Stirring up sorghum hybrid breeding targeting West African smallholder farmers low input environments

Abstract

Food supply and income in rural areas of West Africa (WA) depend strongly on the local production, and mostly on farmers’ field production of root and tuber crops, and cereals. To feed an ever-increasing population in a context of climate-change and low-input cultural conditions, breeding for resilient crops can guarantee smallholder farmers food security and cash income for a sustainable rural development. Sorghum hybrids for WA were first explored in the early 1970s and hybrid crosses of Malian landraces with introduced Caudatum-race seed parents were evaluated in the early 80s. Although those hybrids exhibited good heterosis for grain yield, their lack of grain quality made them commercially unsustainable. Efforts by the International Crops Research Institute for the Semi-Arid Tropics (ICRISAT) and its partners resulted in the first series of Guinea-race based hybrids. The short statured hybrids were evaluated in several on-farm farmer-managed yield trials, and showed satisfactory grain yield and quality under farmers’ cultivation conditions. Although taller- relative to shorter- height sorghum can help reduce risks of panicle loss by grazing transhumant cattle, no indication on the yield potential of the tall statured hybrids is available. The advances achieved by ICRISAT and its partners in hybrid development justified establishing a long-term hybrid breeding program to provide farmers with hybrids with sufficient grain yield and good grain quality under low input conditions. However, the lack of quantitative genetic information about the genetic value of new experimental hybrids and their parents (Guinea-Caudatum to complete Guinea background, from different WA origins), or about the efficiency of alternative selection methods for targeting yield performance in the predominantly low-input and phosphorous-deficient sorghum production conditions hinders sorghum hybrid development for this region. Sorghum hybrid breeding was commercially feasible only after the identification of a heritable and stable cytoplasmic male sterility (CMS) mechanism. Hybrid breeding in WA can benefit from molecular marker, especially for the fertility restoration/sterility maintenance of the predominant A1-type of CMS. The major outcomes of this thesis are presented as follow: Mean yields of tall hybrids were 3 to 17% (ranging from 6 to 28 g m−2) higher than that of the local check across all 37 on-farm farmer-managed environments and were highest (14–47%) averaged across the seven trials with the lowest mean yields. The yields of the new set of experimental hybrids were substantially superior to farmers’ local Guinea-race varieties, with 20 to 80% higher means over all hybrids in both low phosphorus (LP) and high phosphorus (HP) environments. Average mid-parent and better-parent heterosis estimates were respectively 78 and 48% under HP, and 75 and 42% under LP. Direct selection under LP was predicted to be 20 to 60% more effective than indirect selection under HP conditions, for hybrid performance under LP. The combining ability estimates provide initial insights into the potential benefit of germplasm from further east in West and Central Africa for developing a male parental pool that is distinct and complimentary to the Malian female pool. On chromosome SBI-05, we found a major A1 CMS fertility restorer locus (Rf5) explaining 19 and 14% of the phenotypic variation in either population. Minor quantitative trait loci (QTL) were detected in these two populations on chromosomes SBI-02, SBI-03, SBI-04 and SBI-10. In the third population, we identified one major A1 CMS fertility restorer locus on chromosome SBI-02, Rf2, explaining 31% of the phenotypic variation in the F2 mapping population. Pentatricopeptide repeat genes in the Rf2 QTL region were sequenced, and we detected in Sobic.002G057050 a missense mutation in the first exon, explaining 81% of the phenotypic variation in an F2:3 validation population and clearly separating B- from R-lines. The Guinea-race hybrids’ substantial yield superiorities over well adapted local Guinea-race varieties suggests that a strategy of breeding hybrids based on Guinea-germplasm can contribute to improving the livelihood of many smallholder farmers in WA. Although the usefulness of direct selection under LP for hybrid performance in the predominantly P-limited target environments was proven, companion evaluations of hybrids under HP would be desirable to identify also new hybrids that can respond to improved fertility conditions for sustainable intensification. The developed KASP marker stands as a promising tool for routine use in WA breeding programs.

