Improving yield and essential oil content in annual caraway accompanied by utilization of molecular-genetic methods
Seiten
2022
Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen (JKI) (Verlag)
978-3-95547-125-5 (ISBN)
Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen (JKI) (Verlag)
978-3-95547-125-5 (ISBN)
Caraway (Carum carvi) is a species of the Apiaceae family with a long history of usage and cultivation. Fruits or extracted components are used as spice, in pharmaceuticals and for sprout inhibition in potato. Caraway cultivation in Europe was based on biennial varieties until annual varieties were introduced in the 1990s. Annual cultivation promises a reduction of production costs and better integration into crop rotation. However, current annual varieties do not gain satisfying yields and essential oil contents. Moreover, caraway cultivation in Germany becomes riskier due to ongoing climatic changes.
Therefore, a breeding project was started to increase yield potential and essential oil content in annual caraway and to develop material adapted to changing climatic conditions. To achieve yield increases, breeding of synthetic varieties should be tested as potential method in caraway breeding. To some extent, this method allows the systematical exploitation of heterosis. Breeders expected to find strong heterosis due to the assumed outcrossing nature of caraway. However, neither heterosis nor predominant outcrossing in open pollination had been experimentally verified for caraway. Hence, gathering first insights into heterosis and into the outcrossing rate of caraway were major scientific goals of this thesis. Moreover, breeding of caraway is hampered by a small amount of phenotypic and genotypic data on available germplasm. To lay a sound foundation for new breeding programs, a broad phenotypic and genotypic evaluation of available germplasm should be conducted within the project. This thesis is focused on the genotypic evaluation.
For phenotypic and genotypic evaluation, a set of 137 accessions consisting of 67 annual and 70 biennial accessions was composed (chapter 1, von Maydell et al. 2021a). A GBS was chosen for genotyping and led to the generation of a set of 13,155 SNP markers. This approach was unique in its breadth and depth for caraway breeding research. Population structure was investigated by using a PCoA, a Bayesian clustering analysis, phylogenetic trees and a neighbor network. Across all analyses a separation of accessions into two subpopulations was supported, which was associated with the flowering type. AMOVA indicated a rather low genetic variation between the two subpopulations of 7.84%. In addition, flow cytometry was conducted for 35 accessions to determine the genome size of caraway. An average genome size of 4.282 pg/2C was estimated, which is about half the size indicated in literature. In general, it was corroborated that GBS can be a robust method to analyze population structure and genetic diversity in minor crops like caraway without a reference genome. With further downstream applications, GBS should turn out to be highly cost-efficient and sustainable. In a subsequent study, generated SNP markers were already successfully be converted to diagnostic markers. Kümmel (Carum carvi) ist eine Kulturpflanze der Familie der Apiaceae mit einer langen Nutzungs- und Anbaugeschichte. Früchte oder extrahierte Bestandteile werden als Gewürz, in Arzneimitteln und zur Keimhemmung bei Kartoffeln verwendet. Bis zur Einführung einjähriger Sorten in den 1990er Jahren basierte der Kümmelanbau in Europa auf zweijährigen Sorten. Der einjährige Anbau verspricht eine Reduzierung der Produktionskosten und eine bessere Integration in die Fruchtfolge. Derzeitige einjährige Sorten erzielen jedoch keine zufriedenstellenden Erträge und keinen zufriedenstellenden Ätherischölgehalt. Zudem wird der Kümmelanbau in Deutschland durch den fortschreitenden Klimawandel riskanter.
Daher wurde ein Züchtungsprojekt gestartet, mit dem Ziel das Ertragspotenzial und den Ätherischölgehalt im einjährigen Kümmel zu erhöhen und an klimatische Änderungen angepasstes Material zu entwickeln. Um Ertragssteigerungen zu erzielen, sollte die Züchtung synthetischer Sorten als potentielle Methode in der Kümmelzüchtung getestet werden. Diese
Methode erlaubt partiell die systematische Nutzung von Heterosis. Unter der Annahme einer vorwiegenden Fremdbefruchtung erwarteten Züchter eine starke Heterosis bei Kümmel. Jedoch wurden weder Heterosis noch überwiegende Fremdbefruchtung bei freier Bestäubung für Kümmel bisher experimentell nachgewiesen. Daher war die Gewinnung erster Erkenntnisse zur Heterosis und zur Auskreuzungsrate von Kümmel ein wesentliches wissenschaftliches Ziel dieser Arbeit. Darüber hinaus wird die Kümmelzüchtung dadurch erschwert, dass kaum phänotypische wie genotypische Daten zum verfügbaren genetischen Material vorliegen. Um eine solide Grundlage für neue Züchtungsprogramme zu schaffen, sollte innerhalb des Projekts eine breite phänotypische und genotypische Evaluierung genetischen Materials durchgeführt werden. Diese Arbeit konzentrierte sich auf die genotypische Evaluierung.
