Detailed phenotypic assessment of genetic variation for nitrogen uptake and utilisation efficiency traits in a diverse panel of Brassica napus L.

Abstract

Rapeseed, (Brassica napus L.) is a crop of major economic importance, mainly grown for its oil-rich seeds. These are used for human consumption as well as for industrial purposes, and the seedcake serves as an important protein source in livestock feeding. It is the third most important oil crop in the world, behind soybean and palm oil. However, rapeseed production requires a relative high mineral nitrogen (N) inputs. For this reason an enhanced nitrogen use efficiency (NUE) has become a major aim in rapeseed production in order to ensure a sustainable agricultural production, particularly in association with the reduced release of nitrogen-derived greenhouse gases from soils and nitrate contamination of waterways. The use of genetic variation to breed more efficient varieties is seen a promising option to improve agricultural sustainability, but first requires detection of suitable variants by appropriate phenotyping procedures. To address this issue, this study assessed 30 diverse winter oilseed rape accessions under contrasting nitrogen fertilisation levels for physiological traits at several developmental stages, covering the entire vegetation period from 28 days after sowing until seed harvest and comparing detailed results from multiple experiments.An in vitro hydroponic growth system was used to screen the material at a very early stage with regard to nitrogen acquisition. Besides a variation in shoot N content of more than 60%, and root N content of more than 70%, a higher root-shoot ratio under limiting N was determined. Moreover, cross-correlations of 33 physiological traits associated with N uptake or utilisation efficiency revealed considerable variation for NUE parameters, including positive effects of early flowering and high leaf N concentration on enhanced N utilisation under low N input. Furthermore, seed yield per se was found to be more important than the seed N concentration for simultaneously achieving both high N utilisation and reduced N balance surplus.Additionally, a plant growth system comprising 120 large, 90 cm deep containers was established to allow phenotyping of the root system at an adult developmental stage. Comparison of seed yield from container grown plants to three field locations revealed a good transferability of phenotypic data from the semi-controlled environment to field conditions, encouraging use of this system for further physiological studies of N-mediated genotype responses.Finally, phenotyping of the root system provided new insights into genetic variation for root biomass and degree of fine rooting, as well as the response to divergent nitrogen fertilisation levels. Furthermore, huge variation was seen for nitrogen losses with aborted leaves. Collectively, the results of this study suggest a considerable scope for further NUE improvement in oilseed rape by targeted combination of contributing factors in new, high-yielding varieties. Raps (Brassica napus L.) ist eine ökonomisch bedeutende Nutzpflanze, die vorwiegend wegen ihres hohen Samenölgehaltes angebaut wird. Dieses wird für die Humanernährung aber auch für industrielle Verwendungen genutzt. Gleichzeitig stellt der Rapskuchen eine hochwertige Proteinquelle in der Tierernährung da. Neben der Sojabohne und der Ölpalme ist Raps weltweit die drittwichtigste Ölpflanze. Allerdings benötigt Raps eine relative hohe mineralische Stickstoffdüngung, weshalb eine gesteigerte Stickstoffnutzungseffizienz, besonders vor dem Hintergrund Stickstoff assoziierter Treibhausgasemissionen aus dem Boden und Nitrat-Verunreinigungen von Gewässern, eine zunehmend wichtigeres Ziel in der Rapsproduktion darstellt. Hierzu wird die Nutzung genetischer Variation im Rahmen der Züchtung noch effizienterer Sorten als ein aussichtsreicher Weg zur Steigerung der landwirtschaftlichen Nachhaltigkeit gesehen, erfordert aber zunächst die Detektion der genetischen Variation durch geeignete Phänotypisierungsverfahren. Deshalb wurden in dieser Studie 30 diverse Winterraps Akzessionen unter kontrastierender Stickstoffdüngung zu unterschiedlichen Entwicklungsstadien über die gesamte Vegetation von 28 Tage nach der Aussaat bis zur Kornreife hinsichtlich physiologischer Merkmale untersucht und die Ergebnisse der verschiedenen Experimente verglichen.Ein in vitro Wasserkultursystem diente dem Screening des Materials zu einem sehr frühen Entwicklungsstadium hinsichtlich der Stickstoffaneignung. Neben einer Variation für die N-Gehalte von mehr als 60% im Spross und mehr als 70% in den Wurzeln, wurde ein höheres Wurzel-Spross-Verhältnis unter limitierender N-Versorgung festgestellt.Zusätzlich zeigten die Kreuzkorrelationen von 33 physiologischen Merkmalen, die mit N-Aufnahme- oder Verwertungseffizienz assoziiert sind, eine beachtliche Variation für NUE-Parameter; einschließlich positiver Effekte einer frühen Blüte und einer hohen Blatt-N-Konzentration auf eine erhöhte NUE bei geringer N-Düngung. Darüber hinaus wurde ermittelt, dass der Kornertrag per se wichtiger war als die N-Konzentration im Korn, um eine hohe N-Verwertung und auch einen reduzierten N-Bilanzüberschuss gleichzeitig zu erreichen.Zusätzlich wurde eine Kultivierungsplattform mit 120 großen, 90cm tiefen Container etabliert, die auch die Phänotypisierung des Wurzelsystems im erwachsenden Stadium ermöglicht. Ein Vergleich zwischen der Kornerträge des Containersystems mit Feldversuchen von drei Orten zeigte eine gute Übertragbarkeit der phänotypischen Daten von der partiell kontrollierten Umwelt auf Feldbedingungen, was eine Nutzung des Systems für weitere physiologische Studien bezüglich N-vermittelter Reaktionen von Genotypen ermöglicht.Schließlich erbrachte die Phänotypisierung des Wurzelsystems neue Einblicke in die genetische Variation der Wurzelbiomasse, den Grad der Feinbewurzelung als auch der Reaktion auf eine unterschiedliche N-Düngung. Außerdem wurde eine große Variation für N-Verluste mit abgeworfenen Blättern beobachtet.Zusammenbetrachtet legen die Ergebnisse nahe, dass es durch Kombination der beeinflussenden Faktoren in neue, hochertragsreiche Sorten, einen beachtlichen Spielraum zur Verbesserung der NUE in Winterraps gibt.