Press Release: To Reap Good Yields: A Grain of Genetic Insight into Amaranth — Journal of Young Investigators

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Press Release: To Reap Good Yields: A Grain of Genetic Insight into Amaranth

Press Release: To Reap Good Yields: A Grain of Genetic Insight into Amaranth

November 1, 2022

Andrea Eleazar

For Popeye the Sailor, a single can of spinach wields the promise of bulky muscles and instant superhuman strength; likewise, some bodybuilders might enhance their diets with cereals and grains to boost their gains. Leafy greens and whole grains are among food groups praised for their nutritional value, but they also share a common origin: plants. 

Enter a plant that could deliver such utility, but more of it – indigenous to Africa and the Americas, Amaranth is a family of plants that can be harvested as a leafy vegetable with a taste akin to spinach, and for their grains comparable to quinoa. Specifically, they are reputed for their high protein content and abundance of minerals and antioxidants and have been consumed for thousands of years. But before Amaranth even reaches the consumer, a seed must first be sown and cultivated – the work of agricultural producers like farmers. Cultivation is a challenging endeavor, a balancing act of risk and reward with success defined by the fruits of a farmer’s labor. As one of the oldest crops in the world, Amaranth sits among ancient grains like barley and chia, often touted for being relatively untouched by genetic modification. However, this is also accompanied by a pitfall: low yield. Amaranth production has declined in recent years because most currently-farmed varieties do not produce fruitful yields. In a study published in the August issue of the Journal of Young Investigators, Abiola Samson Olaniyi of Osun State University sheds light on the genetic potential of Amaranth by analyzing and comparing the vegetative characteristics and growth of four different Grain Amaranth varieties.

Previous reviews have described Amaranth as “underutilized” and have identified its necessity in broader societal issues like malnutrition and food insecurity, but there have been few attempts to address the actual genetics underlying this underutilization. Such is the basis for crop improvement, an initiative geared towards increasing a crop’s yield – the amount of crop grown per unit of land – and quality of output. 

So, what is the key to crop improvement? In the realm of genetics, this can be achieved through numerous approaches, whether by selectively breeding plants for desirable yield-enhancing traits or developing new crop types. For instance, a plant with larger leaves is predicted to have a higher capacity for photosynthesis compared to a plant with smaller leaves as there is more area on the leaf to intercept light, which can determine plant productivity. Ranging from the leaves to the stem, knowledge of the relationships between these characteristics and yield would help scientists and breeders make optimal selections for crop improvement. Additionally, though yield is determined by a complex multitude of biotic and abiotic factors, good yield ultimately boils down to genetic diversity and variability. High genetic variability offers many options for the development of new crop varieties that can increase productivity and will therefore be beneficial to farmers in the long-run.

To that end, how can Grain Amaranth growth be enhanced to maximize yield? Specifically, which variety exhibits desirable yield-enhancing traits, and how can the interrelationships between these traits and yield inform selection criteria and optimize breeding? To answer these questions, Olaniyi began a field experiment in June 2019 on an experimental farm site wherein they grew four accessions of Amaranth: Num-Amaranth, White Amaranth, Celosia, and Red-Amaranth. Three seeds of each accession were sown per hole spanning across three separate blocks and grown through early 2020. The author collected data every five days on the plants’ morphological characteristics, including leaf count, leaf area index, stem girth, plant height, and branch count, and performed statistical analyses to derive insights about the accessions. Each analysis and its findings are summarized in Figure 1.

Figure 1. Summary of statistical analyses and subsequent findings from the field experiment (created by Andrea Eleazar in BioRender.com)

Firstly, analysis of variance (ANOVA) was performed to analyze the variation in the measured characteristics of the four accessions and determine which characteristics had a significant influence on yield. Of them all, stem girth was found to be a significant indicator of genetic variability among the accessions, indeed confirming genetic variability and that stem girth can be used as a determinant for selection. 

Next, to determine the interrelationships between the characteristics, the author performed a correlation analysis, which returned significant positive associations between branch count and plant height, plant height and stem girth, and a negative association between leaf width and branch count. The former suggests that selecting taller accessions would result in more branches, a key characteristic for leafy vegetables. Furthermore, a principal component analysis (PCA) captured favorability of contributions by the characteristics toward the genetic variance among the Amaranth accessions.

Finally, an analysis of growth performance showed that out of the four varieties, Num-Amaranth bested the others in terms of leaf area index, leaf count, stem girth, and height, suggesting that this variety would be the superior candidate in breeding selection to maximize yield.

