gehen. Auswuchs verursacht überdies bei der Saatgutanerkennung Probleme durch geringere und bis zur Aussaat auch noch schneller abnehmende Keimfähigkeit.

Wir erforschen Optionen, mit schnellen und präzisen Testverfahren Unterschiede in der Auswuchsneigung von genetischen Ressourcen des Triticale zu erfassen und die Vererbung solcher Unterschiede aufzuklären. Wir schaffen ein Methodenspektrum, um Zuchtmaterial künftig effektiver auf geringe Auswuchsneigung, unter Beibehaltung der vorteilhaften Rohstoffqualität, selektieren zu können. Damit leisten wir einen Beitrag zur nachhaltigen Verwendung der wertvollen Getreideart Triticale in der deutschen Landwirtschaft. Bei dieser Forschungsaktivität arbeiten wir eng mit der Universität Hohenheim zusammen.

Kontakt:
Dr. Matthias Herrmann

Russischer Löwenzahn – von der Wildpflanze zur Rohstoffpflanze für Inulin und Naturkautschuk

Russischer Löwenzahn, Wildtyp
Feld mit Russischem Löwenzahn (blühend)

Der Russische Löwenzahn (Taraxacum koksaghyz) produziert und speichert in seiner Wurzel Inulin und Kautschuk von hoher Qualität. Angesichts weltweit steigender Nachfrage an Kautschuk und begrenzter Ressourcen könnte er in Europa als heimischer nachwachsender Rohstoff einen Beitrag für eine nachhaltige Bioökonomie liefern. Wegen seiner Vielgestaltigkeit und seiner fehlenden Anpassung an die landwirtschaftliche Praxis muss er jedoch noch als Wildpflanze bezeichnet werden.

Wir arbeiten daran, den Russischen Löwenzahn züchterisch auf den Weg zu einer vollwertigen Kulturpflanze mit höheren Erträgen an Naturkautschuk und verbesserten agronomischen Eigenschaften zu bringen.

Durch Nutzung aktueller Methoden zur DNA-Sequenzierung entwickeln wir molekulare Marker, die über das Genom des Russischen Löwenzahns verteilt sind und mit wertvollen Eigenschaften – z.B. Kautschukgehalt – genetisch assoziiert werden können. Solche einfach und schnell zu erfassenden Marker können dann in Zuchtprogrammen für markergestützte Selektion geeigneter Kreuzungsnachkommen genutzt werden.

Kontakt:
Dr. Brigitte Ruge-Wehling
Helge Flüß

Optimierung von Stärkekartoffeln als Rohstoff zur Biogas-Herstellung

Anzucht von Kartoffelpflanzen im Gewächshaus auf der Versuchsstation zur Kartoffelforschung Groß Lüsewitz. Die Pflanzen werden als mütterliche Kreuzungspartner in Kreuzungen mit pflanzengenetischen Ressourcen der Kartoffel verwendet und dienen zur Erzeugung von Samen.

Eine effiziente Biogasproduktion aus nachwachsenden Rohstoffen benötigt leistungs¬fähige Pflanzenarten, die ein hohes Maß an nutzbarer Biomasse je Hektar produzieren. Kartoffeln mit hohem Stärkegehalt weisen ein entsprechendes Leistungspotenzial auf. Mit Hilfe genetischer Ressourcen könnten sich sowohl der Stärkegehalt als auch die Ertragsstabilität weiter verbessern lassen.

Die Kartoffel bietet eine agrarökologisch und ertraglich interessante Ergänzung zum Mais als Hauptsubstrat in der Biogasproduktion. Unter norddeutschen Anbausituationen, besonders auf leichteren Standorten, zeigt die Stärkekartoffel eine überlegene Assimilationsleistung. Allerdings geht ihr Anbau mit höheren Kosten in der Produktion einher. Dieser betriebswirtschaftliche Nachteil könnte durch einen verbesserten Stärke-Ertrag je Hektar kompensiert werden. Wir erforschen, welchen potenziellen Beitrag pflanzengenetische Ressourcen hierzu leisten können. Zur Beantwortung dieser Frage evaluieren wir Genbankakzessionen und anderes Kartoffelmaterial auf ihre Stärkegehalte in den Knollen. Um möglichst früh geeignete Stämme auslesen zu können, verwenden wir eine zerstörungsfreie Methode zur Stärkebestimmung, so dass Knollen mit besonders hohen Stärkegehalten unmittelbar für die Anzucht von Kreuzungspartnern eingesetzt werden können.

