Moderne Methoden der Apfelzüchtung

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Bettina Gleichauf, Teresa Koller, Kaspar Hunziker, Brion Duffy, Jürg Frey und Markus Kellerhals Forschungsanstalt Agroscope Changins-Wädenswil, ACW markus.kellerhals@acw.admin.ch

Die Zuchtziele Fruchtqualität, Produktivität und Krank- heitsresistenz sind seit Jahren bestimmend und werden mit der klassischen Kreuzung zweier Elternsorten er- reicht. Die aufwändigste Aufgabe der Züchtung ist die Auslese der interessantesten Nachkommen (Abb. 1). Da- bei setzt ACW neben klassischen auch moderne molekulare Methoden ein. Man spricht von «Smart Breeding»

(Smart =Selection withmarkers andadvancedrepro-

ductivetechnologies, d.h. Züchtung mit Markern und modernen Züchtungsmethoden). Dabei werden, zu- sätzlich zur klassischen Auslese, die Nachkommen nicht mehr nur nach ihrem Phänotyp (von Auge erkennbares Erscheinungsbild) ausgewählt, sondern auch nach ihrem Genotyp (den charakteristischen Erbanlagen). Bei den Nachkommen kann schon kurz nach der Aussaat Blattmaterial entnommen werden. Daraus wird die DNA extrahiert, um anschliessend mit spezifischen molekularen Markern zu prüfen, ob die erwünschten Gene in den einzelnen Nachkommen vorhanden sind. Dabei geht es vor allem um Resistenzgene gegen Schorf, Mehl- tau und Feuerbrand.

Moderne Methoden der Apfelzüchtung

Die Züchtung neuer Sorten ist eine stete Herausforderung. Bis vor ein paar Jahren standen neben hoher Fruchtqualität und guter Produktivität vor allem die Resistenz gegen Schorf und Mehltau im Vordergrund der Apfelzüchtung an der Forschungsanstalt Agroscope Changins-Wädenswil ACW.

Dies sind auch heute noch wichtige Zuchtziele, hinzugekommen ist seit rund fünf Jahren das Zuchtziel Feuerbrandtoleranz. In verschiedenen national und international vernetzten Projekten wird versucht, die hochgesteckten Ziele zu erreichen. Wo steht die Apfelzüchtung und welche Methoden werden eingesetzt, um das Ziel der Feuerbrandtoleranz und der dauerhaften Schorfresistenz zu erreichen?

Auswahl der Elternsorten, den Zuchtzielen entsprechend Markeranalyse bei den Elternsorten

Endgültige Auswahl der Eltern Kreuzung

Evtl. Markeranalyse der Sämlinge

Veredlung Stufe 1: 1 Baum auf M27

Selektion der Zuchtnummern auf Krankheitsanfälligkeit,

siehe Stufe 1 erste Lagerversuche

siehe Stufe 1 Lagerversuche, Degustationen 1

2+3

4 5-8

8-12

10-17

14-20

Lagerversuche, Konsumentendegustationen und Verkaufstests zur Bewertung der Marktchancen

Einnetzen der Muttersorten, Sammeln des Pollens, Bestäuben Ernten und Entkernen der Früchte

Statifizieren und Aussäen des Saatguts

Jahre Sämlinge

Inokulation mit Schorf und Verwerfen der anfälligen Pflanzen Selektion der mehltautoleranten/-resistenten Pflanzen

Gewächshaus und Baumschule

Baumeigenschaften, Fruchtqualiät etc.

10 000

4 000

600 600

30

4

2 Stufe A: 3–5 Bäume auf M9

Stufe B: 4u4 Bäume auf M9 Stufe C: 50 Bäume auf M9

Züchtungsablauf

Testung auf Feuerbrandanfälligkeit der Triebe

Abb. 1: Ablauf der Züchtung mit klassischen und molekularen Methoden. Abb. 2

K SZOW3_09.qxd:Layout 1 2.2.2009 9:42 Uhr Seite 10

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11 Was ist ein Marker?

