Advancing soybean adaptation to Central European growth conditions with novel breeding tools

Abstract

According to the European Soy Monitor 2018 (European Soy Monitor, 2018), there is a wide discrepancy in the EU between market demands and general sustainability aims regarding soybean products. Europe needs to take action, if it wants to maintain its protein demands and at the same time requests a reduction in the destruction of globally important tropical and subtropical ecosystems. One step towards more sustainable soybean products lies in the increase of domestic production which has the potential to decrease soybean imports from areas of unsustainable cultivation. An augmented EU production of soybeans can be achieved for example by increasing the yield potential of soybeans in areas where successful cultivation already takes place or by expanding the cultivation area to more northern parts of Central Europe. Breeding for new, improved and adapted soybean cultivars that meet those terms, is a key activity towards that aim. This dissertation elucidates three different ways how the adaptation of soybeans to the climatic and photoperiodic conditions of Central Europe can be assisted and even accelerated: 1) By using off-season climate-controlled LED chambers to enable a speed breeding single seed descent approach. A 10 h light regime, rich in blue and deprived of far-red light emission is capable to significantly reduce and synchronise the generation time of soybeans. It was possible to shorten the life cycle for a panel of 8 soybean cultivars from different maturity groups to 77 days. This allows several generations of soybeans to be grown within one year. For the short day crops rice and amaranth on the other hand, different light quality parameters were favoured. In those crops mean flowering time was accelerated when far-red light was included in the light protocol. This underlines the importance of a crop-specific light regime in order to realise the full potential of LED-based speed breeding single seed descent. 2) By including experiments in climate-control chambers in combination with molecular tools (i.e. genomic prediction) to advance cold tolerance in soybeans. This quantitatively inherited key trait is necessary to adapt soybeans to colder regions and consequently extend growing areas of this crop to higher latitudes in Europe. In the biparental soybean population Merlin × Sigalia (103 recombinant inbred lines) three QTL for cold tolerance during pod onset were found on chromosomes 7, 11 and 13. The relatively small proportion of genotypic variance for this trait explained by these QTL underlines the quantitative nature of cold tolerance. Genomic prediction was shown to be a promising approach to select for cold stress tolerance. Scenarios with different test set sizes and prediction models were evaluated. In scenarios with smaller test set sizes prediction accuracies increased if known and confirmed QTL were included in the prediction model. 3) By incorporating citizen science into the breeding process. The citizen science project ‘1000 Gärten’ from 2016 approached this topic. Phenotypic data from soybean cultivars and breeding lines were collected by citizen scientists in 2492 gardens throughout Germany which generated a unique dataset. Among many other results this study was able to show that in 2016 and within the early maturity segment of soybeans the factor temperature influenced flowering and maturity to a higher degree than photoperiod although day length differed by over an hour between the north and the south of Germany during the time of flowering. It was shown that this admittedly challenging tool can realise a significant impact not only regarding the possibility of a highly multi-environmental screening of breeding material but also by connecting plant breeding, agriculture and potential future costumers in order to raise awareness and acceptance of a crop in larger parts of the society - a factor that may not be highlighted enough when a new crop is introduced to our agriculture. These approaches should not be seen as an alternative to classical plant breeding, but rather considered as valuable additional tools that can contribute to conventional breeding of soybeans, as well as other crops. If applied, the presented tools may assist plant breeding to pave Europe’s way towards a greener and more sustainable future that is urgently needed.

