Julius Kühn-Institut, Institut für Rebenzüchtung Geilweilerhof (JKI)
Wissenschaftliches Portrait
Unsere Forschung
Die Kulturpflanze ist der wichtigste Bestandteil der Wertschöpfungskette in der Landwirtschaft, im Wein- und Gartenbau sowie der Forstwirtschaft. Daher steht sie auch im Mittelpunkt der Arbeiten des JKI. Das Julius-Kühn-Institut (JKI) setzt sich aktiv für die Entwicklung von landwirtschaftlichen Strategien ein, um ressourceneffizient, ökonomisch und sozialverträglich die aktuellen Herausforderungen der Landwirtschaft zu bewältigen, wie beispielweise die Nachhaltigkeit und der Klimawandel. Konkret will das Institut resiliente Agrarökosysteme schaffen, Konzepte und Strategien zum Schutz von Kulturpflanzen bereitstellen und die Widerstandsfähigkeit unserer Nutzpflanzen gegenüber biotischem und abiotischem Stress stärken.
Pflanzenzüchtung kann wirksame, dauerhafte Lösungen für Probleme wie Standortanpassung und Schaderregerbefall entwickeln, die sowohl wirtschaftlich als auch nachhaltig sind.
Die Rebenzüchtung ist daher eines der wichtigsten Elemente, um die Auswirkungen des Klimawandels im Weinbau zu bekämpfen und Erträge zu sichern. Das JKI - Institut für Rebenzüchtung Geilweilerhof hat vielfältige Aufgaben und befasst sich u.a. mit der Entwicklung neuer Rebsorten, die gegen die häufigsten Pilzkrankheiten resistent sind, aber auch mit Fragen des Klimawandels und der damit verbundenen Vorlaufforschung. Eine Frage, die das Institut zu beantworten versucht: weisen die genetischen Ressourcen der Rebe positive Eigenschaften auf, die sich in die Züchtung einbringen lassen? Und wie können diese Eigenschaften in der Züchtung genutzt werden, um Nachhaltigkeit und Klimaanpassung zu fördern, ohne die Qualität und Quantität der Weine zu beeinträchtigen? Um diese Fragen zu beantworten, will das Institut die genomischen Regionen der Rebe identifizieren, die mit den wichtigen biotischen und abiotischen Stressmerkmalen korrelieren, und deren Vererbung mit Hilfe von verknüpften molekularen Markern verfolgen. Auf der anderen Seite verbessern die Forschungsgruppen für Phänotypisierung und Digitalisierung die Effizienz der Forschung und des Züchtungsprogramms.
Unser Beitrag für Kliwiresse
Unser Ziel im Projekt KliWiReSSE besteht darin, die Grundlage für die künftige Entwicklung von Rebsorten zu schaffen, die besser an die sich verändernden klimatischen Bedingungen angepasst sind. In den letzten Jahren mussten die Winzer vermehrt Ertragseinbußen durch hitzestressbedingten Sonnenbrand bei Trauben hinnehmen. Um die Widerstandsfähigkeit gegenüber Hitzestress zu erfassen (Phänotypisierung), hat das JKI bereits eine Technik entwickelt, mit der im Labor Hitzestress-induzierte (sonnenbrandähnliche) Schäden mit Hilfe eines Hochdurchsatzverfahrens beobachtet werden können (Herzog et al., 2023, in Vorbereitung). Der primäre Beitrag zu diesem Projekt ist nun die Etablierung und Optimierung einer neuartigen Phänotypisierungs-Pipeline für Hitzestress einschließlich kontrollierter UV-Behandlung, gefolgt von der Entwicklung eines auf künstlicher Intelligenz basierenden Verfahrens zur Quantifizierung des Merkmals.
Anschließend werden zusätzlich zu den Phänotypisierungsdaten eine genetische Kartierung durchgeführt und genetische Bereiche, die für die Sonnenbrandresistenz im Labor und im Feld verantwortlich sind, identifiziert. Diese Ergebnisse werden uns helfen, die Widerstandsfähigkeit gegenüber Hitzestress zu verstehen. Die Entwicklung molekularer Marker in QTL-Regionen wird anschließend die effiziente Entwicklung neuer Rebsorten mit besserer Anpassung an den Klimawandel durch Marker-gestützte Selektion im Züchtungsprogramm ermöglichen. Darüber hinaus werden wir die Erkenntnisse, die unsere Projektpartner in KliWiReSSE gewinnen, in die angewandte Züchtung neuer Rebsorten zu überführen.
Bisherige Ergebnisse
Wie sind wir vorangekommen?
