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Doctoral Thesis
2004
Genotypische Variation der Überdauerungsneigung von transgenem und konventionell gezüchtetem Raps und Möglichkeiten der Beeinflussung durch Bodenbearbeitung als Beitrag zur Sicherheitsforschung bei transgenen Kulturpflanzen
Genotypische Variation der Überdauerungsneigung von transgenem und konventionell gezüchtetem Raps und Möglichkeiten der Beeinflussung durch Bodenbearbeitung als Beitrag zur Sicherheitsforschung bei transgenen Kulturpflanzen
Abstract (English)
High losses during harvesting of oilseed rape in combination with secondary dormancy of the seeds can result in a large soil seed bank which may persist for several years. Volunteers emerging from this seed bank cannot be controlled completely, particularly when they develop in another rapeseed population. In addition to well known agricultural problems, the risk of temporal and spatial gene dispersal by persistent seeds and volunteers gets more significant. With regard to genetically modified (GM) cultivars, seed dormancy and persistence of oilseed rape volunteers have to be reconsidered.
The aim of the current study was to investigate the chances for a reduction of seed persistence and gene dispersal by growing specific genotypes and by the implementation of appropriate tillage operations. Four publications describe and discuss experiments in the laboratory and the field on the aspects ?genotype? and ?soil tillage?.
One central point was the characterisation of the genotypic variation of secondary dormancy and seed persistence in GM (herbicide tolerant) and conventionally bred oilseed rape. A gradual approach towards field conditions was performed by three experiments. The first experiment examined potential seed persistence by artificial induction of secondary dormancy in the laboratory. The second experiment was a burial of seeds in the soil for six months on a field. The third experiment examined persistence of seeds actually lost during harvest and exposed afterwards to different tillage operations in a field experiment. All three experiments showed a high genotypic variability in seed dormancy and persistence. In the laboratory the level of secondary dormancy of conventional cultivars was a total of 3?76% and of the GM cultivars 1?31%. The number of persistent seeds in the burial experiment was 7?90% in the conventional and 12?79% in the GM assortment. Seeds from the seed rain of the four conventionally bred cultivars in the field experiment persisted in the soil from 0?11% over six months. A significant, positive correlation was found between the laboratory results for cultivars from two crop years as well as between the results from laboratory and burial experiments. This is an indication for a genetic background of seed dormancy and persistence of oilseed rape.
It has been demonstrated that a laboratory method for induction of secondary dormancy can describe differences of seed persistence in the field. This result gives a chance for screening new cultivars in the laboratory to identify desired, low persistent genotypes.
The other focus of the study was the effect of various tillage treatments on seed persistence and seedling recruitment in the field.
Four differently intensive tillage operations incorporated the seeds of two near-isogenic cultivars at different times and soil depths, or left the soil untilled. Winter wheat was sown as following crop in all treatments whereby no weed control was performed.
The highest number of seeds generally entered the soil seed bank when seeds were incorporated into the soil by stubble tillage immediately. After six months 1?14% of the initial seed input was found again in the soil in these treatments, and in one isolated case about 28%. Delaying the stubble breaking, the soil seed bank was 0?3%. Leaving the seeds undisturbed on the soil surface until direct drilling resulted in a soil seed bank of 0?17%. Therefore, the first tillage operation after harvest of oilseed rape should be performed with some time delay to avoid large soil seed banks.
Soil inversion by a mouldboard plough shifted the majority of seeds into deep soil horizons from where a successful germination was restricted. In contrast, primary tillage by a rigid tine cultivator or zero tillage mainly distributed the seeds within the upper soil layer. Thus the number of flowering volunteers in the first spring was highest in these treatments, with a maximum of one volunteer m-2. Gene dispersal from oilseed rape volunteers to other rape crops and feral relatives was possible because their flowering periods overlapped. The volunteers were able to produce viable seeds, despite high levels of damage by pests and diseases.
Overall, a high genotypic variability was found for seed persistence of oilseed rape. Tillage operations, particularly the time of stubble tillage, can also influence seed persistence and the occurrence of volunteers. Combined with a thorough knowledge of the processes involved, the selection of low persistent genotypes and adequate tillage operations offer chances to limit or even to avoid undesired gene dispersal from oilseed rape volunteers, and to make gene dispersal a predictable factor.
Abstract (German)
Hohe Ausfallverluste bei der Rapsernte und die Ausbildung sekundärer Dormanz in den Samen können zum Aufbau eines langjährigen Bodensamenvorrats führen. Aus diesem Samenvorrat auflaufender Durchwuchsraps ist in Folgekulturen oft nur eingeschränkt chemisch oder mechanisch zu kontrollieren, besonders in einem späteren, erneuten Rapsbestand. Neben pflanzenbaulichen Nachteilen gewinnt die Thematik beim Anbau gentechnisch veränderter Rapssorten wegen der Möglichkeit unerwünschten Gentransfers über Durchwuchsraps zusätzliche Bedeutung. Die vorliegende Arbeit geht der Frage nach, welche Aussichten sich über die Wahl geeigneter Genotypen und über Bodenbearbeitung eröffnen, die Überdauerungsfähigkeit von Rapssamen einzuschränken und das Potenzial für einen Gentransfer zu reduzieren. In vier Publikationen zu den beiden Schwerpunkten ?Genotyp? und ?Bodenbearbeitung? werden mit unterschiedlichen Versuchsansätzen im Labor und im Feld relevante Gesichtspunkte zur Samenüberdauerung bei Raps beschrieben und diskutiert.
