KARTOFFEL - IPP

KARTOFFEL 

Solanum tuberosum L. 

Foto: Victor Drachev (Belarus), 3 rd Prize, Professional Category, IYP World 

Photography Contest 

Kartoffelzüchtung / 957.307 / Heinrich Grausgruber

Kartoffel Produktion 

1991-2007 

(Mio t) 

Countries 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 

Developed 183.13 199.31 177.47 174.63 165.93 166.93 160.97 159.97 159.89 

Developing 84.86 101.95 108.5 128.72 135.15 145.92 152.11 160.01 165.41 

WORLD 267.99 301.26 285.97 303.35 301.08 312.85 313.08 319.98 325.3 

Quelle: FAOSTAT 

WORLD 

DEVELOPED 

COUNTRIES 

DEVELOPING 

COUNTRIES 

Sommersemester 2012 Kartoffelzüchtung / 957.307 / Heinrich Grausgruber 

2

EVOLUTION – DOMESTIKATION - GESCHICHTE 

~6000 v.Chr. Titicaca-See – Domestikation; ~200 Wildarten 

quechua Zone (3100-3500 m; Zentral-Andenhänge) 

~500 n.Chr. Huari Zivilisation (Hochland von Ayacucho, Peru) 

Foto: Pablo Balbontin (Spain), 

2 nd Prize, Professional Category, 

IYP World Photography Contest 

� Nahrungssicherheit durch Mais und Kartoffel; Bewässerung + Terassenbau 


3

Quelle: FAO (2009) International Year of the Potato 2008 – New 

lights on a hidden treasure, An end-of-year review 

S. sparsipilum 

(2�) 

S. tuberosum 

subsp. tuberosum 

(4�) 

S. tuberosum 

subsp. andigena 

(4�) 

S. leptophyes 

(2�) 

S. stenotomum 

(2�) 

S. megistacrolobum 

(2�) 

S. ajanhuiri 

(2�) 

S. phureja 

(2�) 

S. acaule 

(4�) 


4 

� 

� 

� 

S. chaucha 

(3�) 

S. juzepczukii 

(3�) 

S. curtilobum 

(5�) Quelle: Ross (1985), Hawkes (1992) 

(blau/grün: Kulturarten; schwarz: Wildarten) 

� 

�

~500 n.Chr. Stadtstaat von Tiahuanacu (Titicaca-See, Bolivien) – „raised 

fields“ (camellones) � geschätzter Ertrag von 10 t ha -1 

Foto: FAO (2002) Foto: C. Erickson 

~1400 n.Chr. Inkas werden dominierende Kultur; übernehmen 

landwirtschaftliches Know-how der Vorgängerkulturen � Fokus auf Mais; 

Kartoffel � primäres Nahrungsmittel für Soldaten und Arbeiter 


5

1532: Spanische Invasion 

1565: Kartoffelanbau auf den Kanarischen Inseln 

1573: Anbau am spanischen Festland 

� Geschenk der spanischen Krone an den Papst 

� päpstlicher Gesandter in Mons (Belgien) 

� Botaniker in Wien 

1597: London 

� Frankreich & Holland 

Foto: D‘Acres 

Unter der Aristokratie Verwendung als Zierpflanze; Knollen als 

Schweinefutter oder Nahrungsmittel der Mittellosen 

Seeleute verwendeten Knollen als Nahrungsmittel auf ihren Ozeanreisen 

� 17. Jh. Indien, China, Japan 

� durch irische Einwanderer nach Nordamerika (Irish potato) 


