Fine-mapping of the major locus for vicine and convicine in faba bean (Vicia faba L.) and application of the findings for winter faba bean breeding

Vorgelegt wird eine genetisch-züchterische Arbeit zu den antinutritiven Sameninhaltsstoffen Vicin und Convicin bei der Ackerbohne. Die Ackerbohne (Vicia faba L.) ist eine traditionelle Körnerleguminose der Alten Welt; Vicin und Convicin (VC) behindern die Verwendbarkeit dieser Kulturpflanze, da sie für Nicht-wiederkäuer wie z.B. Geflügel antinutritive Faktoren sind und zudem für Menschen mit einem geneti-schen Mangel des Enzyms Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase gefährlich sein können. Ein Ziel dieser Arbeit war es, neue DNA-Marker zu identifizieren, die mit dem genetischen VC-Status eng gekoppelt und daher züchterisch gut nutzbar sind. Außerdem sollte das Hauptgen für den genetischen Unterschied zwischen dem normalen (HVC) und dem genetisch sehr niedrigen (LVC) Gehalt an VC gefunden werden. Darüber hinaus war ein weiteres Ziel, erstmalig die genetisch sehr niedrigen VC-Gehalte des LVC-Typs in Winterackerbohnen zu realisieren. Es wurden zusätzlich mehrjährige Feldversuche durchgeführt, um zu prüfen, ob LVC-Ackerbohnen im Vergleich mit HVC-Ackerbohnen agronomisch feststellbare Nachteile aufweisen. In der Vergangenheit wurde über die fungistatische Wirkung von Vicin und Convicin berich-tet, die auf eine höhere Anfälligkeit der LVC-Typen für bodenbürtige Pilze schließen lässt. Da Wintera-ckerbohnen einen höheren Ertrag als Sommerackerbohnen haben, wurde hier die Züchtung einer ersten Winterackerbohnensorte mit niedrigem VC-Gehalt vorangetrieben. Da ein großer Teil der hier durchge-führten Forschung von der Verwendung nah-isogener Linien abhing, wurden solche Linienpaare herge-stellt und ihr Isogenitätsgrad analysiert. Dies war wichtig, um die Relevanz der erzielten Ergebnisse auf-zuzeigen. Das zentrale Arbeitspaket war die Feinkartierung des Hauptlokus für Vicin und Convicin. Zu diesem Zweck wurden zwei biparentale F2-Familien verwendet, die beide aus je einer Kreuzung von zwei nah-isogenen Linien hervorgingen, je ein Kreuzungspartner war dabei ein HVC-Typ, der andere ein LVC-Typ. Die jeweiligen Eltern dieser beiden Kreuzungen und andere eng verwandte Paare nah-isogener Linien wurden zur Durchführung von zwei verschiedenen Transkriptom-Sequenzierungstechniken (RNAseq und MACE) verwendet, deren Ergebnisse zur Entwicklung von 58 neuen, VC-assoziierten SNP-Markern ge-nutzt wurden. Die beiden oben erwähnten biparentalen F2-Familien wurden dann mit diesen 58 neuen und anderen Markern, die zuvor von anderen Arbeitsgruppen entwickelt worden waren, genotypisiert. Es wurden entsprechend genetische Karten erstellt. Phänotypischen Daten wurden für die anschließen-de Feinkartierung verwendet; diese Daten zum VC-Samengehalt der genotypisierten F2-Individuen wur-den aus HPLC-Analysen abgeleitet und für diese Feinkartierung verwendet. Es wurde schließlich eine vergleichsweise sehr kleine Kernregion für das VC-Gen (für den o.g. Hauptlokus) auf Chromosom 1 von Vicia faba von etwa 0.13 cM identifiziert. Darüber hinaus wurde auf Basis der Feinkartierung, mittels Syntenie zu Medicago truncatula und Cicer arietinum und unterstützt durch die früheren Ergebnisse der Gruppe Björnsdotter et al. (2021) das Kan-didatengen RIBA 1 als das ursächliche Gen für LVC vs. HVC identifiziert. Die am engsten mit diesem Gen gekoppelten Marker wurden an einer weiteren F2-Familie getestet, die noch nicht in den Analysen ent-halten war (diese F2-Familie entstand aus einer Kreuzung einer HVC-Winterbohnenlinie mit einer LVC-Sommerbohnenlinie). So wurden acht SNP-Marker identifiziert, die sich für die Züchtung von Wintera-ckerbohnen auf einen niedrigen VC-Gehalt eignen. Mit Hilfe dieser acht Marker wurden neue LVC-Winterbohnenlinien entwickelt und 2020 als Syn-0 und 2021 als Syn-1 angebaut, um sie als synthetische LVC-Zuchtpopulation oder als Sortenkandidaten zu etablieren. LVC- Sommerackerbohnen sind bereits gezüchtet worden. Angesichts des höheren Ertragspotenzials von Winterackerbohnen erscheint es vorteilhaft, einen LVC-Gehalt auch bei Winterackerbohnen zu etablieren. Es ist jedoch wichtig zu untersuchen, ob ein LVC-Gehalt unter Feldbedingungen Nachteile insbesondere für Winterackerbohnen haben könnte (die eine längere Vegetationsperiode haben), z. B. eine höhere Anfälligkeit für bodenbürtige Pilze. Dies führt unter anderem auch zur Betrachtung des VC-Gehalts in Wurzeln, d. h. in anderen Pflanzenorganen als