Marker sind Orte auf dem Genom, die sich nahe an der genetischen Information für erwünschte Eigenschaften befinden und im Labor sichtbar gemacht werden kön- nen und somit wieder auffindbar sind. Der Genomab- schnitt, in dem sich der Marker befindet, wird in den meisten Fällen zusammen mit dem interessierenden Gen vererbt.

Vorteile der markergestützen Selektion:

▪ frühe Selektion,

▪ Steigerung der Effizienz,

▪ Kostensenkung durch schnellere Selektion,

▪ lohnt sich besonders für die Selektion mehrerer Eigenschaften (Resistenzen, Fruchteigenschaften) oder bei kombinierter Resistenz gegen die gleiche Krankheit.

Wo werden Marker in der Apfelzüchtung eingesetzt?

Marker werden für die unterschiedlichsten Eigenschaf- ten entwickelt. Seit 2007 werden molekulare Marker eingesetzt, um die Feuerbrandtoleranz an Apfelsämlingen zu testen. Schon länger wird diese Methode verwendet, um Schorf- und Mehltauresistenzen im Apfel nachzu- weisen.

Neben der Krankheitsresistenz ist auch die Frucht- qualität ein wichtiges Zuchtziel. In einem bereits abge- schlossenen EU-Projekt (HIDRAS), an dem auch ACW beteiligt war, wurden Marker für Fruchtfleischfestigkeit und Säure entwickelt. In diesem Bereich ist noch weitere Forschung nötig, um aussagekräftige Analyseergeb- nisse zu bekommen.

Resistenz gegen Schorf und Mehltau

In Abbildung 2 sind einige Kreuzungen, die im Frühjahr 2007 ausgeführt wurden, aufgezeigt. Um die anfälligen Pflanzen zu erkennen, wird ein Schorfscreening im Ge- wächshaus durchgeführt. Hierzu werden die Sämlinge im 4-Blatt-Stadium mit Schorf infiziert. Wichtig ist, dass die relative Luftfeuchtigkeit in den ersten 48 Stunden bei 90 bis 100% liegt und die Temperatur bei 17 bis 19 °C. Die ersten Anzeichen einer Infektion sind nach sieben Tagen

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n und n, zu- n nicht nbares ch ih- n). Bei ussaat rd die n mo- n Gene Dabei Mehl-

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Abb. 2: Ergebnisse des Schorfscreenings einiger Kreuzungen im Gewächshaus (ACW; Frühjahr 2007).

Abb. 3 a + b: Befallsklassen 1 (a) und 2 (b) nach Chevalier zeigen gute Schorfresistenz.

sichtbar. Nach 14 Tagen wird bei den infizierten Sämlin- gen eine Schorfbonitur mit einer Skala nach Chevalier et al. (1991) gemacht (Abb. 3 a, b). Dabei treten unter- schiedliche Resistenzreaktionen auf (Klasse 0 bis 3b). In Klasse 4 werden die anfälligen Sämlinge eingestuft.

Bei einer Kreuzung mit einem monogen schorfresis- tenten Elter ist die Aufspaltung in resistente und anfälli- ge Nachkommen ungefähr 1 : 1 (siehe Abb. 2, Kreuzung 1). Knapp 50% der Pflanzen sind mit Befallsklasse 4 bo- nitiert worden; das bedeutet: Etwa die Hälfte der Nach- kommen sind anfällig gegenüber Schorf.

Die Aufspaltung einer Kombination mit zwei schorf- resistenten Eltern von «resistent» zu «anfällig» liegt bei 3 : 1. Kreuzung 2 ist ein Beispiel hierfür, 23% der Nach- kommen wiesen nach der Infektion Schorfbefall auf.

