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Doctoral Thesis
2018
Pearl millet breeding in West Africa : steps towards higher productivity and nutritional value
Pearl millet breeding in West Africa : steps towards higher productivity and nutritional value
Abstract (English)
The enormous human population growth in West Africa (WA) in combination with serious production constraints is very problematic condition for food security. The alarming status of micronutrient deficiency in WA exacerbates this situation. For smallholder farmers improved and nutritious crop varieties derived from plant breeding could be a major contributor to enhancing agricultural productivity and reducing malnutrition. Pearl millet (Pennisetum glaucum (L.) R. Br.) is due to its high tolerance to drought and heat, capable to grow under very harsh environments, and is therefore a staple crop in Sahelian WA. Development of multiple pearl millet breeding approaches will be crucial to exploit the potential of this crop.The main goal of this study was to establish a scientific basis for more efficient pearl millet breeding in WA with a specific focus on achieving higher productivity and nutritional value. In order to accomplish this goal, the following objectives were defined: (I) to characterize a broad set of WA pearl millet accessions and to investigate their diversity and geographic patterns based on their phenotype; (II) to identify the potential and strategies to increase the micronutrient level in WA pearl millet; (III) to evaluate the performance of population hybrids and to derive initial strategies of pearl millet hybrid breeding in WA based on combining ability and heterotic patterns; and (IV) to identify molecular markers for the male-fertility restoration locus (Rf) for the A4 cytoplasmic-genic male-sterility (CMS) system in pearl millet using a genotyping-by-sequencing (GBS) based linkage map. The major results and conclusions of the four studies are summarized in the following:Characterization of a collection of 360 WA pearl millet landraces at six sites in WA identified wide ranges for 12 agro-morphological traits, which indicated a tremendous diversity. Principal component analysis revealed very large diversity within individual countries, and a high genetic admixture among WA pearl millet landraces. The high admixture indicates that heterotic grouping based on morphological distance or geographic distance is not possible. The published data of this study gives national breeders a basis to utilize this germplasm.In the second trial, pearl millet grain iron and zinc densities showed significant genetic variation in a set of 72 WA landraces evaluated at three sites and moderate-to-high heritability, which emphasizes a high potential for biofortification. Identified landraces with moderately high and stable micronutrient densities appear suitable for use in future WA biofortification breeding. Due to significant positive correlations among grain iron, zinc and other mineral densities and non-significant correlations between grain yield and mineral densities, selection for high grain iron and zinc density can be performed simultaneously without a negative effect on grain yield or contents of other micronutrients.The third trial evaluated 100 population hybrids and their 20 parental populations (with four parental open-pollinated varieties from each of five WA countries) at six environments and showed hybrid superiority of, on average, 16.7% compared to their parental populations (with a max. of 73%), reflecting the great potential of hybrid breeding. The mean grain yield of hybrids based on inter-country crosses did not differ significantly from intra-country crosses. Geographic distance between parents was not correlated with panmictic midparent heterosis, indicating that heterotic grouping based on geographic distance is not expedient. However, crosses between accessions from Niger/Nigeria and Senegal were outstanding, thus initial heterotic pools could be based on this information. In the long term, sustainable pearl millet hybrid breeding will require combining ability studies to develop heterotic groups.Within the fourth trial, a high-density linkage map based on single nucleotide polymorphism (SNP) markers produced by GBS was generated using a F2 mapping population, which segregated for fertility restoration of the A4 CMS system. A major Rf locus was found on linkage group 2, which was verified by cross-validation showing a very high quantitative trait locus (QTL) occurrence (97%). The QTL explained 14.5% of the phenotypic variance, which was below expectation because the segregation ratio of male-fertile and male-sterile plants (3:1) indicated monogenic dominant inheritance of this trait. The two KASP markers developed for the QTL will support high-throughput screening for the Rf locus and will facilitate the development of male parental pools exhibiting the fertility restoration, which is an essential step to enable economic pearl millet hybrid seed production. We can conclude that WA pearl millet breeding has the potential to increase the pearl millet productivity and nutritional value by utilizing the enormous pearl millet diversity in hybrid and biofortification breeding programs.
