Methods and Tools for decentralized on farm breeding

This technical booklet describes the possible experimental designs and statistical methods of analysis that can be carried out, according to the objectives and the experimental constraints of the breeding program nd the farmers’ group. The way to identify and select the most relevant devices and methods is based on a decision tree

Méthodologie de la sélection décentralisée et participative (un exemple sur le blé tendre)

L agroécologie a des attentes fortes en termes de recherche sur les concepts et sur les méthodes de sélection et de gestion de la diversité. En effet, la prise en compte de la diversité des environnements et des pratiques spécifiques à chaque système agroécologique appelle des approches plus décentralisées, c est à dire une meilleure prise en compte des interactions génotype . environnement, et associant les savoirs empiriques des praticiens aux connaissances scientifiques.L objectif de cette thèse est de développer une méthodologie de la sélection participative pour le blé tendre, basée sur la décentralisation et la co-construction entre paysans, associations du Réseau Semences Paysannes et chercheurs de l équipe DEAP de l INRA du Moulon. Cette approche vise à créer des variétés-populations adaptées aux environnements et aux pratiques des paysans, à développer des méthodes et des outils opérationnels pour la gestion et la sélection de la biodiversité cultivée à la ferme et à renforcer l apprentissage et l autonomie des paysans en matière de sélection.Ce travail a contribué à atteindre ces objectifs, notamment les deux derniers, en se basant sur une approche interdisciplinaire dans les champs de la statistique, génétique quantitative, génétique des populations, bio-informatique et sociologie.Les objectifs ont été en partie atteints avec la création de méthodes et d outils : fiches de suivi de la culture, base de données permettant de gérer les relations entre lots de semences dans un large réseau d acteurs, dispositifs expérimentaux à la ferme et méthodes statistiques permettant de prendre en compte le déséquilibre des essais à la ferme, en profitant du large réseau d expérimentation, afin de réaliser des comparaisons de moyennes dans les fermes et d analyser les interactions génotype . environnement dans le réseau de fermes, programme informatique qui permet de créer un dossier avec des résultats personnalisés pour chaque paysan, livret technique sur la sélection participative.Une analyse moléculaire et phénotypique montre que le programme de sélection participative s insère dans la gestion in-situ des ressources génétiques par la création de nouvelles variétés-populations et par leur gestion dans un large réseau de fermes regroupant une grande diversité d environnements et de pratiques.Les paysans ont renforcé leur apprentissage et leur autonomie. Ils étaient acteurs du programme et leurs pratiques ont évolué avec, par exemple, un nombre croissant de populations évaluées sur le réseau, de sélections et d échanges de semences entre paysans au fur et à mesure que le projet avançait.Deux innovations émergent de ce projet : organisationnelle et génétique. L innovation organisationnelle correspond au mode de fonctionnement du projet, basé sur la décentralisation de la sélection directement dans les fermes et la co-construction entre les acteurs et leur mise en réseau. Les innovations génétiques découlent de ce mode d organisation : une large diversité génétique et phénotypique a été créée, est maintenue et évaluée dans les fermes et de nouvelles variétés populations, issues du programme, sont utilisées par des paysans dans leurs fermes.La méthodologie que nous avons développée est évolutive, flexible et adaptable. Elle place les paysans au coeur de la sélection et de la gestion des ressources génétiques. Ce projet participe à la transition vers un nouveau système semencier adapté à l agroécologieTaking into account the diversity of environment and practices to each agroecological system needs decentralized approaches, which means taking into account genotype environment interactions, and associate empirical knowledge from practitioners to scientific knowledge from researchers.The objectives of this PhD is to develop a participatory plant breeding methodology on bread wheat, based on decentralization and co-construction between farmers, NGOs and reasearch team DEAP from INRA Le Moulon.This approach aims to create population-varieties adapted to environments and farmers' practices, to develop methods and tools for breeding and cultivated biodiversity management and to reinforce learning and autonomy of farmers for breeding.This work contributed to reach these objectives, especially the last two, based on an interdisciplinary approach in statistics, quantitative genetic, populations genetic, bio-informatic and sociology.Objectives were partly reach with creation of methods and tools : monitoring sheet of the crop, data base which manage relation between seed lots in a large network of actors, experimental design on farm and statistical methods that take into account the disequilibrium of trials on farm, taking advantage of the large network, in order to make mean comparisons on farm and analyse genotype x environments interactions in the network of farms, software which create a folder with personalised results for each farmer, technical booklet on participatory plan t breeding.A phenotypic and molecular analysis shows that the programme takes part in in-situ management of genetic resources by creating new population-varieties and their management in a broad network of farms.Moreover, farmers reinforce their learning and their autonomy. They were actors of the programme and their practices evolved with, for example, an increasing number of populations evaluated on the network, of selection, of seed exchange between farmers as the project go on.Two innovations emerged from this project : organisational and genetic. The organisational innovation correspond to the way the project worked, based on decentralisation of the selection directly on farms and co-construction between actors and their networked. Genetic innovations are the consequence of this organisation : a brad genetic and phenotypic diversity has been created, and maintain and evaluated on farms and new population-varieties, coming from the project, are used by farmers on their farms.The methodology that we developed is evolutive, flexible and adaptable. It put farmers in the heart of selection and biodiversity management. This project contribute to a transition toward a new seed system adapted to agroecology.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Methods and tools for decentralized on farm breeding

