Ontwikkeling van duurzame en klimaatbestendige robuuste aardappelrassen door betere beworteling

Projectteam
Dr. J.H. Venema (postdoc onderzoeker) en Prof dr. J.T.M. Elzenga (hoogleraar), cluster Ecofysiologie van Planten, Onderzoeksinstituut GELIFES, Rijksuniversiteit Groningen

Doel van het onderzoek/project
Het identificeren van worteleigenschappen voor de ontwikkeling van verbeterde aardappelrassen die de productie effectief duurzamer en klimaatbestendiger maken.

Wat kan de teler ermee?
Dit project levert kennis op over worteleigenschappen waarmee kwekers (aardappelveredelaars) nieuwe rassen kunnen selecteren die de aardappelplant bestendiger moet maken tegen zout, droogte, overstroming en/of efficiëntere stikstofopname. Uiteindelijk moet dit de telers nieuwe duurzame klimaatbestendiger (robuustere) aardappelrassen opleveren die:
1. een betere oogstzekerheid geven onder wisselende teeltcondities/abiotische stress, en
2. geteeld kunnen worden met een lagere input van water en stikstof.

Wie voert het onderzoek uit?
Het onderzoek wordt uitgevoerd door onderzoekers van het cluster Ecofysiologie van Planten van de Rijksuniversiteit Groningen in samenwerking met drie aardappel kweekbedrijven. Veldproeven zijn uitgevoerd in samenwerking met SPNA Munnekezijl (2019 & 2020) en Zilt Proefbedrijf Texel (2019).

Onderzoeksvraag
Welke worteleigenschappen spelen in aardappelplanten een rol bij de gevoeligheid voor zout, droogte, overstroming en efficiëntere stikstof opname?

Looptijd
1 oktober 2017 t/m 30 september 2020

Voortgang 2020
Ondanks beperkingen die opgelegd werden (gedeeltelijke sluiting van de laboratoria van de RUG) vanwege de Corona pandemie werd een veldproef bij SPNA-Munnekezijl uitgevoerd en kon een beperkt aantal kasexperimenten en laboratoriumanalyses gedaan worden. Een deel van de plantanalyses dienen nog uitgevoerd te worden en de resultaten daarvan worden medio 2021 verwacht. De analyses die in 2020 wel konden worden uitgevoerd betroffen studies van de wortelanatomie van planten die waren blootgesteld aan zoutstress of lage stikstof.

Eerste resultaten
Vergelijken we de veldproeven uitgevoerd bij SPNA Munnekezijl in 2019 met die in 2020 dan valt op dat in 2020 met name bij de vroege rassen de opbrengst 20-25% lager was. Bij de latere rassen was het verschil in opbrengst tussen 2019 en 2020 geringer (10%). Dit duidt op een sterk effect van het langdurig droge voorjaar in 2020. Veder had de lage N-behandeling (70% lagere N-input) in 2020 een veel sterkere effect op de opbrengst dan in 2019, wat toe te schrijven is aan het drogere teeltjaar 2019. Verder werd duidelijk dat de extra toegediende irrigatie in het drogere jaar 2019 wel tot een lichte opbrengst stijging zorgde in enkele rassen, maar in 2020 helaas in geen enkele. De realisatie van veldproeven waarbij zonder gebruik te maken van plastic tunnels droogtestress wordt geïnduceerd blijft moeilijk.
Veldproeven met zoutstress werden in 2020 buiten uitgevoerd in grote potten. De relatieve gevoeligheid (opbrengstderving) van de 9 rassen bleek goed te correleren met die van de veldproeven uitgevoerd in 2019 op het Zilt Proefbedrijf Texel.
Nadat in het tweede jaar vergelijkend onderzoek is gedaan naar de architectuur van het gehele wortelsysteem in de 9 rassen is in het derde projectjaar de focus gelegd op vergelijking van de anatomie van de basaalwortels o.i.v. abiotische stress. Onder zoutstress kwam naar voren dat tolerantere rassen hun wortelanatomie beter aanpassen. Die aanpassing (plasticiteit) leidt ertoe dat die rassen ‘goedkopere’ wortels (grotere en daardoor minder cortex cellen) maken (foto 1). Deze aanpassing zorgt ervoor dat minder koolstof (suikers) nodig zijn voor de bouw van de wortel en ook minder suikers verspild worden aan wortelademhaling. Hierdoor blijft meer koolstof over voor groei van met name de knollen, maar ook voor de rest van de plant (spruit en wortel). Naast dit verschil nam ook de worteldikte het meest toe in de meer zouttolerantere soorten. Dikkere wortels vormen een grotere barrière voor zout (NaCl) om de plant binnen te dringen. Naast de grotere cortexcellen draagt met name de toename aan totale oppervlakte aan xyleemvaten bij aan het dikker worden van de wortels. Meer xyleemoppervlak door meer xyleemvaten draagt bij aan een hogere watertransportcapaciteit onder zoutstress. Al deze anatomische aanpassingen van de wortel kunnen uiteindelijk bijdragen aan een betere opbrengst. De resultaten van studies naar anatomische aanpassing van de wortel aan droogtestress en laag N worden op dit moment nog nader geanalyseerd.

