Characterization and management of Jatropha curcas L. germplasm

Abstract

Jatropha curcas L. (jatropha) is a perennial plant of the Euphorbiaceae family that grows in the tropics and subtropics worldwide. Jatropha is targeted to be grown in marginal environments. The seeds are used mainly for production of food products and bioenergy, amongst others. Jatropha breeding is at an early stage. The first obstacle is to generate competitive cultivars for economically feasible cultivation. Mayor breeding objectives are to increase seed yield and yield stability, to decrease production costs, and to improve product quality adapted to specific markets. Jatropha breeding needs to be optimized in several research areas, such as methods and tools for germplasm characterization and breeding techniques, while considering requirements of the agronomic management and product processing. The germplasm can be separated into two naturally occurring germplasm pools that differ in the presence of phorbol esters (PE). These chemical compounds have antinutritional effects on humans and animals and cannot be inactivated or eliminated from the plant material on an industrial scale yet. Therefore, food production is based on cultivars lacking PE, while bioenergy production is less affected from PE presence. The germplasm needs to be characterized and grouped depending on breeding objectives and strategies. Tools for identification of plants that synthesize PE exist, but bear decisive disadvantages or need to be advanced. These tools are exploited for germplasm management and food safety strategies. The objectives of this study were to i) examine the variation of relevant traits among genotypes and between germplasm pools, ii) estimate phenotypic and genotypic trait correlations, iii) investigate location effects and genotype by environment interactions, iv) investigate parental and heterotic effects of genotypes from different germplasm pools as well as the effect of the mating type on expression of relevant traits, and v) develop recommendations for implementation of the findings in jatropha breeding programs. In the first two publications, stress response was investigated. Leaf chlorophyll content (SPAD) was used as a dynamic trait that can be influenced by e.g. water stress and nutrient deficiency. Different genotypes were screened at several locations and at different time points. High genetic diversity was found not only in stress response but also in SPAD value. The fast and non-destructive method is highly promising to be applied in further screenings or stress response studies. In the second publication, genotypic differences in aluminum tolerance were found among seedlings in a greenhouse trial. The rapid test method is applicable in further screenings. However, it needs to be proven that aluminum tolerance at the seedling stage observed under greenhouse conditions is expressed also at later plant developmental stages in the field. In the consecutive three publications, several traits were assessed on seeds and seedlings to detect significant differences between genotypes and/or between germplasm pools. Such traits would be highly valuable for germplasm management. We found that random variation is a disadvantage of quantitative traits and hinders clear assignment of each experimental unit to the respective germplasm pool. Thus, qualitative traits might be favored, such as the “silver shimmer inside the seed testa” that differentiated toxic from non-toxic seeds with a low error rate. However, these results need to be validated. Another application area of the investigated traits is the identification of self-fertilized material within hybrid progeny. In our study, self-fertilized seeds could be differentiated from cross-fertilized ones in specific genotype combinations. Similarly, many seedling traits showed heterotic effects. In the sixth publication, genotype by environment interactions were investigated and recommendations for breeding programs elaborated. A large set of genotypes was grown for four years at three different locations. We showed that selection at only one testing location is highly risky because cultivars with low yield stability could be selected. Therefore, it is indispensable for breeders to work in a network of testing locations that differ in edapho-climatic conditions and apply appropriate experimental designs and statistical tools. In the final publication, several parameters related to the nutritional value of kernels of non-toxic genotypes grown at two locations were assessed. The high nutritional value of this material was presented and compared to soybean, peanut, hazelnut, and corn. Furthermore, preliminary conclusions related to location effects and product processing were drawn. The findings of this thesis contribute to characterization of this novel crop with regard to stress tolerances, seed and seedling characteristics as well as food quality, and help to increase breeding efficiency by presenting simple methods for fast genotype screening as well as grouping of germplasm and by efficient exploitation of testing facilities.