This technical booklet describes the possible experimental designs and statistical methods of analysis that can be carried out, according to the objectives and the experimental constraints of the breeding program and the farmers’ group. The way to identify and select the most relevant devices and methods is based on a decision tree

Short term response of European wheat populations to contrasted agro-climatic conditions (a genetic analysis and first step towards development of epigenetic markers in earliness gene VRN-A1)

La diversité génétique est à l origine de l'évolution et de l'adaptation des pop. et des espèces. Dans les agrosystèmes, la div. gén. intra-population est d'une importance majeure : d'une part, elle peut fournir un effet tampon contre les variations climatiquesinterannuelles et les stress biotiques, et d'autre part cette div. peut permettre l adaptation locale des pop., du fait de leur évolution sous l effet des pressions sélectives spécifiques aux conditions locales de la région, particulièrement dans le cas d uneintrod. dans un nouvel environnement. En raison de son importance socio-économique et de son aire de culture étendue, le blé a été choisi comme espèce modèle dans cette étude, en se focalisant sur l étude de la précocité de de floraison, un caractère adaptatif majeur qui permet au blé de croître sur une large gamme de conditions écologiques et climatiques. Ce projet de thèse a pour objet l analyse de l'impact de la diversité int.-pop. sur la réponse adaptative à court terme de pop. soumises à des conditions agro-climatiques contrastées, ce par l'étude des variations génétiques, épigénétiques et phénotypiques.L'absence de marqueurs épig. disponible pendant la thèse a conduit à développer 2 études complémentaires. Dans une 1ère partie, sept var. pays. (pop. conservées à la ferme) et une variété moderne ont été distribuées et cultivées pendant trois ans dans sept fermes localisées dans trois pays d'Europe, puis étudiées pour leur réponse aux différentes conditions agro-climatiques, sous l angle de leurs variations phénotypiques et génotypiques. Dans une 2nde partie, l'effet de la vernalisation sur le profil de méth. de l'ADN du gène VRN-A1 a été étudié, constituant une 1ère étape vers le développement de marqueurs épig. Les résultats de la 1ère partie de l'étude ont révélé que l'histoire de la conservation des var. pays. a fortement influencé leur div. gén. et leur structure génétique fine. Les var. pays. conservées ex situ montrent une faible div. gén., avec une struct. génétique simple. Les var. pays. et les mélanges conservés in situ révèlent une div. gén. plus élevée, avec une struct. génétique complexe. Une différenc. spatio-temporelle génétique et phénotypique a été observée, en relation avec le niveau de diversité initial et avec la complexité de structure des var. pays. Les variétés traditionnelles se différencient plus nettement que les var. modernes, ce qui plaide en faveur de utilisation dans des systèmes d'agriculture biologique et à bas intrants. De façon intéressante, une différenc. phénotypique significative a été observée pour les var. qui présentaient une div. gén. initiale très faible, ce qui suggère que d autres facteurs, par exemple épig., pourraient intervenir dans les adaptations misesen évidence. La 2nde partie a permis de mettre en évidence un profil de méth. intéressant de l ADN de VRN-A1 : sur plantes non-vernalisées, ce gène présente des niveaux élevés de méth. dans la partie centrale du gène, mais pas en début et fin de gène. De plus, une partie du 1er intron montre une augmentation significative du niveau de méth. de l'ADN suite au traitement au froid. Ce changement de méth. est positivement associé au niveau d'expression du gène. Si la compréhension du rôle de cette méth. sur la régulation de VRN-A1 nécessite des analyses complémentaires, cette étude a permis de caractériser les modifications de méth. de VRN-A1 en réponse au froid et constitue une 1ère étape vers l identification de possibles epiallèles dans nos pop. et fournit une base à la construction de marqueurs permettant de suivre la variabilité épig. dans différentes pop. En conclusion, cette étude apporte des connaissances utiles pour une meilleure compréhension de l origine et l'évolution de la div. gén. présente dans les var. pays. Elles permettront de dvper des méthodes de conservation et desélection à la ferme, en tenant compte de l'importance de la div. int.