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Soybean (Glycine max Merr.) is one of the major crops in the world providing an important source of protein and oil for food and feed; however it is still a minor crop in Central Europe. Soybean cultivation can play an important role in a more sustainable agricultural system by increasing local and regional protein production in Europe. The demand for locally produced soybean products is still growing in Europe. The key for a successful establishment of soybean cultivation in Europe is adaptation of soybean varieties to the Central European growing conditions. For the latitudinal adaptation to long-day conditions in Central to Northern Europe, an adapted early flowering and maturity time is of crucial importance for a profitable cultivation. The key traits flowering and maturity are quantitatively inherited and mainly affected by photoperiod responsiveness and temperature sensitivity. The most important loci for an early flowering and maturity are E1-E4 and the various allelic combinations condition soybean flowering and maturity time and therefore strongly contribute to the wide adaptability (Jiang et al., 2014; Tsubokura et al., 2014; M. Xu et al., 2013). Besides the main usage as protein source for animal feeding, soybean is also a very valuable source for human consumption. Tofu is enjoying ever greater popularity in Europe, as it is one of the best sources of plant protein with additional health benefits, rich in essential amino acids, beneficial lipids, vitamins, and minerals, as well as other bioactive compounds, such as isoflavones, soyasaponin, and others, (Lima et al., 2017; Zhang et al., 2018). Thus, plant breeding has to provide not only well-adapted varieties with good agronomic and quality properties, but also provide varieties well-suited to the further processing into soymilk and tofu. Therefore, a good knowledge about the breeding target, how to assess it and how it is inherited is crucial. The conducted studies covered a broad range of aspects rele, Die Sojabohne (Glycine max Merr.) ist eine der wichtigsten Nutzpflanzen der Welt und stellt eine wichtige Protein- und Ölquelle für Lebens- und Futtermittel dar; in Mitteleuropa spielt die Sojabohne jedoch immer noch eine untergeordnete Rolle im Anbau. Der Sojabohnenanbau kann eine wichtige Rolle in einem nachhaltigeren Agrarsystem spielen, indem er die lokale und regionale Proteinproduktion in Europa steigert. Die Nachfrage nach lokal produzierten Sojabohnenprodukten wächst in Europa weiter. Der Schlüssel für eine erfolgreiche Etablierung des Sojaanbaus in Europa ist die Anpassung der Sojasorten an die mitteleuropäischen Anbaubedingungen. Für die Breitenanpassung an Langtagbedingungen in Mittel- bis Nordeuropa ist eine angepasste frühe Blüte- und Reifezeit von entscheidender Bedeutung für einen ertragreichen Anbau. Die Schlüsselmerkmale Blüte und Reife werden quantitativ vererbt und hauptsächlich durch die Photoperioden- und Temperaturempfindlichkeit beeinflusst. Die wichtigsten Genorte für eine frühe Blüte und Reife sind E1-E4. Die verschiedenen Allelkombinationen bedingen die Sojabohnenblüte und Reifezeit und tragen daher stark zur breiten Anpassungsfähigkeit bei (Jiang et al., 2014; Tsubokura et al., 2014; M. Xu et al., 2013). Neben der Hauptverwendung als Proteinquelle für die Tierfütterung ist Soja auch eine sehr wertvolle Quelle für die menschliche Ernährung. Lebensmittel auf Sojabasis spielen eine zentrale Rolle in der asiatischen Küche, die sehr unterschiedliche Produkte anbietet, wobei Tofu das wichtigste Produkt ist. Tofu erfreut sich in Europa immer größerer Beliebtheit, da er eine der besten pflanzlichen Proteinquellen mit zusätzlichem Gesundheitsnutzen ist, reich an essentiellen Aminosäuren, nützlichen Lipiden, Vitaminen und Mineralstoffen sowie anderen bioaktiven Verbindungen wie Isoflavonen, Sojasaponin und andere (Lima et al., 2017; Zhang et al., 2018). Daher muss die Pflanzenzüchtung nicht nur gut angepasste Sorten mit guten agronomischen und quali

Soybean (Glycine max Merr.) is one of the major crops in the world providing an important source of protein and oil for food and feed; however it is still a minor crop in Central Europe. Soybean cultivation can play an important role in a more sustainable agricultural system by increasing local and regional protein production in Europe. The demand for locally produced soybean products is still growing in Europe. The key for a successful establishment of soybean cultivation in Europe is adaptation of soybean varieties to the Central European growing conditions. For the latitudinal adaptation to long-day conditions in Central to Northern Europe, an adapted early flowering and maturity time is of crucial importance for a profitable cultivation. The key traits flowering and maturity are quantitatively inherited and mainly affected by photoperiod responsiveness and temperature sensitivity. The most important loci for an early flowering and maturity are E1-E4 and the various allelic combinations condition soybean flowering and maturity time and therefore strongly contribute to the wide adaptability (Jiang et al., 2014; Tsubokura et al., 2014; M. Xu et al., 2013). Besides the main usage as protein source for animal feeding, soybean is also a very valuable source for human consumption. Tofu is enjoying ever greater popularity in Europe, as it is one of the best sources of plant protein with additional health benefits, rich in essential amino acids, beneficial lipids, vitamins, and minerals, as well as other bioactive compounds, such as isoflavones, soyasaponin, and others, (Lima et al., 2017; Zhang et al., 2018). Thus, plant