Reaktion alter Getreidesorten auf den CO2-Düngeeffekt

Reaktionen alter
und neuer Getreide
auf den CO 2 -Düngeeffekt
Dr. Jürgen Franzaring, Dr. Ingo Holz,
Prof. Dr. Andreas Fangmeier
Institut für Landschafts- und Pflanzenökologie
August von Hartmann Str. 3, 70599 Stuttgart
Danksagung: Das Forschungsprojekt wurde finanziell gefördert durch die Stoll Vita Stiftung, Waldshut-Tiengen

Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
Warum sind alte Getreidesorten (wieder) interessant ?
• Mit der modernen Züchtung sind in den letzten 100 Jahren viele Landsorten verschwunden
(Schwund von PGR), jedoch zeichnen sich moderne Hochleistungssorten durch eine
homogenere genetische Basis und spezifische Allelle (z.B. Rht Gene, verringerte Lagerbildung)
aus, die positiven Einfluss auf die Erträge und die Grüne Revolution hatten
• Die Nutzung nur weniger Kreuzungslinien bei der Weiterentwicklung der Hochleistungssorten
(bottleneck formation) kann zum Verlust von Resistenzen führen (z.B. gegen Trockenheit) und
es gibt Hinweise auf eine veränderte Qualität (s.u. zur negativen Beziehung zwischen Erträgen
und Proteinkonzentrationen)
• Veränderte Ansprüche der Konsumenten (z.B. Nachfrage nach Dinkel, low carb Diäten,
Glutenarme Produkte) und die an den Klimawandel angepasste Züchtung erforden die
Berücksichtigung auch der alten genetischen Ressourcen (es gibt zwar auch GMO-Ansätze zur
qualitätsbezogenen Anpassung der Sorten, diese werden in vielen Ländern aber von der
Bevölkerung abgelehnt)
Ertragssteigerungen sind nicht unbedingt mehr das primäre Züchtungsziel.
Erhalt, Vermarktung und Weiterentwicklung spezieller Landsorten können ggf.
Landwirten, Züchtern und der Nahrungsmittelindustrie neue Perspektiven
eröffnen. Probleme: Verfügbarkeit, Sortenschutzrecht, Anbaugenehmigungen

Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
Veränderungen des Klimas, der N-Düngung und des Sortenspektrums

Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
Erträge, Proteingehalte und Phänologie
• Hauptgrund für die Ertragssteigerungen: bessere
Anbaubedingungen und erhöhter Düngereinsatz.
• Pflanzenzüchtung hatte ebenfalls Anteil an der Ertragssteigerung;
allerdings würde eine Hochleistungssorte bei damaliger (low-input)
Anbaupraxis nicht mehr Ertrag erbringen als eine alte Landsorte (s.
Daten aus Exaktversuch von Austin et al. (1980)

Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
Erträge, Proteingehalte und Phänologie
• Hauptgrund für die Ertragssteigerungen: bessere
Anbaubedingungen und erhöhter Düngereinsatz.
• Pflanzenzüchtung hatte ebenfalls Anteil an der Ertragssteigerung;
allerdings würde eine Hochleistungssorte bei damaliger (low-input)
Anbaupraxis nicht mehr Ertrag erbringen als eine alte Landsorte (s.
Daten aus Exaktversuch von Austin et al. (1980)
• Schöner Exaktversuch: Nachweis von Ertragssteigerungen beim
WW durch Ahlemeyer & Friedt (2011). Kein Hinweis auf das
Erreichen eines genetischen Limits.
• Ertragsstagnation seit den 1990er geht vor allem auf klimatische
Bedingungen zurück (Graybosch & Peterson 2010; Brisson et al.
2010; Oury et al. 2012); aber auch der verringerte N-Einsatz und
eine veränderte Bodenbearbeitung scheinen eine Rolle zu spielen.
Verringerter Ressourceneinsatz könnte alten Sorten wieder eine
größere Bedeutung zukommen lassen.

Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
Erträge, Proteingehalte und Phänologie
• Proteingehalt konnte seit den 1960er gesteigert werden, stagniert
aber ebenfalls
• Einer der Gründe: negative Beziehungen zwischen Ertrag und
Kornprotein der Hochleistungssorten, s. Triboi ( 2006) und Fossati
et al. (2010). “Züchtungsdilemma” laut Morris & Sands (2006)
Gerste
Weizen
Roggen
• Gegenwärtig gibt es Bemühungen, diese negative Korrelation zu
durchbrechen und die Inhaltsstoffe anzupassen (Biofortification);
Beispiele: HEALTHGRIAN Initiative, QUALIEMMER oder
Hybridzüchtung (ohne Gentechnik) von Tritordeum

Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
Erträge, Proteingehalte und Phänologie
• Phänologische Untersuchungen zeigen, dass Winterweizen immer
früher in das Blütestadium gelangt.
• Dies liegt zum Teil an den wärmeren Frühlingen, aber auch die
Züchtung hat hierzu beigetragen. Mit der Einkürzung der Sorten (rht
Gene) ist eine schnellere Entwicklung einhergegangen, die
ihrerseits zu einer Verkürzung der Kornfüllungsphase geführt hat.
• Verkürzte Kornfüllungsphase kann sich negativ auf die Qualität
(Proteine, Mineralstoffdichte) auswirken.
• Viele Hinweise auf historische Verringerung der N- und Mineralstoffdichte:
Guarda et al. (2004), Garvin et al. (2006), Ming Sheng Fan
et al. (2008), Albeledo (2008), Murphy et al (2008), Davis (2009),
Zhao et al. (2009), Sadras & Lawson (2013).
• Verringerung der Phenolkonzentrationen (Dinelli et al. 2011), aber
kein Hinweis auf eine allgemeine, züchtungsbedingte Reduktion der
bioaktiven Stoffe im EU HEALTHGRAIN Projekt (Shewry et al.
2011). Hinweise auf “ungesunde” moderne Sorten, die Zöliakie
fördern: Morris & Sands (2006)
• Methodische Probleme bei Vegleichen von historischen
Nährstoffkonzentrationen: Höhn & Künsch (2004): Unterschiede in
der Analytik. Am besten eignen sich Exaktversuche, in denen alte
und neue Sorten gemeinsam angebaut werden.

Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
Warum untersucht man den CO 2 -Düngeeffekt ?
• Veränderungen der CO 2 -Konzentration hatten Effekte auf die Biogeochemie und den globalen
Wasserkreislauf, die Evolution von Pflanzen (C3 – C4) und die Produktivität, siehe “CO 2 -
limitation-hypothesis” (Sage 1995; Cuniff et al. 2010)
• Experimente in Klimakammern und Freilanduntersuchungen (FACE) zeigen, dass die Erträge
von Kulturpflanzen um 0.1% pro ppm [CO 2 ] steigen. Gleichzeitig steigt die Wassernutzungseffizienz
(WUE)
• Es gab versteckte CO 2 - Effekte bei dem massiven Ertragsanstieg des 20. Jahrhunderts, aber
andere Ursachen waren bedeutender (s.o.)
• CO 2 -Anreicherungsexperimente zeigen eine Verringerung der N-Konzentrationen in Blättern
und im Korn (nachteilige Qualitätsveränderungen, z.B. Pleijel & Uddling 2012). Gründe hierfür
sind die verringerte Konzentration der Rubisco, ein verringerter N-Transport wegen der
reduzierten Transpiration und enzymatische Veränderungen bei der Nitratassimilation.
Steigende CO 2 -Konzentrationen können die negative Beziehung
zwischen N-Konzentration und Ertrag über veränderte NUE beeinflussen.
Veränderte C:N Relationen können zur progressiven N-Limitation in den
Ökosystemen und der Abnahme der Mineralstoffdichte führen

