Phenotypic and genomics-assisted breeding of soybean for Central Europe : from environmental adaptation to tofu traits

Abstract

Soybean (Glycine max Merr.) is one of the major crops in the world providing an important source of protein and oil for food and feed; however it is still a minor crop in Central Europe. Soybean cultivation can play an important role in a more sustainable agricultural system by increasing local and regional protein production in Europe. The demand for locally produced soybean products is still growing in Europe. The key for a successful establishment of soybean cultivation in Europe is adaptation of soybean varieties to the Central European growing conditions. For the latitudinal adaptation to long-day conditions in Central to Northern Europe, an adapted early flowering and maturity time is of crucial importance for a profitable cultivation. The key traits flowering and maturity are quantitatively inherited and mainly affected by photoperiod responsiveness and temperature sensitivity. The most important loci for an early flowering and maturity are E1-E4 and the various allelic combinations condition soybean flowering and maturity time and therefore strongly contribute to the wide adaptability (Jiang et al., 2014; Tsubokura et al., 2014; M. Xu et al., 2013). Besides the main usage as protein source for animal feeding, soybean is also a very valuable source for human consumption. Tofu is enjoying ever greater popularity in Europe, as it is one of the best sources of plant protein with additional health benefits, rich in essential amino acids, beneficial lipids, vitamins, and minerals, as well as other bioactive compounds, such as isoflavones, soyasaponin, and others, (Lima et al., 2017; Zhang et al., 2018). Thus, plant breeding has to provide not only well-adapted varieties with good agronomic and quality properties, but also provide varieties well-suited to the further processing into soymilk and tofu. Therefore, a good knowledge about the breeding target, how to assess it and how it is inherited is crucial. The conducted studies covered a broad range of aspects relevant to improve a soybean breeding program. By combining environmental analysis, E-gene analysis, genomic approaches (QTL mapping and genomic prediction), and tofu phenotyping, breeder decisions become more accurate and targeted in the way of selection thereby increasing the genetic gain. In addition, combining the results of the different aspects helps to optimize the resources of a breeding program. Increasing the knowledge about the different aspects from environment to tofu QTL enables a breeder to be more precise and focused. But the more targeted and specific, the more complex a breeding program gets, which requires adequate tools to handle all the different information in a meaningful and efficient way to enable a quick and precise breeding decision.

Die Sojabohne (Glycine max Merr.) ist eine der wichtigsten Nutzpflanzen der Welt und stellt eine wichtige Protein- und Ölquelle für Lebens- und Futtermittel dar; in Mitteleuropa spielt die Sojabohne jedoch immer noch eine untergeordnete Rolle im Anbau. Der Sojabohnenanbau kann eine wichtige Rolle in einem nachhaltigeren Agrarsystem spielen, indem er die lokale und regionale Proteinproduktion in Europa steigert. Die Nachfrage nach lokal produzierten Sojabohnenprodukten wächst in Europa weiter. Der Schlüssel für eine erfolgreiche Etablierung des Sojaanbaus in Europa ist die Anpassung der Sojasorten an die mitteleuropäischen Anbaubedingungen. Für die Breitenanpassung an Langtagbedingungen in Mittel- bis Nordeuropa ist eine angepasste frühe Blüte- und Reifezeit von entscheidender Bedeutung für einen ertragreichen Anbau. Die Schlüsselmerkmale Blüte und Reife werden quantitativ vererbt und hauptsächlich durch die Photoperioden- und Temperaturempfindlichkeit beeinflusst. Die wichtigsten Genorte für eine frühe Blüte und Reife sind E1-E4. Die verschiedenen Allelkombinationen bedingen die Sojabohnenblüte und Reifezeit und tragen daher stark zur breiten Anpassungsfähigkeit bei (Jiang et al., 2014; Tsubokura et al., 2014; M. Xu et al., 2013). Neben der Hauptverwendung als Proteinquelle für die Tierfütterung ist Soja auch eine sehr wertvolle Quelle für die menschliche Ernährung. Lebensmittel auf Sojabasis spielen eine zentrale Rolle in der asiatischen Küche, die sehr unterschiedliche Produkte anbietet, wobei Tofu das wichtigste Produkt ist. Tofu erfreut sich in Europa immer größerer Beliebtheit, da er eine der besten pflanzlichen Proteinquellen mit zusätzlichem Gesundheitsnutzen ist, reich an essentiellen Aminosäuren, nützlichen Lipiden, Vitaminen und Mineralstoffen sowie anderen bioaktiven Verbindungen wie Isoflavonen, Sojasaponin und andere (Lima et al., 2017; Zhang et al., 2018). Daher muss die Pflanzenzüchtung nicht nur gut angepasste Sorten mit guten agronomischen und qualitativen Eigenschaften liefern, sondern auch Sorten, die sich für die Weiterverarbeitung zu Sojamilch und Tofu gut eignen. Gute Kenntnisse über das Zuchtziel, wie es zu beurteilen ist und wie es vererbt wird, sind daher entscheidend. Die durchgeführten Studien deckten ein breites Spektrum von Aspekten ab, die für die Verbesserung eines Sojabohnenzuchtprogramms relevant sind. Durch die Kombination von Umweltanalyse, E-Gen-Analyse, genomischen Ansätzen (QTL-Mapping und genomische Vorhersage) und Tofuphänotypisierung werden Züchterentscheidungen genauer und zielgerichteter in der Selektion, wodurch der Zuchtfortschritt erhöht wird. Darüber hinaus hilft die Kombination der Ergebnisse der verschiedenen Aspekte, die Ressourcen eines Zuchtprogramms zu optimieren. Die Erweiterung des Wissensstands über die verschiedenen Aspekte von der Umwelt bis zum Tofu-QTL ermöglicht es einem Züchter, präziser und fokussierter zu sein. Doch je gezielter und spezifischer, desto komplexer wird ein Zuchtprogramm, das adäquate Werkzeuge benötigt, um mit all den unterschiedlichen Informationen sinnvoll und effizient umzugehen, um damit dann eine schnelle und präzise Zuchtentscheidung zu ermöglichen.