breeding has to provide not only well-adapted varieties with good agronomic and quality properties, but also provide varieties well-suited to the further processing into soymilk and tofu. Therefore, a good knowledge about the breeding target, how to assess it and how it is inherited is crucial. The conducted studies covered a broad range of aspects rele, Die Sojabohne (Glycine max Merr.) ist eine der wichtigsten Nutzpflanzen der Welt und stellt eine wichtige Protein- und Ölquelle für Lebens- und Futtermittel dar; in Mitteleuropa spielt die Sojabohne jedoch immer noch eine untergeordnete Rolle im Anbau. Der Sojabohnenanbau kann eine wichtige Rolle in einem nachhaltigeren Agrarsystem spielen, indem er die lokale und regionale Proteinproduktion in Europa steigert. Die Nachfrage nach lokal produzierten Sojabohnenprodukten wächst in Europa weiter. Der Schlüssel für eine erfolgreiche Etablierung des Sojaanbaus in Europa ist die Anpassung der Sojasorten an die mitteleuropäischen Anbaubedingungen. Für die Breitenanpassung an Langtagbedingungen in Mittel- bis Nordeuropa ist eine angepasste frühe Blüte- und Reifezeit von entscheidender Bedeutung für einen ertragreichen Anbau. Die Schlüsselmerkmale Blüte und Reife werden quantitativ vererbt und hauptsächlich durch die Photoperioden- und Temperaturempfindlichkeit beeinflusst. Die wichtigsten Genorte für eine frühe Blüte und Reife sind E1-E4. Die verschiedenen Allelkombinationen bedingen die Sojabohnenblüte und Reifezeit und tragen daher stark zur breiten Anpassungsfähigkeit bei (Jiang et al., 2014; Tsubokura et al., 2014; M. Xu et al., 2013). Neben der Hauptverwendung als Proteinquelle für die Tierfütterung ist Soja auch eine sehr wertvolle Quelle für die menschliche Ernährung. Lebensmittel auf Sojabasis spielen eine zentrale Rolle in der asiatischen Küche, die sehr unterschiedliche Produkte anbietet, wobei Tofu das wichtigste Produkt ist. Tofu erfreut sich in Europa immer größerer Beliebtheit, da er eine der besten pflanzlichen Proteinquellen mit zusätzlichem Gesundheitsnutzen ist, reich an essentiellen Aminosäuren, nützlichen Lipiden, Vitaminen und Mineralstoffen sowie anderen bioaktiven Verbindungen wie Isoflavonen, Sojasaponin und andere (Lima et al., 2017; Zhang et al., 2018). Daher muss die Pflanzenzüchtung nicht nur gut angepasste Sorten mit guten agronomischen und quali

Currently, the combination of a growing bioenergy demand and the need to diversify the dominant cultivation of energy maize opens a highly attractive scenario for alternative biomass crops. Rye (Secale cereale L.) stands out for its vigorous growth and increased tolerance to abiotic and biotic stressors. In Germany, less than a quarter of the total harvest is used for food production. Consequently, rye arises as a source of renewables with a reduced bioenergy-food tradeoff, emerging biomass as a new breeding objective. However, rye breeding is mainly driven by grain yield while biomass is destructively evaluated in later selection stages by expensive and time-consuming methods. The overall motivation of this research was to investigate the prospects of combining hyperspectral, genomic, and agronomic data for unlocking the potential of hybrid rye as a dual-purpose crop to meet the increasing demand for renewable sources of energy affordably. A specific aim was to predict the biomass yield as precisely as possible at an early selection stage. For this, a panel of 404 elite rye lines was genotyped and evaluated as testcrosses for grain yield and a subset of 274 genotypes additionally for biomass. Field trials were conducted at four locations in Germany in two years (eight environments). Hyperspectral fingerprints consisted of 400 discrete narrow bands (from 410 to 993 nm) and were collected in two points of time after heading for all hybrids in each site by an uncrewed aerial vehicle. In a first study, population parameters were estimated for different agronomic traits and a total of 23 vegetation indices. Dry matter yield showed significant genetic variation and was stronger correlated with plant height (r_g=0.86) than with grain yield (r_g=0.64) and individual vegetation indices (r_g: =<|0.35|). A multiple linear regression model based on plant height, grain yield, and a subset of vegetation indices surpassed the prediction ability for dry matter yield of models base, Die Kombination eines wachsenden Bioenergiebedarfs und die Notwendigkeit, den vorherrschenden Anbau von Energiemais zu diversifizieren, eröffnen ein äußerst attraktives Szenario für alternative Biomassekulturen. Roggen (Secale cereale L.) zeichnet sich, durch ein kräftiges vegetatives Wachstum und eine erhöhte Toleranz gegenüber abiotischen und biotischen Stressfaktoren. In Deutschland wird weniger als ein Viertel der gesamten Roggenernte für die Lebensmittelproduktion verwendet. Daher gewinnt Roggen durch einen geringeren Zielkonflikt zwischen Bioenergie- und Lebensmittelnutzung an Bedeutung als Quelle für erneuerbare Energien, wobei Biomasse als neues Züchtungsziel auftaucht. Die Roggenzüchtung konzentriert sich derzeit jedoch hauptsächlich auf den Kornertrag, während die Biomasse in späteren Selektionsstadien durch teure und zeitaufwändige Methoden destruktiv erfasst wird. Die übergeordnete Motivation dieser Arbeit war es, die Aussichten der Kombination von hyperspektralen, genomischen und agronomischen Daten für die Erschließung des Potenzials von Hybridroggen als Zweinutzungspflanze zu untersuchen, um den steigenden Bedarf an erneuerbaren Energiequellen kostengünstig zu decken. Das spezifische Ziel war es, den Biomasseertrag in einem frühen Selektionsstadium so genau wie möglich vorherzusagen. Dazu wurde ein Panel von 404 Elitelinien genotypisiert und als Testkreuzungen für Kornertrag - eine Teilmenge von 274 Genotypen auch für Biomasse-Ertrag – ausgewertet. Feldversuche wurden an vier Standorten in zwei Jahren in Deutschland (entspricht acht Umwelten) durchgeführt. Die hyperspektralen Daten (400 diskreten Banden; 410-993 nm) wurden zu zwei Zeitpunkten nach dem Ährenschieben für alle Testkreuzungen an jedem Ort von einer Drohne gesammelt. In einer ersten Studie wurden Populationsparameter für verschiedene agronomische Merkmale und insgesamt 23 Vegetationsindizes geschätzt. Der Trockenmasseertrag zeigte eine signifikante genetische Variation und korrelierte stär

