Zuckerrohr, eine wichtige weltweite Nahrungs- und Bioenergiepflanze, macht etwa 80 % der weltweiten Zuckerproduktion aus, wobei der größte Anbau in Brasilien und Indien stattfindet. Da sie nach Produktionswert und Anbaufläche die fünftgrößte Nutzpflanze ist, stellt sie aufgrund ihres komplexen polyploiden Genoms, das aus interspezifischer Hybridisierung stammt, besondere Herausforderungen bei der Zucht dar.
Aktuelle Züchtungsmethoden für Zuckerrohr, die einen langwierigen, mehrstufigen Selektionsprozess von 10 bis 12 Jahren umfassen, haben im Vergleich zu anderen wichtigen Nutzpflanzen zu langsameren Ertragssteigerungen geführt. Zu den Haupthindernissen im Züchtungsprozess gehören der verlängerte Zyklus, die schwierige Phänotypisierung aufgrund der großen Biomasse und die begrenzte Vererbbarkeit entscheidender Merkmale.
Diese Probleme, insbesondere die logistischen Herausforderungen bei der genauen Phänotypisierung, haben genetische Fortschritte behindert. Die Beseitigung dieser Einschränkungen, insbesondere durch die Entwicklung effizienter Hochdurchsatz-Phänotypisierungsmethoden, stellt eine entscheidende Forschungsmöglichkeit dar, um die Zuckerrohrzüchtung zu verbessern und Ertragssteigerungen zu beschleunigen.
Im Juli 2023, Pflanzenphänomik veröffentlichte einen perspektivischen Artikel mit dem Titel „Um die Züchtung im Zuckerrohranbau anzukurbeln, ist ein kombinierter Ansatz aus Genomik und Phänomik erforderlich.“
Dieser Artikel weist auf die langsame Verbesserung der Zuckerrohrerträge durch traditionelle Züchtungsmethoden hin, die in den letzten 30 Jahren zu einer Verlagerung hin zur molekularmarkergestützten Selektion (MAS) geführt hat. Dieser Übergang ist durch die Entwicklung von Zuckerrohr-DNA-Markersystemen gekennzeichnet, die von Hybridisierungs-basierten zu DNA-Sequenz-abgeleiteten Einzelnukleotid-Polymorphismus-Markern (SNP) übergehen, was durch Fortschritte bei Sequenzierungstechnologien der nächsten Generation ermöglicht wird.
Die genomische Selektion (GS), eine Methode, die eine große Anzahl merkmalsbezogener DNA-Marker zur Profilierung des gesamten Genoms verwendet, hat sich als effektiverer Ansatz zur Abschätzung des genetischen Werts von Zuckerrohrklonen erwiesen.
Studien haben gezeigt, dass GS herkömmlichen Selektionsmethoden bei der Verbesserung des Zuckerrohrertrags, des Zuckergehalts und der Krankheitsresistenz überlegen ist. Die Implementierung von GS in der Zuckerrohrzüchtung setzt jedoch eine regelmäßige und genaue Phänotypisierung verschiedener Genotypen voraus. Dieser Bedarf wird durch die Komplexität der Eigenschaften von Zuckerrohr, wie Ertrag und Zuckergehalt, bestimmt, die durch nicht-additive genetische Effekte beeinflusst werden.
Die Hochdurchsatz-Phänomik, die eine umfassende Datenerfassung zum Pflanzenwachstum und zur Pflanzenentwicklung umfasst, wird als Lösung zur Steigerung der Effizienz und Reduzierung der Kosten für die Erstellung zuverlässiger GS-Trainingssätze und phänotypischer Daten angesehen. Parallel dazu gab es erhebliche Fortschritte bei der sensorbasierten Phänotypisierung, obwohl sich ihre Anwendung in der kommerziellen Pflanzenzüchtung noch in der Entwicklung befindet.
Bei anderen Nutzpflanzen wie Getreide war die Phänomik von entscheidender Bedeutung für das Verständnis komplexer physiologischer Aspekte und die Entwicklung von Ertragsvorhersagemodellen unter Verwendung indirekter Merkmale. Auch bei Zuckerrohr erweist sich die Hochdurchsatz-Phänotypisierung von Merkmalen wie der Entwicklung des Blätterdachs und dem Stickstoffgehalt der Blätter als wertvoll für die Ertragsvorhersage und Züchtung.
Die Eignung von Zuckerrohr für die Feldphänomenforschung bietet aufgrund seiner großen Biomasse und der damit verbundenen Umweltherausforderungen einzigartige Möglichkeiten. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Nutzung indirekter Ertragsmerkmale wie der Temperatur des Blätterdachs das Potenzial hat, die Klonselektion zu verbessern.
Insgesamt schreitet die Integration von Genomik, Phänomik und Pflanzenmodellierung in der Zuckerrohrzüchtung voran, wobei GS und Hochdurchsatz-Phänomik auf dem besten Weg sind, zu Kernkomponenten des Züchtungsprozesses in führenden Zuckerrohrindustrien zu werden.
Diese Integration verspricht, die Zuckerrohrzüchtung zu verändern, ähnlich wie die Fortschritte, die bei Nutzpflanzen wie dürretolerantem Mais zu beobachten sind, und dadurch den genetischen Gewinn und die Erträge zu steigern.
Mehr Informationen:
Ting Luo et al, „Ein kombinierter Ansatz aus Genomik und Phänomik ist erforderlich, um die Züchtung im Zuckerrohr zu fördern“, Pflanzenphänomik (2023). DOI: 10.34133/plantphenomics.0074