6

Ausbreitung wurde durch geringe Adaptation verzögert → nur ein geringer 

Bruchteil der verfügbaren genetischen Diversität hat Südamerika verlassen 

→ es dauerte etwa 150 Jahre bis an den Langtag adaptierte Sorten 

verfügbar waren 

1770er Jahre → Hungersnöte quer durch Europa 

→ Friedrich I. von Preussen verordnet Kartoffelanbau als Absicherung 

gegen Getreidemissernten 

→ Thomas Jefferson serviert Gästen des Weissen Hauses frittierte 

Kartoffeln 

→ wichtigstes Nahrungsmittel während der Napoleonischen Kriege 

Industrielle Revolution → Kartoffel wird zum ersten convenience food für 

die vom Land in die Stadt übersiedelte Bevölkerung 


7

1844-1845: Kraut- und Knollenfäule (Phytophtora infestans) vernichtet 

große Teile der europäischen Kartoffelproduktion 

1845-1848: Phytophtora Epidemien zerstören in drei aufeinanderfolgenden 

Jahren die irische Kartoffelernte; zu diesem Zeitpunkt war in Irland die 

Kartoffel für 80% der Kalorienaufnahme verantwortlich 

→ extreme Hungersnöte mit einer Million Toten 

→ Einfuhr von neuen Genotypen aus Chile 


8

Quelle: K. Hosaka 


9

1844-1845: Kraut- und Knollenfäule (Phytophtora infestans) vernichtet 

große Teile der europäischen Kartoffelproduktion 

1845-1848: Phytophtora Epidemien zerstören in drei aufeinanderfolgenden 

Jahren die irische Kartoffelernte; zu diesem Zeitpunkt war in Irland die 

Kartoffel für 80% der Kalorienaufnahme verantwortlich 

→ extreme Hungersnöte mit einer Million Toten 

→ Einfuhr von neuen Genotypen aus Chile 

→ durch Kolonialherren, Missionare und Siedler kommt Kartoffel nach 

Indien, Ägypten, Marokko und Nigeria 

→ durch Auswanderer nach Australien, Argentinien und Brasilien 

→ entlang der alten Handelsrouten vom Kaukasus ins anatolische 

Hochland, von Russland nach West-China, von China auf die Koreanische 

Halbinsel 


10

1920er: Einführung eines mechanischen Kartoffelschälers 

1957: McDonald Brüder investieren Millionen von US Dollar für die 

Optimierung der Herstellung von Pommes frites 

1957: McCain (Kanada) führt die Tiefkühl-Pommes ein (heutzutage 

verantwortlich für die Herstellung eines Drittels der weltweiten Tiefkühl- 

Pommes Produkton) 

1960er: Beginn eines massiven Ausbaus der Produktion in Indien und 

China 

2000er: Zunahme der Produktion in der Sub-Sahara Region (Kamerun, 

Kenia, Malawi, Ruanda, Äthiopien, Lesotho), v.a. in Hochland Regionen 


11

GENETIK 

→ AUTOTETRAPLOIDIE; Bsp: biallel (a ia ia ja j), tetraallel (a ia ja ka l) 

→ Heterozygotie (simplex Aa 3 ; duplex A 2 a 2 ; triplex A 3 a) 

Mendel Spaltung (� Bivalente): AAaa�aaaa (1 AAaa:4 Aaaa:1 aaaa); AAaa�Aaaa (1 

AAAa:5 AAaa:5 Aaaa:1 aaaa) 

� Komplexere Situationen möglich (� Uni-, Tri- und Quadrivalente) 

Quelle: Mackey (2003) 

Quelle: P.D.S. Caligari (1992) pp 334-372 in The 

potato crop (ed. P. Harris), Chapman & Hall, London 


12

BLÜHVERHALTEN 

→ diploide (2n=2x=24) Kartoffeln: gametophytische SI; Fremdbefruchtung 

� tetra- (2n=4x=48) & hexaploide (2n=6x=72) Kartoffeln: selbstkompatibel, 

� fakultative Selbstbefruchtung; häufig Inzuchtdepression nach Selbstung 

auf Grund von hochgradiger Heterozygotie 

Photoperiode von 14-18 h und Nachttemperaturen von 15-20°C begünstigen Blüten- und 

