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Doctoral Thesis
2016
Genotypic responses of rainfed sorghum to a latitude gradient
Genotypic responses of rainfed sorghum to a latitude gradient
Abstract (English)
Climate change poses various challenges to crop production systems. Coping with the changing climate requires adaptation strategies that will enhance the resilience of crop production systems to the resultant aberrant weather. However, the impacts of the changing climate are extremely difficult to predict because the associated extreme events result in a complex of abiotic stresses. These stresses act singly or in synergy with others to affect physiological processes at the different growth and development stages of crop plants. Currently, the physiological and phenological (developmental) response mechanisms of crops, as well as adaptation of cultivars to these stresses are not very clear and well understood. The complex interactions between crops and abiotic stresses make it difficult to accurately predict crop responses to climate change using the available crop growth models that have been parameterized and validated using some climate scenarios. While prediction of the complex ideotype-trait combinations may benefit breeders, physiological models that are well validated for target environments are equally important. Therefore, this study investigated elite grain sorghum genotypes from three races (Caudatum, Durra, and Guinea) and a Guinea-Caudatum composite, with different degrees of sensitivity to photoperiod and adaptation to a wide range of latitude locations, for their grain yield and yield stability responses to different environments. The aim was to calibrate growth models in for use in quantifying climate change effects on rainfed sorghum production systems. Field experiments were established to investigate the yield performance and yield stability of ten genotypes in eighteen environments created from a factorial combination of three locations (along a latitudinal gradient) and three monthly-staggered dates of sowing within years in 2008 and 2009. Field trials to study the phenology of seven of the ten genotypes were also established in a similar fashion in 2009 and 2010. Data were also collected on yield and other traits for the first two dates of sowing on six of the genotypes used for the yield performance trial to analyze the relations between grain yield and the selected traits and also evaluate the potential of path analysis in improving understanding of trait yield relations of grain sorghum. Mean grain yields of 0 to 248 g m were recorded across environments and from 74 to 208 g m-2 across the 10 genotypes and generally reduced with delayed sowing. Grain yield was significantly influenced by the main and interactive effects of location, year, sowing date, and genotype, necessitating the assessment of yield superiority and stability for each of the ten cultivars. The only two Caudatum cultivars (Grinkan and IRAT 204) were ranked among the top three by six of the indices. The study also brought to the fore that some yield stability indices correlate perfectly or very highly and could be substituted one for the other when assessing yield stability of sorghum. Very strong correlations were found between grain yield and each of shoot biomass, panicle weight, the number of grains per panicle, and threshing ability across environments, but path coefficient analysis confirmed that these traits are auto-correlated, with grains per panicle being the major mediating trait in all the relationships. Relationships between grain yield and the remaining traits were weak to medium and very inconsistent across the environments. This study brings to the fore, the location- and / or environment-specific adaptation of existing genotypes which should be exploited for tactical adaptation to changed climates, whiles genotypes with general or wider adaptations to environments are being sought. The phenology study showed that for photoperiod sensitive (PPS) genotypes, the number of days from emergence to panicle initiation and the number of leaves increased with latitude and decreased with sowing date, a day-length difference between locations of < 8 minutes increasing crop duration of some varieties by up to 3 weeks and decreasing number of leaves by up to 11 for the same sowing date. Some varieties exhibited photoperiod-insensitivity at one location and photoperiod-sensitivity at another location, indicating the complex nature of photoperiod responses. The study also showed that existing models do not accurately simulate the effect of latitude on the phenology of PPS sorghum, and latitude has to be taken into account in adjusting coefficients to improve the accuracy of such simulations. We conclude that genotypic response of rainfed sorghum is influenced by latitude, sowing date, and their interactions, but very little by years. Some existing cultivars could be deployed as tactical adaptive measures, while efforts are intensified to develop strategic adaptive measures. If changes in rainfall and temperature reduce the length of growing seasons, genotypes which are currently adapted to higher latitudes could easily be shifted southwards to lower latitudes, while those at lower latitudes may fit poorly into the new environments. A large potential for contributing to food security exist for the low latitudes if climates change in the direction predicted in future. It is absolutely necessary to develop new models that will be able to accurately simulate effects of sowing date and latitude on phenology. More research is needed to understand physiological response mechanisms of the pronounced latitude effects on sorghum phenology.