Jatropha curcas L. (Jatropha) ist eine perennierende Pflanze der Familie der Euphorbiaceen mit weltweiter Verbreitung in den Tropen und Subtropen und eignet sich für den Anbau in marginalen Umwelten. Die Samen werden u.a. in der Bioenergie- und Lebensmittelproduktion genutzt. Die Züchtung dieser Pflanzenart befindet sich noch in den Anfängen. Zunächst müssen Sorten generiert werden, die eine profitable Produktion ermöglichen. Die Zuchtziele liegen primär in der Steigerung von Ertrag und Ertragsstabilität sowie der Senkung der Produktionskosten, sekundär in der Verbesserung der Produktqualität in Abhängigkeit der Ansprüche des jeweiligen Absatzmarktes. Jatrophazüchtung muss in mehreren Bereichen optimiert werden, insbesondere in der Entwicklung von Methoden zur Charakterisierung des Materials, sowie geeigneten Züchtungsverfahren, wobei Anforderungen seitens des agronomischen Managements und der Produktverarbeitung zu berücksichtigen sind. Jatropha kann in zwei natürlich vorkommende Genpools unterteilt werden, die sich im Vorhandensein von sogenannten Phorbolestern (PE) unterscheiden. Diese chemischen Substanzen haben antinutritive Effekte auf Mensch und Tier und können noch nicht in industriellem Maßstab entfernt oder neutralisiert werden. Daher basiert die Lebensmittelproduktion aus Jatropha auf Sorten, die keine PE enthalten, während Bioenergie unabhängig vom Gehalt an PE produziert werden kann. Das Material muss in Abhängigkeit von Zuchtzielen und -strategien charakterisiert und gruppiert werden. Es gibt Methoden zur Identifizierung von PE synthetisierenden Pflanzen. Diese haben jedoch entscheidende Nachteile oder müssen weiter optimiert werden. Diese Methoden werden in der Züchtung und zur Überwachung der Lebensmittelreinheit genutzt. Die Ziele der vorliegenden Dissertation waren i) die Quantifizierung von Merkmalsvariationen zwischen Genotypen und Genpools, ii) die Bestimmung von phänotypischen und genotypischen Merkmalskorrelationen, iii) die Untersuchung von Standorteffekten und Genotyp-Umwelt-Interaktionen, iv) die Analyse sowohl von elterlichen und heterotischen Effekten als auch von Bestäubungseffekten in Genotypen verschiedener Genpools, sowie v) die Erarbeitung von Empfehlungen für Jatropha-Zuchtprogramme zur Umsetzung der Untersuchungsergebnisse. In den ersten zwei Publikationen wurde die Reaktion auf Stressfaktoren untersucht. Der Chlorophyllgehalt in Blättern (SPAD) wurde als dynamisches Merkmal verwendet, um die Stressreaktion zu erfassen. An drei Standorten wurde der SPAD-Wert verschiedener Genotypen zu mehreren Zeitpunkten gemessen. Wir stellten eine hohe genetische Diversität fest, nicht nur im Ausmaß der Stressreaktion, sondern auch im SPAD-Wert. Die schnelle und nicht-destruktive Methode eignet sich bestens für weitere Screenings oder Studien zu Stressreaktionen. In der zweiten Publikation wurden genotypische Unterschiede in der Aluminiumtoleranz von Keimlingen in einem Gewächshausversuch festgestellt. Der Schnelltest kann gut in Screenings angewendet werden. Allerdings muss nachgewiesen werden, dass die Aluminiumtoleranz auch zu späteren Entwicklungsstadien der Pflanze besteht. In den darauf folgenden drei Publikationen wurden quantitative und qualitative Merkmale an Samen und Keimlingen erfasst, um evtl. vorhandene Unterschiede zwischen Genpools oder Genotypen zu ermitteln. Solche Merkmale wären für die Materialgruppierung sehr wertvoll. Die hier untersuchten quantitativen Merkmale hatten den Nachteil nicht-genetischer Variation, die keine eindeutige Klassifizierung erlaubte. Daher könnten qualitative Merkmale vielversprechender sein, wie z.B. der „silberne Glanz auf der Innenseite der Samentesta“, mit dessen Hilfe es möglich war, toxische von nicht-toxischen Samen mit einer geringen Fehlerrate zu unterscheiden. Allerdings müssen diese Ergebnisse noch validiert werden. Ein weiterer Anwendungsbereich von quantitativen und qualitativen Merkmalen ist die Trennung von (vermischten) Selbstungs- und Hybridgenotypen. In dieser Untersuchung konnten selbstbestäubte Samen in bestimmten Hybridkombinationen erkannt werden. Ebenso zeigten viele an Keimlingen erfasste Merkmale heterotische Effekte. In der sechsten Publikation wurden Genotyp-Umwelt-Interaktionen untersucht und Empfehlungen für Züchtungsprogramme erarbeitet. Zahlreiche Genotypen wurden über vier Jahre an drei Standorten beobachtet. Es wurde gezeigt, dass die Selektion auf Basis einortiger Ergebnisse sehr risikoreich ist, da Genotypen mit geringer Ertragsstabilität selektiert werden könnten. Daher ist es für Züchter unumgänglich mit einem Netzwerk von edapho-klimatisch unterschiedlichen Prüfstandorten zu arbeiten. In der finalen Publikation wurden ernährungsphysiologische Merkmale an Kernen von nicht-toxischen Genotypen aus zwei Standorten erfasst. Es ergab sich ein hoher ernährungsphysiologischer Wert im Vergleich zu Soja, Erdnuss, Haselnuss und Mais. Außerdem konnten Schlussfolgerungen bezüglich Standorteffekten und Produktverarbeitung gezogen werden. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit tragen zur Charakterisierung dieser neuen Kulturpflanze in Hinblick auf Stresstoleranzen, Samen- und Keimlingsmerkmale und Lebensmittelqualität bei. Sie sind daher für eine Steigerung der Zuchteffizienz hilfreich, indem sowohl einfache Methoden für schnelle Screenings und für die Materialgruppierung vorgestellt werden, als auch die effiziente Ausnutzung von Prüfressourcen diskutiert wird.