Befall mit Krautfäule führt im Anbau von Stärkekartoffeln zu Verlusten im Knollenertrag und wegen der befallsbedingt unzureichenden Ausreife der Knollen zu weiteren Verlusten im Stärkeertrag. Wegen der langen Vegetationszeit der meist sehr spät reifenden Stärkekartoffel-Sorten sind die Ertragsverluste bei frühem Krautfäulebefalle besonders ausgeprägt. Deshalb ist eine chemische Bekämpfung des Erregers der Kraut- und Knollenfäule, Phytophthora infestans (Mont.) de Bary – dem Hauptschaderreger im Kartoffelanbau – unumgänglich.

Unser Ziel ist es, die Stärkekartoffel als eine ökologisch nachhaltige Rohstoffquelle für eine biobasierte Wirtschaft zu fördern. Deshalb forschen wir nach Möglichkeiten, das genetische Stärkeertragspotenzial der Kartoffel auch dann realisieren zu können, wenn auf einen intensiven Einsatz von Fungiziden zur Bekämpfung der Kraut- und Knollenfäule weitgehend verzichtet würde. Uns interessiert insbesondere die Frage, inwieweit verwandte Wildarten der Kartoffel, von denen einige eine sehr gute Resistenz gegenüber der Kraut- und Knollenfäule aufweisen, als Resistenzgen-Ressource für die züchterische Entwicklung der Stärkekartoffel dienen können, um ihr auf diese Weise einen natürlichen Krankheitsschutz verleihen zu können.

Bei dieser Forschungsaktivität arbeiten mit der Genbank am Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK), Groß Lüsewitzer Kartoffelsortimente, zusammen.

Kontakt:
Dr. Thilo Hammann

Robuster Hafer durch verändertes Blühverhalten?

Haferährchen mit starker Offenblütigkeit

Hafer (Avena sativa) ist unsere ernährungsphysiologisch wertvollste Getreideart. Dies ist bedingt durch den hohen Gehalt der Samenkörner an löslichen Ballaststoffen (beta-Glucan), die günstige Aminosäure-Zusammensetzung der Proteine sowie durch den hohen Gehalt an essenziellen Fettsäuren und antioxidativen Vitaminen. Die heilsame Wirkung von „Haferschleim“ ist in der Volksmedizin seit langem bekannt. Eine Absenkung von Cholesterin und Blutzucker durch Haferprodukte sowie günstige Auswirkungen auf den Verdauungstrakt konnten medizinisch nachgewiesen werden.

In getreidereichen Fruchtfolgen stellt der Hafer zudem eine wirksame Gesundungsfrucht dar, da er das Infektionspotenzial von Fußkrankheiten (Schwarzbeinigkeit!) des Weizens oder Triticale verringert. Hafer und die anderen Getreidearten sind anfällig gegenüber pilzlichen Pathogenen wie Flugbrand- und Fusarienpilze , die sich darauf spezialisiert haben, die offene Blüte als Eintrittspforte in die Samenanlage zu nutzen, die dann zerstört wird oder ein Samenkorn hervorbringt, welches schlechter keimt bzw. eine infizierte Pflanze hervorbringt. Fusarien-Pilze bilden zudem Mykotoxine aus, die beim Verzehr für Mensch und Tier gesundheitsschädlich sein können und deshalb in getreidehaltigen Nahrungs- und Futtermitteln strengen Grenzwert-Kontrollen unterliegen.

Die Suche in den Genpools des Hafers nach wirksamen Resistenzgenen gegen Fusarium-Infektionen war bislang wenig erfolgreich. Zudem sind die bislang gegen Haferflugbrand wirksamen Resistenzgene rassenspezifisch und somit vom Erreger durch Selektion virulenter Rassen überwindbar.Wir erforschen deshalb die Möglichkeiten, durch züchterische Anpassung des Blühverhaltens das Risiko von Infektionen über die Blüte zu verringern. Im Falle von Fusarium könnte auch Offenblütigkeit toleriert werden, sofern die Staubbeutel (Antheren) vollständig aus der Blüte geschoben werden. Gegen Haferflugbrand ist hingegen eine möglichst geschlossene Blüte anzustreben, so dass der Pilz keine Gelegenheit zum Eindringen erhält. Ein geschlossenblütiger Hafer wäre rassenunabhängig – und somit länger – widerstandsfähig.

Kontakt:
Dr. Matthias Herrmann