Effiziente Verfahren für die Züchtung neuer Erdbeersorten (Fragaria x ananassa Duch.)

Abstract

In this thesis, different approaches aimed on efficient breeding of new strawberry cultivars were investigated that comprise horticultural traits such as earliness and yield potential as well as resistance traits against two of the most important pathogens in strawberry cultivation, Botrytis cinerea and Xanthomonas fragariae. High yield potential and an extended ripening period in combination with disease resistance form the basis for economic success and contribute to a competitive and sustainable strawberry cultivation in Germany. In a traditional diallel cross breeding experiment, a set of 13 strawberry cultivars were crossed in a reciprocal way. The crossings resulted in a total of 144 F1-populations which were evaluated in a field trial over two years with regards to their horticultural traits in order to investigate the general and specific combining abilities of the parental cultivars concerning the traits earliness and marketable yield. Within this thesis, a statistical model was developed to explain the components of genetic variance and the breeding value of the parental cultivars based on their calculated combining abilities. It was demonstrated that there is no reciprocal effect on the progeny and it is practically irrelevant whether a cultivar is used as mother or father in the crossing experiment. The genetic variance in the breeding experiment is mainly based on the general combining ability (GCA) of the parental cultivars (additive effects). Specific and reciprocal combining abilities (non-additive effects) appeared less relevant. These findings are taken into account for the further development of the breeding approach which has also a main focus on resistance towards the grey mold disease and the angular leaf spot disease. The grey mold disease, caused by the necrotrophic fungus Botrytis cinerea Pers. [teleomorph Botryotinia fuckeliana (de Bary) Whetzel], is the most important fungal disease in strawberries and requires frequent applications of chemical plant protection products. The angular leafspot disease, caused by Xanthomonas fragariae Kennedy & King, is the most important bacterial disease in strawberry cultivation worldwide and there are currently no plant protection products available within the EU for an effective control of the disease. In a successful control strategy, the cultivation of resistant cultivars is of fundamental importance and the results of this thesis will contribute to the development of a targeted breeding approach. Initially, resistance tests were established for both diseases. Reproducible results concerning the resistance characteristics of different cultivars were achieved in artificial inoculation experiments and adapted evaluation scales. With this approach, more than 100 strawberry cultivars, wild-types and breeding clones from the collection of the German Fruit Gene Bank of the JKI in Dresden-Pillnitz were evaluated in three years of testing. Concerning B. cinerea, a total of five genotypes were identified as partially resistant. In parallel, six partially resistant genotypes were found towards X. fragariae. No completely resistant genotyped were identified until now. Additionally to the resistance test against X. fragariae, the systemic dispersal of the bacteria within the plant was further investigated with molecular-biological methods. On the one hand, bacterial DNA was detected by a sensitive nested-PCR method in different plant tissues of inoculated plants from partially resistant and susceptible cultivars at different time points. Additionally, a GFP-tagged virulent X. fragariae strain was produced and used for inoculation experiments in different strawberry genotypes as well. The systemic dispersal of the bacteria was visualized under the fluorescent microscope and the results were confirmed by the nested-PCR detection method. Already three days after the inoculation, X. fragariae spreads systemically throughout the entire host plant and can be detected in all plant tissue samples. The bacteria were detected in all plant parts of partially resistant cultivars after three days post-inoculation as well. The results from the resistance tests lead to direct recommendations for the choice of cultivars on the one hand and on the other hand, the identified partially resistant genotypes can be used in further targeted breeding approaches. The results of this thesis show new ways and strategies for the improvement of strawberry breeding programs. They increase the success for targeted breeding of new cultivars for strawberry cultivation in Germany in order to maintain a competitive and sustainable strawberry production in the future.