Abstract (German)
Der Klimawandel stellt heutige Produktionssysteme vor eine Vielzahl von Herausforderungen. Der Umgang mit dem Klimawandel erfordert Anpassungsstrategien um die Widerstandsfähigkeit der Anbausysteme gegen sich wandelnde Wettergegebenheiten zu erhöhen. Allerdings sind die Auswirkungen des Klimawandels äußerst schwierig vorherzusagen. Die damit verbundenen Extremereignisse resultieren in einem Komplex von abiotischen Stressfaktoren, die einzeln oder im Zusammenwirken mit anderen, unterschiedliche Auswirkungen auf die physiologischen Prozesse in den verschiedenen Wachstums- und Entwicklungsstadien der Kulturpflanzen haben können. Derzeit sind die physiologischen und phänologischen Reaktionsmechanismen von Nutzpflanzenarten, sowie die Anpassung der verschiedenen Sorten auf diese Belastungen sind nicht sehr klar oder eindeutig verstanden. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und abiotische Stressfaktoren machen es schwierig deren Reaktionsweise auf den Klimawandel vorherzusagen, selbst unter Verwendung der verfügbaren Pflanzenwachstumsmodelle, obwohl die parametriert und für einige Aspekte der prognostizierten Klimaszenarien validiert sind. Obwohl die Vorhersage der komplexen „Ideotype-Trait-Kombinationen“ den Züchter bei ihrer Arbeit helfen kann sind physiologische Modelle, die für die Zielumgebungen validiert sind, ebenso wichtig. Daher untersucht diese Studie Elite Sorghum-Genotypen (Caudatum, Durra, Guinea), mit unterschiedlichen Graden der Empfindlichkeit gegenüber Aspekten der Lichtperiode, die an eine breiten Palette Standorte angepasst sind, hinsichtlich ihres Kornertrags und Ertragsstabilität unter verschiedene Umwelten, um die Wachstumsmodelle zu kalibrieren die die Quantifizierung der Auswirkungen des Klimawandels auf niederschlagsgespeiste Sorghum Produktionssysteme erleichtern sollen. Zwei Feldversuche wurden etabliert, insgesamt wurden dafür achtzehn Umwelten aus einer faktoriellen Kombination der drei Standorte (entlang eines Breiten Gradienten) sowie dreier monatlich gestaffelter Aussaattermine über zwei Jahre hinweg untersucht. Ziel war es die Stabilität der Ertragsleistung der zehn Genotypen im Jahr 2008 und 2009 zu untersuchen, sowie für die Jahre 2009 und 2010 Phänologische Aspekte von sieben Genotypen zu erfassen. Von sechs der untersuchten Genotypen wurden zudem Ertragsdaten und zusätzliche phenologische Merkmale detailliert erhoben, um die Beziehungen zwischen Kornertrag und selektierten traits zu analysieren sowie das Potenzial der Pfadanalyse für ein besseres Verständnis der Trait-Ausbeute Beziehungen von Sorghum zu klären. Mittlere Kornerträge von 0 bis 248 g m-2 wurden in den verschiedenen Umwelten erfasst, ebenso Erträge von 74 bis 208 g m-2 für die Versuche zu den 10 selektierten Genotypen; diese reduzierten sich als Faustregel mit verzögerter Aussaat. Die wichtigsten (signifikanten und interaktiven) Effekte auf den Kornertrag hatten die Faktoren Lage, Jahr, Datum der Aussaat sowie Genotyp, was eine detailliertere Untersuchung der Ertragsstabilität und Ertragsleistung für die selektierten Kultivare nötig machte. Die einzigen beiden caudatum Sorten (Grinkan und IRAT 204) wurden unter den Top Drei für sechs der Indizes einsortiert. Die Studie zeigt außerdem dass einige der Indices zur Ertragsstabilität zueinander korreliert sind und deswegen für eine Beurteilung der Erträge von Sorghum wechselseitig austauschbar sind. Es wurden sehr starke Korrelationen zwischen Kornertrag und den folgenden Faktoren festgestellt: Sprossbiomasse, Gewicht der Rispe und Anzahl der Körner pro Rispe. Eine Analyse der Pfadkoeffizienten bestätigte, dass diese Charakteristika Auto-korreliert sind, wobei aber Körner pro Rispe das Hauptvermittlungsmerkmal in allen Beziehungen darstellt. Beziehungen zwischen