-pop., afin de rép. aux contraintes posées par l'agriculture bio.Biodiversity provides the raw material for evolution and adaptation of populations and species. In agricultural biodiversity, the within-population genetic diversity is of major importance. On one hand, it can provide a buffering effect against the year-to-year variation of climate or biotic pressures and on the other hand diversity serves as a resource for the population to respond to selective pressures due to specific local conditions, thus allowing for local adaptation, particularly in the case where a population is introduced into a new location. Due to its wide geographic distribution indicating a high adaptiveotential and its socio-economic importance, wheat was chosen as model crop in this study. Flowering time is a major adaptive trait which has allows wheat to grow over a wide range of ecological and climatic conditions. This PhD study was designed to gain insights about the influence of within population diversity on the short term response of populations to contrasting agro-climatic conditions by studying the genetic, epigenetic and phenotypic variation. But due to the lack of prior existence of epigenetic markers, this thesis study is divided of two parts: In the first part, European wheat populations coming from a set of seven farmer and one modern varieties, each of which was grown on seven farms (distributed across Europe) for three years, were used to study their short term response to contrasting agro-climatic conditions in Europe by analysing their phenotypic and genotypic variations. For the second part the effect of vernalization on the DNA methylation profile of theVRN-A1 gene in winter wheat was studied as a first step towards the development for the epigenetic marker in this gene.The results from the first part of the study revealed that conservation history of these farmer varieties strongly influenced the genetic diversity and fine genetic structure. Ex situ conserved farmer varieties showed low genetic diversity and simpler structure whereas in situ conserved farmer varieties and mixtures revealed higher level of genetic diversity and complex genetic structure. Genetic and phenotypic spatio-temporal differentiation depending upon the level of diversity and structural complexity of the farmer variety was observed. The traditional varieties tend to become more differentiated than the modern variety arguing in favour of use of these diverse traditional (farmer) varieties in organic and low input agriculture systems. Interestingly, a significant phenotypic differentiation for varieties with very low genetic diversity has also been observed in this study, which gives indication of a possible role of epigenetic variation in the process of evolution.From the second part of the study (effect of vernalization on the DNA methylation profile of the VRN-A1 gene), it was found that in addition to the detection of gene body methylation across the VRN-A1 gene, we identified a region within intron 1 that shows significant increase in DNA methylation in response to vernalization treatment that is positively correlated with the gene expression. Although the role of this shift in gene regulation is still unclear due to time limitations in the thesis and the small number of genotypes analysed, this study will provide a good material towards future identification of new epialleles and the development of epigenetic markers to study the epigenetic variability of these populations.This study at large provides useful knowledge on the understanding of farmers' varieties evolutionary response to be used in the development of different breeding and conservation approaches for organic agriculture, taking into consideration of the importance of within population diversity, to satisfactorily address the problems of organic agriculture.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

New breeding strategies for mixed cropping in a barley (H. vulgare L.) pea (P. sativum L.) model system

