Development of camelina (Camelina sativa Crtz.) genotypes and winter rapeseed (Brassica napus L.) hybrids for marginal locations

Abstract

In this study the productive efficiency and stability of winter oilseed rape (Brassica napus L.) and camelina (Camelina sativa Crtz.) genotypes has been tested for production under low-input conditions (reduced N-fertilization and plant protection) in the Lahn-Dill region (Hesse, Germany). Furthermore these studies aimed at the identification of superior varieties and breeding lines regarding adaptability to marginal conditions (locations, N-fertilization) as a starting material for subsequent breeding programmes.The crop species Camelina sativa is basically suitable for low input production systems because of its good adaptability to adverse environmental conditions and its comparatively short vegetation time. On the basis of the achieved selection progress concerning productivity further improvements of the major agronomic and quality characteristics should be possible by breeding. In this study a first genetic map for C. sativa was constructed using AFLP and 3 Brassica SSR markers in a population of recombinant inbred lines resulting from a cross of phenotypically distinct parents. The map was used to localize QTLs for different agronomical traits of interest (1,000 seed weight, seed yield, oil content, and plant height) and additional promising lines from the yield tests with improved yield performance could be selected. The results represent a starting point for future marker-assisted camelina breeding. Oilseed rape is the most important oil crop in Europe and in particular, winter rape is very well suitable for low input production systems, since it produces the highest grain yield of all adapted oil crops even under less intensive agronomical conditions. Today, the high yield potential of oilseed rape is successfully exploited by hybrid breeding. In this study a value of up to 43% mid-parent heterosis for seed yield could be observed among selected test hybrids compared to that of their parental DH lines particularly at the nutrient-poor site. This demonstrates the suitability and adaptability of highly heterotic rapeseed hybrids on marginal locations and suggests the existence of a strong heterotic effect on nutrient uptake efficiency.But regarding renewable fuels not only rapeseed with 00-quality attracts attentions. In this context high erucic acid rapeseed (HEAR) cultivars with a large increase in oil yield per hectare and a considerably improved nutrient efficiency may be an interesting alternative for bio-fuel production. In this study three new hybrid combinations were found to combine high seed yields with very high oil content, enabling oil yield per hectare gains of up to 20% compared to existing 00 rapeseed and open-pollinated HEAR cultivars. Furthermore high oil yields in the HEAR hybrids were also achieved under reduced nitrogen input. Such high-performing erucic aid hybrid cultivars could potentially play an important role in the generation of renewable energy on less productive soils or in low-input production systems, considerably improving the environmental sustainability of bio-fuel production in comparison to conventional bio-diesel. Ziel der vorliegenden Untersuchungen war zunächst die Erfassung von Kriterien der Leistungsfähigkeit der einheimischen Ölpflanzen Winterraps (Brassica napus L.) und Leindotter (Camelina sativa Crtz.) für die Produktion an marginalen Standorten und unter low-input Bedingungen (reduzierte Stickstoffdüngung und minimaler Pflanzenschutz) in der Lahn-Dill Region (Hessen, Deutschland). Ferner sollten durch diese Untersuchungen Potentiale zur züchterischen Verbesserung der Anpassungsfähigkeit an Grenzstandorte und verminderte N-Düngung identifiziert und entsprechende Zuchtprogramme initiiert werden. Leindotter ist aufgrund seiner guten Anpassungsfähigkeit an widrige Bedingungen und kurzen Vegetationszeit prinzipiell für low-input Produktionssysteme geeignet. Auf der Basis der erzielten Selektionsfortschritte bzgl. Ertragsfähigkeit sollten weitere Verbesserungen der Nutzungseigenschaften durch Kombinationszüchtung möglich sein. In der vorliegenden Untersuchung wurde eine erste genetische Karte für Leindotter erstellt, im wesentlichen bestehend aus AFLP-Markern sowie drei Brassica SSR-Markern. Die dafür verwendete Population resultierte aus einer Kreuzung von phänotypisch unterschiedlichen Eltern. Auf der genetischen Karte konnten verschiedene QTLs für agronomisch relevante Merkmale (Ertrag, Ölgehalt, Pflanzenhöhe und Tausendkorngewicht) lokalisiert und zusätzlich aus den Feldversuchen vielversprechende Leindotterlinien mit verbesserter Ertragsleistung selektiert werden. Die Ergebnisse bilden einen Ansatzpunkt für eine zukünftige Marker-gestützte Leindotter-Züchtung.Winterraps ist die bedeutendste Ölpflanze in Europa und die zweitwichtigste Ölsaat weltweit. Raps ist gut geeignet für low-input Produktionssysteme, da er die höchsten Kornerträge aller Ölpflanzen selbst an weniger günstigen Standorten zeigt. Das Ertragspotential von Raps wird heutzutage durch die systematische Nutzung der Heterosis in Form der Hybridzüchtung im besser ausgeschöpft. In dieser Arbeit konnten aus einer Serie von Testhybriden bis zu 43% Heterosis für den Kornertrag im Vergleich zum Mittel der elterlichen DH-Linien erzielt werden. Dabei war die Überlegenheit der Hybriden unter extensiven Standortbedingungen besonders hoch, so dass man von einem ausgesprochenen Heterosis-Effekt für Stickstoffaufnahmeeffizienz sprechen kann. Dieser Befund verdeutlicht die gute Eignung der Rapshybriden für eine sowohl ökonomisch tragfähige als auch ökologisch akzeptable Ölsaatproduktion an marginalen Standorten.Aber hinsichtlich erneuerbarer Brennstoffe ist nicht allein Qualitätsraps mit 00-Qualität von Interesse sondern insbesondere auch Hoch-Erucasäure Raps (HEAR, high erucic acid rapeseed). HEAR-Hybriden zeigen einen signifikant höheren Ölertrag pro Hektar und eine bessere Stickstoffeffizienz als 00-Raps, so dass HEA-Raps ggf. eine Alternative zu 00-Raps für die Biokraftstoffproduktion sein könnte. In der vorliegenden Studie konnten drei neue Hybridkombinationen identifiziert werden, die bei reduzierter Stickstoffdüngung einen sehr hohen Ertrag erreichen: der Ölertrag dieser Hybriden lag mehr als 20% über dem Durchschnittsertrag gängiger 00-Rapssorten und offen abblühenden HEAR-Linien Solche hochleistungsfähigen Hoch-Erucaraps Sorten könnten künftig ggf. eine größere Rolle in der Produktion von erneuerbarer Energie in Low-input Produktionssystemen unter marginalen Bedingungen spielen. Damit könnte letztendlich die Energie- und Umweltbilanz der Produktion von Biokraftstoffen im Vergleich zur heutigen Biodieselerzeugung möglicherweise verbessert werden.