Hybridkartoffeln - eine klimagerechte Lösung für Kartoffelbauern

Mitarbeiter, Kollegen und Unterstützer des Projekts: Lucia Sandra Perez Borroto, Lorena Gonzales Ramirez, Ernst-Jan Eggers Salome Prat, Maroof Ahmed-Shaikh.

Die große Bedeutung des Kartoffelanbaus weltweit beruht nicht nur auf der Tatsache, dass sie nach Reis und Weizen die am dritthäufigsten konsumierte Kulturpflanze ist (FAO, 2014). Der hohe Energiegehalt der Knollen, die einfache Anbautechnik und die große geografische Reichweite der Anbaugebiete haben die Kartoffel zu einer wichtigen Kultur zur Ernährungssicherung gemacht, insbesondere für Entwicklungsländer und Kleinbauern

Die große Vielfalt der Umweltbedingungen in den verschiedenen Anbauregionen macht es erforderlich, die Abhängigkeit der Knollenbildung von der Tageslichtdauer zu überwinden und Sorten zu entwickeln, die gut angepasst, klimarobust und resistent gegen eine Reihe von biotischen Stressfaktoren sind. Diese Notwendigkeit wird angesichts der Auswirkungen des Klimawandels noch dringlicher, da die (insbesondere abiotischen) Stressfaktoren zunehmen und neue Sorten erforderlich sind, um die Erträge stabil zu halten.

Abiotische Stressfaktoren und Kartoffel

Welches sind die häufigsten abiotischen Stressfaktoren für Kartoffeln?

Einer der häufigsten Stressfaktoren, mit denen immer mehr Erzeuger konfrontiert sind, ist der Temperaturanstieg. Kartoffelpflanzen reagieren sehr empfindlich auf Hitzestress, da sie zu den kühlsommerlichen Pflanzen zählen. Erhöhte Temperaturen (auch wenn sie während der Knollenbildung nur mäßig ansteigen) können die Knollenbildung hemmen und zu erheblichen Ertragseinbußen sowie zu einer Verringerung der inneren und äußeren Qualität führen. Das Phänomen des "Hitzesprosses" tritt häufig auf, wenn die unreifen Knollen hohen Temperaturen ausgesetzt sind, was zu einer Verkürzung der Haltbarkeit der Knollen nach der Ernte führt (Zhang et al., 2021). Andererseits stellen auch niedrige Temperaturen (unter 0 °C) ein Problem für die Pflanze dar, da sie in den frühen Entwicklungsstadien frostempfindlich ist. Zusätzlich zu den oberirdischen Schäden durch niedrige Temperaturen führen Bodentemperaturen unter 0 °C zu vollständigen Ertragseinbußen (Pino et al., 2007).

Trotz ihrer hohen Wassernutzungseffizienz (WUE) reagiert die Kartoffel extrem empfindlich auf selbst geringfügige Wassereinschränkungen, die zu Ertragseinbußen führen. Die verringerten Niederschläge als eine der Auswirkungen des Klimawandels schränken die Produktion in trockenen Regionen ohne zusätzliche Bewässerung ein. Je nach Zeitpunkt und Dauer kann Trockenstress den Kartoffelertrag auf unterschiedliche Weise beeinträchtigen. Während des Vegetationsstadiums kann die Trockenheit die Photosynthese und das Pflanzenwachstum beeinträchtigen und zu Blattverlusten führen. Später kann ein solcher Stress den Lebenszyklus der Pflanze verkürzen und die Anzahl und Größe der produzierten Knollen sowie deren Qualität verringern (Nazir & Toth., 2022). Darüber hinaus sind Kartoffeln auch relativ empfindlich gegenüber Salzstress, insbesondere wenn sie in Küstenregionen angebaut werden. Gleichzeitig können Überschwemmungen, auch wenn sie nur von kurzer Dauer sind, den Pflanzen erheblichen Schaden zufügen.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, versuchen Landwirte und Wissenschaftler seit Jahrhunderten, den Kartoffelanbau durch Züchtung zu verbessern.

Die Komplexität der Kartoffelgenetik

Die genetische Verbesserung der Kartoffel im letzten Jahrhundert war bescheiden, wobei alte Sorten wie Bintje und Russet Bank nach wie vor in großem Umfang angebaut werden. Der Hauptgrund dafür ist die komplexe Genetik der Kartoffel mit unterschiedlichen Ploidiegraden bei den einzelnen Arten. Die meisten angebauten Sorten haben vier Kopien der Standardanzahl von 12 Chromosomen (2n=4x=48) (Tetraploide). Daher dauert die Züchtung einer neuen Sorte/Kultivar und die Hinzufügung eines zusätzlichen Merkmals mit herkömmlichen Verfahren zwischen 15 und 20 Jahren.

