Untersuchungen zur züchterischen Verbesserung und Kultivierung von Borretsch (Borago officinalis L.)

Abstract

Das Hauptinteresse dieser Arbeit galt der Untersuchung von Möglichkeiten, die Nutzung des Borretsch als Medizinalpflanze zu verbessern. Die im Borretsch enthaltene Gamma-Linolensäure (GLS) ist ein wichtiger pharmazeutischer Wirkstoff. Somit bildeten züchterische Maßnahmen zur Erhöhung des Anteils der GLS am Gesamtfettgehalt in Verbindung mit einer Senkung des Erucasäureanteils einen Tätigkeitsschwerpunkt dieser Arbeit. Die GLS-Gehalte konnten bis zur I6 auf ein Niveau von 27,9 % - 32,0 % verbessert werden, die ES - Gehalte erreichten Werte von 1,8 % - 2,2 %. Damit war das Zuchtziel erreicht.Durch Mutationsversuche sollten die Eigenschaften fester Kornansatz und Stängeltyp verbessert werden. Unter der EMS-Behandlung ausgelöste Mutationen, die einem Stängeltyp entsprachen, verschwanden - vermutlich durch Reparatureffekte - in der folgenden Generation wieder. Zudem konnte dieses Experiment durch Botrytisbefall nicht mehr weitergeführt werden. Die in diesem Versuch erzielten Mutationen als auch Muationsergebnisse, über die andere Autoren berichten, lassen es möglich erscheinen, dass das angestrebte Zuchtziel auf diesem Weg erreicht wird. Darüber hinaus zeigten weder der EMS-Feld- noch der Gammastrahlenversuch den gewünschten epigynen Blütenstand. Mit der Neutronenstrahlung von 10 kW bei 207 s konnte in der M1 ein relativ fester Kornansatz bei geöffneten Kelchblättern erzielt werden. Eine Mutation mit reifen Samen bei geschlossenen Kelchblättern wurde nicht festgestellt. Der feste Kornansatz konnte von der M1 zur M4 von 10,7 % auf 20,2 % verbessert werden. Eine weitere Steigerung und Stabilisierung der Werte wurde in diesem Zeitraum trotz Selektion der Pflanzen mit festem Kornansatz nicht erreicht. Dennoch lässt die positive Reaktion des Borretsch auf die Neutronenbestrahlung weitere Mutationsversuche als aussichtsreich erscheinen.Zur Intensivierung der Borretschzucht wurde untersucht, ob über die Zell- und Gewebekultur die Kultivierung leistungsfähiger Pflanzen möglich ist. Grundbedingung hierfür ist die weitgehende Dekontamination des Pflanzenmaterials. Die besten Resultate wurden mit der Kombination NaOCl cum Ethanol erzielt, wobei der Kontaminationsgrad nach der Behandlung 18 % bzw. 28 % betrug. Für die erfolgreiche Kultivierung birgt dieser relativ hohe Anteil ein Risiko. Auch die Ergebnisse der Desinfektionsversuche mit H2O2 sind nicht zufriedenstellend, da der Kontaminationsgrad mit 26,7 % verhältnismäßig hoch war.Verschiedene Phytohormone wurden in ihrer Wirkung auf das Wachstum von Zellkulturen und Pflanzen-Explantaten untersucht. Die Etablierung der Kalluskultur erfolgte aus Explantaten von Hypokotyl, Spross und Petiolen. Nach Applizierung des Auxins IES konnte ein verstärktes Zellwachstum gegenüber der Kontrolle beobachtet werden. Der negative Einfluss von Zytokininen wird erkennbar in einem deutlich geringeren Zellwachstum auf Medien mit BAP und Kinetin im Vergleich zur Kontrolle. Dieser negative Einfluss wurde durch eine Erhöhung des ab einer bestimmten Konzentration toxisch wirkenden Kinetin verstärkt. Bei Hypokotyl-Explantaten wurde sowohl über das Auxin Naphtylessigsäure (NES) 0,1 ppm als auch das Zytokinin 6-Benzylaminopurin (BAP) 0,1 ppm Sprossbildung induziert. Die aktive Phase zur Sprossinduzierung reicht bei Borretsch-Kallussen von der zweiten bis fünften Subkultur. Mit einer Kombination von NES 0,01 ppm + BAP 0,5 ppm konnten bei 24 Kallussen 27 Sprossdifferenzierungen induziert werden. In einem weiteren Versuch mit Indol-Buttersäure (IBS) 1 ppm konnte ebenfalls Sprossdifferenzierung erreicht werden. Mit einer hohen Konzentration von IES 5 ppm als auch mit NES 5 ppm wurde die Embryogenese induziert. Angesichts der erfolgreichen Induzierung der Organogenese und der Embryogenese kann die Zell- und Gewebekultur in den Dienst der Borretschzüchtung gestellt werden. Eine züchterische Bearbeitung leistungsfähiger Pflanzen unabhängig von natürlichen Vegetationsperioden ist somit möglich.Um Ansätze zu einer Optimierung der ackerbaulichen Nutzung zu geben, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Erntegerät zur Verbesserung des Ernteertrages konstruiert, mit dem das Ernteergebnis im Vergleich zur Schwadablage um 74 % verbessert wurde.Der Mähdrusch ist als Erntemethode für den Borretsch nicht zu empfehlen, da ein ausreichender Trocknungszustand trotz Sikkation nicht erreicht wird. Die für ein dreschfähiges trockenes Erntegut erforderliche lange Trocknungszeit führt zwangsläufig zu einem erheblichen bis totalen Ausfall der Samenkörner.Die im Pflanzenbau durchgeführten Untersuchungen hatten das Ziel, eine optimale Bestandesdichte zur Verbesserung des Kornertrags zu finden. Bei einer Reihenweite von 31,3 cm und einer Bestandesdichte von 20 Pflanzen/m2 konnte der höchste Ertrag von 1,7 dt/ha erzielt werden. Die zwischen den einzelnen Faktorstufen