Zur phänotypischen und genotypischen Bewertung wurde ein Set von 137 Akzessionen bestehend aus 67 einjährigen und 70 zweijährigen Akzessionen zusammengestellt (Kapitel 1, von Maydell et al. 2021a). Ein GBS wurde für die Genotypisierung ausgewählt und führte zur Generierung eines Sets von 13.155 SNP-Markern. Dieser Ansatz ist in seiner Breite und Tiefe für die Züchtungsforschung an Kümmel einmalig. Die Populationsstruktur wurde unter Verwendung einer Hauptkoordinatenanalyse, eines Bayes‘schen Clusterings, phylogenetischer Bäume und eines „neighbor networks“ untersucht. Alle Analysen zeigten eine Aufteilung der Akzessionen in zwei Subpopulationen, die mit dem Blühtyp assoziiert war. Die AMOVA wies auf eine eher geringe genetische Variation zwischen den beiden Subpopulationen von 7,84 %
hin. Zusätzlich wurde bei 35 Akzessionen eine Durchflusszytometrie durchgeführt, um die Genomgröße von Kümmel zu bestimmen. Es wurde eine durchschnittliche Genomgröße von 4.282 pg/2C geschätzt, was in etwa der Hälfte der in der Literatur angegebenen Größe entspricht. Im Allgemeinen wurde bestätigt, dass GBS eine robuste Methode zur Analyse der
Populationsstruktur und genetischen Diversität in Sonderkulturen wie Kümmel ohne Referenzgenom sein kann. Mit weiteren nachgelagerten Anwendungen dürfte sich GBS als sehr kosteneffizient und nachhaltig erweisen. In einer weiteren Studie konnten die gefundenen SNPMarker bereits erfolgreich in diagnostische Marker umgewandelt werden.
Therefore, a breeding project was started to increase yield potential and essential oil content in annual caraway and to develop material adapted to changing climatic conditions. To achieve yield increases, breeding of synthetic varieties should be tested as potential method in caraway breeding. To some extent, this method allows the systematical exploitation of heterosis. Breeders expected to find strong heterosis due to the assumed outcrossing nature of caraway. However, neither heterosis nor predominant outcrossing in open pollination had been experimentally verified for caraway. Hence, gathering first insights into heterosis and into the outcrossing rate of caraway were major scientific goals of this thesis. Moreover, breeding of caraway is hampered by a small amount of phenotypic and genotypic data on available germplasm. To lay a sound foundation for new breeding programs, a broad phenotypic and genotypic evaluation of available germplasm should be conducted within the project. This thesis is focused on the genotypic evaluation.
For phenotypic and genotypic evaluation, a set of 137 accessions consisting of 67 annual and 70 biennial accessions was composed (chapter 1, von Maydell et al. 2021a). A GBS was chosen for genotyping and led to the generation of a set of 13,155 SNP markers. This approach was unique in its breadth and depth for caraway breeding research. Population structure was investigated by using a PCoA, a Bayesian clustering analysis, phylogenetic trees and a neighbor network. Across all analyses a separation of accessions into two subpopulations was supported, which was associated with the flowering type. AMOVA indicated a rather low genetic variation between the two subpopulations of 7.84%. In addition, flow cytometry was conducted for 35 accessions to determine the genome size of caraway. An average genome size of 4.282 pg/2C was estimated, which is about half the size indicated in literature. In general, it was corroborated that GBS can be a robust method to analyze population structure and genetic diversity in minor crops like caraway without a reference genome. With further downstream applications, GBS should turn out to be highly cost-efficient and sustainable. In a subsequent study, generated SNP markers were already successfully be converted to diagnostic markers. Kümmel (Carum carvi) ist eine Kulturpflanze der Familie der Apiaceae mit einer langen Nutzungs- und Anbaugeschichte. Früchte oder extrahierte Bestandteile werden als Gewürz, in Arzneimitteln und zur Keimhemmung bei Kartoffeln verwendet. Bis zur Einführung einjähriger Sorten in den 1990er Jahren basierte der Kümmelanbau in Europa auf zweijährigen Sorten. Der einjährige Anbau verspricht eine Reduzierung der Produktionskosten und eine bessere Integration in die Fruchtfolge. Derzeitige einjährige Sorten erzielen jedoch keine zufriedenstellenden Erträge und keinen zufriedenstellenden Ätherischölgehalt. Zudem wird der Kümmelanbau in Deutschland durch den fortschreitenden Klimawandel riskanter.