Beerenbildung; Pollensterilität sehr häufig � bei ~1/3 der Neotuberosum Sorten keine 

Beerenbildung; Blühinduktion bzw. Pollenfertilität kann durch verlängerte Photoperiode, 

Phytohormone (GA 3 , Ag(S 2 O 3 ) 2 ) gefördert werden 


13

� KREUZUNGSZÜCHTUNG 

Kontrollierte Bestäubungen sind leicht durchzuführen 

• große Antheren → einfache Kastration 

• Antheren platzen nicht bei geschlossenen oder gerade geöffneten Blüten → leichter Zugang 

zu Antheren und genug Zeit zur Kastration 

• Pollen wird kaum durch Wind übertragen → Isolation vor Insekten ausreichend um 

Fremdbefruchtung zu verhindern 

• Fruchtknoten schwillt bald nach Befruchtung an → einfache Bestäubungskontrolle möglich; 

notfalls können Kreuzungen relativ bald wiederholt werden 

• Trugdolde → mehrere Bestäubungen pro „Rispe“ möglich 

• hohe Reproduktionsrate → Beeren beinhalten viele Samen (>50) 

• Samen sind lange haltbar (↑ Dormanz) 

▪ oftmals Abwurf von Blüten bzw. Beeren → Temperatur

Foto: Grausgruber – NÖS, Meires 

Knollenmelkmethode 

→ Mutterknolle wird auf Tonziegel/-topf gelegt und mit Erde 

bedeckt; nachdem Pflanze etwa 30-40 cm hoch ist wird die 

Mutterknolle freigelegt; gebildete Tochterknollen werden 

laufend entfernt 

→ Pflanze muss gestützt werden 

Foto: GABI-TILL, Potato Platform, Bioplant (2008) 


15

Fotos: Grausgruber – NÖS, Meires Fotos: Tiny Farm Blog (2008) 


16

Kartoffelblüte – Kastration/Bestäubung – Beerenansatz – Ernte der Beeren – Gewinnung Samen 

Fotos: Michigan State University, Potato Breeding and Genetics Program 


17

Produktion von minitubers in kleinen Töpfen im Gewächshaus/Folientunnel – Minitubers von 2 verschiedenen Sorten 

Fotos: Higgins Group, Scotland; Quantum Tubers Co., Wisconsin 


18

REPRODUKTION 

→ KLONUNG 

• Vermehrung eines Genotyps ohne dessen Beeinflussung (ausgenommen Mutationen) 

• Erhaltung eines Genotyps bei eingeschränkter Fertilität (↑ interspezifische Kreuzungen) 

• Selektion in frühen Generationen möglich (Dominanzeffekte spalten nicht) 

▪ Pflanzgut muss während der vegetativen Vermehrung frei von Krankheiten gehalten werden 

→ Probleme v.a. mit Virosen (↑ in vitro Vermehrung) 

▪ begrenzte Lagerfähigkeit der Sprossknollen 

▪ Maskierende Dominanzeffekte → ineffiziente Nutzung von Hauptgenen (z.B. Kreuzung von 

Simplex � Nulliplex → nur 50% der Nachkommen nutzbar) 


19

� KLONZÜCHTUNG 


20

Quelle: P.D.S. Caligari (1992) pp 334-372 in The potato crop (ed. P. Harris), Chapman & Hall, London Quelle: Mackey (2003) 


21

Quelle: P.D.S. Caligari (1992) pp 334-372 in The potato crop (ed. P. Harris), Chapman & Hall, London 

Selektion in Sämlingsgeneration 

• jede Knolle repräsentiert einen Genotyps → Spaltung der Nachkommenschaft sichtbar; 

Selektion reduziert Material für nächste Klongeneration dramatisch → Arbeitsersparnis 

▪ Knollen aus Samen und kultiviert in (kleinen) Töpfen nicht repräsentativ für Knollenbildung 

unter Feldbedingungen; objektive Selektionskriterien? (↑ visuelle Bonitur) 


