Diversity in the tropical multipurpose shrub legumes Cratylia argentea (Desv.) O. Kuntze and Flemingia macrophylla (Willd.) Merrill.

Abstract

Cratylia argentea (Desv.) O. Kuntze and Flemingia macrophylla (Willd.) Merrill are promising tropical multipurpose shrub legumes. Both are drought-tolerant, well adapted to low-fertility, acid soils, and especially suited for low-input smallholder production systems in the sub-humid and humid tropics. They can be used e.g. as dry season forage supplementation, live soil cover or mulch, erosion barrier hedges, and shade-providing shrubs in young coffee and cocoa plantations. Germplasm collections were assembled from the wild-legume flora in Brazil (C. argentea) and Southeast Asia (F. macrophylla), but research and development are so far based on only a few accessions. Knowledge about the extent of genetic diversity within these collections is very limited. In addition, the potential utilization of F. macrophylla is so far limited by poor forage quality and acceptability of the few evaluated accessions. The objective of the present study, conducted in a research cooperation with the International Centre for Tropical Agriculture (CIAT), Cali, Colombia, was to assess the diversity in the germplasm collections of C. argentea (38 accessions) and F. macrophylla (69 accessions) in terms of morphological and phenological traits, agronomic and forage quality traits, and molecular markers, and to identify superior genotyes. Based on these different characterization approaches, the objective was furthermore to establish core collections for F. macrophylla, and to compare and validate the different strategies, giving particular consideration to their practical implications (time and cost efficiency) for the application to small collections of perennial wild tropical legumes. Cratylia argentea High diversity in terms of phenological and agronomic as well as forage quality traits was detected in the collection, with scope for plant improvement in terms of higher dry season DM production. Accessions CIAT 18674 and 22406 were identified as promising for further evaluation since they were similar to the commercial cultivar "Veraniega" in terms of forage quality, and superior in terms of DM production, particularly in the dry season. Molecular marker analysis with RAPDs showed that the genetic diversity in the collection was relatively low and fairly homogeneously distributed. Accessions CIAT 22373, 22378, 22380, 22381 and 22411 were identified as possible duplicates. Flemingia macrophylla High diversity in terms of morphological and agronomic as well as forage quality traits was detected among the 69 accessions. The identification of four morphotypes in the collection probably has taxonomic implications. Scope for plant improvement was identified with respect to forage quality - one of the species´ main limitations. Accessions CIAT 18437, 21083 and 21090 had similar DM production and higher digestibility than the control accession, and were virtually free of extractable condensed tannins. Problems with low palatability and low seed production of these promising accessions need to be further studied. Genetic diversity in F. macrophylla was higher than in C. argentea, and corresponded closely to the four morphotypes revealed by conventional characterization. Various duplicate accessions were identified, and evidence was provided that the non-Asian accessions are not native to their collection site regions, but rather introduced from Southeast Asia. The results have direct applications for plant improvement of these promising multipurpose legumes. The superior genotypes selected in this study will be used in work with farmers in CIAT-research sites in Central America and distributed to partners. It must be recognized, however, that the diversity assessed is influenced by the climatic and edaphic conditions at the site where the studies were conducted. Therefore, multilocational trials should be considered with a selected subset (including the promising accessions) of C. argentea and F. macrophylla i) to assess the extent of genotype x environment interaction, and ii) to identify genotypes with consistently high performance in a range of distinct environments. Research on the reproduction system of both species is urgently required to determine the potential extent and impact of outcrossing. Beyond the immediate application of these species for farmer utilization, the results of the use and comparison of different approaches to assess diversity and to establish core collections can help to improve germplasm management and characterization of wild tropical legume species in general. Random sampling has been identified as a valuable and resource-efficient strategy for the creation of core collections when no additional information about accessions is available, and in the absence of adequate funds. The validation of the findings of this study with a broader range of perennial tropical wild legumes is necessary to assess their applicability to other species.