Die Erforschung des Sonnenbrandes bei Traubenbeeren ist wichtig um die Weinindustrie für die Zukunft vorzubereiten. Durch Erkenntnisse über die Ursachen und Auswirkungen des Sonnenbrands können die Winzer die Produktivität der Weinberge sichern, die Weinqualität erhalten und sich an die sich verändernden Umweltbedingungen anpassen. Das Bestreben, ein neuartiges, laborgestütztes Hitzestressprotokoll zu entwickeln, zu optimieren und zu etablieren, ist in der wissenschaftlichen Gemeinschaft von größter Bedeutung. Essentiell für dieses Vorhaben ist die möglichst genaue Nachbildung der Feldbedingungen. In Anbetracht der inhärenten Variabilität von Wettermustern und Umweltbedingungen im Feld, kommt der Entwicklung einer kontrollierten Laborumgebung eine entscheidende Bedeutung zu. Außerdem ermöglicht ein standardisiertes, laborgestütztes Hitzestressprotokoll den Wissenschaftlern die Durchführung reproduzierbarer Experimente in verschiedenen Forschungsumgebungen und an unterschiedlichen geografischen Standorten. Durch die Überbrückung der Kluft zwischen kontrollierten Laborexperimenten und Feldbeobachtungen verspricht dieses Vorhaben, neue Erkenntnisse über die komplexe Dynamik zu gewinnen, die die Physiologie der Reben und ihre Widerstandsfähigkeit angesichts der klimatischen Herausforderungen bestimmt.
Unser Werkzeugkasten
Wir haben einen Meilenstein in unseren Forschungsbemühungen erreicht, indem wir erfolgreich einen Hochdurchsatz-Laborversuch zur Hitzestresstoleranzeingerichtet haben, welcher einen Sonnenbrand-Test mit einem hochmodernen, qualitativ hochwertigen Bilderfassungssystem verbindet. Mit Hilfe dieser verbesserten Plattform haben wir Screenings mit einer Auswahl von Referenzrebsorten durchgeführt, nämlich Riesling, Chardonnay, Pinot Noir, Weissburgunder und Bacchus, und PIWI-Sorten wie Calardis Blanc und Calardis Musqué.
Die Einbeziehung dieser Referenzsorten dient einem doppelten Zweck: Sie liefern nicht nur verlässliche Benchmarks im Rahmen des Sonnenbrandtests, sondern bieten auch Einblicke in die Reaktionen der Rebsorten auf Sonnenbrand. Darüber hinaus haben wir unsere Untersuchungen auf eine biparentale Population ausgedehnt, die aus einer Kreuzung zwischen der sonnenbrandresistenten Vitis sylvestris Hördt29 und der anfälligen Sorte 'Tigvosa' sowie mehreren Akzessionen von Vitis sylvestris aus der Region Ketsch stammt. Bemerkenswerterweise zeigen die Ergebnisse unserer Laboruntersuchungen eine bemerkenswerte Übereinstimmung mit den Daten der Phänotypisierung im Feld, was die Robustheit und Vorhersagekraft unseres Ansatzes unterstreicht.
Wie entsteht die Hitzetoleranz der Beeren?
Beeren verfügen über mehrere inhärente Mechanismen, die sie vor Sonnenbrand schützen, und für ihre Entwicklung und Reifung entscheidend sind. Einer der wichtigsten Schutzmechanismen ist die Laubwand der Rebe, die die Beeren auf natürliche Weise beschattet und sie vor direkter Sonneneinstrahlung während der höchsten Sonnenintensität schützt. Darüber hinaus wirkt die wachsartige Kutikula, die die Oberfläche der Beeren bedeckt, als Barriere, die den Wasserverlust verringert und überschüssige Sonnenstrahlung reflektiert. Darüber hinaus bieten die Anthocyanpigmente in der Traubenhaut einen Lichtschutz, indem sie schädliche ultraviolette (UV-) Strahlen absorbieren und so mögliche Schäden durch Sonnenbrand abmildern. Und schließlich trägt die Fähigkeit der Rebe, die Transpiration durch die Stomata zu regulieren, dazu bei, die optimale Temperatur der Beeren aufrechtzuerhalten und eine Überhitzung selbst bei intensiver Sonneneinstrahlung zu verhindern. Diese Faktoren helfen, dass die Beeren vor Sonnenbrand geschützt sind und gesund geerntet werden können.
Aktuelle Veröffentlichungen mit Bezug zum Projekt
Töpfer R, Trapp O (2022). A cool climate perspective on grapevine breeding: climate change and sustainability are driving forces for changing varieties in a traditional market. Theoretical and Applied Genetics 135, 3947-3960