Die Nahrungsmittelversorgung und das Einkommen in den ländlichen Gebieten Westafrikas (WA) hängen stark von der lokalen Produktion, vor allem von der Wurzel- und Knollenpflanzen sowie der Getreideproduktion der Landwirte ab. Um eine ständig wachsende Bevölkerung in Anbetracht des Klimawandels und unter Anbaubedingungen mit geringem Produktionsmitteleinsatz zu ernähren, kann die Züchtung widerstandsfähiger Nutzpflanzen den Kleinbauern Ernährungssicherheit und Einkommen für eine nachhaltige ländliche Entwicklung garantieren. Die kleinwüchsigen Hybriden wurden in mehreren, von Landwirten geführten Ertragsversuchen auf landwirtschaftlichen Betrieben evaluiert und zeigten unter den Anbaubedingungen der Landwirte zufriedenstellende Getreideerträge und -qualität. Obwohl größeres, im Vergleich zu kürzerem Sorghum - dazu beitragen kann, das Risiko eines Rispenverlustes durch die Beweidung in Wanderweidewirtschaft gehaltenem Vieh zu verringern, gibt es keine Hinweise auf das Ertragspotenzial der hochwüchsigen Hybriden. Die Fortschritte, die ICRISAT und seine Partner bei der Hybridentwicklung erzielt haben, rechtfertigten den Aufbau eines langfristigen Hybridzuchtprogramms, um den Landwirten Hybriden mit ausreichenden Getreideerträgen und guter Getreidequalität bei geringem Produktionsmitteleinsatz zur Verfügung zu stellen. Der Mangel an quantitativen genetischen Informationen über den genetischen Wert neuer experimenteller Hybriden und ihrer Eltern (Guinea-Caudatum bis vollständiger Guinea Hintergrund, aus unterschiedlicher WA Herkunft) oder über die Effizienz alternativer Selektionsmethoden zur Ausrichtung der Ertragsleistung unter den überwiegend phosphorarmen Bedingungen mit geringem Produktionsmitteleinsatz behindert jedoch die Hybridentwicklung von Sorghum für diese Region. Die Sorghum-Hybridzüchtung war erst nach der Identifizierung eines vererbbaren und stabilen zytoplasmatischen männlichen Sterilisationsmechanismus (CMS) kommerziell möglich. Die Hybridzüchtung in WA kann von molekularen Markern, vor allem für die Fruchtbarkeitswiederherstellung/Sterilitätserhaltung des vorherrschenden A1 CMS Typs, profitieren. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit werden wie folgt dargestellt: Die mittleren Erträge hoher Hybriden waren 3 bis 17% (im Bereich von 6 bis 28 g m-2) höher als die der lokalen Kontrollsorte in allen 37 von Landwirten verwalteten Umwelten und waren am höchsten (14-47%), gemittelt über die sieben Versuche mit den niedrigsten Durchschnittserträgen. Die Erträge der neuen, experimentellen Hybriden waren mit 20 bis 80% höheren Mittelwerten über alle Hybriden, wesentlich höher als die der lokalen Guinea-Rasse Sorten der Bauern. Sowohl in Umwelten mit niedrigem Phosphorgehalt (LP) als auch mit hohem Phosphorgehalt (HP). Die durchschnittlichen Schätzungen der Heterosis über das Elternmittel sowie über den besseren Elter lagen bei 78 bzw. 48% unter HP und 75 bzw. 42% unter LP. Es wurde berechnet, dass die direkte Selektion unter LP 20 bis 60% effektiver ist als die indirekte Selektion unter HP-Bedingungen für die Hybridleistung unter LP. Die Schätzung der Kombinationsfähigkeit liefern erste Erkenntnisse über den potenziellen Nutzen von Genmaterial aus weiter östlich gelegenen Gegenden West- und Zentralafrikas für die Entwicklung eines männlichen Elternpools, der sich vom malischen weiblichen Pool unterscheidet und ihn ergänzt. Auf dem Chromosom SBI-05 fanden wir einen großen A1 CMS Fertilitätswiederherstellungs-Locus (Rf5), der 19 und 14% der phänotypischen Variation in beiden Populationen erklärt. Regionen eines quantitativen Merkmals (QTL) mit geringem Effekt wurden in diesen beiden Populationen auf den Chromosomen SBI-02, SBI-03, SBI-04 und SBI-10 nachgewiesen. In der dritten Population identifizierten wir einen großen A1 CMS Fertilitätswiederherstellungs-Locus auf dem Chromosom SBI-02, Rf2, der 31% der phänotypischen Variation in der F2-Kartierungspopulation erklärt. „Pentatricopeptid repeat“ Gene in der Rf2-QTL-Region wurden sequenziert, und wir entdeckten in Sobic.002G057050 eine sinnverändernde Punktmutation im ersten Exon, die 81% der phänotypischen Variation in einer F2:3-Validierungspopulation erklärt und B- von R-Linien klar trennt. Die erheblichen Ertragsüberlegenheiten der Guinea-Rasse Hybriden gegenüber gut angepassten lokalen Guinea-Rasse Arten deuten darauf hin, dass eine strategische Hybridzüchtung auf der Grundlage von Guinea-Keimmaterial zur Verbesserung der Lebensgrundlage vieler Kleinbauern in WA beitragen kann. Obwohl die Nützlichkeit der direkten Selektion unter LP für die Hybridleistung in den überwiegend P-begrenzten Zielumwelten etabliert wurde, wären Begleitbewertungen von Hybriden unter HP wünschenswert, um auch neue Hybride zu identifizieren, die auf verbesserte Fertilitätsbedingungen für eine nachhaltige Intensivierung reagieren können. Der entwickelte KASP-Marker steht als vielversprechendes Werkzeug für den routinemäßigen Einsatz in WA-Zuchtprogrammen bereit.