festgestellten Unterschiede waren jedoch statistisch nicht signifikant. The main interest of this dissertation is the investigation of possibilities to improve the utilisation of borage as a medical plant.Gamma-Linolenic Acid, which is contained in the borage seed, is an important pharmaceutical agent. Thus the focus of this work consists of various measures of cultivation in order to increase the proportion of Gamma-Linolenic Acid (GLA) in the total fat content and simultanously to decrease the proportion of Eruca Acid (EA).Up to generation I6, the contents of GLA could be improved up to 27,9 % or 32,0 % respectively, the contents of EA could be reduced to a level of 1,8 % - 2,2 %. With these results the objective was achieved.By way of genetic mutation experiments certain characteristics of the plant were to be improved, like an epigynous inflorescence and a stalk-type with reduced leaf growth. Stalk-type mutations were initiated by ethylmethanesulphonate, but they disappeared in the subsequent generation - presumably by repair effects. Unfortunately this experiment could not be continued due to botrytis infestation. The mutations achieved in these experiments - as in experiments reported by other authors - indicate the possibility, that a stalk-type growth of the borage plant might be achieved by these measures. Apart from these effects neither the treatment with ethylmethanesulphonate nor with gamma-rays showed the intended result of an epigynous inflorescence.By a treatment of the seed with neutron radiation of 10 kW for 207 s a rather firm hold of the seed in the blossom could be achieved. A mutation with mature seed in connection with closed sepals could not be observed. The proportion of seed with a firm hold in the blossom could be improved from 10,7 % to a level of 20,2 %. A further increase of the results could not be achieved in spite of continued selection of the appropriate plants. Nonetheless due to the positive effect of neutron radiation on borage further experiments appear to be promising.In order to find a means to intensify borage cultivation a survey was performed to examine, if cultivation by cell- and tissue culture facilitates the cultivation of high-performance borage plants. As a prerequisite the plants have to be decontaminated as thoroughly as possible. With NaOCl cum ethyl alcohol the best results could be achieved, but the contamination level after the treatment was still 18 % or 28 % respectively. This rather high level of contamination involves a risk to successful cultivation. Likewise the disinfection experiments with H2O2 were unsatisfactory since the contamination level of 26,7 % was rather high. Several phytohormons were examined with regard to their effect on the growth of cell cultures and explants. The callus culture was prepared from hypocotyl, sprout and petioles. After the application of the auxin indole acetic acid (IAA) an intensified cell growth in comparison with the control group could be observed. The inhibiting influence of cytokines is made evident by the considerably lesser cell growth on media treated with 6-benzylaminopurin (BAP) and Kinetin in comparison with the control group. This influence is enhanced by the increase of the level of Kinetin, which in larger doses has a toxic effect. In the hypocotyl explants the development of sprouts could be induced both by the application of the auxin naphtylacetic acid (NAA) 0,1 ppm and of the cytokine 6-benzylaminopurin 0,1 ppm. The active period for the inducement of sprouts stretches from the second to the fifth subculture. By way of a combination of NAA 0,01 ppm and BAP 0,5 ppm a number of 27 differentiations of sprouts could be induced in 24 callusses. In another experiment with indole-3-butyric acid 1 ppm (IBA) the differentiation of sprouts could also be achieved. Employing a high concentration of IAA 5 ppm or NAA 5 ppm respectively resulted in embryogenesis in both cases.Considering the successful inducement of organogenesis and embryogenesis the cell- and tissue culture can be put into service for borage cultivation. Therefore a cultivation of highly productive plants independent of vegetation periods is possible.To provide an initial step towards an optimization of agricultural cultivation of borage, a harvesting machine was constructed in the course of this dissertation to improve the yield of borage seed. In this way the crop was increased by 74 %.The use of combine harvesters for borage is not to be recommended, because an appropriate state of dryness cannot be achieved in spite of desiccation. Extending the desiccation process long enough to gain the required state of dryness would mean a total loss of the seed.The experiments in crop farming pursued the objective of finding optimal density of stand with respect to an increase of the yield of borage seed. The highest yield (1,7 dt/ha) could be achieved with a row distance of 31,3 cm and a density of stand of 20 plants/m2.