Geschichte und Bedeutung der Pflanzenzüchtung PDF

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SS2020...

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Geschichte und Bedeutung der Pflanzenzüchtung 1. Was ist Pflanzenzüchtung? Die Verbesserung des genetischen Potenzials der Kulturpflanze durch Nutzung der Rekombination und der Selektion erwünschter Formen Früher: ausschließlich Massenselektion, unbewusste Züchtung 2. Beschreiben Sie die agrarökologischen und agrarökonomischen Aspekte der Pflanzenzüchtung agrarökologisch: • Pflanzenzüchtung steigert nicht die Erträge, hat aber indirekt erhebliche Auswirkungen auf die Landwirtschaft - >Ausdehnung Maisanbau in Zentral- und Nordeuropa, verdrängen der Futterrübe, weltweite Ausdehnung Rapsanbau • Züchtungsforschung • -> Erforschung der Ursachen genetischer Variabilität, Erweiterung der genetischen Vielfalt von Kulturarten, Erhöhung der Selektionseffizienz • -> Anpassung an regionale Bedingungen, Qualitätsverbesserung • -> Pflanzenzüchtung -> Neue Sorten • -> Veränderte Agrarlandschaft agrarökonomisch: • bis neue Sorte fertig ist kann bis zu 14 Jahre dauern -> von Kreuzung bis Eintrag in Sortenliste • dabei fallen hohe Kosten an, hoher Kapital- und Arbeitsaufwand für den Züchter, sucht nach Einsparungsmöglichkeiten und nutzt den technischen Fortschritt • Struktur der Pflanzenzüchtung in Deutschland: mittelständisch • Verbindungen zwischen Life-Science und Pflanzenzüchtung UPOV • International Union for the Protection of New Varieties of Plants (UPOV) • 1961 gegründet • Internationaler Verbund zum Schutz von Pflanzenzüchtung • Idee: Bereitstellung/Erstellung Sortenschutzsystems, Begünstigung Entwicklung neuer Sorten • 4 größte Unternehmen 50% Weltmarkt -> Steigende Saatgutpreise (immer Monopoliger) Monsanto, Syngenta, Bayer, DuPont • Roundup: Landwirte kaufen Monsantos Herbizidresistente Sorten • Steigerung des Ertragspotentials (NICHT der Erträge!) durch Züchtung • Anteil Zucht an Ertragssteigerungen in letzten 50 Jahren: 30-50% • Bsp Maishybride • Wichtig: Funktioniert nur zsm mit pflanzenbaulichen Maßnahmen: Sortentyp beeinflusst diese, pflanzenbauliche Möglichkeiten beeinflussen die Sortenzüchtung! 3. Nennen Sie die Kennziffern der Saatgutwirtschaft in Deutschland • 130 Zuchtunternehmen, davon 60 originäre Züchter • Saatgutexport Platz 5 international, • Ca. 12000 Arbeitskräfte incl. Saatgutproduktion und Vermarktung • Davon ca. 3300 im Bereich F&E • F&E Quote 16,9% = eine der forschungsintensivsten Wirtschaftsbereiche • >3000 zugelassene Sorten • Zuchtgartenfläche: 4400 ha • Saatgutproduktionsfläche: 224.000 ha

• Saatgutumsatz 2006: 1500 Mill €, heute etwa 2,5 mill € • 150.000 m2 Gewächshausfläche • Monsanto, Syngenta, BASF, DuPont, Dow, Bayer 4. Wie werden biotechnologische Methoden in der Pflanzenzüchtung angewendet? • Biotechnologische Methoden zur Entwicklung gentechnisch veränderter Pflanzen • Erhöhung des Selektionserfolges • -> Marker-gestützte Selektion • -> genomische Selektion (Genetik, Gentechnik) • Verkürzung der Züchtungsphase (Lösung aktueller Probleme, Konkurrenz zwischen Züchtern) durch: Zell- und Gewebekultur: • -> Produktion von Doppelhaploiden (direkt homozygot, sonst viele Selbstungen, Generationen) • -> in vitro Vermehrung (Massenvermehrung), Erzeugung gesunden Saatgutes • Erweiterung der genetischen Variabilität -> Gentechnisch veränderte Pflanzen: de facto, de jure - Artbastatdisierung -> embryo rescue, somatische Fusion - allele mining - Mutationsauslösung, genome editing -> gentechnisch veränderte Pflanzen: de jure, de facto

