Tiến bộ trong chọn giống, biến thể kiểu gen và môi trường cùng mối tương quan của các đặc tính chất lượng trong lúa mì lên men trong các thử nghiệm giống chính thức tại Đức từ 1983 đến 2015

Theoretical and Applied Genetics - Tập 130 - Trang 2411-2429 - 2017
Friedrich Laidig1, Hans-Peter Piepho2, Dirk Rentel1, Thomas Drobek1, Uwe Meyer1
1Bundessortenamt, Hannover, Germany
2Biostatistics Unit, Institute of Crop Science, University of Hohenheim, Stuttgart, Germany

Tóm tắt

Đánh giá tiến bộ trong chọn giống các giống lúa mạch mùa xuân tại Đức cho thấy cả năng suất hạt và chất lượng lên men đã cải thiện đáng kể trong 33 năm qua, và rằng các tác động di truyền của nồng độ protein và các đặc tính lên men không có liên quan với nhau. Dựa trên dữ liệu lịch sử, nghiên cứu này nhằm điều tra tiềm năng năng suất và chất lượng lên men của 187 giống đã được thử nghiệm và công nhận trong các cuộc thử nghiệm đăng ký tại Đức để đánh giá giá trị cho việc trồng và sử dụng (VCU) trong giai đoạn từ 1983–2015, và để định lượng biến động môi trường cũng như mối liên hệ giữa các đặc tính. Chúng tôi đã sử dụng mô hình hồi quy tuyến tính hỗn hợp với nhiều yếu tố hồi quy tuyến tính để phân tích các thành phần xu hướng di truyền và không di truyền. Năng suất hạt đã tăng 43% (23,4 dt ha−1) trong các thử nghiệm VCU và 35% (14,0 dt ha−1) tại trang trại so với năm 1983. Tất cả các thành phần năng suất đều có đóng góp đáng kể. Chất lượng lên men cũng đã được cải thiện đáng kể với 2,3% về hàm lượng chiết xuất và lên tới 25,1% về độ giòn, so với năm 1983, hầu như hoàn toàn nhờ vào các giống mới. Tổng biến động của các đặc tính cá nhân rất khác nhau giữa các đặc tính (2,4–24,4% so với năm 1983). Ảnh hưởng tương đối của kiểu gen đối với sự biến động tổng thể là thấp đối với năng suất hạt và các thành phần của nó, trong khi đó thì lớn hơn nhiều đối với các đặc tính khác. Chúng tôi phát hiện ra sự khác biệt đáng kể giữa các hệ số tương quan kiểu hình và di truyền đối với năng suất hạt và nồng độ protein với các đặc tính lên men. Mối quan hệ kiểu hình tích cực quan sát giữa năng suất hạt và chất lượng lên men có thể được quy cho sự chuyển dịch trong quá trình chọn giống và các tác động từ môi trường, nhưng các tương quan di truyền lại cho thấy một mối liên hệ tiêu cực. Các tác động di truyền của nồng độ protein và chất lượng lên men không có tương quan, cho thấy rằng cả hai không được liên kết về mặt di truyền. Tiến bộ năng suất đáng kể và cải thiện chất lượng lên men đã đạt được mặc dù có sự phụ thuộc di truyền yếu đến trung bình giữa chúng.

Từ khóa

#Tiến bộ chọn giống #lúa mạch lên men #năng suất hạt #chất lượng lên men #biến động môi trường