Foto 1: Dwarsdoorsnedes basaalwortel zouttolerant aardappelras geteeld gedurende 4 weken onder controle (links) en onder zoute (65 mM NaCl; 7 dS m-1) condities. Kleuring op suberine en lignine.

Van alle in dit project geïdentificeerde worteleigenschappen die een rol spelen bij abiotische stresstolerantie in aardappel zal gekeken worden in hoeverre die praktisch toegepast kunnen worden in een eenvoudige toetst voor de selectie van robuustere aardappelrassen. Ook vormen ze de basis voor vervolgonderzoek om de genetische achtergrond van deze worteleigenschappen nader te ontrafelen. Deze kennis kan uiteindelijk genetische merkers opleveren die ingezet kunnen worden in veredelingsprogramma’s bij de selectie van aardappelrassen met de gewenste worteleigenschap(pen).

Resultaten uit vorige jaren
In het eerste projectjaar is uit een panel van 30 aardappelrassen een selectie gemaakt van 9 rassen die verschillen in de gevoeligheid voor de abiotische stressen zout, droogte, overstroming en stikstof limitatie. Met deze 9 rassen is in het tweede projectjaar vervolgens vergelijkend onderzoek gedaan naar wortel gerelateerde eigenschappen die mogelijk een rol spelen bij de verschillen in gevoeligheid voor deze abiotische stress factoren. Per stressfactor werden de volgende (wortel)eigenschappen geïdentificeerd die een sterke relatie met opbrengst vertoonden:
Zouttolerantie (irrigatieproeven): vroege rassen zijn alg. toleranter dan late rassen. Rassen met oppervlakkiger beworteling (hogere stolon/basaalwortel ratio) zijn toleranter, rassen met hoger drogestofgehalte van de wortel zijn toleranter.
Droogtetolerantie: late rassen zijn alg. toleranter. Gevoeliger rassen reageren sterker (plastischer) met investeren in wortelmassa ten koste van bladoppervlakte (fotosynthesecapaciteit). Capaciteit om fotosynthese en verdamping te kunnen handhaven onder droogtestress (regulatie huidmondjes) speelt significante rol, maar bepalende architectonische worteleigenschappen konden niet worden geïdentificeerd. Tolerantere rassen hebben lagere drogestofgehaltes (hoger watergehalte) in wortel en spruit.
Flooding: vroege rassen zijn alg. toleranter. Tolerantie van met name de basaalwortels sterk bepalend voor opbrengst. De dieper gelegen basaalwortels zijn gevoeliger voor overstroming (zuurstof tekort) dan de meer oppervlakkiger gelegen stolonwortels. Rassen met hogere wortel/spruit biomassa ratio zijn toleranter.
Laag N: Late rassen zijn minder gevoelig dan vroege rassen. Rassen die van nature meer investeren in wortelstelsel, en dan met name in de dieper gelegen basaalwortels, zijn toleranter.

Plannen 2021
Dit onderzoek krijgt een vervolg in het onderzoeksproject ‘Getting to the roots of resilience of potato plants’ dat gefinancierd wordt door het NWO-TTW programma Holland Innovative Potato (HIP) waarin WUR en de RUG samenwerken met een 9-tal private partners binnen de aardappelveredeling/industrie. Dit project is eind 2019 gestart op de WUR en zal in 2021 ook van start gaan op de RUG.
Verder is de RUG ook betrokken bij de ontwikkeling van een Zilt Proefbedrijf door de provincie Groningen op het 6.2 ha. landbouw deel van het project Dubbele Dijk bij Nieuwstad/Bierum in Groningen: https://eemsdollard2050.nl/project/dubbele-dijk/
Het plan is dat de RUG hier samen met andere onderwijsinstellingen en bedrijven ras- en gewasrotatiestudies gaan uitvoeren met aardappel in combinatie met andere gewassen waarmee de bodemkwaliteit van verzilte schrale bodems verbeterd kan worden. Gedurende meerjarige veldexperimenten zullen naast bodemanalyses ook gekeken worden naar het microbioom (samenstelling microorganismen) rond de wortel (rhizosfeer) en in de plant.

Het vakblad Aardappelwereld schreef onlangs een uitgebreid artikel over dit project. U leest het hier.