Fusarium head blight (FHB) in triticale (× Triticosecale Wittm.), Gibberella ear rot (GER) and Northern corn leaf blight (NCLB) in maize (Zea mays L.) are devastating crop diseases causing yield losses and/or reducing grain quality worldwide. Resistance breeding is the most efficient and sustainable approach to reduce the damages caused by these diseases. For all three pathosystems, a quantitative inheritance based on many genes with small effects has been described in previous studies. Hence, this thesis aimed to assess the potential of genomics-assisted breeding strategies to reduce FHB, GER and NCLB in applied breeding programs. In particular, the objectives were to: (i) Dissect the genetic architecture underlying quantitative variation for FHB, GER and NCLB through different quantitative trait loci (QTL) and association mapping approaches; (ii) assess the potential of genomics-assisted selection to select superior triticale genotypes harboring FHB resistance; (iii) phenotype and characterize Brazilian resistance donors conferring resistance to GER and NCLB in multi-environment trials in Brazil and in Europe; and (iv) evaluate approaches for the introgression and integration of NCLB and GER resistances from tropical to adapted germplasm. The genome-wide association study (GWAS) conducted for FHB resistance in triticale revealed six QTL that reduced damages by 5 to 8%. The most prominent QTL identified in our study was mapped on chromosome 5B and explained 30% of the genotypic variance. To evaluate the potential of genomic selection (GS), we performed a five-fold cross-validation study. Here, weighted genomic selection increased the prediction accuracy from 0.55 to 0.78 compared to the non-weighted GS model, indicating the high potential of the weighted genomic selection approach. The successful application of GS requires large training sets to develop robust models. However, large training sets based on the target trait deoxynivalenol (DON) are usually not availa, Ährenfusariosen (Fusarium head blight, FHB) in Triticale (× Triticosecale Wittm.), sowie Kolbenfusariosen (Gibberella ear rot, GER) und Turcicum-Blattdürre (Northern corn leaf blight, NCLB) im Mais (Zea mays L.), sind weltweit verheerende Schaderreger, die zu Ertragseinbußen und verminderter Erntegutqualität führen können. Die Resistenzzüchtung ist die effizienteste und nachhaltigste Methode, um die auftretenden Schadwirkungen dieser Pflanzenkrankheiten zu minimieren. Für alle drei Pathosysteme wurden bereits quantitative Resistenzen in der Literatur beschrieben. Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war daher, das Potenzial genomisch unterstützter Zuchtstrategien zur Reduktion von FHB, GER und NCLB zu untersuchen. Insbesondere wurden dabei die nachfolgenden Ziele verfolgt: (i) die genetische Architektur von FHB, GER und NCLB mit verschiedenen QTL- und Assoziationskartierungsansätzen zu untersuchen; (ii) das Potential genomisch unterstützter Zuchtstrategien zur Selektion von Triticale Genotypen mit verbesserter FHB Resistenz zu bewerten; (iii) die Charaktierisierung und Phänotypisierung brasilianischer Resistenzdonoren für GER und NCLB in mehreren Umwelten in Brasilien und Europa; und (iv) Ansätze für die Einkreuzung und Intergration von tropischen NCLB und GER Resistenzquellen in europäisches Zuchtmaterial zu bewerten. Die genomweite Assoziationskartierung (GWAS) für FHB Resistenz in Triticale identifizierte sechs QTL, die eine Reduktion im Befallswert zwischen 5 und 8% erklärten. Der vielversprechendste QTL wurde auf Chromosome 5B identifizert und erklärte 30% der genotypischen Varianz. Um das Potenzial der genomischen Selektion (GS) zu evaluieren, wurde eine fünffache Kreuzvalidierung durchgeführt. Hier zeigte eine gewichtete genomische Selektion (wGS) einen Anstieg in der Vorhersagegenauigkeit von 0.55 auf 0.78, verglichen zum ungewichteten GS Modell. Dies unterstreicht das Potenzial der wGS Methode. Eine erfolgreiche Implementierung von GS benötigt eine ausre

The world’s human and livestock population is increasing and there is the need to increase quality food production to achieve the global sustainable development goal 3, zero hunger by year 2030 (United Nations, 2015). However, biotic stresses such as Fusarium ear infections pose serious threat to cereal crop production. Breeding for host plant resistance against toxigenic Fusarium spp. is a sustainable way to produce more and safer cereal crops such as maize and small-grain winter cereals. Many efforts have been made to improve maize and small-grain cereals for ear rot (ER) and Fusarium head blight (FHB) resistances, using conventional and genomic techniques. Among small-grain cereals, rye had the shortest maturity period followed by the descendant, hexaploid triticale while both wheat species had the longest maturity period. In addition, rye and triticale were more robust to Fusarium infection and deoxynivalenol accumulation, making them safer grain sources for human and animal consumption. However, a