In today’s age where scientists are continuously innovating novel technologies and charting new avenues to increase agricultural productivity, this study, while a crucial stride forward for future crop improvement programs and genetic research on Amaranth, also reminds us to take a step back into the untouched science of the past to assess how our ancient experimental subjects can continue to provide for generations to come. Highlighting the properties of Grain Amaranth accessions will enable researchers and breeders alike to increase Amaranth productivity amidst our ever-changing world and unlock its agricultural potential – so that farmers may reap good yields, and so that we may harness its versatility more than ever before.

References

Comunicado de prensa: Para obtener una mejor cosecha: Conservación de los recursos genéticos de la semilla del amaranto

1 de noviembre, 2022

Andrea Eleazar

Camila Cifuentes

Para Popeye el marino, ingerir una sola lata de espinacas le proporcionaba unos músculos voluptuosos y una fuerza superhumana instantánea; del mismo modo que algunos fisicoculturistas buscan mejorar su alimentación incluyendo cereales y granos para aumentar su rendimiento. Las verduras de hoja verde y los cereales integrales se encuentran entre los grupos de alimentos más destacados por su valor nutricional, pero también comparten un origen en común: las plantas.

Una planta que podría proporcionar tal beneficio, o incluso aún más que eso, es el amaranto. El amaranto es una planta autóctona procedente de África y América que puede cosecharse como verdura de hoja, posee un sabor parecido a la espinaca, y los granos son similares a los de la quínoa. Son específicamente reconocidas por el alto contenido en proteínas, así como también por su gran cantidad de minerales y antioxidantes, y es por este motivo que se han consumido a lo largo de miles de años. Pero mucho antes de que el amaranto llegue a los consumidores, primero se debe sembrar una semilla y cultivarla, lo cual es labor de los productores agrícolas. Cultivar es un desafío, un acto de equilibrio, de riesgos y recompensas, cuyo éxito se define por los frutos del trabajo del agricultor. El amaranto es uno de los cultivos más antiguos del mundo, ya que se encuentra entre los granos ancestrales tales como la cebada y la chía, y a menudo se lo aclama porque no es posible alterarlo genéticamente. Sin embargo, esto también viene acompañado de un pequeño inconveniente: un bajo índice de producción. La producción del amaranto ha disminuido notablemente en los últimos años debido a que la mayoría de las variedades que se cultivan, actualmente, no producen rendimientos fructíferos. En un estudio reciente, publicado en la edición de agosto de la revista Journal of Young Investigators, Abiola Samson Olaniyi, de la Universidad Estatal de Osun, destaca el potencial genético del amaranto, analizando y comparando las características de la planta y del crecimiento de cuatro variedades de grano de amaranto.

En reseñas anteriores, se ha descrito al amaranto como “infrautilizado” y se lo ha identificado como necesario en problemáticas sociales globales, como la desnutrición y la inseguridad alimenticia, pero ha habido pocos intentos por abordar la verdadera problemática que subyace a partir de esta infrautilización. Fundamento principal para la mejora de cultivos, una iniciativa orientada al crecimiento del rendimiento de un cultivo -la cantidad de cultivo por unidad de tierra-y la calidad de la producción.

Entonces, ¿cuál es la clave para mejorar los cultivos? En el ámbito de la genética, esto puede lograrse a través de varios enfoques, ya sea por medio del cultivo de plantas seleccionadas para obtener los rasgos deseados que mejoren el rendimiento de la productividad o para desarrollar nuevos tipos de cultivos. Por ejemplo, se prevé que una planta con hojas más grandes tendrá una mayor capacidad de fotosíntesis, en comparación con una de hojas más pequeñas, ya que posee una mayor superficie para interceptar la luz que es lo que determina su productividad. Desde las hojas hasta el tallo, el conocimiento de la relación entre dichas características y el rendimiento, ayuda a científicos y a productores a realizar selecciones óptimas para la mejora de los cultivos. Además, a pesar de que el rendimiento se determina por una gran cantidad de factores complejos bióticos y abióticos, un buen rendimiento se reduce en definitiva a la diversidad y variabilidad genética. Una alta variabilidad genética ofrece muchas opciones para el desarrollo de nuevas variedades de cultivo que pueden aumentar la productividad y, por lo tanto, será beneficiosa para los productores a largo plazo.

Con este fin, ¿cómo se puede maximizar el rendimiento del crecimiento de la semilla del amaranto? Específicamente, ¿qué variedades exponen rasgos deseables que mejoren el rendimiento? ¿Y cómo pueden las relaciones entre estos rasgos y el rendimiento informar criterios de selección y mejorar la reproducción? Para responder estas preguntas, Olaniyi comenzó un experimento de campo en junio de 2019, en un sitio de granja experimental en el que se cultivaron cuatro variedades de amaranto: Num-Amaranto, Amaranto Blanco, Celosia y Amaranto Rojo. Se sembraron tres semillas de cada variedad por sector, abarcando tres bloques separados, que se cultivaron hasta principios del 2020. El autor recopiló datos cada cinco días a cerca de las características morfológicas de las plantas, incluyendo el recuento de las hojas, el índice de área foliar, la circunferencia del tallo, la altura de la planta y el recuento de ramas. Y se realizó un análisis para obtener información sobre dichas variedades. En la Figura 1 se resumen los resultados de cada uno de ellos.

