BIONÆR-Bionæringsprogram

Utviklingen av europeisk kornproduksjon har gått i retning av en stadig mer intensiv og spesialisert produksjon av hvete og bygg på bekostning av mindre dyrkede kornarter som havre, rug og spelt, og rug dyrkes i dag hovedsakelig på steder og arealer der klima- og jordforholdene ikke er gode nok for hveteproduksjon. For å øke konkurranseevnen til rug, vil det være strategisk viktig å forsterke innsatsen innenfor planteforedling. Rug er den eneste av kornartene som er kryss-pollinerte. Dette øker kompleksiteten i forhold til utviklingen av nye, genetisk forbedrede sorter og understreker viktigheten av forskning med et spesifikt fokus på rug. Det overordnede målet for prosjektet RYE-SUS har vært å utnytte hybridforedlings-teknologi og gen-basert presisjonsforedling for å utvikle stråstive semidverg-sorter av rug med redusert risiko for legde, redusert risiko for angrep av soppsykdommen mjøldrøye, økt tørke- og frosttoleranse og forbedret høsteindeks og avlingspotensial. Flere europeiske land, i tillegg til Canada, har deltatt i prosjektet. Tre semidverg genotyper med dverg-genet Ddw1 og deres nær-isogene, strålange motparter ble brukt til å etablere 48 gibberellin-sensitive semidverg prototyper og deres 48 nær-isogene, strålange motparter. Disse ble evaluert i feltforsøk i flere land under ulike vær- og vekstforhold for egenskaper knyttet til vinteroverlevelse, fenologisk utvikling, agronomi, plantehelse, avling og kornkvalitet. Resultatene viste at dvergsortene hadde langt mindre utfordringer med legde enn de nær-isogene sortene med langt strå og bekreftet at genetisk vekstregulering ved bruk av dominante dverg-gen er en gjennomførbar strategi for å redusere avlingstap i rug på grunn av legde. Den sterke legde-resistensen hos semidverg hybridsorter av rug gjør det mulig for bønder å produsere mer korn av bedre kvalitet uten økt bruk av landareal, gjødsel og vann og dermed også med et lavere miljømessig fotavtrykk. Et eget utvalg av genetisk ulike linjer av rug, både med og uten dverg-gen, ble brukt til mer grundige undersøkelser av egenskaper knyttet til frosttoleranse og vinteroverlevelse både under naturlige og kontrollerte klimaforhold. Dette arbeidet identifiserte 34 til nå ukjente gen relatert til vinteroverlevelse og bidro til økt kunnskap om hvordan evnen til utvikling av frosttoleranse er genetisk oppbygget hos rug. Vekstmodeller har blitt et stadig viktigere verktøy i dagens forskning. Mens det for hvete er utviklet og publisert flere ulike vekstmodeller, finnes det kun noen få modeller med begrenset bruksområde og/eller tilgjengelighet for rug. Et stort datasett med nesten 40 000 historiske observasjoner fra mer enn 100 tyske lokaliteter i årene 1983-2019 ble brukt til å kalibrere, tilpasse og validere vekstmodellen Ceres-Wheat for rug. En spesiell utfordring i forhold til vekstmodeller for høstkorn er imidlertid muligheten til å kunne simulere vinteroverlevelse og andel levende planter om våren. Høsten 2020 og 2021 ble det derfor gjennomført potteforsøk ved NIBIO Apelsvoll forskningsstasjon der noen utvalgte sorter ble testet mer spesifikt for egenskaper som vernaliseringskrav og utvikling av frosttoleranse gjennom perioder med herding og avherding. Data fra disse forsøkene ble brukt til å kalibrere FROSTOL-modellen, laget for å simulere utvikling av frosttoleranse og andel overvintrende planter i høsthvete-åkre, til bruk i rug. Den kalibrerte FROSTOL-modellen ble deretter inkludert som en overvintrings-modul i den ny-utviklede vekstmodellen Ceres-Rye. Ceres-Rye modellen ligger nå fritt tilgjengelig i «Decision Support System for Agrotechnology Transfer» og gjør det mulig simulere vinteroverlevelse, vekst og avlingsdannelse for ulike sorter av rug under både nåværende og fremtidige klimatiske forhold og evaluere effekten av ulike agronomiske dyrkingsstrategier både med tanke på avlingsmengde og ut fra et bærekrafts-perspektiv.

1) Establishment and field evaluations of 48 semidwarf genotypes and their near-isogenic tall counterparts. 2) The shown potential of genetic control of plant height in semidwarf rye will reduce the need of chemical plant growth regulators in rye production. The strong lodging resistance of semidwarf rye hybrids enables farmers to produce more grain of better quality on finite arable land without increased use of fertilizers and water and hence also a lower environmental footprint. 3) The CERES-Wheat crop growth model and the FROSTOL model, which simulates course of frost tolerance and proportion of surviving plants during winter, was adapted and calibrated to form a crop growth model for rye which also includes simulations of winter survival (CERES-Rye). The CERES-Rye model makes it possible to evaluate crop management methods under both present and future climatic conditions and is freely available in the Decision Support System for Agrotechnology Transfer. 4) Identification of 34 previously unknown genes significantly associated with winter survival. 5) Specific genes related to frost tolerance were tagged with gene-specific markers, enabling a more efficient marker-assisted introgression of favourable alleles from donor populations in the breeding of new, winter hardy rye cultivars. 6) Increased understanding of the genetic architecture of winter hardiness in rye will further promote rye as a model species to unravel the frost tolerance network in cereal crops.

Enhanced plant breeding efforts are of strategic importance to improve the competitiveness of minor cereals as rye in European agriculture. Rye is a traditional food grain and a valuable source of energy and protein for livestock. Like other minor cereals, rye is mainly grown in marginal environments where climate and soil conditions are unfavourable for wheat production. The overall goal of RYE-SUS is to develop and test gibberellin-sensitive semi-dwarf rye genotypes with an optimized harvest index, improved lodging resistance, high yield potential, minimised risk of ergot infestations, and high drought and frost tolerance, as well as to develop a crop model for simulations of winter survival, growth and yield formation under both optimal and potentially growth-limiting conditions. While the technology of hybrid breeding enables development and evaluation of prototypes of new rye genotypes, the knowledge gained within RYE-SUS will also be applicable for the genetic improvement of open pollinating cultivars with simpler and less expensive breeding procedures and shorter development cycles. An active exchange of ideas, concepts, knowledge and technology between participants of RYE-SUS will improve the coherence on marker assisted selection in European and Canadian rye breeding programs and generate synergies for more sustainable and resilient crop production through plant breeding. The collaborative research and activities within this transnational consortium develop and deliver unique opportunities for the European Research Area to increase and secure cereal production on finite arable land without increasing water and fertilizer use.