Im ersten Schwerpunkt wird die genotypischen Variation sekundärer Dormanz und der Samenüberdauerung bei transgenen (herbizidtoleranten) und konventionell gezüchteten Rapssorten charakterisiert. Mit einem Laborversuch zur künstlichen Induktion sekundärer Dormanz, einem Vergrabungsversuch von Samen im Freiland und mit einem Feldversuch zur Überdauerung von tatsächlichen Ausfallverlusten unter praxisgemäßer Bodenbearbeitung und Witterung fand eine Prüfung der Überdauerungsneigung in fortschreitender Annäherung an Praxisbedingungen statt. In allen Versuchsansätzen zeigte die Überdauerungsneigung der geprüften Winterrapssorten eine hohe genotypische Variation. Die sekundäre Dormanz lag im Labor über alle Versuchsjahre zwischen 3 und 76 % bei den konventionellen Sorten, und zwischen 1 und 31 % bei den transgenen Sorten. Im Vergrabungsversuch überdauerten zwischen 7 und 90 % der konventionellen sowie 12 bis 79 % der transgenen Samen ein halbes Jahr im Boden, und im praxisnahen Feldversuch mit vier konventionellen Sorten 0 bis 11 %. Aus signifikanten Korrelationen zwischen Laborversuchen zweier Erntejahre sowie zwischen Labor- und Vergrabungsversuchen des jeweils selben Erntejahres wird das Vorliegen eines genetischen Hintergrundes für die Ausbildung sekundärer Dormanz und die Samenüberdauerung bei Raps abgeleitet. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass die Labormethode die Überdauerungsneigung der Sorten im Feld differenzierend beschreibt und geeignet ist, Sorten im Labor auf geringe Überdauerungsneigung zu screenen.
Den zweiten Schwerpunkt der Arbeit bildet die Prüfung des Einflusses von Bodenbearbeitung auf die Überdauerungsfähigkeit von Rapssamen und das Auftreten von Durchwuchsraps. Mit unterschiedlich intensiven Bodenbearbeitungsverfahren wurden die Samen zweier konventionell gezüchteter Rapssorten, die nah-isogen zu transgenen Sorten sind, zu unterschiedlichen Zeitpunkten in den Boden eingearbeitet bzw. auf der Bodenoberfläche belassen. In allen Varianten folgte die Aussaat von Winterweizen, in dem keine Unkrautregulierung durchgeführt wurde. In Varianten mit unverzüglicher Stoppelbearbeitung nach dem Sameneintrag bildete sich stets der größte Bodensamenvorrat heraus. Dieser Samenvorrat umfasste zwischen 1 und 14 % der im Sommer zuvor eingetragenen Samen, in einem Einzelfall rund 28 %. Bei um vier Wochen verzögerter Stoppelbearbeitung mit später folgender Grundbodenbearbeitung mit dem Pflug baute sich ein Bodensamenvorrat von maximal 3 % des Sameneintrags auf. Der Verzicht auf jegliche Bodenbearbeitung führte zum Aufbau eines Bodensamenvorrats in der Höhe von 0 bis 17 %. Zur Vermeidung des Aufbaus eines Bodensamenvorrats sollte daher eine Bodenbearbeitung erst einige Wochen nach der Rapsernte erfolgen. Wendende Grundbodenbearbeitung mit dem Streichblechpflug verlagerte den Großteil der eingetragenen Samen in tiefe Bodenschichten, während sich die Samen nach lockernder Grundbodenbearbeitung mit dem Grubber oder bei Direktsaat vorwiegend oberflächennah befanden. Die Anzahl blühender Durchwuchspflanzen im auf die Ernte folgenden Frühjahr war in diesen letzten Varianten mit bis rund einer Pflanze m-2 am höchsten. Trotz starken Befalls mit Schaderregern produzierten die Pflanzen keimfähige Samen, die zu unerwünschten Beimischungen im Erntegut führen könnten. Gentransfer von blühendem Durchwuchsraps war auf Grund von Überschneidungen der Blütezeiten auf Wildpflanzen andere Rapsbestände möglich.
Die erarbeiteten Daten aus allen Versuchsansätzen liefern eine detaillierte Grundlage für Modell- und Szenarienrechnungen zur Abschätzung von Gentransfer von Durchwuchsraps. Bei künftigen Freisetzungen von transgenem Raps kann durch Wahl von Sorten mit geringer Überdauerungsneigung in Kombination mit den entwickelten Strategien der Bodenbearbeitung unerwünschter Durchwuchsraps vorsorglich reduziert und ein möglicher Gentransfer eingeschränkt werden.
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Notes
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Publication series
Published in
Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institut für Pflanzenernährung
Examination date
2004-09-19
Supervisor
Edition / version
Citation
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DOI
ISSN
ISBN
Language
German
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Original object
Standardized keywords (GND)
BibTeX
@phdthesis{Gruber2004,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/4995},
author = {Gruber, Sabine},
title = {Genotypische Variation der Überdauerungsneigung von transgenem und konventionell gezüchtetem Raps und Möglichkeiten der Beeinflussung durch Bodenbearbeitung als Beitrag zur Sicherheitsforschung bei transgenen Kulturpflanzen},
year = {2004},
school = {Universität Hohenheim},
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