70% der Nachkommen der Kreuzung 3 wiesen die Befallsklasse 2 auf, weitere 25% Mischsymptome der Klassen 1 und 2 (das heisst kleine Vertiefungen und chlorotische und nekrotische Flecken als Abwehrsymp- tome ohne Sporulation), nur knapp 3% die Befallsklasse 4. Insgesamt sind 97% der Nachkommen resistent ge- genüber Schorf. Nur ein Teil davon enthält alle drei

Anteile der Schorfbefallsklassen nach Chevalier in %

Klasse 1+2 Klasse 0 Klasse 1 Klasse 2

Klasse 3a Klasse 3b Klasse 0-3b (Summe) Klasse 4

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Kreuzung 1: Galmac uFAW 13883 (Vf, Pl2) n=536

Kreuzung 2: Opal (Vf) uFAW 15425 (Vf, Pl2) n=367

Kreuzung 3: FAW 16126 (Vf, Vh2, Vh4, Pl1) uFAW 16124 (Vf, Vh2, Vh4, Pl1) n=290

Kreuzung 4: FlxNEG 3245 (Vf homozygot) uFAW 16209 (Vf, Vh2, Pl2) n=88

= Schorfresistenzgen

a b

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Schorfresistenzgene (Vf, Vh2, Vh4). Genau diese Nach- kommen können mit der molekularen Analyse be- stimmt und wieder gezielt bei der Züchtung eingesetzt werden.

Bei Kreuzungen mit einem homozygoten (reinerbi- gen) Partner für Vf (Kreuzung 4) gab es keine anfälligen Pflanzen.

Das Ziel unserer markergestützten Selektion ist eine Pyramidisierung der Resistenzgene. Das bedeutet zum Beispiel, dass eine Pflanze nicht nur ein Resistenzgen, zum Beispiel das Schorfresistenzgen Vf besitzt, sondern zusätzlich noch die Resistenzgene Vh2 und Vh4. Mit der Kombination mehrerer Resistenzgene kann die Dauer- haftigkeit der Resistenz erhöht werden.

Es werden auch Resistenzgene gegen verschiedene Krankheiten in einer Pflanze kombiniert, zum Beispiel Schorf- und Mehltauresistenz; Mehltauresistenzgene sind zum Beispiel Pl1 und Pl2.

Die Mehltaubonitur fand bis jetzt im Feld statt. Dank der markergestützten Selektion werden nur noch die Nachkommen ins Feld gepflanzt, bei denen die ge- wünschte Marker-Kombination vorhanden ist.

Toleranz gegen Feuerbrand

Anders als beim Schorf beruht die Toleranz beziehungs- weise Anfälligkeit gegen Feuerbrand mehrheitlich nicht auf einzelnen, sondern auf mehreren Genen. Die genau- en Mechanismen, die dafür verantwortlich sind, dass gewisse Apfelsorten oder Wildäpfel feuerbrandresisten- ter sind als andere, werden in verschiedenen For- schungsprogrammen (zum Beispiel in den USA, Neu- seeland, Deutschland) genauer untersucht.

Zwei Marker werden zurzeit eingesetzt, um Hinweise auf die Feuerbrandtoleranz zu erhalten: AE10-375 und GE-8019. Sie liegen nahe bei einem QTL (quantitative trait locus; Genort mit deutlichem Einfluss auf ein be- stimmtes Merkmal) für Feuerbrandtoleranz, der auf dem Genom der Apfelsorte Fiesta gefunden wurde (Khan et al. 2006). Da die Marker auf dem Genom einer bestimmten Sorte gefunden wurden, sind sie nur be- dingt bei anderen Kreuzungsnachkommenschaften an- wendbar. Kreuzungseltern und deren Nachkommen- schaften werden auf das Vorhandensein oder die Abwe- senheit des Feuerbrand-QTL analysiert. So können die Nachkommen mit den gewünschten Eigenschaften schnell ausgelesen werden.

Im Frühjahr 2008 wurden die Zuchtnummern, die als Kreuzungspartner in Frage kamen, das erste Mal mole- kular auf die oben genannten Feuerbrandmarker untersucht. In das Kreuzungsprogramm 2008 wurden schliesslich Zuchtnummern und Sorten einbezogen, die beide Marker aufwiesen.