22

1. Klon-Jahr 

• 1 Knolle der selektierten Sämlinge wird in „Gesundlage“ gepflanzt 

→ Selektion zwischen den verschieden Klonen z.T. am Laub, v.a. jedoch an Knollen 

Nach der Selektion im 1. Klon-Jahr ist der Großteil der ursprünglichen Variabilität bereits ausgeschieden 

(siehe Tab. 8.3, Caligari 1992); Effizienz der Selektionen in Sämlings- und 1. Klon-Generation 

wissenschaftlich sehr fraglich 

2. Klon-Jahr 

• 3-7 Pflanzen pro Klon in „Gesundlage“; Selektion hauptsächlich auf Basis visuelle Bonitur; 

→ Selektion etwas effizienter im Vergleich zu Sämlings- bzw. 1. Klon-Generation (� 

Diskussion Gesundlage vs. Hauptproduktionsgebiet) 

Alternative Nachkommenschaftsprüfung in frühen Generationen 

• Nachkommenschaftsprüfung � negative Selektion ganzer Familien vor Selektion innerhalb 

von Familien in nicht wiederholten Kleinparzellenversuchen (siehe Tab. 8.4, Caligari 1992) 


23

1. Klonjahr: Selektion zwischen single hills 2. Klonjahr: Selektion zwischen 12-hills 

(Einzelpflanzen aus minitubers) (pro A-Klon wurden 12 Knollen selektiert) 

Fotos: Michigan State University, Potato Breeding and Genetics Program 


24

Fotos: Grausgruber – fortgeschrittene Klonprüfung, NÖS, Meires (links); Wertprüfung AGES, Fuchsenbigl (rechts) 

4.-6. Klon-Jahr 

• Ertrags-, Qualitäts- und Lagerungsversuche � METs 

7.-9. Klon-Jahr 

• weitere mehrortige Prüfungen + amtliche Prüfungen (VCU, DUS) 


25


Sämlingsprüfung im Glasshaus: Pflanzen (oben) 

und Knollen (unten) 



26




27

Multi-trait recurrent selection 

Quelle: Bradshaw et al. (1999) 


28

� POPULATIONSZÜCHTUNG 

Verbesserung des genetischen Materials für standortangepasste Selektion � pre-breeding 

� TRUE POTATO SEED (TPS) 

Vorteil: meisten Krankheiten sind nicht samenbürtig; geringere Lagerkapazitäten für Saatgut 

Notwendig 

Nachteil: längere Vegetationsdauer bis Reife; Aufspaltung der Heterozygotie � keine für 

Sortenzulassung notwendige Uniformität erreichbar (� Selbstung der Eltern etc.) 

TPS Projekt des CIP (Centro Internacional de la Papa), Peru → Nutzung von männlicher Sterilität und 

Parthenogenese 

� HAPLOIDIEZÜCHTUNG 

▪ Kreuzungen mit S. phureja → bei ~4% keine doppelte Befruchtung; aus unbefruchteter Eizelle entwickelt 

Sich dennoch ein diploider Embryo/Sämling; Selektion durch (unsicheren) morphologischen Marker am 

Samen (Anthocyan-Fleck am Embryo), Flow-Cytometrie oder phänotypisch (schwacher Wuchs, helle Farbe) 

Nachteil: Blühfreudigkeit von S. phureja bedingt sehr gutes Ausgangsmaterial (Mutterknolle) → S. phureja nicht an Langtag- 

Bedingungen angepasst; Arbeitsaufwand (Kastration, Diploidie Nachweis); evt. S. phureja Erbmaterial vorhanden 