Was ist Kartoffelhybridzüchtung?

Was sind Kartoffelhybride?

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler mit der Hybridkartoffelzüchtung experimentiert, um die Schaffung neuer Kartoffelsorten zu vereinfachen und zu beschleunigen, woraus sich vielversprechende Ergebnisse ergeben haben. Die Revolution besteht darin, die Kartoffel diploid (mit nur zwei Chromosomenkopien wie die Tomate) und selbstkompatibel zu machen. Dies ermöglicht die Einführung einer neuen Eigenschaft (Merkmal) in nur 3-4 Jahren. An dieser Stelle ist es wichtig klarzustellen, dass Kartoffelhybride keineswegs gentechnisch veränderte Organismen sind.

Eine weitere große Veränderung geht mit dieser Revolution einher. Wie viele andere beliebte Gemüsesorten können sich Hybridkartoffeln sowohl über die Knollen (Kartoffelsamen) als auch über die eigentlichen botanischen Samen (echte Kartoffelsamen) vermehren, die auf geschlechtlichem Wege erzeugt werden. Morphologie der Kartoffelpflanze

Der Schlüssel zur Erschließung der Hybridzüchtung war ein bestimmtes Gen namens "Sli", das für die Wiederherstellung der Selbstkompatibilität der Kartoffelpflanzen verantwortlich war (Eggers et al., 2021). Das bedeutet, dass Kartoffelpflanzen, die dieses Gen besitzen, selbstbestäubt werden und Samen produzieren können.

Hybridkartoffeln ermöglichen die einfachere Einführung verschiedener interessanter Gene, die die Toleranz der Pflanzen gegenüber abiotischen Stressfaktoren verbessern sollen. Eines dieser Gene ist StFLORE, mit dem sich das Team von Christian Bachem an der Universität Wageningen in letzter Zeit beschäftigt hat (Gonzales et al., 2021). In Laborexperimenten zeigte sich, dass die Pflanzen, die dieses Gen trugen, nicht nur schneller wuchsen, sondern auch robuster waren, selbst bei Trockenstress, als die normalen Pflanzen. Die Kartoffelpflanzen, die das StFLORE-Gen trugen, hatten auch ein verbessertes unterirdisches Wurzelsystem.

Die Entwicklung stresstoleranter Kartoffeln unter dem "Mikroskop" des ADAPT-Projekts

Die Notwendigkeit, die Gene hinter der Stresstoleranz von Kartoffelpflanzen zu entschlüsseln, veranlasste zehn führende akademische Forschungseinrichtungen, vier Kartoffelzüchter, einen Entwickler von Screening-Technologien, eine gemeinnützige EU-Vereinigung und eine Regierungsbehörde zur Gründung des ADAPT-Konsortiums (Accelerated Development of multiple-stress tolerAnt PoTato). Dieses auf fünf Jahre angelegte EU-Projekt (Start 2020) zielt darauf ab, neue Strategien zu entwickeln, um Kartoffeln für die herausfordernden klimatischen Bedingungen der Zukunft fit zu machen, wie z. B. kombinierter Hitze- und Trockenstress, einschließlich Überschwemmungen infolge von Starkniederschlägen. Es wird erwartet, dass die hohe praktische Relevanz des Projekts Züchtern, Landwirten und Verbrauchern zugute kommt.

Wir haben das Glück, dass wir Zugang zu vielen Technologien haben, die eine sehr präzise Phänotypisierung unserer Pflanzen ermöglichen und diese auch nutzen können. Zu den Spitzentechnologien des Netherlands Plant Eco-Phenotyping Centre (NPEC), die wir nutzen, gehören der TraitSeeker und drei Drohnen mit Geräten, die mit Farb-, Wärme-, 3D- (LIDAR) und Hyperspektralkameras ausgestattet sind und eine detaillierte Phänotypisierung und Pflanzenleistung ermöglichen (In-Depth-Phenotyping).

Hybridkartoffeln

Die Vorteile der Verwendung von Hybridkartoffeln und echtem Kartoffelsaatgut (TPS)

Zwar sind noch keine Hybridkartoffelsorten auf dem Markt, doch planen die Wissenschaftler, die ersten Sorten im Jahr 2024 auf den Markt zu bringen. Die Technologie der Hybridzüchtung wird die Entwicklung neuer, verbesserter Kartoffelsorten ermöglichen, die gegen wichtige Kartoffelkrankheiten resistent sind, eine höhere Stickstoff- und Wassernutzungseffizienz aufweisen und bessere Qualitätsmerkmale besitzen. Dies wird den Landwirten helfen, die Auswirkungen des Klimawandels zu bewältigen und nachhaltiger zu wirtschaften und den Einsatz von Pflanzenschutzmitteln zu reduzieren.