Figura 1. Resumen de los análisis estadísticos y los resultados posteriores del experimento de campo.

En primer lugar, se realizó un análisis de la varianza con un factor (ANOVA) para estudiar las características medidas de las cuatro variedades y determinar qué propiedades tienen una influencia significativa en el rendimiento. De todas ellas, se encontró que la circunferencia del tallo era un indicador significativo de la variabilidad genética entre las variedades, lo que confirma que pueden ser factores determinantes para la selección.

A continuación, para determinar las relaciones entre dichas características, el autor realizó un análisis de correlación, el cual arrojó como resultado asociaciones positivas significativas entre el recuento de las ramas, la altura de las plantas, y la circunferencia del tallo, y una asociación negativa entre el ancho de la hoja y el recuento de las ramas. La primera asociación sugiere que la selección de variedades más altas daría lugar a más cantidad de ramas, una característica clave para las hortalizas de hoja. Además, luego de un análisis de componentes principales (PCA) que captó los beneficios de estas características para la variación genética entre las variedades del amaranto.

Finalmente, un análisis de rendimiento del crecimiento mostró que, de las cuatro variedades, la Num-Amaranth era mejor que las demás según el índice de área foliar, el recuento de hojas, la circunferencia del tallo y su altura, lo que sugiere que esta variedad sería la candidata principal en la selección del cultivo para maximizar el rendimiento.

En la actualidad, en donde los científicos están continuamente desarrollando tecnologías novedosas, en nuevos medios para aumentar la productividad agrícola; este estudio, si bien supone un avance crucial para los futuros programas de mejora de los cultivos y la investigación genética del amaranto, también nos recuerda que debemos dar un paso atrás en la ciencia sabia del pasado para evaluar cómo nuestros antiguos sujetos experimentales pueden continuar abasteciendo a generaciones futuras. Destacar las propiedades de las variedades de grano del amaranto permitirá tanto a los investigadores, como a los productores aumentar el rendimiento de la producción del amaranto en este mundo cambiante y liberar su potencial agrícola– para que, de esta manera, los agricultores puedan cosechar una buena producción y aprovechar su versatilidad más que nunca.

Referencias

Communiqué de presse : Récolter de bons rendements : un grain de perspicacité génétique sur l’amarante

Le 1 novembre 2022

Andrea Eleazar

Angela Zemingui

Pour Popeye le marin, une seule boîte d’épinards est la promesse de muscles volumineux et d’une force surhumaine instantanée ; de même, certains culturistes peuvent enrichir leur régime de céréales et de graines pour augmenter leurs gains. Les légumes verts à feuilles et les céréales complètes font partie des groupes d’aliments loués pour leur valeur nutritionnelle, mais ils ont aussi une origine commune : les plantes.

L’amarante, originaire d’Afrique et des Amériques, est une famille de plantes qui peuvent être récoltées comme un légume à feuilles au goût proche de celui des épinards et dont les grains sont comparables à ceux du quinoa. Plus précisément, ils sont réputés pour leur teneur élevée en protéines et leur abondance de minéraux et d’antioxydants et sont consommés depuis des milliers d’années. Mais avant que l’amarante n’atteigne le consommateur, une graine doit d’abord être semée et cultivée — ce qui consiste dans le travail des producteurs agricoles comme des agriculteurs. Cultiver la terre est difficile, un exercice d’équilibre entre le risque et la récompense, le succès étant défini par les fruits du travail de l’agriculteur. L’amarante, qui est l’une des plus anciennes cultures du monde, se trouve parmi les céréales anciennes comme l’orge et le chia et est souvent vantée pour être relativement épargnée de modifications génétiques. Cependant, cela s’accompagne également d’un écueil : le faible rendement. La production d’amarante a diminué ces dernières années parce que la plupart des variétés actuellement cultivées ne donnent pas de bons rendements. Dans une étude publiée dans le numéro d’août du Journal of Young Investigators, Abiola Samson Olaniyi de l’Université d’État d’Osun fait la lumière sur le potentiel génétique de l’amarante en analysant et en comparant les caractéristiques végétatives et la croissance de quatre variétés différentes d’amarante des grains.