few resistant cultivars have been produced by prolonged conventional breeding efforts in durum wheat and bread wheat. High genetic variation was present within each crop species and can be exploited for resistance breeding. In this thesis, the genetic architecture of FHB resistance in rye was investigated for the first time, by means of genome-wide association study (GWAS) and genomic prediction (GP). GWAS detected 15 QTLs for Fusarium culmorum head blight severity, of which two had major effects. Both weighted and unweighted GP approaches yielded higher prediction abilities than marker-assisted selection (MAS) for FHB severity, heading stage and plant height. Genomics-assisted breeding can shorten the duration of breeding rye for FHB resistance. In the past decade, genetic mapping and omics were used to identify a multitude of QTLs and candidate genes for ear rot resistances and mycotoxin accumulation in maize. The polygenic nature of resistance traits, high genotype, Um das Ziel 3 für nachhaltige Entwicklung, das Ende des Hungers bis 2030 (United Nations, 2015) zu erreichen, muss durch den Anstieg der Weltbevölkerung die Nahrungsmittelproduktion deutlich erhöht werden. Gleichzeitig aber bedrohen Pflanzenkrankheiten wie Fusariosen die Getreideproduktion. Die Züchtung von Sorten mit Resistenzen gegen die (für Mensch und Tier) giftigen Pilze der Gattung Fusarium ist ein nachhaltiger Weg, um größere Mengen und weniger toxin-belastetes Getreide zu produzieren. Viele Versuche wurden unternommen, um die Resistenz gegen Kolbenfäule in Mais und gegen Ährenfusariosen (Fusarium head blight, FHB) in kleinkörnigem Getreide mit konventionellen und genomischen Züchtungsmethoden zu verbessern. In unseren Untersuchungen waren Roggen und Triticale am widerstandsfähigsten gegen Fusarium-Infektionen und hatten die geringste Deoxynivalenol-Kontamination, was sie zu weniger toxischen Nahrungs- und Futtermitteln macht. Aber auch für Hart- und Weichweizen gibt es durch langjährige konventionelle Züchtung einzelne resistente Sorten. Eine hohe genetische Variation konnte bei allen Getreidearten beobachtet werden und kann damit für zukünftige Resistenzzüchtung verwendet werden. In dieser Arbeit wurde zum ersten Mal mit Hilfe einer genomweiten Assoziationsstudie (genome-wide association study, GWAS) und genomischer Vorhersage (genomic prediction, GP) die genetische Architektur der Fusarium-Resistenz in Roggen untersucht. GWAS konnten 15 Loci (quantitative trait loci, QTL) für die Resistenz gegen Fusarium culmorum gefunden werden, zwei davon mit Haupt-Effekten (major effects). Sowohl die gewichtete als auch die ungewichtete genomische Vorhersage erzielten für Fusariumbefall, Ährenschieben und Wuchshöhe höhere Genauigkeiten als die markergestützte Selektion (marker-assisted selection, MAS). Genomische Daten können damit die Züchtung von Fusarium-resistentem Roggen beschleunigen. In den letzten zehn Jahren wurden genetische Kartierungen und Omics verwendet, u

Currently, the combination of a growing bioenergy demand and the need to diversify the dominant cultivation of energy maize opens a highly attractive scenario for alternative biomass crops. Rye (Secale cereale L.) stands out for its vigorous growth and increased tolerance to abiotic and biotic stressors. In Germany, less than a quarter of the total harvest is used for food production. Consequently, rye arises as a source of renewables with a reduced bioenergy-food tradeoff, emerging biomass as a new breeding objective. However, rye breeding is mainly driven by grain yield while biomass is destructively evaluated in later selection stages by expensive and time-consuming methods. The overall motivation of this research was to investigate the prospects of combining hyperspectral, genomic, and agronomic data for unlocking the potential of hybrid rye as a dual-purpose crop to meet the increasing demand for renewable sources of energy affordably. A specific aim was to predict the biomass yield as precisely as possible at an early selection stage. For this, a panel of 404 elite rye lines was genotyped and evaluated as testcrosses for grain yield and a subset of 274 genotypes additionally for biomass. Field trials were conducted at four locations in Germany in two years (eight environments). Hyperspectral fingerprints consisted of 400 discrete narrow bands (from 410 to 993 nm) and were collected in two points of time after heading for all hybrids in each site by an uncrewed aerial vehicle. In a first study, population parameters were estimated for different agronomic traits and a total of 23 vegetation indices. Dry matter yield showed significant genetic variation and was stronger correlated with plant height (r_g=0.86) than with grain yield (r_g=0.64) and individual vegetation indices (r_g: =<|0.35|). A multiple linear regression model based on plant height, grain yield, and a subset of vegetation indices surpassed the prediction ability for dry matter yield of models base, Die Kombination eines wachsenden Bioenergiebedarfs und die Notwendigkeit, den vorherrschenden Anbau von Energiemais zu diversifizieren, eröffnen ein äußerst attraktives Szenario für alternative Biomassekulturen. Roggen (Secale cereale L.) zeichnet sich, durch ein kräftiges vegetatives Wachstum und eine erhöhte Toleranz gegenüber abiotischen und biotischen Stressfaktoren. In Deutschland wird weniger als ein Viertel der gesamten Roggenernte für die Lebensmittelproduktion verwendet. Daher gewinnt Roggen durch einen geringeren Zielkonflikt zwischen Bioenergie- und Lebensmittelnutzung an Bedeutung als Quelle für erneuerbare Energien, wobei Biomasse als neues Züchtungsziel auftaucht. Die Roggenzüchtung