Die Nachkommenschaft Enterprise҂FAW 11546 (102 Sämlinge) wurde im Frühjahr 2008 ausgesät und auf die Marker für Feuerbrand und den Marker für die Vf-Schor- fresistenz getestet (Tabelle). Bei der Eltersorte Enterprise wurden die zwei Feuerbrandmarker und der Vf-Marker nachgewiesen, die Zuchtnummer FAW 11546 (Milwa҂ Reka) dagegen wies nur den Feuerbrandmarker GE auf.

58 Nachkommen wiesen die Marker AE und GE auf, 56 den Marker für Vf. 35 Nachkommen haben gleichzei- tig beide Feuerbrandmarker und Vf.

Le Ch co un ma me tec La pu tav pa co so M po Aufspaltung der Nachkommenschaft Enterprise

(Vf, AE, GE)҂FAW 11546 (GE).

Vf AE u. GE Anzahl Pflanzen

– – 23

+ + 35

– + 23

+ – 21

+ = Marker vorhanden –= Marker nicht vorhanden

Bei der Selektion der zweijährigen Sämlinge im Feld im Sommer 2009 werden die Ergebnisse der Markerana- lyse ebenso berücksichtigt wie der Wuchscharakter und die Anfälligkeit auf Mehltau.

Feuerbrand-Tests im Gewächshaus

Neben den molekularen Analysen werden seit 2005 an der ACW Wädenswil im Sicherheitsgewächshaus Apfel- sorten und fortgeschrittene Zuchtnummern auf ihre Feuerbrandanfälligkeit getestet. Diese Tests ermögli- chen eine Aussage zur Triebanfälligkeit, hingegen nicht zur Anfälligkeit der Blüten. Weil Feuerbrand in der Schweiz ein Quarantäneorganismus ist, müssen diese Tests in einem speziellen Gewächshaus durchgeführt werden.

Zehn Bäumchen von jeder Zuchtnummer werden auf M9-Unterlagen veredelt und als Topfpflanzen angezo- gen. Die Anwachsrate war 2008 nicht durchwegs gut, weshalb meistens weniger Pflanzen für die Versuche zur Verfügung standen. Die Infektion erfolgt bei einer Trieblänge von 15 bis 30 cm, indem der ErregerErwinia amylovoradirekt in den Trieb gespritzt wird (Konz. = 10⁶ cfu/ml, seit 2008 mit einem Schweizer Stamm). Die Läsi- onslängen (LL) werden während einer Periode von drei Wochen wöchentlich gemessen. Als Referenzsorten wurden 2008 Gala (anfällig) und Spartan (tolerant) mit- getestet.

Die Ergebnisse der Tests 2008 sind in Abbildung 4 dargestellt. Acht der 16 getesteten ACW-Zuchtnummern waren gleich anfällig oder robuster als Spartan, die als eher robust gilt. Sehr wenig Befall hatten zwei Topaz҂ Fuji-Kreuzungen, die auch in Bezug auf ihre sonstigen Baum- und Fruchteigenschaften interessant sind. Diese beiden Zuchtnummern wiesen bei den molekularen Analysen beide Feuerband-Marker auf (AE, GE). Bei einer dieser Zuchtnummern konnte das gute Ergebnis der phänotypischen Überprüfung 2007 bestätigt werden.

Hingegen weist ein Ariwa҂Regia-Nachkomme (FAW 16102) keinen der beiden Marker auf, ist durch das Test- ergebnis aber auch als eher robust einzustufen.

Sieben Zuchtnummern lagen bezüglich ihrer Anfäl- ligkeit zwischen Spartan und Gala. Bei einer dieser Zuchtnummern konnten mit molekularen Analysen beide Marker nachgewiesen werden (Abb. 4).

Gut – aber noch zu wenig

Die beiden bisher bekannten Marker für eine spezifische Feuerbrandtoleranz reichen allein noch nicht aus, um über eine molekulare Untersuchung eindeutig festzu- SZOW3_09.qxd:Layout 1 2.2.2009 9:42 Uhr Seite 12

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13 stellen, ob eine Pflanze feuerbrandtolerant ist. Auch

reicht der Triebanfälligkeitstest allein nicht aus, um eine umfassende Aussage über die Feuerbrandanfälligkeit der Zuchtnummern zu treffen. Hierfür wird im ZUEFOS- Projekt nach Lösungsansätzen gesucht (siehe Kasten).