Korn-N-Konzentration (N mg g -1 TM)
Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
Die inverse Beziehung zwischen Ertrag und Kornprotein (Triboi et al. 2006)
Pflanzenzüchtung: erhöhte Erträge und Ernteindex:
Verringerung der N-Konzentration von 1 mg g -1 pro dt-Anstieg
Wachstumsverdünnung
Ertrag (dt ha -1 )

Korn-N-Konzentration (N mg g -1 TM)
Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
Die inverse Beziehung zwischen Ertrag und Kornprotein (Triboi et al. 2006)
Hohe Temperaturen und Wassermangel verschieben diese Relation
Pflanzenzüchtung: erhöhte Erträge und Ernteindex:
Verringerung der N-Konzentration von 1 mg g -1 pro dt-Anstieg
Wachstumsverdünnung
Ertrag (dt ha -1 )

Korn-N-Konzentration (N mg g -1 TM)
Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
Die inverse Beziehung zwischen Ertrag und Kornprotein (Triboi et al. 2006)
Hohe Temperaturen und Wassermangel verschieben diese Relation
Pflanzenzüchtung: erhöhte Erträge und Ernteindex:
Verringerung der N-Konzentration von 1 mg g -1 pro dt-Anstieg
Wachstumsverdünnung
Hohe Strahlung und der CO 2 -Düngeefekt führen
zur Veränderung der Ertrags-Qualitäts-Relation
Ertrag (dt ha -1 )

Korn-N-Konzentration (N mg g -1 TM)
Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
Die inverse Beziehung zwischen Ertrag und Kornprotein (Triboi et al. 2006)
Die Pflanzenzüchtung hat erkannt, dass der CO 2 -Düngeeffekt bei der Entwicklung neuer
Sorten u.U. relevant ist. Beispiel Ziska et al. (2012) und BMELV-Projekt zur züchterischen
Optimierung des CO 2 -Düngeeffektes“bei Gerste (Mitterbauer et al. 2013)
Hohe Temperaturen und Wassermangel verschieben diese Relation
Pflanzenzüchtung: erhöhte Erträge und Ernteindex:
Verringerung der N-Konzentration von 1 mg g -1 pro dt-Anstieg
Wachstumsverdünnung
Hohe Strahlung und der CO 2 -Düngeefekt führen
zur Veränderung der Ertrags-Qualitäts-Relation
Ertrag (dt ha -1 )

Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
Gibt es Getreide, welche unter dem CO 2 -Düngeeffekt höhere Erträge bei
gleichbleibender Qualität aufweisen ?
• Manderscheid & Weigel (1997) und Ziska (2004) zeigten, dass alte Weizensorten einen
stärkeren Ertragszuwachs (CO 2 ) als moderne Sorten zeigen, was auf eine Selektion der
Getreide vorwiegend auf die Kohlenstoffassimilation hindeutet
• Die positive Antwort auf die CO 2 Anreicherung ist wohl nicht auf die allmählich ansteigenden
Konzentrationen zurückzuführen, sondern hat mit der gezielten Förderung von Eigenschaften
zu tun, die eine hohe Produktivität ermöglichen (Einkürzung, frühe Reife, hoher HI)
• Uprety et al. (2009) und Sinha et al. (2009) zeigten, dass CO 2 höher in hexaploidem
Weizen als in tetraploidem Emmer oder diploidem Einkorn ist. Dies wird auch von Poorter
(1998) postuliert, wonach Arten mit hoher Wachstumsrate (RGR) stärker auf eine CO 2
Anreicherung reagieren
Ziel unserer Arbeit war es, eine Reihe alter und moderner Getreide auf den
CO 2 -Düngeefekt zu testen und herauszufinden, welche Eigenschaften für
höhere CO 2 verantwortlich sind. Ferner interessierte uns, ob es
“Korrelationsbrecher” der inversen Ertrags-Protein-Beziehung gibt

Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
Wie wurden die Experimente durchgeführt ?
• Sechs voll programmierbare Vötsch Klimakammern
wurden genutzt, um eine typische Vegetationsperiode
zu simulieren (15. März bis 15 August, Standardklima
1991-2005)
• CO 2 -Behandlungen 380 und 550 ppm, wöchentliche
Randomisierung zwischen den Kammern
• Containerstudie mit zwei Pflanzen pro Gefäss
simulierte normale Pflanzendichte (240 pro m 2 )
• N-Düngung aller Gefässe mit 200 kg ha -1
• 32 Getreide (drei Wiederholungen pro Behandlung)
von 13 Arten wurden genutzt. Phänololgie,
Seneszenz, Länge, Allokation sowie Asche- und N-
Konzentration wurden untersucht

Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
Auswahl der Arten bzw. Akzessionen
• Übersicht auf Weizenvorläufer
• und in rot die Arten, die im Experiment
benutzt wurden
• Ausserdem: Gerste und Roggen
• Die meisten Akzessionen stammten von
der IPK Genbank aus Gatersleben, von
Pflanzenzüchtern und dem Dreschflegel
e.V.
• Bei den vier Arten Weizen, Dinkel, Gerste
und Roggen waren Informationen zum
Zulassungsjahr bzw. „Alter“ vorhanden.

Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
Nr. Abbreviation Winter or Species Name Common name and cultivar Year Source, Accession nr.
spring form (scientific) of release
1 TRISPELT W Triticum spelta L. Spelt w heat, Bauländer Spelz 1958 ZG Raiffeisen Oberdielbach
2 TRISPELT W Triticum spelta L. Spelt w heat, Badenkrone 2011 ZG Raiffeisen Oberdielbach
3 TRISPELT W Triticum spelta L. White husked spelt w heat from Hohenheim 1945 IPK Gatersleben, TRI 1783
4 TRISPELT W Triticum spelta L. White spelt w heat 1885 IPK Gatersleben, TRI 1594
5 TRISPELT W Triticum spelta L. Spelt w heat, Rottw eiler 1945 IPK Gatersleben, TRI 7034
6 AEGEN W Aegilops geniculata Roth Ovate goat Grass IPK Gatersleben, AE 305
7 AETAU W Aegilops tauschii Coss. Tausch´s Goat Grass IPK Gatersleben, AE 594
8 TRIMONO W Triticum monococcum L. Einkorn from the Black Forest IPK Gatersleben, TRI 19304
9 TRIMONO W Triticum monococcum L. Wild einkorn from Weihenstephan IPK Gatersleben, TRI 19380
10 SECALE S Secale cereale L. Spring rye, Petkuser 1900 IPK Gatersleben, R 2319
11 TRIPETRO S Triticum petropavlovskii Petropavlovsk Wheat Dreschflegel e.V.
12 SECALE S Secale cereale L. Spring rye, Arantes 2005 KWS Lochow
13 TRITURG S Triticum turgidum plinarum Magic w heat Dreschflegel e.V.
14 HORDEUM S Hordeum vulgare L. Barley, Proctor 1952 PBI
15 HORDEUM S Hordeum vulgare L. Barley, Pallas 1961 Svalöf
16 HORDEUM S Hordeum vulgare L. Barley, Aura 1975 Breun
17 HORDEUM S Hordeum vulgare L. Barley, Amazone 1986 Breun
18 HORDEUM S Hordeum vulgare L. Barley, Orthega 1996 v. Lochow
19 HORDEUM S Hordeum vulgare L. Braley, Mauritia 2004 KWS Lochow
20 TRIAEST S Triticum aestivum L. Spring w heat, Nordost Sommerw eizen 1930 IPK Gatersleben, TRI 771
21 TRIAEST S Triticum aestivum L. Spring w heat, Kittnauer Sommerw eizen 1949 IPK Gatersleben, TRI 804
22 TRIAEST S Triticum aestivum L. Spring w heat, Strubes Fortschritt 1955 IPK Gatersleben, TRI 25368
23 TRIAEST S Triticum aestivum L. Spring w heat, Heines Kolben 1871 IPK Gatersleben, TRI 3404
24 TRIAEST S Triticum aestivum L. Spring w heat, Anemos 1996 Strube Saatzucht GmbH & Co. KG
25 TRIAEST S Triticum aestivum L. Spring w heat, Ethos 2007 Strube Saatzucht GmbH & Co. KG
26 TRIAEST S Triticum aestivum L. Spring w heat, Roter Schlanstedter 1890 IPK Gatersleben, TRI 2998
27 TRITURA S Triticum turanicum Jakubz Khorasan Wheat IPK Gatersleben, TRI 909
28 TRIDI S Triticum dicoccon Schrank Brow n spring emmer IPK Gatersleben, TRI 3423
29 TRIDI S Triticum dicoccon Schrank White spoonlike emmer IPK Gatersleben, TRI 2881
30 TRIDUR S Triticum durum Durum w heat, Duro IPK Gatersleben, TRI 873
31 TRICOMP S Triticum compactum Compressed w heat, Binkel Bot. Garden University of Hohenheim
32 TRITURG S Triticum turgidum polonicum Polish w heat, Gommer Bot. Garden University of Hohenheim

Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
Überblick
• Schossen (DC49/50) war
in 3 Dinkelsorten und in
1 Gerste verfrüht
• Späteres Schossen bei
Schaumlöffelemmer (29)
und Gommer (32)
• Höhere Pflanzenlänge
bei 50% der Getreide
• Frühere Seneszenz bei
22% der Getreide
• Höhere Sprossmasse bei
91% der Getreide
• Höherer Ertrag
(Samenmasse) bei 66%
der Getreide
• Verringerte Asche- und
N-Konzentration in 22%
der Getreide

Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
Sommergerste
49 TNA

Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
Sommergerste
77 TNA

Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
Sommergerste
105 TNA

Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
Sommergerste
133 TNA

Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
Entwicklung der Pflanzenlänge
bei CO 2 -Konzentrationen von
380 ppm (○) und 550 ppm (●)
Jeder Punkt für die Akzessionen
1 bis 32 stellt den Mittelwert über
drei Wiederholungen dar. “DAS”
= days after sowing.
Am Tag 112 wurden bei 50% der
Akzessionen signifikante
Behandlungsunterschiede
festgestellt.

Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
Entwicklung der Seneszenz
(SPAD-Werte) bei CO 2 -
Konzentrationen von 380 ppm
(○) und 550 ppm (●)
Jeder Punkt für die Akzessionen
1 bis 32 stellt den Mittelwert über
drei Wiederholungen dar. “DAS”
= days after sowing.
Am Tag 112 wurde bei 6
Akzessionen eine signifikante
Beschleunigung der Seneszenz
unter erhöhtem CO 2 festgestellt,
bei 3 (p=0.015), 14 (p=0.031), 21
(p=0.075), 25 (p=0.076), 26
(p=0.087) and 31 (p=0.048).

Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
Pflanzenlänge (cm) Blühbeginn (TNV) Ernteindex (HI) Samenmasse ( g Topf -1 )
Zulassungsjahr

Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
CO 2 alter und moderner Sorten
Ertrag bei 550 ppm im Vergleich zu 380 ppm CO 2
• Bei Weizenerträgen gab es in unserer
Untersuchung keinen Unterschied der “CO 2 -
Antwort” zwischen alten und neuen Sorten
• Bei Gerstesorten, die zwischen1952 and 1996
zugelassen wurden, zeigte sich aber eine
Abnahme der CO 2 -Antwort, d.h. moderne
Sorten reagieren weniger stark auf die CO 2 -
Erhöhung als alte. Die modernste Sorte aus
2004 (“Maurita”) zeigte aber eine sehr starke
Reaktion auf den CO 2 -Düngeeffekt.
Weizen
Gerste
Jahr der Zulassung

Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
CO 2 alter und moderner Sorten
Ertrag bei 550 ppm im Vergleich zu 380 ppm CO 2
• Bei Weizenerträgen gab es in unserer
Untersuchung keinen Unterschied der “CO 2 -
Antwort” zwischen alten und neuen Sorten
• Bei Gerstesorten, die zwischen1952 and 1996
zugelassen wurden, zeigte sich aber eine
Abnahme der CO 2 -Antwort, d.h. moderne
Sorten reagieren weniger stark auf die CO 2 -
Erhöhung als alte. Die modernste Sorte aus
2004 (“Maurita”) zeigte aber eine sehr starke
Reaktion auf den CO 2 -Düngeeffekt.
• Unsere Weizen-Resultate widersprechen
Manderscheid & Weigel (1997) und Ziska
(2004), wobei deren Untersuchungen bei viel
höheren CO 2 -Konzentrationen und einer sehr
hohen Nährstoffversorgung gemacht wurden,
so dass CO 2 evtl. überschätzt wurde. Bei
Gerste wurde die These bestätigt.
Jahr der Zulassung

Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
Änderungen der Ertrags-Qualitäts-Relationen durch den CO 2 -Düngeeffekt
• Die Aschenkonzentration
(Mineralstoffdichte) war bei produktiven
Arten geringer als bei den weniger
produktiven alten Arten und Sorten

Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
Änderungen der Ertrags-Qualitäts-Relationen durch den CO 2 -Düngeeffekt
• Die Aschenkonzentration
(Mineralstoffdichte) war bei produktiven
Arten geringer als bei den weniger
produktiven alten Arten und Sorten
• Der CO 2 -Düngeeffekt ließ sich an einer
weiteren Verringerung der Mineralstoffdichte
erkennen. Dabei gab es große
Unterschiede zwischen den Arten / Sorten
• Emmer und Turanischer Weizen zeigten
unter CO 2 -Erhöhung keine Abnahme der
Aschekonzentrationen (aber auch keine
Erhöhung der Samenmasse)
• Petropavlovsker Weizen zeigte sowohl
höhere Erträge als auch eine höhere
Rohaschekonzentration

Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
Änderungen der Ertrags-Qualitäts-Relationen durch den CO 2 -Düngeeffekt
• Auch die Stickstoffkonzentration
(Rohprotein) war bei den produktiven Arten
geringer als bei den weniger produktiven
alten Arten und Sorten

Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
Änderungen der Ertrags-Qualitäts-Relationen durch den CO 2 -Düngeeffekt
• Auch die Stickstoffkonzentration
(Rohprotein) war bei den produktiven Arten
geringer als bei den weniger produktiven
alten Arten und Sorten
• Der CO 2 -Düngeeffekt ließ sich an einer
weiteren Verringerung der N-Konzentration
im Samen erkennen. Dabei gab es gewisse
Unterschiede zwischen den Arten / Sorten
• Bei einigen alten Arten (Emmer, Turanischer
Weizen und Petropavlovsker Weizen) zeigte
sich unter CO 2 -Erhöhung nur eine geringe
Abnahme der N-Konzentrationen

Hintergrund Material und Methoden Ergebnisse Ausblick
• Sortenversuche unter kontrollierten Klimabedingungen z.B. in Klimaklammern sind nützlich, um die
Reaktionen verschiedener Genotypen auf den Klimawandel, Trockenstress und den CO 2 -
Düngeeffekt zu untersuchen. Dabei kann man zukünftige Klimabedingungen simulieren und die
Reaktionen (Ertragsbildung und Qualität) von Kulturpflanzen unter mehr oder weniger realistischen
Bedingungen schon heute untersuchen
• Nach dem screening vieler Genotypen unter kontrollierten Bedingungen sollten interessante
Genotypen in Freilandstudien zur eingehenden Ideotypisierung untersucht werden. Dabei kann die
FACE-Technologie (free air CO 2- enrichment) eingesetzt werden. Empfehlungen laut ESF (2009),
CSSA (2011) und EASAC (2011)
• Alte genetische Ressourcen können wertvolles Material für die moderne Züchtung sein und bei der
Anpassung der Kulturpflanzen an den Klimawandel und für die Erhöhung der pflanzlichen Qualität
herangezogen werden

Zitierte Literatur
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