konzentriert sich derzeit jedoch hauptsächlich auf den Kornertrag, während die Biomasse in späteren Selektionsstadien durch teure und zeitaufwändige Methoden destruktiv erfasst wird. Die übergeordnete Motivation dieser Arbeit war es, die Aussichten der Kombination von hyperspektralen, genomischen und agronomischen Daten für die Erschließung des Potenzials von Hybridroggen als Zweinutzungspflanze zu untersuchen, um den steigenden Bedarf an erneuerbaren Energiequellen kostengünstig zu decken. Das spezifische Ziel war es, den Biomasseertrag in einem frühen Selektionsstadium so genau wie möglich vorherzusagen. Dazu wurde ein Panel von 404 Elitelinien genotypisiert und als Testkreuzungen für Kornertrag - eine Teilmenge von 274 Genotypen auch für Biomasse-Ertrag – ausgewertet. Feldversuche wurden an vier Standorten in zwei Jahren in Deutschland (entspricht acht Umwelten) durchgeführt. Die hyperspektralen Daten (400 diskreten Banden; 410-993 nm) wurden zu zwei Zeitpunkten nach dem Ährenschieben für alle Testkreuzungen an jedem Ort von einer Drohne gesammelt. In einer ersten Studie wurden Populationsparameter für verschiedene agronomische Merkmale und insgesamt 23 Vegetationsindizes geschätzt. Der Trockenmasseertrag zeigte eine signifikante genetische Variation und korrelierte stär

The world’s human and livestock population is increasing and there is the need to increase quality food production to achieve the global sustainable development goal 3, zero hunger by year 2030 (United Nations, 2015). However, biotic stresses such as Fusarium ear infections pose serious threat to cereal crop production. Breeding for host plant resistance against toxigenic Fusarium spp. is a sustainable way to produce more and safer cereal crops such as maize and small-grain winter cereals. Many efforts have been made to improve maize and small-grain cereals for ear rot (ER) and Fusarium head blight (FHB) resistances, using conventional and genomic techniques. Among small-grain cereals, rye had the shortest maturity period followed by the descendant, hexaploid triticale while both wheat species had the longest maturity period. In addition, rye and triticale were more robust to Fusarium infection and deoxynivalenol accumulation, making them safer grain sources for human and animal consumption. However, a few resistant cultivars have been produced by prolonged conventional breeding efforts in durum wheat and bread wheat. High genetic variation was present within each crop species and can be exploited for resistance breeding. In this thesis, the genetic architecture of FHB resistance in rye was investigated for the first time, by means of genome-wide association study (GWAS) and genomic prediction (GP). GWAS detected 15 QTLs for Fusarium culmorum head blight severity, of which two had major effects. Both weighted and unweighted GP approaches yielded higher prediction abilities than marker-assisted selection (MAS) for FHB severity, heading stage and plant height. Genomics-assisted breeding can shorten the duration of breeding rye for FHB resistance. In the past decade, genetic mapping and omics were used to identify a multitude of QTLs and candidate genes for ear rot resistances and mycotoxin accumulation in maize. The polygenic nature of resistance traits, high genotype, Um das Ziel 3 für nachhaltige Entwicklung, das Ende des Hungers bis 2030 (United Nations, 2015) zu erreichen, muss durch den Anstieg der Weltbevölkerung die Nahrungsmittelproduktion deutlich erhöht werden. Gleichzeitig aber bedrohen Pflanzenkrankheiten wie Fusariosen die Getreideproduktion. Die Züchtung von Sorten mit Resistenzen gegen die (für Mensch und Tier) giftigen Pilze der Gattung Fusarium ist ein nachhaltiger Weg, um größere Mengen und weniger toxin-belastetes Getreide zu produzieren. Viele Versuche wurden unternommen, um die Resistenz gegen Kolbenfäule in Mais und gegen Ährenfusariosen (Fusarium head blight, FHB) in kleinkörnigem Getreide mit konventionellen und genomischen Züchtungsmethoden zu verbessern. In unseren Untersuchungen waren Roggen und Triticale am widerstandsfähigsten gegen Fusarium-Infektionen und hatten die geringste Deoxynivalenol-Kontamination, was sie zu weniger toxischen Nahrungs- und Futtermitteln macht. Aber auch für Hart- und Weichweizen gibt es durch langjährige konventionelle Züchtung einzelne resistente Sorten. Eine hohe genetische Variation konnte bei allen Getreidearten beobachtet werden und kann damit für zukünftige Resistenzzüchtung verwendet werden. In dieser Arbeit wurde zum ersten Mal mit Hilfe einer genomweiten Assoziationsstudie (genome-wide association study, GWAS) und genomischer Vorhersage (genomic prediction, GP) die genetische Architektur der Fusarium-Resistenz in Roggen untersucht. GWAS konnten 15 Loci (quantitative trait loci, QTL) für die Resistenz gegen Fusarium culmorum gefunden werden, zwei davon mit Haupt-Effekten (major effects). Sowohl die gewichtete als auch die ungewichtete genomische Vorhersage erzielten für Fusariumbefall, Ährenschieben und Wuchshöhe höhere Genauigkeiten als die markergestützte Selektion (marker-assisted selection, MAS). Genomische Daten können damit die Züchtung von Fusarium-resistentem Roggen beschleunigen. In den letzten zehn Jahren wurden genetische Kartierungen und Omics verwendet, u