29

▪ Antherenkultur 

Nachteil: vom Genotyp abhängig; geringe 

absolute Ausbeute; Auftreten somaklonaler 

Variation 

Quelle: K. Hosaka 

Dihaploide Kartoffeln: kleinwüchsig; äussere Mängel (Knollenform, -oberfläche etc.); Letalgene (Albinos, 

nicht keimfähig); geringe Blühfreudigkeit; blühende Linien oft steril 

→ Interdihaploidiezüchtung; Wiederherstellung der tetraploiden Ploidiestufe durch Colchizin-Methode 

Monohaploide: entstehen aus Kreuzung Dihaploide � S. phureja; durch zweimalige Colchizin Behandlung 

könnten daraus komplett homozygote Kartoffeln erzeugt werden welche über TPS reproduziert werden 

könnten 


30

� NEOTUBEROSUM-ZÜCHTUNG 

Selektion adaptierter (Photoperiode, …) Klone aus Andigena Herkünften; � in 

der Folge Kreuzung mit Tuberosum 

� ERHALTUNGSZÜCHTUNG 

� In vitro Vermehrung, microtubers, 

minitubers, in vivo Propfung 

Minitubers Foto: Quantum Tubers Co. 

Andigena Herkünfte in Selektion an europäische Bedingungen 

Foto: SCRI 


31

� ERHALTUNGSZÜCHTUNG - VIRUSFREIMACHUNG 

Meristemkultur � In vitro Vermehrung � minitubers � Saatgutproduktion Feld 

Produktion von virusfreien Pflanzen durch Gewebekultur → Transfer der Gewebekulturpflanzen ins Gewächshaus → 

Produktion von virusfreien minitubers → Erhaltungsparzelle der virusfreien Sorte zur Produktion von Basissaatgut 

Fotos: Tops Potato Propagation Centre, Raphoe (Department of Agriculture, Food and the Marine, Ireland) 


32

� INTROGRESSION VON WILDARTEN 

Diversität in der Blattform Foto: SCRI 

Diversität in Knollenform und -farbe 

Foto: Brown Envelope Seeds 

Wichtige Resistenzquellen aus Wildarten (Bradshaw 2009) 

Qualitätsmerkmale aus Wildarten / Nahverwandten 

• verringertes Braunwerden → S. hjertingii 

• Geschmack → S. phureja 

• spez. Inhaltsstoffe (z.B. Carotinoide) 


33

Protoplasten 

� PROTOPLASTENFUSION 

Blatt schneiden 

Enzymbehandlung zur 

Auflösung der Zellwände 

Zellfusion 

Zellkernfusion 

Quelle: Billmann (2008) 

Chemische oder 

elektrische Stimuli 

viele interessante Wildarten (↑ Resistenz, Qualität) 

können auf Grund von Inkompatibilität nicht durch 

konventionelle Kreuzung genutzt werden 

→ gereinigte diploide Protoplasten werden über 

Elektrofusion miteinander zu einer tetraploiden 

Hybridzelle verschmolen (Fusionsrate ~60%) 

→ Mikrokalli 

→ Regeneration von Pflanzen (genotypabhängig) 

→ Ploidiebestimmung der Regenerate (↑ Flow 

Cytometrie); nur tetraploide werden selektiert 

Vorteil: Einsatz von Primärdihaploide und Interdihaploide 

unabhängig von Fertilitäts- oder Inkompatibilitätsproblemen; 

Integration nicht kreuzbarer Wildarten in das 

Zuchtprogramm; 


34

� TILLING 

• GBSS für Synthese von Amylose notwendig; EMS Mutagenese → Punktmutation 

→ amf (amylose free); Tilling: Verknüpfung Mutagenese mit DNA -Analyse- 

Verfahren, mit denen aus tausenden von mutagenisierten Pflanzen diejenigen 

herausgesucht werden, die Mutationen in einem gewünschten Gen aufweisen 

� GENTECHNIK (TRANSGENESIS) 

� Amflora (BASF) → Amylopektin-Kartoffel 

(↑ GBSS anti-sense) 

� Zeaxanthin-Kartoffel (Römer et al. 2002) 