Systematik und Evolution der Kulturpflanzen 5. Was bedeutet Domestikation? Domestikation: Prozess der Überführung von der Wild- zur Kulturform -> Inkulturnahme Kulturpflanzen werden vom Menschen zu seinen Zwecken kultiviert. Sie können nur unter den vom Menschen geschaffenen Bedingungen überleben (z.B. Bodenbearbeitung, Düngung, Pflanzenschutz) Domestizierte Formen sind gegenüber der Wildform entscheidend verändert. Von manchen Kulturarten gibt es überhaupt keine Wildformen (z.B. Weizen, Mais, Triticale) Domestizierte Formen sind oft in der Natur nicht überlebensfähig und würden, sich selbst überlassen, von lokal angepassten Arten verdrängt und schnell aussterben 6. Wann wurden unsere Nutzpflanzen domestiziert? Nennen Sie 5 Beispiele! • seit etwa 12.0000 Jahren beginnend im fruchtbaren Halbmond, heutige problematische Region Israel, Syrien, Irak, bis persischer Golf, Südchina, ZentralAmerika, Indien • Perioden der Domestikation: • alte Domestikationsperiode: 14 Kulturen in 2000 Jahren = 7 in 1000 Jahren • frühe Periode: 83 Kulturen in 5000 Jahren = 17 in 1000 Jahren • Späte und jetzige Periode: 30 Kulturen in 2000 Jahren = 15 in 1000 Jahren • in der frühen Periode so viele, weil es da zu Hochkulturen kam und viele Arten domestiziert wurden • 10.000 - 9.000 v. Chr. Emmer (verwandter zum heutigen Saatweizen, nur noch selten), Gerste (gibt es heute noch), Einkorn (praktisch verschwunden) als älteste landwirtschaftliche Kulturen • 9.000-8.000 v. Chr. Kartoffel

• 7.000-6.000 v. Chr. Saatweizen (so spät weil das ein Kunstprodukt, ist spontan entstanden durch Bastardierung zweier verwandter Weizenarten, hexaploider Weizen (6 Genome) aus tetraploid und diploiden Weizen, keine Wildart) • 5.000-4.000 v. Chr. Reis (Asien), Buschbohne • 4.000-3.000 v. Chr. Mais (Amerika) • 2.000-1.000 v. Chr. Roggen (Nordeuropäisch) sekundäre Kulturart, nicht direkt domestiziert, jahrelang als lästiges Unkraut verschleppt, erst als Menschen in die nördlichen Regionen wanderten bekam er Bedeutung, Roggen ist winterhart, keine Backqualität, Roggen im Mittelalter die wichtigste Getreideart 7. Was besagt die Genzentren-Theorie? Hypothese: Ursprungszentren der Pflanzen kann aufgrund der Formenvielfalt definiert werden, • dort wo Nutzpflanze entstanden ist/domestiziert wurde, ist die größte Formenvielfalt • Jede Pflanzenart hat ein oder mehrere Genzentren die sich als Mannigfaltigkeitszentren zu erkennen gibt, begründet durch russischen Botaniker Vavilov • wo herrscht für eine bestimmte Kulturart die höchste Formenvielfalt: 8 Zentren der Mannigfaltigkeit (später auf 12 erweitert), Kartoffel stammt aus Anden-Region -> größte Vielfalt • Weizen und Gerste aus dem vorderen Orient, Apfel aus Zentralasien, Kartoffel aus den Anden-Regionen, Reis aus China und Indien, Roggen aus Nordeuropa, Mais aus Mexiko • Ursachen für Formenvielfalt: • Lang anhaltende Anbautraditionen • Ökologische Vielfalt: ermöglicht Entstehung zahlreicher Rassen • Menschliche Vielfalt: viele Stämme kultivieren viele Pflanzen • Introgression (Einkreuzen von Allelen aus verwandten Populationen oder Arten) von wilden Verwandten/Unkräutern, anderen schon kultivierten Rassen (Durch Vielfalt entsteht umso mehr Vielfalt!) 8. Nennen Sie 5 Unterschiede zwischen Wild- und Kulturpflanzen! Dormanz - hohe Keimfähigkeit -> Gerste, Beta-Rübe toxische und antinutritive Inhaltsstoffe - stark reduzierte oder fehlende toxische und antinutritive Inhaltsstoffe -> Lupine, Kartoffel, Brassica-Arten kleine Ertragsorgane - große Ertragsorgane, hohe Anzahl Samen -> Getreide, Sonnenblume, tomate, Melone, Zuckerrübe unterschiedliche Abreife - einheitliche Abreife -> Getreide, Mais, Ackerbohne spindelbrüchig - zähspindelig -> Weizen, Gerste ausgewogenes Wachstum aller Pflanzenorgane - unterschiedliches Wachstum verschiedener Pflanzenorgane -> Getreide Blühzeitpunkt abhängig von der Tageslänge - tatneutrales oder langtagBlühverhalten -> Getreide, Mais viele Sprosse - wenig Sprosse -> Mais 9. Was ist Parallelvariation? • konvergente Evolution der Nutzpflanze • Nicht-verwandte Nutzpflanzenarten zeigen den gleichen Phänotyp, sehen sich sehr ähnlich, Beispiel: Zuckerrübe, Pastinake, Wurzelzichorie -> verschiedene Arten aus unterschiedlichen Gattungen und Familien