Abstract (German)
Die Bevölkerung in West Afrika (WA) wächst rasant, und gleichzeitig verschlechtern sich die Bedingungen der Nahrungsmittelproduktion. Ernährungssicherung in WA wird so zu einer gewaltigen Herausforderung. Häufig vorkommender Mikronährstoffmangel verschärft Situation und erfordert Strategien zur Bekämpfung von Mangelernährung. Perlhirse (Pennisetum glaucum (L.) R. Br.) ist durch seine hohe Trocken- und Hitzeresistenz, Grundnahrungsmittel in der Sahelzone von WA. Hauptziel dieser Studie war die Entwicklung einer wissenschaftlichen Grundlage für effiziente Perlhirsezüchtung in WA, wobei besonders die Ertragssteigerung und eine Verbesserung des Nährwertes im Focus standen. Folgende Ziele wurden genauer definiert: (I) Charakterisierung einer umfassenden Auswahl an Perlhirse-Akzessionen aus WA und Bestimmung ihrer Diversität und geographischen Strukturen basierend auf phänotypischen Daten; (II) Identifizierung des Potenzials und Entwicklung von Strategien, um den Mikronährstoffgehalt in WA Perlhirse zu erhöhen; (III) Evaluierung der Ertragsleistung von Populationshybriden und Ableitung erster Strategien für die Perlhirsehybridzüchtung in WA basierend auf Kombinationsfähigkeit und heterotischer Strukturen; und (IV) Identifikation von molekularen Markern für den Locus, welcher für die Wiederherstellung der männlichen Fertilität (Rf) im System der A4 cytoplasmatisch-genetischen männlichen Sterilität (CMS) verantwortlich ist. Hierzu dient eine genetische Karte, die mit Hilfe von ‚genotyping-by-sequencing‘ (GBS) Techniken generiert wurde. Die wichtigsten Ergebnisse und Schlussfolgerungen der vier Feldversuche werden im Folgenden zusammengefasst.Bei der Charakterisierung von 360 WA Perlhirse-Landrassen an sechs Standorten wurden weite Variationsbreiten bei 12 agro-morphologischen Merkmalen festgestellt, was auf eine enorme Diversität hinweist. Eine Hauptkomponentenanalyse zeigte, dass die große Diversität auch innerhalb der WA Länder besteht, und dass WA Landrassen aus verschiedensten Ländern genetisch stark vermischt sind. Diese deutet darauf hin, dass die Bildung von heterotischen Gruppen, basierend auf morphologischer oder geographischer Distanz nicht möglich ist. Im zweiten Feldversuch wurde der Mikronährstoffgehalt von 72 WA Perlhirse-Landrassen in drei Umwelten untersucht. Hier wiesen der Eisen- und Zinkgehalt im Korn eine signifikante genetische Variation und eine gute Heritabilität auf. Es wurden Landrassen identifiziert, die einen hohen und stabilen Eisen- und Zinkgehalt zeigten. Auf Grund einer signifikant positiven Korrelationen zwischen Eisen- und Zinkgehalt im Korn und einer nicht-signifikanten Korrelation zwischen Kornertrag und Nährstoffgehalt, können bei der Selektion auf hohen Eisen- und Zinkgehalt beide Nährstoffe erhöht werden, ohne dass negative Effekte für Kornertrag zu erwarten sind. Im dritten Feldversuch wurde die Ertragsleistung von 100 Populationshybriden und ihren 20 Elternpopulationen (je 4 Populationen aus 5 WA Ländern) an sechs Standorten getestet. Die Hybriden zeigten durchschnittlich einen Mehrertrag von 16.7% (bis zu 73%) im Vergleich zu ihren Eltern, was ein enormes Potential durch Hybriden verdeutlicht. Geographische nicht korreliert mit der sogenannten „panmictic mid-parent heterosis“, was zeigt, dass heterotische Gruppen nicht anhand der geographischen Distanz gebildet werden sollten. Allerdings waren Kreuzungen zwischen Akzessionen aus Niger/Nigeria und Senegal herausragend, sodass erste Gruppierungen auf diesem Ergebnis basieren könnten. Auf lange Sicht wird es erforderlich sein, dass heterotische Gruppen anhand von Kombinationsfähigkeiten aufgebaut werden. Im vierten Versuch wurde für eine F2-Population, welche für das Merkmal der Fertilitätsrestauration des A4 CMS-Systems aufspaltet, eine genetische Karte basierend auf Einzelnukleotid-Polymorphismus (SNP) Markern erstellt. Der Hauptlocus des Rf Gens wurde in der zweiten Kopplungsgruppe gefunden. Bei der Validierung wurde für den ‚quantitativen trait locus‘ (QTL) eine sehr hohe Wiederfindungsrate (97%) ermittelt, was die Lokalität des Allels verifiziert. Der identifizierte QTL beschrieb 14.5% der phänotypischen Varianz, was unter dem Erwartungswert lag, da das Aufspaltungsverhältnis des Merkmales 3:1 betrug, was auf ein monogen Merkmalsvererbung schließen lässt. Es wurden zwei funktionale KASP-Marker für den identifizierten Lokus entwickelt, die zukünftig die Selektion von Genotypen, die das Gen für die Fertilitätsrestauration tragen, verschnellert. Dadurch wird die Entwicklung von männlichen Hybrideltern beschleunigt und eine ökonomische Hybridsaatgutproduktion durch das funktionale CMS-System ermöglicht. Zusammenfassend können wir sagen, dass die Perlhirsezüchtung in WA das Potential hat, die Produktivität und den Nährwert zu erhöhen, indem die enorme Perlhirsediversität in Hybrid- und Biofortifikationszuchtprogrammen genutzt wird. So kann Perlhirse einen großen Beitrag im Kampf gegen Hunger und Mangelernährung leisten.
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Notes
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Published in
Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Plant Breeding, Seed Science and Population Genetics
Examination date
2018-01-08
Supervisor
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ISSN
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Language
English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Original object
Free keywords
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Pucher2018,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/6260},
author = {Pucher, Anna Ida},
title = {Pearl millet breeding in West Africa : steps towards higher productivity and nutritional value},
year = {2018},
school = {Universität Hohenheim},
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