Hybridkartoffeln können durch die Verwendung von echtem Kartoffelsaatgut (True Potato Seed, TPS) vermehrt werden, das aus den oberirdischen Pflanzenteilen gewonnen wird, anstatt aus den Knollen (Kartoffelsamen), die derzeit von allen Landwirten verwendet werden. Je nach Kartoffelsorte kann eine Pflanze 5 bis 50 Fruchtstände produzieren, die jeweils 50-150 Samen enthalten. Diese Samen sind winzig, sogar kleiner als Tomatensamen, und es werden nur 25 Gramm TPS (62.500 Samen) anstelle von 2.500 Kilo Kartoffelknollen benötigt, um ein Feld von einem Hektar zu bepflanzen. Echte Kartoffelsamen im Gegensatz zu Kartoffelsamen.

Hybridkartoffeln

Der Transport und die Handhabung der Pflanzkartoffeln (Knollen) sind aufgrund der Größe des Vermehrungsmaterials und seiner Empfindlichkeit am schwierigsten und energieintensivsten. Im Gegensatz dazu kann das TPS leicht transportiert werden, wodurch der Kohlenstoff-Fußabdruck des Produktionssystems verringert wird. Gleichzeitig kann es über einen viel längeren Zeitraum gelagert werden, ohne dass spezielle Lagereinrichtungen erforderlich sind. Ein weiterer wichtiger Vorteil für die Landwirte ist, dass dieses Vermehrungsmaterial (TPS) sauber und frei von Krankheiten ist.

Während Kartoffelhybride und echtes Kartoffelpflanzgut für alle Erzeuger weltweit von großem Nutzen sein könnten, werden sie sich in Ländern mit niedrigem bis mittlerem Einkommen (insbesondere in Afrika südlich der Sahara) noch positiver auswirken, da sie den Transport und die Lagerung über längere Zeiträume einfacher und sicherer gewährleisten. Dies wird jedoch dazu führen, dass die Erzeuger ihre Aussaat und die Behandlung ihrer Pflanzen ändern müssen. Es gibt eine ganze Reihe von Möglichkeiten, auf TPS umzusteigen - dazu gehören:

Aussaat von Saatgut direkt auf dem Feld,
Voranbau in Pflanzschulen mit anschließender Aussaat auf dem Feld und
Anzucht von Setzlingen im ersten Jahr zur Erzeugung von vermarktungsfähigen Speisekartoffeln. Wahrscheinlich wird das letztgenannte System die erste Wahl sein, da der Landwirt hier nicht umrüsten muss.

Dieser Artikel wurde auf der Grundlage der Präsentation von Dr. Bachem im Online-Webinar erstellt: Klimagerechte Landwirtschaft.

Verweise

Eggers EJ, van der Burgt A, van Heusden SAW, de Vries ME, Visser RGF, Bachem CWB, Lindhout P. Neofunctionalisation of the Sli gene leads to self-compatibility and facilitates precision breeding in potato. Nat Commun. 2021 Jul 6;12(1):4141. doi: 10.1038/s41467-021-24267-6. PMID: 34230471; PMCID: PMC8260583.

Hancock R, Morris W, Ducreux L, Morris J, Usman M, Verrall S, et al. Physiological, biochemical and molecular responses of the potato (Solanum tuberosum L.) plant to moderately elevated temperature. Plant Cell Environ 2014; 37(2):439-50

Nasir, M. W., & Toth, Z. (2022). Effect of drought stress on potato production: A review. Agronomy, 12(3), 635.

Pino, M.-T.; Skinner, J.S.; Park, E.-J.; Jeknić, Z.; Hayes, P.M.; Thomashow, M.F.; Chen, T.H. Use of a Stress Inducible Promoter to Drive Ectopic AtCBF Expression Improves Potato Freezing Tolerance While Minimizing Negative Effects on Tuber Yield. Plant Biotechnol. J. 2007, 5, 591–604

Ramírez Gonzales L, Shi L, Bergonzi SB, Oortwijn M, Franco-Zorrilla JM, Solano-Tavira R, Visser RGF, Abelenda JA, Bachem CWB. Potato CYCLING DOF FACTOR 1 and its lncRNA counterpart StFLORE link tuber development and drought response. Plant J. 2021 Feb;105(4):855-869. doi: 10.1111/tpj.15093. Epub 2021 Feb 11. PMID: 33220113; PMCID: PMC7985872.

Zhang, G., Tang, R., Niu, S. et al. Heat-stress-induced sprouting and differential gene expression in growing potato tubers: Comparative transcriptomics with that induced by postharvest sprouting. Hortic Res 8, 226 (2021). https://doi.org/10.1038/s41438-021-00680-2

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