��-Carotin+Lutein Kartoffel (Ducreux et al. 2005) 

Quelle: GMO safety (Zeaxanthin 

Kartoffel links; Ausgangssorte 

Baltica rechts) 

Quelle: Campbell (SCRI); 

Kartoffeln mit unterschiedlichen 

Carotinoidgehalt 


35

� CISGENESIS (www.cisgenesis.com) 

Quelle: Schouten (2006) 

Quelle: Rommens (2007) 


36

Quelle: Rommens (2008) 


37

Literatur: 

BASF Plant Science Company GmbH (2010) AMFLORA Amylopectin Potato EH92-527-1 User Guide. 

Billmann B (2008) Auswirkungen eines Verbots der Protoplastenfusion auf das Sortenspektrum im ökologischen Acker- und 

Gemüsebau. Forschungsinstitut für biologischen Landbau (FiBL), Frick. 

Bradshaw JE, Chapman IM, Dale MFB, Mackay GR, Solomon-Blackburn RM, Phillips MS, Stewart HE, Swan GEL, Todd D, Wilson RN 

(1999) Applied potato genetics and breeding: potato improvement by multitrait genotypic recurrent selection. Ann Rep 1998/1999, pp 

92-96. Scottish Crop Research Institute, Dundee. 

Bradshaw JE (2009) Improving the yield, processing quality and disease and pest resistance of potatoes by genotypic recurrent 

selection. 59. Tagung der Vereinigung der Pflanzenzüchter und Saatgutkaufleute Österreichs 2008, pp 43-46. LFZ Raumberg- 

Gumpenstein, Irdning. 

Caligari PDS (1992) Breeding new varieties. In: Harris P (ed), The potato crop, pp 334-372. Chapman & Hall, London. 

Clulow SA, McNicoll J, Bradshaw JE (1995) Producing commercially attractive, uniform true potato seed progenies : the influence of 

breeding scheme and parental genotype. Theoretical and Applied Genetics 90, 519-525. 

Ducreux LJM, Morris WL, Hedley PE, Shepherd T, Davies HV, Millam S, Taylor MA (2005) Metabolic engineering of high carotenoid 

potato tubers containing enhanced levels of �-carotene and lutein. Journal of Experimental Botany 56, 81-89. 

Hofvander P (2004) Production of amylopectin and high-amylose starch in separate potato genotypes. Acta Universitatis Agriculturae 

Sueciae, Agraria 495. Swedish University of Agricultural Sciences, Uppsala. 

Mackey GR (2003) Potato breeding at SCRI during the last quarter of the 20th century. Ann Rep 2001/2002, pp 83-92. Scottish Crop 

Research Institute, Dundee. 

Römer S, Lübeck J, Kauder F, Steiger S, Adomat C, Sandmann G (2002) Genetic engineering of a zeaxanthin-rich potato by antisense 

inactivation and co-suppression of carotenoid epoxidation. Metabolic Engineering 4, 263-272. 

Rommens CM (2007) Introgenic crop improvement: combining the benefits of traditional breeding and genetic engineering. Journal of 

Agricultural and Food Chemistry 55, 4281-4288. 

Rommens CM (2008) The need for professional guidelines in plant breeding. Trends in Plant Science 13, 261-263. 

Schouten HJ, Krens FA, Jacobsen E (2006) Cisgenic plants are similar to traditionally bred plants. EMBO Reports 7, 750-753. 

Schwarzfischer A, Song Y, Scholz H, Schwarzfischer J, Hepting L (2002) Haploidiezüchtung, Protoplastenfusion und Entwicklung von 

genetischen Markern zur gezielteren Sortenentwicklung bei Kartoffeln. Vorträge für Pflanzenzüchtung 54, 123-130. 


38

KARTOFFEL - IPP

Erfolgreiche ePaper selbst erstellen

Template löschen?

Als Template speichern?