Des études antérieures ont décrit l’amarante comme étant « sous-utilisée » et ont identifié sa nécessité dans des questions sociétales plus larges comme la malnutrition et l’insécurité alimentaire, mais il y a eu peu de tentatives pour aborder la génétique qui sous-tend cette sous-utilisation. Ceci est la base de l’amélioration des cultures, une initiative visant à augmenter le rendement d’une culture — la quantité de produit cultivé par unité de terre — et la qualité du produit. Alors, quelle est la clé de l’amélioration des cultures ? Dans le domaine de la génétique, cet objectif peut être atteint par de nombreuses approches, que ce soit en sélectionnant des plantes pour des caractéristiques souhaitables ou en développant de nouveaux types de cultures. Par exemple, on prévoit qu’une plante avec des feuilles plus grandes aura une plus grande capacité de photosynthèse qu’une plante avec des feuilles plus petites, car la surface d’interception de la lumière sur la feuille est plus grande, ce qui peut déterminer la productivité de la plante. De la feuille à la tige, la connaissance des relations entre ces caractéristiques et le rendement aiderait les scientifiques et les sélectionneurs à faire des choix optimaux pour améliorer les cultures. En outre, bien que le rendement soit déterminé par une multitude complexe de facteurs biotiques et abiotiques, un bon revient à la diversité et à la variabilité génétiques. La grande variabilité génétique offre de nombreuses possibilités pour le développement de nouvelles variétés de cultures susceptibles qui peuvent à leur tour accroître la productivité et qui seront donc bénéfiques aux agriculteurs à long terme.

À cette fin, comment améliorer la croissance de l’amarante des grains pour maximiser le rendement ? Plus précisément, quelle variété présente les caractéristiques souhaitables pour améliorer le rendement et comment les interrelations entre ces caractéristiques et le rendement peuvent-elles informer les critères de sélection et optimiser la sélection ? Pour répondre à ces questions, Olaniyi a commencé une expérience sur le terrain en juin 2019 sur un site de ferme expérimentale dans lequel ils ont cultivé quatre accessions d’amarante : Num-Amaranth, l’amarante blanche, l’amarante crête de coq et l’amarante rouge. Trois graines de chaque accession ont été semées par trou dans trois blocs distincts et cultivées jusqu’au début de 2020. L’auteur a recueilli des données tous les cinq jours sur les caractéristiques morphologiques des plantes, notamment le nombre de feuilles, l’indice de surface foliaire, la circonférence de la tige, la hauteur de la plante et le nombre de branches et a effectué des analyses statistiques pour obtenir des informations sur les accessions. Chaque analyse et ses conclusions sont résumées dans la figure 1.

Figure 1. Résumé des analyses statistiques et des résultats ultérieurs de l’expérience sur le terrain

Tout d’abord, une analyse de variance (ANOVA) a été réalisée pour analyser la variation des caractéristiques mesurées des quatre accessions et déterminer quelles caractéristiques exerçaient une influence significative sur le rendement. Parmi toutes ces variétés, la circonférence de la tige s’est avérée être un indicateur significatif de la variabilité génétique entre les accessions, confirmant ainsi la variabilité génétique et le fait que la circonférence de la tige peut être utilisée comme un déterminant pour la sélection.

Ensuite, pour déterminer les interrelations entre les caractéristiques, l’auteur a effectué une analyse de corrélation, qui a donné des associations positives significatives entre le nombre de branches et la hauteur de la plante, la hauteur de la plante et la circonférence de la tige et une association négative entre la largeur des feuilles et le nombre de branches. La première suggère que la sélection d’accessions plus hautes permettrait d’obtenir davantage de branches, une caractéristique essentielle des légumes à feuilles. En outre, une analyse en composantes principales (ACP) a permis de déterminer la favorabilité des contributions des caractéristiques à la variance génétique parmi les accessions d’amarante.

Enfin, une analyse de la performance de croissance a montré que sur les quatre variétés, Num-Amaranth a surpassé les autres en matière d’indice de surface foliaire, de nombre de feuilles, de circonférence de la tige et de hauteur, ce qui suggère que cette variété serait le meilleur candidat dans la sélection de sélection pour maximiser le rendement.

À l’heure où les scientifiques ne cessent d’innover en matière de technologies et d’ouvrir de nouvelles voies pour accroître la productivité agricole, cette étude, tout en constituant une avancée cruciale pour les futurs programmes d’amélioration des cultures et la recherche génétique sur l’amarante, nous rappelle également qu’il faut faire un pas en arrière dans la science du passé pour évaluer comment nos anciens sujets d’expérimentation peuvent continuer à fournir aux générations à venir. La mise en évidence des propriétés des accessions de l’amarante des grains permettra aux chercheurs et aux sélectionneurs d’accroître la productivité de l’amarante dans un monde en constante évolution et de libérer son potentiel agricole — afin que les agriculteurs puissent obtenir de bons rendements et que nous puissions exploiter sa polyvalence plus que jamais.

Références

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