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Verfahren zur effizienten Züchtung neuer Erdbeersorten untersucht, die sowohl obstbauliche Merkmale wie Frühzeitigkeit und Ertrag als auch die Widerstandsfähigkeit gegenüber den für den Erdbeeranbau bedeutenden Krankheitserregern Botrytis cinerea und Xanthomonas fragariae umfassen. Hoher Ertrag und eine Ausdehnung der Reifezeit im extrem früh- bzw. spätreifenden Segment stellen in erster Linie die Grundlagen für einen wirtschaftlich erfolgreichen Anbau dar, die in Kombination mit hoher Widerstandsfähigkeit gegenüber Krankheiten auch in Zukunft zu einem konkurrenzfähigen und nachhaltigen Erdbeeranbau in Deutschland beitragen können. In einem klassischen diallelen Kreuzungsversuch mit 13 Erdbeersorten, die reziprok und ohne Selbstungen miteinander gekreuzt wurden, entstanden 144 F1-Nachkommenschaften, die in einem zweijährigen Feldversuch hinsichtlich ihrer obstbaulichen Merkmale evaluiert wurden, um die allgemeine und spezifische Kombinationseignung der Kreuzungseltern hinsichtlich der Merkmale Ertrag und Reifezeit zu ermitteln. Hierzu wurde im Rahmen dieser Arbeit ein statistisches Modell entwickelt, mit dem die Komponenten der genetischen Varianz erklärt werden können und der züchterische Wert der Kreuzungseltern auf Basis der Kombinationseignungen wiedergegeben wird. Hierbei zeigte sich zunächst, dass es keine Auswirkung auf die Nachkommenschaft hat ob eine Sorte als Kreuzungsmutter oder Kreuzungsvater verwendet wird. Die genetische Varianz im Kreuzungsversuch basiert hauptsächlich auf der Allgemeinen Kombinationseignung (GCA) der verwendeten Sorten (additive Effekte). Spezifische und reziproke Kombinationseignungen (nicht-additive Effekte) erwiesen sich als weniger relevant. Diese Ergebnisse fließen in die weitere Entwicklung des Zuchtprogramms ein, bei dem neben den obstbaulichen Merkmalen die gezielte Einkreuzung von Resistenzen gegenüber der Grauschimmelfäule und der eckigen Blattfleckenkrankheit im Vordergrund steht. Die Grauschimmelfäule, verursacht durch den nekrotrophen Pilz Botrytis cinerea Pers. [teleomorph Botryotinia fuckeliana (de Bary) Whetzel], ist die wichtigste Pilzkrankheit im Erdbeeranbau und erfordert einen häufigen Einsatz chemischer Pflanzenschutzmittel. Die eckige Blattfleckenkrankheit, die durch den Erreger Xanthomonas fragariae Kennedy & King verursacht wird, ist die weltweit bedeutendste bakterielle Krankheit im Erdbeeranbau und es gibt derzeit in der EU keine geeigneten chemischen Pflanzenschutzmittel zur Bekämpfung. Der Anbau widerstandsfähiger Sorten gilt als wichtige Grundlage einer erfolgreichen Bekämpfungsstrategie und die Ergebnisse dieser Arbeit sollen zur gezielten Züchtung geeigneter Sorten beitragen. Für jede der beiden Krankheiten wurden zunächst Resistenztests etabliert, die unter kontrollierten Bedingungen mittels künstlicher Inokulation und geeigneter Boniturskalen reproduzierbare Ergebnisse über die Widerstandsfähigkeit verschiedener Genotypen liefern. So konnten im Laufe von drei Versuchsjahren insgesamt mehr als 100 Erdbeersorten, Wildartenakzessionen und Zuchtklone aus dem Bestand der Obstgenbank des JKI in Dresden-Pillnitz evaluiert werden. Als teilweise resistent gegenüber B. cinerea konnten die folgenden fünf Genotypen identifiziert werden. Parallel dazu wurden sechs teilweise resistente Genotypen gegenüber X. fragariae identifiziert. Vollständig resistente Genotypen wurden bislang nicht gefunden. Im Zusammenhang mit dem Xanthomonas-Resistenztest wurde zudem die systemische Ausbreitung des bakteriellen Erregers innerhalb der Pflanzen mit molekularbiologischen Methoden untersucht. Zum einen wurde mittels eines sensitiven nested-PCR Verfahrens das Vorhandensein des Erregers in unterschiedlichen Gewebeproben inokulierter Pflanzen anfälliger und widerstandsfähiger Sorten zu unterschiedlichen Zeitpunkten nachgewiesen. Zudem wurde ein virulenter, GFP-markierter X. fragariae-Stamm erzeugt, mit dem ebenfalls Inokulationsversuche an unterschiedlichen Erdbeer-Genotypen durchgeführt werden konnten. Die systemische Ausbreitung des Erregers wurde anschließend im Fluoreszenzmikroskop visualisiert und durch die Ergebnisse des nested-PCR Nachweises bestätigt. Bereits zum Zeitpunkt drei Tage nach Inokulation verbreitet sich X. fragariae in der gesamten Wirtspflanze und kann in allen Gewebeproben nachgewiesen werden. Aus den Ergebnissen der Resistenztests können einerseits Empfehlungen zur Sortenwahl abgeleitet werden und andererseits können die identifizierten widerstandsfähigen Genotypen nun für die gezielte Züchtung neuer, widerstandsfähiger Sorten eingesetzt werden. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen Wege und Strategien auf, um Zuchtprogramme effektiver zu gestalten und damit die Erfolgschancen bei der Züchtung neuer Sorten für den deutschen Erwerbsobstbau zu erhöhen, um auch in Zukunft eine wettbewerbsfähige und nachhaltige Erdbeerproduktion zu ermöglichen.