Daher wurde ein Züchtungsprojekt gestartet, mit dem Ziel das Ertragspotenzial und den Ätherischölgehalt im einjährigen Kümmel zu erhöhen und an klimatische Änderungen angepasstes Material zu entwickeln. Um Ertragssteigerungen zu erzielen, sollte die Züchtung synthetischer Sorten als potentielle Methode in der Kümmelzüchtung getestet werden. Diese
Methode erlaubt partiell die systematische Nutzung von Heterosis. Unter der Annahme einer vorwiegenden Fremdbefruchtung erwarteten Züchter eine starke Heterosis bei Kümmel. Jedoch wurden weder Heterosis noch überwiegende Fremdbefruchtung bei freier Bestäubung für Kümmel bisher experimentell nachgewiesen. Daher war die Gewinnung erster Erkenntnisse zur Heterosis und zur Auskreuzungsrate von Kümmel ein wesentliches wissenschaftliches Ziel dieser Arbeit. Darüber hinaus wird die Kümmelzüchtung dadurch erschwert, dass kaum phänotypische wie genotypische Daten zum verfügbaren genetischen Material vorliegen. Um eine solide Grundlage für neue Züchtungsprogramme zu schaffen, sollte innerhalb des Projekts eine breite phänotypische und genotypische Evaluierung genetischen Materials durchgeführt werden. Diese Arbeit konzentrierte sich auf die genotypische Evaluierung.
Zur phänotypischen und genotypischen Bewertung wurde ein Set von 137 Akzessionen bestehend aus 67 einjährigen und 70 zweijährigen Akzessionen zusammengestellt (Kapitel 1, von Maydell et al. 2021a). Ein GBS wurde für die Genotypisierung ausgewählt und führte zur Generierung eines Sets von 13.155 SNP-Markern. Dieser Ansatz ist in seiner Breite und Tiefe für die Züchtungsforschung an Kümmel einmalig. Die Populationsstruktur wurde unter Verwendung einer Hauptkoordinatenanalyse, eines Bayes‘schen Clusterings, phylogenetischer Bäume und eines „neighbor networks“ untersucht. Alle Analysen zeigten eine Aufteilung der Akzessionen in zwei Subpopulationen, die mit dem Blühtyp assoziiert war. Die AMOVA wies auf eine eher geringe genetische Variation zwischen den beiden Subpopulationen von 7,84 %
hin. Zusätzlich wurde bei 35 Akzessionen eine Durchflusszytometrie durchgeführt, um die Genomgröße von Kümmel zu bestimmen. Es wurde eine durchschnittliche Genomgröße von 4.282 pg/2C geschätzt, was in etwa der Hälfte der in der Literatur angegebenen Größe entspricht. Im Allgemeinen wurde bestätigt, dass GBS eine robuste Methode zur Analyse der
Populationsstruktur und genetischen Diversität in Sonderkulturen wie Kümmel ohne Referenzgenom sein kann. Mit weiteren nachgelagerten Anwendungen dürfte sich GBS als sehr kosteneffizient und nachhaltig erweisen. In einer weiteren Studie konnten die gefundenen SNPMarker bereits erfolgreich in diagnostische Marker umgewandelt werden.
| Erscheinungsdatum | 03.12.2022 |
|---|---|
| Reihe/Serie | Dissertationen aus dem Julius Kühn-Institut |
| Zusatzinfo | Illustrationen, Diagramme |
| Sprache | englisch |
| Maße | 140 x 210 mm |
| Gewicht | 200 g |
| Themenwelt | Naturwissenschaften |
| Weitere Fachgebiete ► Land- / Forstwirtschaft / Fischerei | |
| Schlagworte | Inhaltsstoffe • Kümmel • Molekulargenetik |
| ISBN-10 | 3-95547-125-X / 395547125X |
| ISBN-13 | 978-3-95547-125-5 / 9783955471255 |
| Zustand | Neuware |
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