Tài liệu tham khảo

Abdi H, Williams LJ (2010) Principal component analysis. WIREs Comp Stat. 2(4):433–459. doi:10.1002/wics.101 Arends AM, Fox GP, Henry RJ, Marschke RJ, Symons MH (1995) Genetic and environmental variation in the diastatic power of Australian barley. J Cereal Sci 21:63–70 Baumer M, Zimmermann G, Doleschel P (2000) Pflanzenzuechtung—Sicherung der Rohstoffqualitaet fuer Brot und Bier im neuen Jahrhundert. In „100 Jahre Forschung für Landwirte und Verbraucher“, Bayerische Landesanstalt fuer Bodenkultur und Pflanzenbau (LBP), Freising—Muenchen, pp 79–90 Baumer M, Hartl L, Cais R (2004) Zuechtungsfortschritt bei Braugerste. Getreide Magazin 9:158–163 Bertholdsson NO (2004) The use of environmentally stable grain characteristics for selection of high extract yield and low β-glucan in malting barley. Eur J Agron 20:237–245 Braugersten-Gemeinschaft (2016a) Braugersten-Gemeinschaft e.V., Muenchen. Endgueltiger Erntebericht fuer Braugerste 2016 in Deutschland. Stand: 28.11.2016 http://www.braugerstengemeinschaft.de/wp-content/uploads/2016/09/1.-Erntebericht-Deutschland-aktuell.pdf. Accessed 17 Jan 2017 Braugersten-Gemeinschaft (2016b) Braugersten-Gemeinschaft e.V., Muenchen. Berliner Programm. http://www.braugerstengemeinschaft.de/berliner-programm/. Accessed 08 Jun 2017 Bundessortenamt (2016) Beschreibende Sortenliste 2016: Getreide, Mais, Öl- und Faserpflanzen, Leguminosen, Rüben, Zwischenfrüchte. Bundessortenamt, Hannover Cassman KG, Harwood RR (1995) The nature of agricultural systems: food security and environmental balance. Food Policy 20:439–454 Condon F, Rasmusson DC, Schiefelbein E, Velasquez G, Smith KP (2009) Effect of advanced cycle breeding on genetic gain and phenotypic diversity in barley breeding germplasm. Crop Sci 49:1751–1761 Cozzolino D, Allder K, Roumeliotis S, Eglinton J (2012) Feasibility study on the use of multivariate data methods and derivatives to enhance information from barley flour and malt samples analysed using the Rapid Visco Analyser. J Cereal Sci 56:610–614 Digby PGN, Kempton RA (1987) Multivariate analysis of ecological communities. Chapman & Hall, London Eagles HA, Bedggood AG, Panozzo JF, Martin PJ (1995) Cultivar and environmental effects on malting quality in barley. Aust J Agric Res 46:831–844 Erntebericht (2015) http://www.bmel.de/SharedDocs/Downloads/Landwirtschaft/Markt-Statistik/Ernte2015Bericht.pdf. Accessed 28 Feb 2017 Fischbeck G, Kuntze L, Ordon F (2008) Gerste, Hordeum vulgare L. Ein gutes Bier aus Gerste hoher Brauqualität und Pflanzengesundheit. In Roebbelen G (Editor) Die Entwicklung der Pflanzenzuechtung in Deutschland (1908–2008). Gesellschaft fuer Pflanzenzuechtung eV. Goettingen, pp 289–297 Gothard PG, Riggs TJ, Smith DB (1983) The malting quality of some spring barley varieties grown in England and Wales between 1880 and 1980. J Inst Brew 89:344–348 Grausgruber H, Bointner H, Tumpold R, Ruckenbauer P (2002) Genetic improvement of agronomic and qualitative traits of spring barley. Plant Breed 121:411–416 Hartl L, Mohler V, Henkelmann G (2011) Bread-making quality and grain yield in German winter wheat. I. History. 61. Tagung der Vereinigung der Pflanzenzuechter und Saatgutkaufleute Oesterreichs 2010:25–28 Herz M (2011) Progress in the malting quality of winter barley caused by breeding. 61. Tagung der Vereinigung der Pflanzenzuechter und Saatgutkaufleute Oesterreichs 2010:51–55 Kleinknecht K, Möhring J, Laidig F, Meyer U, Piepho HP (2016) A simulation-based approach for evaluating the efficiency of multi-environment trial designs. Crop Sci 56:2237–2250 Laidig F, Piepho HP, Drobek T, Meyer U (2014) Genetic and non-genetic long-term trends in 12 different crops in German official variety performance trials and on-farm yield trends. Theor Appl Genet 127:2599–2617 Laidig F, Piepho HP, Rentel D, Drobek T, Meyer U, Huesken A (2017) Breeding progress, environmental variation and correlation of winter wheat yield and quality traits in German official variety trials and on-farm during 1983–2014. Theor Appl Genet 130:223–245 Lekes J (1990) Ergebnisse und weitere Entwicklung in der Züchtung der mitteleuropaeischen Braugerstengenotypen. 40. Arbeitstagung der Arbeitsgemeinschaft der Saatzuchtleiter 1989:51–70 Lekes J (1998) Der gegenwärtige Stand der Gerstenzuechtung in Europa. 