Die Vorraussetzungen, neue Apfelsorten mit dauer- hafter Krankheitsresistenz und hoher Fruchtqualität ef- fizienter als früher zu züchten, sind gut. Die Kombinati- on verschiedener Resistenzfaktoren gegen die gleiche Krankheit und die Kombination von Schorf-, Mehltau- und Feuerbrandresistenz in derselben Pflanze sind

nachhaltige Strategien. ^■

Literatur

Khan M.A., Duffy B., Gessler C. and Patocchi A.: QTL mapping of fire blight resistance in apple. Mol. Breeding 17, 299–306, 2006.

Chevalier M., Lespinasse Y. and Renaudin S.: A microscopic stu- dy of the different classes of symptoms coded by the Vf gene in apple for resistance to scab(Venturia inaequalis). Plant Pathol.

40, 249–256, 1991.

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Les objectifs de la Station de recherches Agroscope Changins-Wädenswil ACW peuvent se résumer comme suit: obtenir des fruits d’une qualité élevée, une bonne productivité et une résistance durable aux maladies. Pour atteindre ces objectifs, elle complé- mente les méthodes de sélection classiques par des technologies moléculaires modernes.

La sélection assistée par marqueurs est en usage depuis pas mal de temps pour dépister la résistance à la tavelure et à l’oïdium du pommier. Elle est appliquée partout où il s’agit de combiner différentes résistances contre une même maladie. Le dépistage de la tavelure sous serre en combinaison avec les analyses au mar-

queur permet une sélection efficace en vue d’éliminer les plantes sensibles.

Depuis 2007, les marqueurs moléculaires sont utilisés pour tester la résistance des plantes de semis de pom- miers contre le feu bactérien. Des tests sous serre de la résistance des pousses complète les études. Afin d’obtenir une fiabilité encore plus grande dans les pronos- tics de résistance au feu bactérien, il importe de perfec- tionner encore davantage la sélection assistée par marqueurs et les tests de sensibilité. Un défi que relève le projet « sélection de variétés de fruits tolérantes au feu bactérien ».

Méthodes modernes de sélection de pommes

Neue Forschungsprojekte Feuerbrand

Im Frühjahr 2008 wurden bei ACW drei neue Projekte zum Thema Feu- erbrand begonnen, die vom Bundesamt für Landwirtschaft finanziert werden und bis 2011 dauern.

In einem dieser Projekte steht die «Züchtung feuerbrandtoleranter Obstsorten» (ZUEFOS) im Mittelpunkt. In vier Modulen wird mit folgen- den Ansätzen gearbeitet.

▪ Möglichst rasch feuerbrandtolerante Apfel- und Birnensorten mit hoher Marktrelevanz züchten,

▪ Neue Resistenzquellen einbeziehen und die Generationszeit ver- kürzen,

▪ Markergestützte Selektion so entwickeln, dass sie zuverlässig kost- spielige Feuerbrandtests im Gewächshaus ersetzen kann,

▪ Praxistaugliche und rasch anwendbare Beiträge zur Lösung der Feu- erbrandproblematik anbieten.

rise n

= Marker AE und GE für Feuerbrandresistenz-QTL vorhanden

FAW8159(n=9) FAW15097(9)

FAW14959(9)

FuN3535(9)

FAW14995(5) FuN3529(7) FAW16102(9) FAW11303(9) Spartan(7) Galmac(7) Iduna(9)

FAW15115(9) FAW14503(9) FAW15221(9) FAW10442(6) FAW8099(8) FAW16208(8) FAW11640(6) LaFlamboyante(9) Gala(10)Gala(10)Gala(10) Milwa(7) FAW15425(7)

100 80 60 40 20

Läsionslängenin%der gesamtenTrieblänge 0 % LL1 (03.04.) % LL2 (10.04.) % LL3 (18.04.)

Abb. 4: Feuerbrand- toleranz-Test mit ausgewählten Zuchtnummern und Sorten.

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