Optimization of the Speed Breeding System: Effects of Crop Management Techniques

Yıl 2022, Cilt: 37 Sayı: 3, 541 - 556, 31.10.2022

Merve Bayhan , Remzi Özkan , Levent Yorulmaz , Önder Albayrak , Cuma Akıncı

https://doi.org/10.7161/omuanajas.1055794

Öz

Before a new variety is introduced to the market, it is subjected to a multi-generational breeding process that takes many years. New technologies were needed to shorten this period and increase the effectiveness of breeding programs. One of these new technologies is speed breeding technique. With this technique, 5-6 generations can be taken in a year by using long-term photoperiods to accelerate plant development. This study has investigated the effects of high and low input applications on the generation time and some agronomic characteristics of wheat in speed breeding. The research was carried out in a polycarbonate greenhouse with controllable light and temperature in the Faculty of Agriculture of Dicle University in 2021. In the study, Svevo (durum wheat) and Yitpi (bread wheat) varieties were used as plant material. Plants were exposed to 22 hours of light and 2 hours of dark photoperiod in speed breeding conditions. Among the properties examined in both bread and durum wheat, the number of fertile tiller per plant, plant height,
number of grains per spike and grain weight were affected by application factors. Increasing the exposure time in terms of the emergence period shortened the vegetation period in plants considerably. Plants were exposed to intense stress due to water restriction applied to plants grown in low-input conditions. For this reason, no spike could be obtained from tillers in plants grown in low-input conditions. High rate of fertilization with irrigation at field capacity significantly increased the plant height and the number of fertile tillers in the plant. The germination rate of seeds obtained from low input conditions is higher than the germination rate of seeds obtained from high input conditions, low input application will contribute to increasing the success of speed breeding programs. Strong correlations were found between earliness and tallness and the number of grains per spike under speed
breeding conditions in both bread wheat and durum wheat.

Anahtar Kelimeler

low input, Crop Management Techniques, Generation, High İnput, Speed Breeding, Wheat

Hızlı Islah Sisteminin Optimizasyonu: Bitki Yetiştirme Tekniklerinin Etkileri

Öz

Yeni bir çeşit geliştirilirken 5-6 yıllık bir açılan generasyon aşamasından ve sonrasında agronomik testlerden geçmektedir. Bu süreyi kısaltmak ve ıslah programlarının etkinliğini arttırmak için yeni teknolojilere gereksinim duyulmuştur. Bu yeni teknolojilerden biri de hızlı ıslah (speed breeding) tekniğidir. Bu teknik ile bitki gelişimini hızlandırmak için uzun süreli ışıklı periyot kullanılarak bir yıl içerisinde ortalama 5-6 generasyon alınabilmektedir. Bu çalışmada yüksek ve düşük girdi uygulamalarının hızlı ıslahta buğdayın generasyon süresine ve bazı agronomik özellikler üzerine etkileri araştırılmıştır. Araştırma 2021 yılında Dicle Üniversitesi Ziraat Fakültesinde bulunan ışık ve sıcaklığı kontrol edilebilen polikarbon serada gerçekleştirilmiştir. Çalışmada bitki materyali olarak Yitpi (ekmeklik buğday) ve Svevo (makarnalık buğday) çeşitleri kullanılmıştır. Bitkiler hızlı ıslah ortamında 22 saat ışık, 2 saat karanlık fotoperiyoda maruz bırakılmışlardır. Yüksek girdide tam sulama ve optimum gübreleme yapılırken düşük girdide %50 oranında gübre azaltılması ve bayrak yaprak çıkışından itibaren kademeli olarak su kısıtlaması uygulanmıştır. Hem ekmeklik hem de makarnalık buğdayda düşük girdide bitkide fertil kardeş sayısı, bitki boyu, başakta tane sayısı ve tane ağırlığında düşüşler yaşanmıştır. Düşük girdili koşullarda bitkiler yoğun strese maruz kalmış ve kardeşlerden başak elde edilememiştir. Düşük girdi koşullarından elde edilen tohumların çimlenme oranı, yüksek girdi koşullarından elde edilen tohumların çimlenme oranından yüksek olması, düşük girdi uygulamasının hızlı ıslah programlarının başarısını artırmada katkı sağlayabilir. Hem ekmeklik hem de makarnalık buğdayda hızlı ıslah koşullarında uzun boyluluk ile başakta tane sayısı arasında güçlü korelasyon ilişkisi saptanmıştır.

Anahtar Kelimeler

Buğday, Hızlı Islah, Düşük Girdili, Yüksek Girdili, Bitki Yetiştirme Teknikleri.