Fusarium head blight (FHB) in triticale (× Triticosecale Wittm.), Gibberella ear rot (GER) and Northern corn leaf blight (NCLB) in maize (Zea mays L.) are devastating crop diseases causing yield losses and/or reducing grain quality worldwide. Resistance breeding is the most efficient and sustainable approach to reduce the damages caused by these diseases. For all three pathosystems, a quantitative inheritance based on many genes with small effects has been described in previous studies. Hence, this thesis aimed to assess the potential of genomics-assisted breeding strategies to reduce FHB, GER and NCLB in applied breeding programs. In particular, the objectives were to: (i) Dissect the genetic architecture underlying quantitative variation for FHB, GER and NCLB through different quantitative trait loci (QTL) and association mapping approaches; (ii) assess the potential of genomics-assisted selection to select superior triticale genotypes harboring FHB resistance; (iii) phenotype and characterize Brazilian resistance donors conferring resistance to GER and NCLB in multi-environment trials in Brazil and in Europe; and (iv) evaluate approaches for the introgression and integration of NCLB and GER resistances from tropical to adapted germplasm. The genome-wide association study (GWAS) conducted for FHB resistance in triticale revealed six QTL that reduced damages by 5 to 8%. The most prominent QTL identified in our study was mapped on chromosome 5B and explained 30% of the genotypic variance. To evaluate the potential of genomic selection (GS), we performed a five-fold cross-validation study. Here, weighted genomic selection increased the prediction accuracy from 0.55 to 0.78 compared to the non-weighted GS model, indicating the high potential of the weighted genomic selection approach. The successful application of GS requires large training sets to develop robust models. However, large training sets based on the target trait deoxynivalenol (DON) are usually not availa, Ährenfusariosen (Fusarium head blight, FHB) in Triticale (× Triticosecale Wittm.), sowie Kolbenfusariosen (Gibberella ear rot, GER) und Turcicum-Blattdürre (Northern corn leaf blight, NCLB) im Mais (Zea mays L.), sind weltweit verheerende Schaderreger, die zu Ertragseinbußen und verminderter Erntegutqualität führen können. Die Resistenzzüchtung ist die effizienteste und nachhaltigste Methode, um die auftretenden Schadwirkungen dieser Pflanzenkrankheiten zu minimieren. Für alle drei Pathosysteme wurden bereits quantitative Resistenzen in der Literatur beschrieben. Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war daher, das Potenzial genomisch unterstützter Zuchtstrategien zur Reduktion von FHB, GER und NCLB zu untersuchen. Insbesondere wurden dabei die nachfolgenden Ziele verfolgt: (i) die genetische Architektur von FHB, GER und NCLB mit verschiedenen QTL- und Assoziationskartierungsansätzen zu untersuchen; (ii) das Potential genomisch unterstützter Zuchtstrategien zur Selektion von Triticale Genotypen mit verbesserter FHB Resistenz zu bewerten; (iii) die Charaktierisierung und Phänotypisierung brasilianischer Resistenzdonoren für GER und NCLB in mehreren Umwelten in Brasilien und Europa; und (iv) Ansätze für die Einkreuzung und Intergration von tropischen NCLB und GER Resistenzquellen in europäisches Zuchtmaterial zu bewerten. Die genomweite Assoziationskartierung (GWAS) für FHB Resistenz in Triticale identifizierte sechs QTL, die eine Reduktion im Befallswert zwischen 5 und 8% erklärten. Der vielversprechendste QTL wurde auf Chromosome 5B identifizert und erklärte 30% der genotypischen Varianz. Um das Potenzial der genomischen Selektion (GS) zu evaluieren, wurde eine fünffache Kreuzvalidierung durchgeführt. Hier zeigte eine gewichtete genomische Selektion (wGS) einen Anstieg in der Vorhersagegenauigkeit von 0.55 auf 0.78, verglichen zum ungewichteten GS Modell. Dies unterstreicht das Potenzial der wGS Methode. Eine erfolgreiche Implementierung von GS benötigt eine ausre

Currently, the combination of a growing bioenergy demand and the need to diversify the dominant cultivation of energy maize opens a highly attractive scenario for alternative biomass crops. Rye (Secale cereale L.) stands out for its vigorous growth and increased tolerance to abiotic and biotic stressors. In Germany, less than a quarter of the total harvest is used for food production. Consequently, rye arises as a source of renewables with a reduced bioenergy-food tradeoff, emerging biomass as a new breeding objective. However, rye breeding is mainly driven by grain yield while biomass is destructively evaluated in later selection stages by expensive and time-consuming methods. The overall motivation of this research was to investigate the prospects of combining hyperspectral, genomic, and agronomic data for unlocking the potential of hybrid rye as a dual-purpose crop to meet the increasing demand for renewable sources of energy affordably. A specific aim was to predict the biomass yield as precisely as possible at an early selection stage. For this, a panel of 404 elite rye lines was genotyped and evaluated as testcrosses for grain yield and a subset of 274 genotypes additionally for biomass. Field trials were conducted at four locations in Germany in two years (eight environments). Hyperspectral fingerprints consisted of 400 discrete narrow bands (from 410 to 993 nm) and were collected in two points of time after heading for all hybrids in each site by an uncrewed aerial vehicle. In a first study, population parameters were estimated for different agronomic traits and a total of 23 vegetation indices. Dry matter yield showed significant genetic variation and was stronger correlated with plant height (r_g=0.86) than with grain yield (r_g=0.64) and individual vegetation indices (r_g: =<|0.35|). A multiple linear regression model based on plant height, grain yield, and a subset of vegetation indices surpassed the prediction ability for dry matter yield of models base, Die Kombination eines wachsenden Bioenergiebedarfs und die Notwendigkeit, den