Kornertrag und den restlichen Charakteristika waren schwach bis mittelgroß und sehr uneinheitlich über die für die Studie verwendeten Umwelten. In dieser Studie konnten die Orts- Umweltbedingten Anpassungen der Genotypen aufgezeigt werden, die für eine taktische Anpassung an veränderte Klimabedingungen ausgenutzt werden sollen, während weitere Genotypen mit allgemeinen oder größeren Anpassungen an sich verschiedene Umgebungen gesucht werden. Die phenologische Studie zeigte, dass bei photoperiodisch sensitiven Genotypen die Anzahl der Tage vom Auflauf bis zur Initiierung der Rispe sowie die Anzahl der Blätter sich stark erhöht mit dem Breitengrad und verringert mit dem Datum der Aussaat. Die Studie zeigte auch, dass die Unterschiede in der Breite, trotz eines Unterschieds in der maximalem Tageslängendifferenz zwischen Standorten von weniger als <8 min, für einige Sorten eine deutlich (bis zu 3 Wochen) verlängerte Anbauperiode ergab. Einige Sorten wiesen an einem Standort eine Unempfindlichkeit gegenüber der Photoperiode auf, während sie an anderer Stelle empfindlich auf die Photoperiode reagierten. Dies verdeutlicht die Komplexität von Fragestellung in Bezug auf die Photoperiode. Die Studie zeigte auch, dass die vorhandenen Modelle die Auswirkung der Breite auf die Phänologie von Sorghum nicht korrekt einschätzen. Um die Bestimmung der optimalen Bereiche für die Sorten in Westafrika zu erleichtern und die Auswirkungen des Klimawandels prognostizieren zu können wird eine Korrektur der Simulationskoeffizienten unter Berücksichtigung des Breitengrades vorgeschlagen. Abschließend folgere ich aus dieser Studie dass die genotypische Antwort von Sorghum durch den Breitengrad, den Zeitpunkt der Aussaat und deren Wechselwirkungen, aber sehr wenig von interannuellen Schwankungen beeinflusst wird. Einige der existierenden Sorten sollten für taktische Anpassungsstrategien auf lokale umwelt-spezifische Bedingungen genutzt werden, während gleichzeitig die Zuchtbemühungen intensiviert werden müssen um geeignete Sorten für die strategische Anpassung an veränderte Klimabedingungen zu entwickeln. Bei sinkenden Niederschlagsmengen und steigenden Temperaturen, könnten Genotypen aus höheren Breitengraden, bedingt durch eine Verkürzungen der Anbauperiode neue optimale Anbaubedingungen in niedrigeren Breiten finden . Gleichzeitig würden Genotypen die derzeit niedrige Breitegrade angepasst sind schlecht in höhere Breiten passen, hauptsächlich wegen ihrer langen Anbaudauer und des Phänomens der mit dem Breitengrad ansteigenden Anbaudauer aus dieser Studie. Ein großes Potenzial für einen Beitrag zur Ernährungssicherheit besteht in den niedrigen Breitengraden, vor allem unter Berücksichtigung der zukünftigen Klimaszenarien. Es ist absolut notwendig neue Modelle zu entwickeln, die in der Lage sind die Auswirkungen der beiden Faktoren „Tag der Aussaat“ und „Breitengrad“ vorherzusagen. Mehr Forschung ist notwendig, um die physiologischen Reaktionsmechanismen der ausgeprägten Auswirkungen des Breitengrades auf die Sorghum Phänologie zu verstehen.
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Notes
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Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute for Plant Production and Agroecology in the Tropics and Subtropics
Examination date
2016-05-29
Supervisor
Edition / version
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ISBN
Language
English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Original object
Free keywords
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Abdulai2016,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/6025},
author = {Abdulai, Alhassan Lansah},
title = {Genotypic responses of rainfed sorghum to a latitude gradient},
year = {2016},
school = {Universität Hohenheim},
}