Crop mixtures consisting of cereals and legumes have proven as a well-adapted arrangement due to their complementarity towards important resources, especially nitrogen. Crop mixtures combine high yield performance and yield stability. They can contribute to a diversified cropping landscape and adaptation to climate change. The search for alternatives to protein imports from overseas and investments in post-harvest separation technologies are currently fostering their adoption by farmers in Western-Europe, especially under organic and lowinput farming conditions. However, screening and breeding for mixed cropping has hardly been explored for arable crops. Thus, the objective was to develop novel breeding strategies and tools specifically for mixed cropping systems. We tested mixtures and pure stands of a morphologically diverse panel of 32 spring pea (Pisum sativum L.) and eight spring barley (Hordeum vulgare L.) cultivars in replicated field trials at two locations in Switzerland over two years with pea as the focal species. In an incomplete factorial design (Fig. 1) we determined general and specific mixing ability (GMA and SMA, respectively) of pea and barley in analogy to GCA and SCA (general and specific combining ability) in hybrid breeding. Key traits, such as early vigour, canopy height and leaf morphology parameters were measured, due to their potential use as covariates or indirect selection criteria for mixing ability. Our results show that total yield of mixtures can only partly be explained by pea pure stand yields (R² = 0.35), making the latter a weak predictor for mixture yield. Pea GMA variance was predominant over SMA variance which underlines the potential for breeding for mixing ability using a tester. Key traits, such as pea stipule area were correlated (R² = 0.56) with total mixture yield and merit further investigation as indirect selection criteria. The separated yield fractions of pea and barley in mixtures allow to decompose GMA of pea into the producer effect of pea cultivar on pea fraction yield and the associate effect of pea on barley fraction yield. This novel concept allows to elucidate key trait effects on fraction yields of pea and barley which might otherwise be masked when solely using a GMA approach

Development of genetic models to breed for mixed cropping systems

Introduction Mixed cropping, i.e. mixing different crops in the same field, provides agronomic advantages as increased productivity under low inputs conditions (e.g. for organic farming: Bedoussac et al. 2015) and higher yield stability (Raseduzzaman and Jensen 2017). In mixed cropping, choosing the right cultivars is critical for the performance of the mixture, as shown for pea-barley mixtures (Hauggaard-Nielsen and Jensen 2001) and maize-bean mixtures (Hoppe 2016). As performance in pure stand can strongly diverge from performance in mixture, estimating the ability of a cultivar to be mixed with another crop is therefore of utmost importance. For this purpose, concepts of General and Specific Combining Ability in hybrid breeding (Griffing 1956) have been adapted to cultivar and crop mixtures. Thus, these effects are called General Mixing Ability (GMA) and Specific Mixing Ability (SMA) (Federer 1993). In contrast to intraspecific mixtures, interspecific mixed cropping experiments often provide additional information, since harvested lots can be separated into their different grain fractions. Until now, statistical developments mobilizing the additional information provided by separated harvest lots to estimate mixing abilities in intercropping experiments have been neglected. The concept of Producer- and Associate-effects (abbreviated Pr and As, respectively) describes interactions between varieties sown in alternate row trials (Forst 2018). The producer effect Pr is the average performance of a cultivar grown in mixture with other crop-species, whereas the associate effect As is the average effect of a cultivar on the performance of the mixing partner. We used the fraction yields of a spring-pea (Pisum sativum L.) and spring-barley (Hordeum vulgare L.) mixed cropping experiment to determine Pr and As effects of different pea genotypes. The additional information provided by this approach is biologically more informative than GMA/SMA estimates, since it better reflects competition and facilitation occurring between different cultivars of the two crop-species

Diversität in der F5 von dynamisch evolvierenden Weizen Composite Cross Populationen

Three winter wheat composite cross (CC) populations were created in 2001 in the UK consisting either of 20 modern wheat parents (called A Population), a subset of 12 high quality parents (Q), or a subset of 9 high yielding parents (Y). Seed of the F4 was transferred to the University of Kassel in 2005 and the populations were grown since then under organic and conventional conditions in well separated large (>100m2) plots in two parallel sets (12 populations total) without conscious selection applied. In the conventional system fungicides and insecticides were not applied to expose the populations to natural pest and disease pressure. Morphological diversity, diseases, and yield were assessed in the field every season. The parents and a total of 1379 single plants of 23 single seed progenies of the F5 were tested in the laboratory for their combined resistance to three brown rust isolates. Only one progeny was homogenous in reaction, all others were mixtures of two to eight three-locus genotypes. Despite the supposed inbreeding structure of wheat one association in the Q progenies was random suggesting recent out-crossing. Thus, diversity and heterogeneity was still high in the F6 with evidence that out-crossing still played a role and contributed to this heterogeneity

Die Erbsensorte entscheidet über den Erfolg der Mischung

Sommer-Eiweisserbsen und zweizeilige Gerste sind gute Mischungspartner. Doch gewisse Sortenkombinationen sind besser als andere. Das hat das FiBL in einem zweijährigen Versuch gezeigt