Samen. Daher wurden spezielle Studien durch-geführt, die die agronomische Leistung von Ackerbohnen (sowohl Sommer-als auch Winterackerboh-nen) auf Leguminosen-müden Böden untersuchten, den VC-Gehalt in verschiedenen Pflanzenorganen betrachteten und die Beziehung zwischen dem VC-Typ im Saat-Samen und dem VC-Typ im geernteten Saatgut analysierten. Die Feldversuche, die zur Untersuchung der agronomischen Unterschiede zwischen LVC- und HVC-Ackerbohnen durchgeführt wurden, werden als Leguminosen-Müdigkeitsversuch 1 und 2 bezeichnet. Diese Versuche wurden auf einem Feldstück durchgeführt, auf dem zuvor mehrere Jahre lang eine Ackerbohnen-Monokultur angebaut worden war. Diese Monokultur führte zu einer Anreicherung von ackerbohnenspezifischen Bodenpathogenen. Der Leguminosen-Müdigkeitsversuch 1 wurde mit ver-schiedenen Ackerbohnenlinien und -sorten durchgeführt; insbesondere mit HVC und LVC-Typen sowie mit Linien, die einen normalen Tanningehalt in den Samenschalen aufwiesen oder genetisch Tannin-frei waren, sowie mit Winter- und Sommerackerbohnensorten. Die Ackerbohnenlinien und -sorten wurden hier hinsichtlich ihrer agronomischen Leistungen, insbesondere auf ihren Ertrag und ihre Ertragskompo-nenten, untersucht. Die Ergebnisse ließen keine Nachteile der LVC-Linien und -Sorten im Vergleich zu den HVC-Linien und -Sorten erkennen. Da die Frage der agronomischen Leistung von LVC-Ackerbohnen im Vergleich zu HVC-Ackerbohnen für die Züchtung und Empfehlung von LVC-Winter-Ackerbohnensorten sehr wichtig ist, wurde zusätzlich der Leguminosen-Müdigkeitsversuch 2 durchge-führt. Zu diesem Zweck wurden sehr nah-isogene Linienpaare, die sich innerhalb einer Paares haupt-sächlich in ihrem VC-Gehalt unterschieden, in derselben Parzelle wie der Leguminosen-Müdigkeitsversuch 1 angebaut. Diese nah-isogenen Linienpaare wurden in gleicher Weise auf agrono-mische Unterschiede untersucht wie die Linien und Sorten im Leguminosen-Müdigkeitsversuch 1. Auf-grund des sehr nah-isogenen Status dieser Paare sollten die festgestellten Leistungsunterschiede, so-fern vorhanden, nur auf die unterschiedliche VC-Genetik und den daraus resultierenden unterschiedli-chen VC-Status der Pflanzen zurückzuführen sein. Die Ergebnisse des Leguminosen-Müdigkeitsversuchs 2 zeigten jedoch ebenfalls keine signifikanten Ertragsunterschiede zwischen Ackerbohnenlinien mit HVC und LVC. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass LVC-Pflanzen im Vergleich zu HVC-Pflanzen in einer Feldsituation mit hohem Erregerdruck durch bodenbürtige Krankheitserreger offenbar keine Nachteile haben. Daher sollte die Züchtung von LVC-Winterackerbohnenlinien und -sorten nicht zu agronomi-schen Problemen führen, die durch den LVC-Status der Pflanzen verursacht werden. Zusätzlich wurden isogene Linien für Verteilungs- und Vererbungsstudien über VC verwendet, da es wichtig ist, mehr Erkenntnisse über das Merkmal VC-Gehalt zu gewinnen. Diese Untersuchungen erga-ben, dass der höchste VC-Gehalt in den Wurzeln der Ackerbohnen zu finden ist, verglichen mit Stängeln und Blättern und Blüten. Es zeigte sich außerdem, dass die Samen den gleichen VC Typ aufwiesen wie ihre jeweiligen Mutterpflanzen (d.h. LVC, HVC oder intermediär), was bestätigt, dass der VC-Gehalt der Samen mütterlicherseits bestimmt ist. Da die Kenntnis des tatsächlichen Isogenitätsgrades für die Bewertung der Qualität der oben beschrie-benen Ergebnisse wichtig war, konzentrierte sich ein Arbeitspaket darauf. Daher wurden alle im Projekt verwendeten nah-isogenen Linien in Zusammenarbeit mit O'Sullivan in Reading (UK) mit dem 50k Affy-metrix-Chip für Ackerbohnen genotypisiert. Innerhalb der nah-isogenen Paare wurden 34320 SNP-Marker analysiert und für die Analyse des Isogenitätsgrades verwendet. Die Ergebnisse dieser Berech-nungen zeigten ein sehr hohes Maß an Isogenität für alle getesteten nah-isogenen Paare (in absoluten Zahlen und im Vergleich zur erwarteten Isogenität auf der Grundlage des Pedigrees der getesteten Li-nien). Daraus lässt sich ableiten, dass die Schlussfolgerungen aus unseren Experimenten hinsichtlich der Unterschiede zwischen HVC- und LVC-Linien solide sind. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unsere Forschung zur agronomischen Leistung von LVC Acker-bohnen, die Entwicklung neuer Marker, die eng mit dem VC-Gen verbunden sind, und die Identifizierung des dafür verantwortlichen Gens sowie unsere ersten Ansätze zur Züchtung von LVC-Linien den Weg für die Züchtung von LVC-Winterackerbohnensorten geebnet haben.