48. Arbeitstagung der Arbeitsgemeinschaft der Saatzuchtleiter 1997:123–128 Lillemo M, Reitan L, Bjornstad A (2010) Increasing impact of plant breeding on barley yields in central Norway from 1946 to 2008. Plant Breed 129:484–490 Mackay IJ, Horwell A, Garner J, White J, McKee J, Philpott H (2011) Reanalysis of the historical series of UK variety trials to quantify the contributions of genetic and environmental factors to trends and variability in yield over time. Theor Appl Genet 122:225–238 Matthies IE, Malosetti M, Roeder MS, van Eeuwijk F (2014) Genome-wide association mapping for kernel and malting quality traits using historical European barley records. PLoS One 9:e110046. doi:10.1371/journal.pone.0110046 MEBAK (2006) Methodensammlung, Bd. 1: Rohstoffe. Brautechnische Analysenmethoden: Rohstoffe. Mitteleuropäische Brautechnischen Analysenkommission (MEBAK), Freising-Weihenstephan Möhring J, Piepho HP (2009) Comparison of weighting in two-stage analyses of plant breeding trials. Crop Sci 49:1977–1988 Molina-Cano JL, Francesch M, Perez-Vendrell AM, Ramo T, Voltas J, Brufau J (1997) Genetic and environmental variation in malting and feed quality of barley. J Cereal Sci 25:37–47 Munck L (1991) Quality criteria in the production chain from malting barley to beer. Ferment 4:235–241 Nielsen JP (2003) Evaluation of malting barley quality using exploratory data analysis. II. The use of kernel hardness and image analysis as screening methods. J Cereal Sci 38:247–255 Nielsen JP, Munck L (2003) Evaluation of malting barley quality using exploratory data analysis. I. Extraction of information from micro malting data of spring and winter barley data. J Cereal Sci 38:173–180 Oberforster M, Werteker M (2011) Inverse and non-inverse relations between grain yield and quality in the Austrian cultivars of wheat, barley and rye. 61. Tagung der Vereinigung der Pflanzenzuechter und Saatgutkaufleute Oesterreichs 2010:9–17 Ogushi K, Lim P, Barr AR, Takahashi S, Asakura T, Ito K (2002) Japanese barley meets Australia: quality performance of malting barley grown in different countries. J Inst Brew 108:303–309 Ortiz R, Nurminiemi M, Madsen S, Rognli O, Bjornstad A (2002) Genetic gains in Nordic spring barley breeding over sixty years. Euphytica 126:283–289 Passarella VS, Savin R, Slafer GA (2002) Grain weight and malting quality in barley as affected by brief periods of increased spike temperature under field conditions. Aust J Agric Res 53:1219–1227 Peltonen-Sainio P, Jauhiainen L, Laurila IP (2009) Cereal yield trends in northern European conditions: changes in yield potential and its realization. Field Crops Res 110:85–90 Piepho HP, Laidig F, Drobek T, Meyer U (2014a) Dissecting genetic and non-genetic sources of long-term yield in German official variety trials. Theor Appl Gen 127:1009–1018 Piepho HP, Müller BU, Jansen C (2014b) Analysis of a complex trait with missing data on the component traits. Commun Biometr Crop Sci 9:26–40 Psota V, Hartmann J, Sejkorova S, Louckova T, Vejrazka K (2009) 50 Years of progress in quality of malting barley grown in the Czech Republic. J Inst Brew 115:279–291 Rasmusson DC, Glass RL (1967) Estimates of genetic and environmental variability in barley. Crop Sci 7:185–188 Rey JI, Hayes PM, Petrie SE, Corey A, Flowers M, Ohm JB, Ong C, Rhinhart K, Ross AS (2009) Production of dryland barley for human food: quality and agronomic performance. Crop Sci 49:347–355 Rijk B, van Ittersum M, Withagen J (2013) Genetic progress in Dutch crop yields. Field Crops Res 149:262–268 Rutger JN, Schaller CW, Dickson AD, Williams JC (1966) Variation and covariation in agronomic and malting quality characters in barley. I. Heritability estimates. Crop Sci 6:231–234 Rutger JN, Schaller CW, Dickson AD (1967) Variation and covariation in agronomic and malting quality characters in barley. II. Interrelationships of characters. Crop Sci 7:325–326 Schmidt M, Kollers S, Maasberg-Prelle A, Großer J, Schinkel B, Tomerius A, Graner A, Korzun V (2016) Prediction of malting quality traits in barley based on genome-wide marker data to assess the potential of genomic selection. Theor Appl Genet 129:203–213 Simmonds NW (1995) The relation between yield and protein in cereal grain. J Sci Food Agric 67:309–315 StatJ (2015) Statistisches Jahrbuch über Ernährung, Landwirtschaft und Forsten der Bundesrepublik Deutschland (2015) Landwirtschaftsverlag GmbH Münster-Hiltrup Van Wart J, Kersebaum KC, Peng S, Milner M, Cassman KG (2013) Estimating crop yield potential at regional to national scales. Field Crops Res 143:34–43 Varvel GE, Severson RK (1987) Evaluation of cultivar and nitrogen management options for malting barley. Agron J 79:459–463 Wych RD, Rasmusson DC (1983) Genetic improvement in malting barley cultivars since 1920. Crop Sci 23:1037–1040