HotPot – Entwicklung von Bio- und Molekularmarkern zur gezielten Züchtung hitzetoleranter Kartoffelsorten

Röntgenlicht ermöglicht den Blick in die Erde: Kartoffelknollen in unterschiedlichen Wachstums- phasen

Die Kartoffel ist eine etablierte Kulturpflanze mit hohem Ertragspotential und großer wirtschaftlicher Bedeutung für die deutsche Landwirtschaft und verarbeitende Industrie. Sie ist gemäß ihrer botanischen Herkunft eine Pflanze kühl-gemäßigter Klimaregionen. Dabei haben hohe Temperaturen generell einen negativen Einfluss auf die Pflanzenentwicklung. Das Projekt „HotPot“ des Fraunhofer EZRT in Zusammenarbeit mit der Friedrich-Alexander-Unviersität Erlangen-Nürnberg dient der Entwicklung molekularer und/oder Biomarker zur Züchtung von Industriekartoffelsorten mit verringerter Anfälligkeit für Durch- und Zwiewuchs und damit einhergehend einer vergrößerten Hitzetoleranz.

Im Laufe des Projekts werden verschiedene Kartoffelsorten, die sich in ihrer Antwort auf Hitzestress unterscheiden, umfassend phänotypisiert und auf verschiedenen Ebenen profiliert. Neben der Phänotypisierung bei Hitzestress unter Feldbedingungen wird durch die Anwendung von 3D-Röntgen-Computertomographie (CT) das Knollenwachstum nicht-invasiv in vivo unter kontrollierten Bedingungen visualisiert und damit eine präzise Leistungsvorhersage bei Hitzestress ermöglicht. Dies bildet die Voraussetzung für eine anschließende Korrelation von Genexpressions- und Metabolitmustern mit dem Knollenwachstum unter Hitzestressbedingungen. Mittels Transkriptom- und Metabolitanalysen werden transkriptionelle und metabolische Veränderungen charakterisiert, welche stabil mit der Antwort auf Hitzestress in den einzelnen Genotypen korrelieren.

Hitzereiz bringt negative Folgen für das Kartoffelwachstum mit sich. Die Knollen vieler Sorten stellen bei mehrtägigen Bodentemperaturen über 27 °C ihr Dickenwachstum ein. Meist kommt es so auch zu einer vorübergehenden Keimruhe. Laut aktuellen Schätzungen steigen die Jahresdurchschnittstemperaturen im Zeitraum von 2071 – 2100 um 1,5 – 3,5 °C gegenüber dem Vergleichszeitraum von 1961 – 1990. Mehrere Prognosen gehen davon aus, dass der Klimawandel in Deutschland zu Ertragseinbußen bei der Kartoffelernte von über 20 Prozent führt, wenn nicht sowohl durch züchterische als auch anbaupraktische Maßnahmen gegengesteuert wird.

Die genotypische und phänotypische Charakterisierung tetraploider Populationen von Kartoffelzuchtmaterial bildet eine reiche Informationsquelle für wissenschaftliche und praktische Fragestellungen. Mit den Ergebnissen können Prinzipien der Vererbbarkeit von Hitzetoleranz etabliert werden. Die Informationen und Bioinformatik-Werkzeuge, die aus dem Projekt gewonnen werden, können auf andere Kartoffelpopulationen übertragen werden und sind besonders nützlich für die Analyse von ex situ Genbanken, in denen phänotypische Evaluierung ein limitierender Faktor ist. Das Projekt dient der Aufklärung der molekularen und physiologischen Mechanismen, welche der kontrastierenden Hitzestressantwort verschiedener Kartoffelgenotypen zugrunde liegen. Es kombiniert erstmalig biochemische und genomische Ansätze mit nicht-invasiven Phänotypisierungstechnologien, um die molekularen Grundlagen der Hitzestressantwort in der Kartoffel aufzuklären. Diagnostische Marker für Hitzestresstoleranz, die im Laufe des Projekts entwickelt werden, können genutzt werden, um natürliche Populationen von wilden, knollentragenden Arten zu charakterisieren. Die Möglichkeit zur nicht invasiven Leistungsvorhersage von Kulturpflanzen stellt eine wichtige neue Technologie in der Pflanzenzüchtung dar. Die Teilnahme am Projekt ermöglicht dem Fraunhofer EZRT, Bildprozessierungs- und Evaluierungsalgorithmen zur Volumenbestimmung pflanzlicher Organe in ihrer natürlichen Umgebung zu entwickeln. Diese sollten sich auf eine Reihe von Pflanzen und züchterischen Fragestellungen anwenden lassen und damit neue Forschungsfelder und Marktsegmente eröffnen.

Der Einsatz der im Projekt entwickelten Bio- und molekularen Marker in aktuellen Zuchtprogrammen wird mit einem Zeithorizont von 10-15 Jahren nach Ende des Projektes zu einer substantiellen Verbesserung der Hitzestresstoleranz im Sortenspektrum führen. Damit lassen sich die jahresabhängig, besonders unter Frühsommerhitze auftretenden erheblichen Ausfälle in der Kartoffelproduktion Mitteleuropas reduzieren. Darüber hinaus sind solche Genotypen bestens geeignet, neue Märkte, insbesondere in Osteuropa, mit kontinentalen Klimaten und regelmäßig auftretenden Hitzeperioden, mit modernen, leistungsfähigen Sorten zu versorgen.