EnCroPho
PLANT BREEDING RESEARCH II


Steigerung der Photosynthese von Nutzpflanzen

Koordinator: Herr Prof. Dr. Peter Westhoff – (Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf )

Projektbeschreibung

Um den bevorstehenden Herausforderungen der globalen Ernährungssicherheit zu begegnen, ist es dringend notwendig, innovative Züchtungsstrategien zur Steigerung der Ernteerträge zu entwickeln. Dieses Projekt soll einen Beitrag dazu zu leisten, indem wir Strategien und Materialien entwickeln, die die photosynthetische Effizienz verbessern. Der Ernteertrag wird durch die verfügbare solare Einstrahlungsenergie (St), die Strahlungs-Interzeptions-Effizienz (εi), die Lichtkonversions-Effizienz (εc) und den Ernte-Index (εp) bestimmt. Aus dieser faktoriellen Analyse geht die photosynthetische Effizienz als der stärkste Faktor für die Ertragssteigerung hervor. Das Projekt zielt daher darauf ab, neue Strategien zur Steigerung der Photosynthese zu entwickeln. Eine Steigerung der pflanzlichen Photosynthese wäre ein wichtiger Schritt zur Ertragsverbesserung, jedoch auf nachhaltige Weise, ohne mehr Ackerfläche für die landwirtschaftliche Nutzung zu opfern.

Die ersten beiden Teilprojekte konzentrieren sich auf das Blatt, das zentrale Organ der Photosynthese bei Angiospermen. Sie stützen sich auf jüngste überzeugende experimentelle und theoretische Beweise dafür, dass Blattform und innere Anatomie die photosynthetische Leistung dieses Organs beeinflussen. Die beiden Teilprojekte zielen darauf ab, Gene zu identifizieren, die die Blattmorphologie und -anatomie in einer für die Photosynthese relevanten Weise beeinflussen, und zu untersuchen, wie und in welchem Ausmaß diese Gene genutzt werden können, um die photosynthetische Leistung der Blätter zu optimieren. Beide Teilprojekte verfolgen genetische Ansätze unter Verwendung etablierter Modellsysteme (Arabidopsis und Cardamine), die ihre Eignung für eine einfache Identifizierung von Genen und deren Funktionen nachgewiesen haben. Die beiden gewählten Modellarten gehören zu den Brassicaceae. Da Photosynthese und Blattdifferenzierung zumindest bei den Angiospermen in der Evolution recht konserviert sind, sollte der Wissenstransfer von diesen Modellsystemen auf die wichtigsten Nutzpflanzenarten dieser Familie, die Brassicas, relativ einfach sein.

Das dritte Teilprojekt befasst sich mit der experimentellen Evolution zur Verbesserung der Photosynthese bei der Kulturpflanze Weizen (Triticum aestivum). Weizen wurde ausgewählt, weil die Züchtungsbemühungen bei dieser Kulturpflanze vor dem grundsätzlichen Problem stehen, dass der Hauptengpass zur Steigerung des Ertragspotenzials, die Lichtkonversionseffizienz, in der modernen Weizenzüchtung nahezu unverändert geblieben ist. Das in diesem Teilprojekt verwendete Evolutionskonzept basiert auf dem aktuellen Modell der C4-Evolution, das besagt, dass der Übergang von der C3- zur C4-Photosynthese in Modulen ablief und dass jedes der einzelnen Module adaptiv war, was bedeutet, dass jeder Schritt einen kleinen, aber nachweisbaren Vorteil in der photosynthetischen Kapazität brachte. Durch die Einführung von Mutationen in den Weizen und die Verwendung einer niedrigen CO2-Konzentration als Selektionskriterium sind Mutantenlinien zu erwarten, die eine Verbesserung der photosynthetischen Kapazität aufweisen und in die breite Kategorie der C3-C4-Intermediate eingeordnet werden können. Kandidatenlinien, die eine höhere Toleranz gegenüber niedrigem CO2 aufweisen, sind auch potentielle Kandidaten mit verbesserter Trockentoleranz. Daher sind intermediäre C3-C4-Mutantenlinien potenziell von direktem Interesse für Züchtungszwecke.

Der Antrag bringt Wissenschaftler mit sehr komplementären Interessen und etablierten Erfolgen in der Blattphysiologie und deren Genetik (Westhoff), Blattentwicklungsgenetik (Tsiantis), Pflanzengenetik und -züchtung auch im privaten Sektor (Falk) und Pflanzenwachstumsanalyse zusammen, gekoppelt mit einzigartiger Expertise in der Entwicklung und Anwendung neuartiger Phänotypisierungsmethoden (Fiorani). Diese Teamzusammensetzung wird es uns ermöglichen, sowohl konkrete Strategien als auch Keimplasma zu liefern, die eine Steigerung der Photosyntheseeffizienz auf ein Niveau bringen, das unter Feldbedingungen greifbare Vorteile zeigt.