Die tropischen Mehrzweck-Buschleguminosen Cratylia argentea (Desv.) O. Kuntze und Flemingia macrophylla (Willd.) Merrill werden wegen ihrer Trockentoleranz und Anpassung an nährstoffarme, saure Böden als vielversprechend angesehen. Ihr Anbau ist besonders für Kleinbauern geeignet, und sie können z.B. zur Futterergänzung während ausgedehnter Trockenzeiten, als Bodendecker, Mulch und Lebendzäune, zum Erosionsschutz sowie als Schattenbäume eingesetzt werden. Umfassende Samenkollektionen sind verfügbar, mit Akzessionen von Wildpopulationen aus Brasilien (C. argentea) und Südostasien (F. macrophylla). Die Erforschung und Verbesserung beider Arten beschränkte sich bislang auf wenige Akzessionen, und das Ausmaß der genetischen Diversität innerhalb der Sammlungen ist praktisch unbekannt und das Potenzial der wenigen Akzessionen von F. macrophylla ist durch einen relativ niedrigen Futterwert limitiert. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war im Rahmen einer Forschungskooperation mit dem Centro Internacional de Agricultura Tropical (CIAT), Cali, Kolumbien, die verfügbare genetische Diversität von C. argentea (38 Akzessionen) und F. macrophylla (69 Akzessionen) anhand morphologischer Merkmale, agronomischer und Futterwert-Eigenschaften, sowie molekularer Marker zu erfassen und zu beschreiben, und vielversprechende Akzessionen zu identifizieren. Anhand von F. macrophylla sollten beispielhaft verschiedene Strategien zur Erstellung von core collections verglichen und validiert werden, und deren praktische Bedeutung (Kosten, Zeitaufwand) für die Erstellung von core collections mehrjähriger tropischer Wildleguminosen im allgemeinen untersucht werden. Cratylia argentea Es wurde eine grosse Diversität ermittelt, sowie Potenzial zur Sortenverbesserung bezüglich höherer Trockenmasseproduktion, besonders in der Trockenzeit. Die Akzessionen CIAT 18674 und 22406, die eine ähnlich hohe Futterqualität wie die Sorte "Veraniega" aufwiesen, wurden wegen ihrer höheren Trockenmasseproduktion für weitere Evaluierungen ausgewählt. Die RAPD-Analyse zeigte, dass die genetische Diversität in C. argentea relativ gering war. Die Akzessionen CIAT 22373, 22378, 22380, 22381 und 22411 wurden als mögliche genetische Duplikate identifiziert. Flemingia macrophylla Es wurde eine große Diversität für mehrere Eigenschaften ermittelt. Die Beschreibung von vier Morphotypen hat wahrscheinlich taxonomische Bedeutung. Sortenverbesserung im Hinblick auf höhere Futterwerte scheint aussichtsreich zu sein. Die Akzessionen CIAT 18437, 21083 und 21090 wiesen eine ähnliche Trockenmasseproduktion wie die Kontrolle auf, aber höhere IVDMD sowie praktisch keine Tannin-Gehalte. Schmackhaftigkeitsprobleme und geringe Samenproduktion dieser Akzessionen erfordern weitere Aufmerksamkeit. Die genetische Diversität in F. macrophylla war größer als in C. argentea, und entsprach weitestgehend der Diversität von morphologischen Merkmalen. Es wurden mehrere genetische Duplikate identifiziert. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die nicht-asiatischen F. macrophylla Akzessionen wahrscheinlich von aus Südostasien eingeführten Akzessionen abstammen. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit werden insofern direkt angewandt, indem die als besonders geeignet identifizierten Akzessionen in on-farm Versuchen des CIAT und seiner Partner in Mittelamerika weiter getestet werden. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass die in der vorliegenden Arbeit ermittelte Diversität von den klimatischen und edaphischen Bedingungen am Evaluierungsstandort beeinflusst ist. Die Durchführung multi-lokationaler Versuche mit ausgewählten subsets (einschließlich der vielversprechendsten Akzessionen) von C. argentea and F. macrophylla ist deshalb erforderlich, um i) das Ausmaß der Genotyp x Umwelt Interaktion zu erfassen, sowie ii) Genotypen mit durchgängig guten Eigenschaften unter verschiedenen Umweltbedingungen zu identifizieren. Weiterhin wird die Notwendigkeit der Bestimmung der Reproduktionsstrategie beider Arten hervorgehoben, um das Ausmaß der Auskreuzungen zu ermitteln. Abgesehen von der unmittelbaren Anwendbarkeit dieser beiden Mehrzweck-Arten durch Kleinbauern können die Ergebnisse der Vergleiche der unterschiedlichen Ansätze zur Ermittlung der Diversität und zur Erstellung von core collections dazu beitragen, das Management und die Evaluierung von tropischen Wildleguminosen allgemein zu verbessern. Die Zufalls-Strategie wurde als zuverlässige und Ressourcen sparende Alternative zur core collection Erstellung identifiziert, wenn fehlende Informationen oder knappe Ressourcen limitierende Faktoren sind. Die Ergebnisse sollten anhand anderer tropischer Wildleguminosen auf ihre Übertragbarkeit auf weitere Arten überprüft werden.