Die Wurzel als Zuchtziel – Erfolge und Möglichkeiten in der

Die Wurzel als Zuchtziel – Erfolge und
Möglichkeiten in der Nutzpflanzenzüchtung
O. Chloupek, T. Středa, V. Dostál
• Wurzel als Zuchtziel bei Zuckerrübe, Möhre usw.
• Wir: Wurzelsystemgröβe (WSG) als
Selektionskriterium bei Luzerne und Weiβklee
und als Ertragsfaktor bei Weizen, Gerste, Luzerne
und Rotklee
Kunststoffwäsche – Ladung – Entladung (Stoβ)
bei Berührung z.B. einen Wasserhahn.
Wenn hätten wir alle dasselbe Wäsche und
dasselbe Haut – dann wäre der el. Stoβ desto
gröβer je gröβer wäre Hautkontakt mit der
Wäsche.
Dalton (1995):
• Wurzel ist fungierendes aber verlustreicher
Zylinderkondensator; bei demselben Durchschnitt
ist seine Kapazität und auch Ohm-Resistenz direkt
proportional der Wurzellänge.
• Äquivalentes elektrischer Schaltkreis für typisch
verzweigtes Wurzelsystem besteht von vielen
solchen parallel eingeschalteten Kondensatoren.
• Deshalb ist die el. Kapazität nützlicher als die
Resistenz weil die ganze Kapazität von einfacher
Summe einzelnen Kondensatoren besteht und
Gesamtlänge der Wurzellänge proportional ist.
Raps- und Gerstemessung
An der Oberfläche zwischen zwei Stoffen mit
unterschiedlichen dielektrischen Konstanten entsteht dünne
Zweischicht und elektrisches Feld, das als elektrische
Kapazität gemessen werden kann.
Je gröβer ihre Fläche (Oberfläche der Wurzeln)
desto gröβer auch ihre elektrische Kapazität.
Die Kapazität ist auch durch Qualität und Dicke der
dielektrischen Schicht bestimmt. Höheres Wassergehalt der
Oberfläche = höhere elektrische Kapazität (Konduktivität von
Wasser ist relativ 80, Papier 3, Luft 1). Deshalb hat
lignifizierte Wurzeloberfläche kleine elektrische Kapazität
(auch kleine Wasser- und Nährstoffabsorption).
Unsere Bewertung ist relativ und vergleichbar nur:
- bei
Pflanzen vom gleichen Art (gleiche Zweischicht),
- in gleichem Substrat (Boden, Sand-Hydroponie),
- bei gleichen Bodenfeuchtigkeit,
- und in einer Zeit.
Bei Messung ist eine Klemme an der Basis der
Pflanze in dergleichen Höhe (nah der Boden aber ohne
Kontakt zu Boden) befestigt und die andere geerdet in der
Mitte von bewerteten Pflanzen.
Wir nutzen Impedanzbrücke (ECL-131D) eingestellt
an Cp (parallele Kapazität) bei Frequenz 1 kHz.
Korrelationskoeffizienten zwischen die Gröβe der elektrischen
Kapazität und anderen Parametern von Wurzelsystem (Chloupek 1972)
Volumen
(ml)
Oberfläche (m2)
nach Absorption
der Methylenblau
Oberfläche
ausgerechnet
vom Länge
und
Durchmesser
(cm2)
0.85***
0.86***
0.81***
-
0.96***
0.95***
0.96***
-
-
Sonnenblume
0.83***
0.66**
-
-
-
Hafer
0.75**
0.68**
-
-
-
Zwiebel
0.75**
0.74**
-
-
0.73**
Frisches
Gewicht
Trockenes
Gewicht
(g)
(g)
Mais
0.86***
Sonnenblume
Pflanze
Für Erklärung der Beziehung zeigen wir ein Versuch mit Möhre, wo
nur der Hauptwurzel bewertet wurde (nicht Seitenwurzeln)
6,5
6
5,5
5
y = 0,044x + 1,2582
4,5
2
R = 0,5253
RSS (nF)
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Weight (g)
Im elektrischen Schaltkreis Pflanze – Boden man kann die
elektrische Kapazität als Gleichung der Gerade beschrieben
werden: y = a + bx, wo y ist die elektrische Kapazität und a ist
„begleitende“ Kapazität (1,258 nF) d.h. die elektrische Kapazität
der Boden, der unteren Teilen der Pflanze und der Drahten. Das
Wert b ist der Regressionskoeffizient (0,044 g.nF-1 in der
Abbildung). x ist hier Gewicht der Wurzel.
Gröβe a ist gröβer bei höherem Bodenwassergehalt, wenn
die Drahten zu lang und zu gegeneinander nah sind; es ist auch
durch Pflanzenart beeinflusst.
Es ist aber konstant wenn in einer Zeit Pflanzen von
einer Art im einheitlichen Substrat und bei gleicher
Einschaltung gemessen werden.
Bewertung von intaktem Wurzelsystem, isoliertem von
Boden, wurde bisher nicht publiziert und scheint
unwahrscheinlich. Das bewissen mehrere Publikationen:
Bewertung von Biomasse von Mini-Rhizotron zeigte, dass
Wurzeln mit Durchmesser unter 0,25 mm 95% von Gesamtlänge
der Wurzeln darstellten (Brown et al. 2009).
Separation von Wurzeln am Siebe mit Löcher 0,5 mm
brachte dreimal weniger Wurzeln als an Siebe mit Löcher 0,2 mm
(Muňoz-Romero et al. 2010).
Nach Dalton (1995) hat Interface zwischen
Wurzelnoberfläche und dem Substrat elektrische Kapazität
proportional der Ladung an Membranenoberfläche, die
Xylem-flüssigkeit von Bodenlösung separieren.