Enhancing crop photosynthesis

Coordinator: Herr Prof. Dr. Peter Westhoff – (Institut)

Project description

To face the impending global food security challenges there is a pressing need to devise innovative breeding strategies for raising crop yields. Here we propose to contribute to this effort by developing strategies and materials that will improve photosynthetic efficiency. Crop yield is determined by the available solar irradiation energy (St), the radiation interception efficiency (εi), the light conversion efficiency (εc) and the harvest index (εp). From this factorial analysis photosynthetic efficiency emerges as the most potent factor for yield improvement. The project therefore aims at developing novel strategies for enhancing photosynthesis. An enhancement of crop photosynthesis would be an important step in improving yield, but in a sustainable manner without sacrificing more arable land for use in agriculture.

The first two subprojects target the leaf, the central organ of photosynthesis in angiosperms. They rely on recent strong experimental and theoretical evidence that leaf form and inner anatomy influence the photosynthetic output of this organ. The two subprojects aim to identify genes that affect leaf morphology and anatomy in a manner that is relevant to photosynthesis and to investigate how and to which degree these genes can be used to optimise the photosynthetic output of leaves. Both sub-projects pursue genetic approaches using well-established model systems (Arabidopsis and Cardamine) that have documented their suitability for an easy identification of genes and their functions. The two model species chosen belong to the Brassicaceae. Since photosynthesis and leaf differentiation are rather conserved in evolution, at least among the angiosperms, the transfer of knowledge from these model systems to the major crop species of this plant family, the Brassicas, should therefore be relatively straightforward.

The third subproject embarks on experimental evolution to improve photosynthesis in the crop species wheat (Triticum aestivum). Wheat has been selected, because breeding efforts in this crop are faced with the fundamental problem that the major bottleneck for increasing the yield potential, the light conversion efficiency has almost remained unaltered in modern wheat breeding. The evolutionary concept used in this subproject relies on the actual model of C4 evolution stating that the transition from C3 to C4 photosynthesis proceeded in modules and that each of the individual modules were adaptive implying that each step brought a small but detectable advantage in the photosynthetic capacity. By introducing mutations into wheat and using low CO2 concentration as the selection criterion mutant lines are to be expected with improvements in their photosynthetic capacity and which be classified under the broad category of C3-C4 intermediates. Candidate lines showing higher tolerance to low CO2 are also potential candidates with improved drought tolerance. Therefore, intermediate C3-C4 mutant lines are potentially of direct interest for breeding purposes.

The proposal brings together scientists with highly complementary interests and established track records in leaf physiology and its genetics (Westhoff), leaf developmental genetics (Tsiantis), crop genetics and breeding also in the private sector (Falk) and plant growth analysis coupled with unique expertise in the development and application of novel phenotyping methodologies (Fiorani). This team composition will allow us to deliver both concrete strategies and germplasm that will support increases of the efficiency in photosynthesis to a level that has tangible benefits in field conditions.

Teilprojekte

031B0881A
Fördersumme: 388.721,00 €

Laufzeit 01.02.2020 – 31.01.2023


Herr Prof. Dr. Peter Westhoff

Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf


E-Mail-Kontakt

Tel: +49 211 81-10010

Universitätsstraße 1

40225 Düsseldorf

Deutschland


zur Website
031B0881B
Fördersumme: 561.107,00 €

Laufzeit 01.02.2020 – 31.01.2023


Herr Prof. Dr. Miltos Tsiantis

Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.


E-Mail-Kontakt

Tel: 0221 5062

Hofgartenstr. 8

80539 München

Deutschland

031B0881C
Fördersumme: 197.042,00 €

Laufzeit 01.02.2020 – 31.01.2023


Herr Dr. Fabio Fiorani

Forschungszentrum Jülich GmbH


E-Mail-Kontakt

Tel: 02461 61-8642

Institut für Bio- und Geowissenschaften

Pflanzenwissenschaften

Wilhelm-Johnen-Straße

52428 Jülich

Deutschland


zur Website
031B0881D
Fördersumme: 348.250,00 €

Laufzeit 01.02.2020 – 31.01.2023


Herr Dr. Jon Falk

Saaten-Union Biotec GmbH


Hovedisser Str. 94

33818 Leopoldshöhe

Deutschland


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