Laut Zahlen des European Soy Monitor 2018 (European Soy Monitor, 2018) gibt es in der EU bei Sojaprodukten eine große Diskrepanz zwischen Produktion und den selbstgesteckten Nachhaltigkeitszielen bei der Produktion. Europa hat folglich zu handeln, wenn es seinen Proteinbedarf aufrechterhalten will und gleichzeitig die Zerstörung global wichtiger tropischer und subtropischer Ökosysteme anprangert. Ein Schritt in Richtung nachhaltigerer Sojaprodukte liegt in der Steigerung der innereuropäischen Produktion. Das hat das Potenzial die Sojaimporte aus nicht nachhaltigen Produktionsgebieten zu verringern. Eine erhöhte Sojabohnenproduktion in der EU kann erreicht werden, indem beispielsweise das Ertragspotenzial von Sojabohnen in Gebieten erhöht wird, in denen bereits ein erfolgreicher Anbau stattfindet, oder indem Anbaugebiete auf nördlichere Teile Zentraleuropas ausgedehnt werden. Die Züchtung neuer, verbesserter und angepasster Sojasorten, die diese Bedingungen erfüllen, ist ein Schlüsselelement, dieses Ziel zu erreichen. In dieser Dissertation werden drei verschiedene Möglichkeiten aufgeführt, welche die Adaptation von Sojabohnen an die klimatischen und photoperiodischen Bedingungen Zentraleuropas unterstützen und sogar beschleunigen können: 1) Durch die Verwendung einer klimatisierten „off-season“ LED-Kammer, um einen „speed breeding“ Ansatz für Einzelsamenramsch zu ermöglichen. Ein 10-stündiges Lichtregime, welches reich an blauem Licht ist und kaum Emissionen im fernroten Spektralbereich aufweist, kann die Generationszeit von Sojapflanzen erheblich verkürzen und synchronisieren. Es war möglich, den Lebenszyklus von acht ausgewählten Sojabohnensorten unterschiedlicher Reifegruppen auf 77 Tage zu reduzieren. Dadurch können mehrere Generationen Sojabohnen innerhalb eines Jahres wachsen. Die Kurztagpflanzen Reis und Amaranth bevorzugten jedoch andere Lichtqualitäten. Bei diesen Kulturarten wurde die mittlere Zeit bis zur Blüte beschleunigt, wenn fernrotes Licht in das Lichtprotokoll integriert wurde. Dieser Fund hebt die Bedeutung kulturartspezifischer Lichtregime hervor, um das volle Leistungsvermögen eines LED-basierten „speed breeding“ Ansatzes zu nutzen. 2) Durch Einbeziehung von Experimenten in Klimakammern in Kombination mit molekularen Werkzeugen (z.B. genomic prediction), um die Kältetoleranz von Soja zu verbessern. Dieses quantitativ vererbte Schlüsselmerkmal ist notwendig, um Sojabohnen an kältere Gebiete anzupassen und folglich das Wachstum dieser Kultur in nördlichen Breiten Europas zu fördern. In der biparentalen Sojabohnenpopulation Merlin × Sigalia (103 rekombinante Inzuchtlinien) konnten drei QTL auf den Chromosomen 7, 11 und 13 für Kältetoleranz zur Zeit des Hülsenansatzes gefunden werden. Der relativ kleine Anteil der erklärten genotypischen Varianz dieser drei QTL an dem Merkmal unterstreicht die genetisch quantitative Beschaffenheit von Kältetoleranz. Genomic prediction wurde als erfolgsversprechender Ansatz eingeschätzt, um auf Kältestresstoleranz zu selektieren. Szenarien mit unterschiedlich großen Testsets und Vorhersagemodellen wurden bewertet. Die Vorhersagegenauigkeit konnte in den Szenarien mit kleineren Testsetgrößen erhöht werden, indem bekannte und bestätigte QTL dem Vorhersagemodell hinzugefügt werden konnten. 3) durch die Einbeziehung von Bürgerwissenschaft (Citizen Science) in den Züchtungsprozess. Das 2016 gestartete Bürgerwissenschaftsprojekt „1000 Gärten“ nahm sich dieses Themas an. Dabei wurden phänotypische Daten von Sojasorten und Sojazuchtlinien von Bürgerwissenschaftlern in 2492 Gärten aus ganz Deutschland erfasst und gesammelt, welche zu einem einzigartigen Datensatz zusammenflossen. Es konnte gezeigt werden, dass dieses zugegebenermaßen herausfordernde Werkzeug hinsichtlich der Möglichkeit eines Screenings von Zuchtmaterial an vielen Standorten einen signifikanten Einfluss erzielen kann. Unter anderem konnte in dieser Studie gezeigt werden, dass im Jahr 2016 und innerhalb des frühen Reifegruppesegments bei Sojabohnen der Faktor Temperatur ausschlaggebender auf das Blüh- und Reifeverhalten war als die Photoperiode. Und das obwohl die Tageslänge zwischen Nord- und Süddeutschland zur Zeit der Blüte mehr als eine Stunde Unterschied aufweist. Zusätzlich konnte durch die Verbindung von Pflanzenzüchtung, Landwirtschaft und potenziellen zukünftigen Kunden das Bewusstsein und die Akzeptanz für Soja als Kulturart in einem größeren Teil der Gesellschaft erhöht werden - ein Umstand, welcher möglicherweise nicht genügend Beachtung findet, wenn eine neuartige Kulturart in unsere Landwirtschaft eingeführt wird. Diese Ansätze sollten nicht als Alternative zur klassischen Pflanzenzüchtung verstanden werden, sondern als wertvolle zusätzliche Instrumente, die zur konventionellen Züchtung von Sojabohnen, aber auch anderer Kulturen beitragen können. Im Bereich der Pflanzenzüchtung kann die Anwendung ebendieser hier vorgestellten Instrumente dazu beitragen, Europas Weg in eine grünere und nachhaltigere Zukunft zu ebnen, die dringend benötigt wird.