• Basiert oft auf Mutationen in eng verwandten Genen (Orthologen) • Merkmale entstanden mehrmals unabhängig voneinander • Gene so wichtig, dass Mutation letal war • Gene in Kopplungsgruppen (Syntenie: Genloci in Kopplungsgruppen verschiedener Arten mit gleicher evolutionärer Abstammung -> erstaunlich hohe Übereinstimmung der Gene auf kopplungsgruppen) • Wurden weitervererbt 10. Wie wird genetische Vielfalt erhalten? Biodiversität: natürliche Vielfalt Agrobiodiversität: • von Menschenhand geschaffene Vielfalt • Sorten • Landsorten: • Populationen, meist aus nicht intensiver Landwirtschaft • Über Jahrhunderte unter lokalen Bedingungen angebaut • heterogen • unterliegen keiner bewussten züchterischen Bearbeitung • hohe Anpassung an örtliche Umweltbedingungen • Genreservoir 11. Nennen Sie vier Pflanzenfamilien, aus denen wichtige Kulturarten hervorgegangen sind. NICHT: Brassicacea: Rüben, Raps, Kohl, Brokkoli, Blumenkohl -> durch Artbastardisierung Poacea, Süßgräser: Gerste, Weizen, Reis, Sorghum, Mais, Kolbenhirse, Perlhirse, Rispenhirse Fabacea: Sojabohnen, Erbse, Linse Solanacea: Kartoffel, Tomate Rosaceae: Apfel und Erdbeere 12. Wie hoch ist der Anteil der Kulturpflanzen, die in Europa angebaut werden, aber nicht aus Europa stammen? -> 89%, keine Aussage über Selbstständigkeit der Länder nur eine Hauptkultur wächst in Deutschland in Wildform: 13. Wie viele Pflanzenarten gibt es und wie viele davon werden genutzt? 400.000 Pflanzenarten gibt es schätzungsweise 300.000 Arten sind erfasst 30.000 Arten sind essbar 7.000 Arten werden genutzt 200 Arten werden statistisch erfasst 30 “ernähren die Welt“ 3 Hauptkulturen -> Weizen, Reis, Mais 14. Erläutern Sie den Begriff des „Genpools“. • Bezeichnet die gesamte genetische Information einer Population. Gesamtheit der Allele die zur Verfügung stehen um sich optimal an die Umwelt anzupassen. Allgemein: • Monomorph: Wenn in 1 Pop. Nur 1 Allel für einen Genlocus existiert • Polymorph: Wenn mehrere Allelvariationen für 1 Genlocus in einer Population existieren.