Kaynakça

• Able, J., Atienza, S., 2014. Durum wheat for the future: challenges, research and prospects in the 21st century. Crop Pasture Sci. 2014:65. doi: https://doi.org/10.1071/CPv65 n1_FO.
• Akdağ, H., 2019. Hızlı ıslah yöntemiyle buğdayda haritalama popülasyonu ve geriye melez döllerin yetiştirilmesi. Yüksek Lisans Tezi. Karamanoğlu Mehmetbey Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 51s, Karaman.
• Akash, G.S., 2020. Speed breeding : to feed the boosting populations of the world. Genetics and Plant Breeding. 02543/19-20.
• Alahmad, S., Dinglasan, E., Leung, K., Riaz, A., Derbal, N., Voss-Fels, K., Able, J., Bassi, F., Christopher, J., Hickey, L., 2018. Speed breeding for multiple quantitative traits in durum wheat. Plant Methods, 2018: 14-36. doi: 10.1186/s13007-018-0302-y.
• Bayhan, M., Ozkan, R., Ozberk I., 2020. Physiological, morphological, phenological and yield evaluation of durum wheat lines under rainfed conditions. International Journal of Scientific and Technological Research. 6(4):31-43. doi: 10.7176/JSTR/6-04-05.
• Ghosh, S., Watson, A., Gonzalez-Navarro, O., Ramirez-Gonzalez, R., Yanes, L., Mendoza-Suárez, M., Simmonds, J., Wells, R., Rayner, T., Green, P., Hafeez, A., Hayta, S., Melton, R., Steed, A., Sarkar, A., Carter, J., Perkins, L., Lord, J., Tester, M., Hickey, L., 2018. Speed breeding in growth chambers and glasshouses for crop breeding and model plant research. Nature Protocols, 13, 2944-2963. doi: 10.1038/s41596-018-0072-z.
• Habash, D.Z., Baudo, M., Hindle, M., Powers, S.J., Defoin-Platel, M., Mitchell, R., Saqi, M., Rawlings, C., Latiri, K., Araus, J.L., Abdulkader, A., Tuberosa, R., Lawlor, D.W., Nachit, M.M., 2014. Systems responses to progressive water stress in durum wheat. PLoS ONE, 9(9): e108431. doi: 10.1371/journ al.pone.01084 31.
• Harmankaya, M., Ozcan, M.M., Gezgin, S., 2012. Variation of heavy metal and micro and macro element concentrations of bread and durum wheats and their relationship in grain of Turkish wheat cultivars. Environ Monit Assess, 184:5511–5521. doi: 10.1007/s1066 1-011-23573.
• Hickey, L.T., Germán, S.E., Pereyra, S.A., Diaz, J.E., Ziems, L.A., Fowler, R.A., Platz, G.J., Franckowiak, J.D., Dieters, M.J., 2017. Speed breeding for multiple disease resistance in barley. Euphytica, 213:64. doi: 10.1007/s10681-016-1803-2.
• Jähne, F., Hahn, V., Würschum, T., Leiser, W.L., 2020. Speed breeding short-day crops by LED-controlled light schemes. Theor Appl Genet, 133:2335-2342. doi: 10.1007/s00122-020-03601-4
• Maphosa, L., Collins, N.C., Taylor, J., Mather, D.E., 2014. Post-anthesis heat and a Gpc-B1 introgression have similar but non-additive effects in bread wheat. Functional Plant Biology, 41:1002-1008.
• Mondal, S., Rutkoski, J.E., Velu, G., Singh, P.K., Crespo-Herrera, L.A., Guzmán, C., Bhavani, S., Lan, C., He, X., Singh, R.P., 2016. Harnessing diversity in wheat to enhance grain yield, climate resilience, disease and insect pest resistance and nutrition through conventional and modern breeding approaches. Front Plant Science, 7:991. doi: 10.3389/fpls.2016.00991.
• Nagatoshi, Y., Fujita, Y., 2018. Accelerating soybean breeding in a CO2-supplemented growth chamber. Plant Cell Physiol 60:77–84. doi: 10.1093/pcp/pcy189
• Özkan, R., Bayhan, M., Akıncı, C., Yıldırım, M., Albayrak, Ö., 2019. Diyarbakır koşullarında ileri kademe makarnalık buğday hatlarının bazı agronomik özelliklerinin değerlendirilmesi. ISPEC Uluslararası Tarım ve Kırsal Kalkınma Kongresi, 763-768s, 10-12 Haziran, Siirt.
• Özkan, R., Bayhan, M., Yıldırım, M., Akıncı, C., 2022. Makarnalık Buğdayda (Triticum durum L.) generasyon süresinin kısaltılmasında hızlı ıslah tekniğinin uygulanabilirliği. Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 26 (2): 292-298. doi: 10.19113/sdufenbed.1065647
• Payne, R.W., Murray, D.A., Harding, S.A., Baird, D.B., Soutar, D.M., 2009. GenStat for Windows (12th Edition) Introduction. VSN International, Hemel Hempstead.
• SAS institute Inc RRID:SCR_014242 JMP 13 Pro 2016. SAS Institute Inc., Cary, NC, USA. Available online:http://www.jmp.com (accessed on 22 December 2021)
• Stuknyte, M., Cattaneo, S., Pagani, M.A., Marti, A., Micard, V., Hogenboom, J., De Noni, I., 2014. Spaghetti from durum wheat: effect of drying conditions on heat damage, ultrastructure and in vitro digestibility. Food Chem., 149:40-46. doi: 10.1016/j.foodc hem.2013.10.071.
• Sysoeva, M.I., Markovskaya, E.F., Shibaeva, T.G., 2010. Plants under continuous light: a review. Plant Stress 4, 5-17.
• Telfer, P., Edwards, J., Bennett, D., Ganesalingam, D., Able, J., Kuchel, H., 2018. A field and controlled environment evaluation of wheat (Triticum aestivum L.) adaptation to heat stress. Field Crops Research, 229: 55-65.
• Watson, A., Ghosh, S., Williams, M.J., Cuddy, W.S., Simmonds, J., Rey, M. D., Hatta, M.A.Md., Hinchliffe, A., Steed, A., Reynolds, D., Adamski, N.M., Breakspear, A. Korolev, A., Rayner, T., Dixon, L.E., Riaz, A., Martin, W., Ryan, M., Edwards, D., Batley, J., Raman, H., Carter, J., Rogers, C., Domoney, C., Moore, G., Harwood, W., Nicholson, P., Dieters, M.J., DeLacy, I.H., Zhou, J., Uauy, C., Boden, S.A., Park, R.F., Wulff, B.B.H., Hickey, L.T., 2018. Speed breeding is a powerful tool to accelerate crop research and breeding. Nature Plants, 4(1), 23.