vorherrschenden Anbau von Energiemais zu diversifizieren, eröffnen ein äußerst attraktives Szenario für alternative Biomassekulturen. Roggen (Secale cereale L.) zeichnet sich, durch ein kräftiges vegetatives Wachstum und eine erhöhte Toleranz gegenüber abiotischen und biotischen Stressfaktoren. In Deutschland wird weniger als ein Viertel der gesamten Roggenernte für die Lebensmittelproduktion verwendet. Daher gewinnt Roggen durch einen geringeren Zielkonflikt zwischen Bioenergie- und Lebensmittelnutzung an Bedeutung als Quelle für erneuerbare Energien, wobei Biomasse als neues Züchtungsziel auftaucht. Die Roggenzüchtung konzentriert sich derzeit jedoch hauptsächlich auf den Kornertrag, während die Biomasse in späteren Selektionsstadien durch teure und zeitaufwändige Methoden destruktiv erfasst wird. Die übergeordnete Motivation dieser Arbeit war es, die Aussichten der Kombination von hyperspektralen, genomischen und agronomischen Daten für die Erschließung des Potenzials von Hybridroggen als Zweinutzungspflanze zu untersuchen, um den steigenden Bedarf an erneuerbaren Energiequellen kostengünstig zu decken. Das spezifische Ziel war es, den Biomasseertrag in einem frühen Selektionsstadium so genau wie möglich vorherzusagen. Dazu wurde ein Panel von 404 Elitelinien genotypisiert und als Testkreuzungen für Kornertrag - eine Teilmenge von 274 Genotypen auch für Biomasse-Ertrag – ausgewertet. Feldversuche wurden an vier Standorten in zwei Jahren in Deutschland (entspricht acht Umwelten) durchgeführt. Die hyperspektralen Daten (400 diskreten Banden; 410-993 nm) wurden zu zwei Zeitpunkten nach dem Ährenschieben für alle Testkreuzungen an jedem Ort von einer Drohne gesammelt. In einer ersten Studie wurden Populationsparameter für verschiedene agronomische Merkmale und insgesamt 23 Vegetationsindizes geschätzt. Der Trockenmasseertrag zeigte eine signifikante genetische Variation und korrelierte stär

The world’s human and livestock population is increasing and there is the need to increase quality food production to achieve the global sustainable development goal 3, zero hunger by year 2030 (United Nations, 2015). However, biotic stresses such as Fusarium ear infections pose serious threat to cereal crop production. Breeding for host plant resistance against toxigenic Fusarium spp. is a sustainable way to produce more and safer cereal crops such as maize and small-grain winter cereals. Many efforts have been made to improve maize and small-grain cereals for ear rot (ER) and Fusarium head blight (FHB) resistances, using conventional and genomic techniques. Among small-grain cereals, rye had the shortest maturity period followed by the descendant, hexaploid triticale while both wheat species had the longest maturity period. In addition, rye and triticale were more robust to Fusarium infection and deoxynivalenol accumulation, making them safer grain sources for human and animal consumption. However, a few resistant cultivars have been produced by prolonged conventional breeding efforts in durum wheat and bread wheat. High genetic variation was present within each crop species and can be exploited for resistance breeding. In this thesis, the genetic architecture of FHB resistance in rye was investigated for the first time, by means of genome-wide association study (GWAS) and genomic prediction (GP). GWAS detected 15 QTLs for Fusarium culmorum head blight severity, of which two had major effects. Both weighted and unweighted GP approaches yielded higher prediction abilities than marker-assisted selection (MAS) for FHB severity, heading stage and plant height. Genomics-assisted breeding can shorten the duration of breeding rye for FHB resistance. In the past decade, genetic mapping and omics were used to identify a multitude of QTLs and candidate genes for ear rot resistances and mycotoxin accumulation in maize. The polygenic nature of resistance traits, high genotype, Um das Ziel 3 für nachhaltige Entwicklung, das Ende des Hungers bis 2030 (United Nations, 2015) zu erreichen, muss durch den Anstieg der Weltbevölkerung die Nahrungsmittelproduktion deutlich erhöht werden. Gleichzeitig aber bedrohen Pflanzenkrankheiten wie Fusariosen die Getreideproduktion. Die Züchtung von Sorten mit Resistenzen gegen die (für Mensch und Tier) giftigen Pilze der Gattung Fusarium ist ein nachhaltiger Weg, um größere Mengen und weniger toxin-belastetes Getreide zu produzieren. Viele Versuche wurden unternommen, um die Resistenz gegen Kolbenfäule in Mais und gegen Ährenfusariosen (Fusarium head blight, FHB) in kleinkörnigem Getreide mit konventionellen und genomischen Züchtungsmethoden zu verbessern. In unseren Untersuchungen waren Roggen und Triticale am widerstandsfähigsten gegen Fusarium-Infektionen und hatten die geringste Deoxynivalenol-Kontamination, was sie zu weniger toxischen Nahrungs- und Futtermitteln macht. Aber auch für Hart- und Weichweizen gibt es durch langjährige konventionelle Züchtung einzelne resistente Sorten. Eine hohe genetische Variation konnte bei allen Getreidearten beobachtet werden und kann damit für zukünftige Resistenzzüchtung verwendet werden. In dieser Arbeit wurde zum ersten Mal mit Hilfe einer genomweiten Assoziationsstudie (genome-wide association study, GWAS) und genomischer Vorhersage (genomic prediction, GP) die genetische Architektur der Fusarium-Resistenz in Roggen untersucht. GWAS konnten 15 Loci (quantitative trait loci, QTL) für die Resistenz gegen Fusarium culmorum gefunden werden, zwei davon mit Haupt-Effekten (major effects). Sowohl die gewichtete als auch die ungewichtete genomische Vorhersage erzielten für Fusariumbefall, Ährenschieben und Wuchshöhe höhere Genauigkeiten als die markergestützte Selektion (marker-assisted selection, MAS). Genomische Daten können damit die Züchtung von Fusarium-resistentem Roggen beschleunigen. In den letzten zehn Jahren wurden genetische Kartierungen und Omics verwendet, u