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Maß für den Umfang: effektive Populationsgröße Genpoolvergrößernd: Mutation und Introgression Genpoolverkleinernd: Selektion und Gendrift Hardy-Weinberg-Gleichgewicht: Genpool bleibt unverändert (wenn diese Faktoren nicht wirken) primärer Genpool: regionale Sorten, angepasstes Zuchtmaterial -> primär zum Einkreuzen für neue Sorten sekundärer Genpool: wenn Allele im primären Genpool fehlen, Landsorten, Exoten -> alles das was nicht bei uns angepasst ist, verwandte Wildformen, sexuell kompatible Arten der gleichen Gattung tertiäre Genpool: nicht-sexuell kompatible Arten der gleichen Gattung oder der gleichen Familie, nutzbar durch biotechnologische Maßnahmen vierte Genpool: DNA aus sämtlichen Organismen, inkl. der Viren

15. Nennen Sie die Evolutionssysteme der Kulturpflanzen! Die Evolutionssysteme der Kulturpflanzen Polyploidie • Vielfache von euploiden (ausschließlich vollständige Chromosomensätze aufweisend) Chromosomensätzen • allopolyploid: verschiedene vollständige Chromosomensätze (Brassica napus, Weizen) • autopolyploid: Vielfache des gleichen Chromosomensatzes (Kartoffel) Artkreuzung, führt häufig zu Polyploidie • Weizen (T. turgidum x Ae. tauschii) • Raps (Rübsen x Kohl), früher mal spontan entstanden • Triticale (Weizen x Roggen), fertile Hybride zunächst Mutationen • Spontane Mutationen führten zu erheblichen phänotypischen Veränderungen, die oft erst die Domestikation ermöglichten • Mutationen verringern die Kreuzungsbarrieren zwischen Arten (Ph-Gen Weizen), nicht homologen Chromosomen im Weizen • Spindelbrüchigkeit Weizen • Fester Spelzenschluss Weizen 16. Was ist eine Landsorte und wie werden Landsorten erhalten? Landsorten: • Populationen, meist aus nicht intensiver Landwirtschaft • Über Jahrhunderte unter lokalen Bedingungen angebaut • heterogen • genetisch uneinheitlicher Formenkreis einer Kulturart, viele Typen, geringe Erträge • unterliegen keiner bewussten züchterischen Bearbeitung • hohe Anpassung an örtliche Umweltbedingungen • Genreservoir in situ Konservierung • wesentliche Konservierungsmaßnahme: nicht landwirtschaftlich genutzte Arten an den üblichen Standorten (Ökosystemen) erhalten -> sonst gehen die WildAllele verloren • landwirtschaftlich genutzte Arten (Sorten, Landsorten) an agrarischen Standorten erhalten -> schlechte alte Sorten anbauen, um Allele zu erhalten ex situ Konservierung • außerhalb der üblichen Standorte

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Samen-Genbanken (einfrieren und/oder vermehren) -> kühl und trocken lagern, um Keimfähigkeit zu erhalten, muss Zwischenvermehrt werden • Feld-Genbanken -> Material wird auf Feld erhalten • in vitro-Genbanken (Sterilkultur, Kryokonservierung) -> aufwendig und teuer 17. Was ist eine Genbank? Welche Möglichkeiten der Konservierung von pflanzengenetischem Material gibt es? In welcher Form werden Weizenund wie Kartoffelmuster in Genbanken gelagert? Erläutern Sie die Gründe! Genbank: Ort, an dem viele Pflanzen gelagert werden, um die Vielfalt zu sichern Möglichkeiten: • in situ: in natürlicher Umgebung • nicht landwirtschaftlich genutzte Arten an natürlichen Standorten erhalten (Ökosystem) • landwirtschaftlich genutzte Arten (Sorten, Landsorten) in agrarischen Standorten erhalten • ex situ: Samen-Genbank, Feld-Genbank, außerhalb des natürlichen Lebensraumes/üblichen Standort • in vitro-Genbank: Sterilkultur, Kryokonservierung • Aufwendig, Bedingungen müssen exakt angepasst sein (Temp, Sterilität) • Bei Pflanzen die ausschließlich vegetativ vermehrt werden, keine Samen bilden, Potential Krankheitsbefall auf Feld zu hoch • In Vitro: Einfach stark verlangsamtes Wachstum (Kälte, wenig Licht) kann dort 2 Jahre erhalten bleiben bis Subkultur angelegt werden muss • Kryokonservierung: Tiefstemperaturen (-190°C) Weizen in Form von Samen, Kartoffeln in Form von Augen -> Warum nicht auch Kartoffeln in Form von Samen? -> Genetik. Weizen sind homozygote reine Linien, bei Vermehrung entsteht gleicher Genotyp wie die Elter. Kartoffel sind heterozygot, weil sie sich fremdbefruchtet, weil Sorten aus Kreuzung entstanden, bei Vermehrung würde es zur Spaltung kommen -> müssen klonal vermehrt werden...