Dann sind die Membranen das Dielektrikum des
Kondensators und die elektrische Kapazität bei 1 kHz ist ein
Maβ der Oberfläche der aktiven Wurzeln und geeignete Maβ
ihrer Gröβe (Dalton 1995).
Die Korrelation zwischen WSG und ihrer elektrischer
Kapazität wurde bei Spinat (Ozier-Lafontaine und Bajazet
2005), bei jungen Apfelbäumen (Psarras und Merwin 2000), bei
jungen Pappelbäumen (Preston et al. 2004), bei Pappeln und
Weiden (Vamerali et al. 2009) bestätigt. Beem et al. (1998)
betrachten die Methode als geeignete für WSG-Bewertung bei
Mais.
Wir kennen keine andere Methode die geeignet wäre für
wiederholte Bewertung einer Pflanze in verschiedenen
Entwicklungsstadien bei vielen Pflanzen was wichtige
Voraussetzung für erfolgreiche Selektion an
Trockenheitstoleranz ist.
Das Toleranz betrachten Cattiveli et al. (2008) für wichtigsten
Umweltfaktor in globalen Ausmaβ und höhere Erträge bei
Trockenheit für Hauptziel der Züchtung.
Ergebnisse
Bei Gerste wurde jede Pflanze dreimal gemessen (bei
Höhenwachstum, Ährenschieben und bei Körnfüllung). In
polyfaktoriellen Versuchen fanden wir dass WSG wurde
beeinflusst durch Standort (42 – 88%), Sorte (3 – 16%);
ungeklärt blieb (2 – 8%). Ähnliche Ergebnisse für Sorte und
Fehler publizierte Laidig et al. (2008) von offiziellen
Sortenversuchen in Deutschland für Kornertrag von Gerste
(Sorten 4%, Fehler 5%).
Im trockenem Jahr 2007 wurde durchschnittliche WSG der
20 Sorten korreliert (r = 0.480* und 0.470*) mit Ertrag an 17
Stationen in Variante mit höheren und mit limitierten „inputs“ (NDüngung und Fungizide), besonders mit WSG im ersten Termin.
Die Korrelation aber wurde nicht linear, unterdurchschnittliche
WSG verursachte niedriges Ertrag, aber durchschnittliche und
überdurchschnittliche WSG schon dasselbe (Tab. 2).
2. Durchschnittliche WSG von drei Terminen und entsprechendes Kornertrag
in trockenem Jahr 2007 im Versuch mit 20 Sorten an 17 Lokalitäten
WSG (nF)
Durchschnit.
WSG (nF)
Anzahl
von
Sorten
Durchschnittli
ches Ertrag
(t.ha-1)
Sorten (nach WSG Gröβe)
1,31-1,57
1,48+/-0,10
7
4,87+/-0,29
Bolina, Prestige, Tolar,
Diplom, Pribina, Sebastian,
Malz
1,58-1,71
1,62+/-0,05
6
5,19+/-0,14
Jersey, Blaník, Braemar,
Tocada, Xanadu, Spilka
5,14+/-0,22
Bojos, Westminster,
Radegast, Aksamit, Calgary,
Orthega, Poet
1,79-2,17
1,95+/-0,17
7
Die Ertragsunterschiede sind klein, weil wir vergleichen
genetisch sehr unterschiedliche Sorte; Vergleich z.B. Isolinien
könnte gröβere Unterschiede bringen.
Die Sorten mit gröβerer WSG hatten höheres Stärke-,
Karbohydraten- und Extrakt-Gehalt (r2 = 0,40**, 0,37* und 0,25*)
als Sorten mit kleinerer WSG. Gröβere WSG wurde auch mit
Ertrag von Protein und Stärke korreliert (r2 = 0,26* und 0,69**).
Unter Trockenheit wurde nicht nur Menge aber auch
Qualität von Stärke niedriger, besonders wenn es bei
Körnerfüllung kam. Aber N-Gehalt wurde nicht geändert (Savin
and Nicolas 1999). Schon kleine Bewässerung (25 mm) in
dieser Zeit erhöhte den Extrakt-Gehalt (Paynter and Young
2004).
Also der Effekt der Trockenheit entsprach der kleinere
WSG, in beiden Fällen wurde die Malzqualität kleiner.
Ähnlich war es auch bei Rotklee; Pflanzen mit gröβere
WSG hatten weniger N-Stoffe aber mehr Faserstoffe als
Pflanzen mit kleinere WSG. Ertrag von allen bewerteten Stoffen
war aber bei den Pflanzen mit gröβere WSG höher (Chloupek
1976).
Bei Selektion für höhere symbiotische Stickstofffixierung
bei Weiβklee nutzten wir WSG als ein von drei Kriterien. So
entstand eine Sorte die für Umwelt mit höherer potentiellen
Fruchtbarkeit geeignet wurde, wahrscheinlich wegen hohen
Bedarf an die höhere Symbiose (Chloupek et al. 2003).
Selektion an groβe und kleine WSG bei Luzerne wurde
effizient und entsprach dem Futterertrag (Chloupek et al.,
1999).
Tschechien: WSG jetzt als Selektionskriterium bei
Weizen und Gerste.
WSG bei Gerste: QTLs an fünf von sieben
Chromosomen; einige davon genetisch korreliert mit Genen für
Halbwüchsigkeit und für Ertrag (Chloupek et al. 2006).
Chloupek 1982 (Symposium Wurzelökologie und ihre
Nutzanwendung, Gumpenstein): Faktorenanalyse von 11
Merkmalen der Luzerne: Komunalitäten (Anteil der
gemeinsamen Faktoren an der Gesamtvariabilität):
- für die oberirdische Masse 87%,
- für die Pflanzenhöhe 81%,
- für die WSG 58% usw.
Vielen Dank für Ihre Interesse