Fusarium head blight (FHB) in triticale (× Triticosecale Wittm.), Gibberella ear rot (GER) and Northern corn leaf blight (NCLB) in maize (Zea mays L.) are devastating crop diseases causing yield losses and/or reducing grain quality worldwide. Resistance breeding is the most efficient and sustainable approach to reduce the damages caused by these diseases. For all three pathosystems, a quantitative inheritance based on many genes with small effects has been described in previous studies. Hence, this thesis aimed to assess the potential of genomics-assisted breeding strategies to reduce FHB, GER and NCLB in applied breeding programs. In particular, the objectives were to: (i) Dissect the genetic architecture underlying quantitative variation for FHB, GER and NCLB through different quantitative trait loci (QTL) and association mapping approaches; (ii) assess the potential of genomics-assisted selection to select superior triticale genotypes harboring FHB resistance; (iii) phenotype and characterize Brazilian resistance donors conferring resistance to GER and NCLB in multi-environment trials in Brazil and in Europe; and (iv) evaluate approaches for the introgression and integration of NCLB and GER resistances from tropical to adapted germplasm. The genome-wide association study (GWAS) conducted for FHB resistance in triticale revealed six QTL that reduced damages by 5 to 8%. The most prominent QTL identified in our study was mapped on chromosome 5B and explained 30% of the genotypic variance. To evaluate the potential of genomic selection (GS), we performed a five-fold cross-validation study. Here, weighted genomic selection increased the prediction accuracy from 0.55 to 0.78 compared to the non-weighted GS model, indicating the high potential of the weighted genomic selection approach. The successful application of GS requires large training sets to develop robust models. However, large training sets based on the target trait deoxynivalenol (DON) are usually not availa, Ährenfusariosen (Fusarium head blight, FHB) in Triticale (× Triticosecale Wittm.), sowie Kolbenfusariosen (Gibberella ear rot, GER) und Turcicum-Blattdürre (Northern corn leaf blight, NCLB) im Mais (Zea mays L.), sind weltweit verheerende Schaderreger, die zu Ertragseinbußen und verminderter Erntegutqualität führen können. Die Resistenzzüchtung ist die effizienteste und nachhaltigste Methode, um die auftretenden Schadwirkungen dieser Pflanzenkrankheiten zu minimieren. Für alle drei Pathosysteme wurden bereits quantitative Resistenzen in der Literatur beschrieben. Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war daher, das Potenzial genomisch unterstützter Zuchtstrategien zur Reduktion von FHB, GER und NCLB zu untersuchen. Insbesondere wurden dabei die nachfolgenden Ziele verfolgt: (i) die genetische Architektur von FHB, GER und NCLB mit verschiedenen QTL- und Assoziationskartierungsansätzen zu untersuchen; (ii) das Potential genomisch unterstützter Zuchtstrategien zur Selektion von Triticale Genotypen mit verbesserter FHB Resistenz zu bewerten; (iii) die Charaktierisierung und Phänotypisierung brasilianischer Resistenzdonoren für GER und NCLB in mehreren Umwelten in Brasilien und Europa; und (iv) Ansätze für die Einkreuzung und Intergration von tropischen NCLB und GER Resistenzquellen in europäisches Zuchtmaterial zu bewerten. Die genomweite Assoziationskartierung (GWAS) für FHB Resistenz in Triticale identifizierte sechs QTL, die eine Reduktion im Befallswert zwischen 5 und 8% erklärten. Der vielversprechendste QTL wurde auf Chromosome 5B identifizert und erklärte 30% der genotypischen Varianz. Um das Potenzial der genomischen Selektion (GS) zu evaluieren, wurde eine fünffache Kreuzvalidierung durchgeführt. Hier zeigte eine gewichtete genomische Selektion (wGS) einen Anstieg in der Vorhersagegenauigkeit von 0.55 auf 0.78, verglichen zum ungewichteten GS Modell. Dies unterstreicht das Potenzial der wGS Methode. Eine erfolgreiche Implementierung von GS benötigt eine ausre

Genomic selection offers a greater potential for improving complex, quantitative traits in winter rye than marker-assisted selection. Prediction accuracies for grain yield for unrelated test populations have, however, to be improved. Nevertheless, they are already favorable for selecting phenotypic stability of quality traits., Zusammenfassend zeigte die genomische Selektion ein größeres Potential für die Verbesserung von komplexen, quantitativen Merkmalen in Winterroggen als die markergestützte Selektion. Allerdings müssen die Vorhersagegenauigkeiten für nicht-verwandte Genotypen noch deutlich verbessert werden. Sie sind jetzt schon vorteilhaft für die Vorhersage der phänotypischen Stabilität von Qualitätsmerkmalen.

Genomic selection offers a greater potential for improving complex, quantitative traits in winter rye than marker-assisted selection. Prediction accuracies for grain yield for unrelated test populations have, however, to be improved. Nevertheless, they are already favorable for selecting phenotypic stability of quality traits., Zusammenfassend zeigte die genomische Selektion ein größeres Potential für die Verbesserung von komplexen, quantitativen Merkmalen in Winterroggen als die markergestützte Selektion. Allerdings müssen die Vorhersagegenauigkeiten für nicht-verwandte Genotypen noch deutlich verbessert werden. Sie sind jetzt schon vorteilhaft für die Vorhersage der phänotypischen Stabilität von Qualitätsmerkmalen.