Crop Genetic Resources: an overview

Abstract

The impacts of climate change on crop production are already a reality worldwide. Extreme weather events such as droughts, floods and heat waves are increasingly frequent, and this is affecting agriculture due to its high vulnerability. In order to mitigate these impacts, the access to unexploited genetic crop diversity for the production of new varieties which can thrive in more extreme environmental conditions is of prime importance. A mul titude of beneficial agronomic traits have been lost over the course of domestication, and, in this sense, crops’ wild relatives and landraces contain many genes of potential value for plant breeding. Among these, there are many traits that are relevant for climate change adaptation. Despite the vast pool of resources that exists, much of the crop germplasm rich ness found in gene banks is underutilized. To overcome the barriers between germplasm conservation and use, evaluation is necessary to discover the useful diversity they contain. The number of accessions deposited in germplasm banks is continuously growing. Germplasm evaluation refers to the observation, measurement and reporting of heritable plant traits from a collection. The Food and Agriculture Organization of the United Nations stressed, in a recent report, that one of the major constrains affecting the conservation, use, monitoring and reporting of information on plant genetic resources for food and agriculture (PGRFA) concerns data access and communication among researchers, breeders, farmers and governments. In this sense, considering the broad range found in the germplasm collections of cultivated plants, which varies from wild and weedy types to high-yielding varieties, it is of major importance to ensure an accessible standardized format for data compilation and management. Other shared problems rely on developing sampling strate gies for representative specimens in natural habitats or the design of technologies for long-term maintenance. To date, germplasm evaluation has been centered mostly on morphological descriptors, agronomical traits and molecular marker technology. In spite of their reliability, low cost and accessibility, morphological descriptors present some constraints, such as the influence of environment on the genotype, making evaluation and information exchange more com plex, and limited polymorphism, which demands the evaluation of more descriptors. On the other hand, evaluation based on agronomic characters is especially used in economically relevant crops, although a complete evaluation in this respect is costly, time-consuming and labor-intensive; as a consequence, nowadays it covers a small fraction of the accessions of interest. However, the final aim of germplasm evaluation and plant breeding is to obtain desirable traits in a highly efficient manner. Thus, traditional evaluation techniques are not sufficient to fulfil demands on food security and sustainability. Crop performance is determined by complex traits resulting from genetics and epi genetics interactions. Understanding the relationship between genotype and phenotype is important for the sustainable evaluation and conservation of crop germplasm richness. Thus, traditional evaluation techniques are nowadays giving way to germplasm charac terization based on molecular methods. In this sense, molecular markers, which reveal DNA sequence polymorphism, constituted a turning point in germplasm characteriza tion. However, approaches based on molecular markers ultimately have the limitation of considering genes as independent functional entities; when traits are the result of a multigenic regulation and have a close interaction with environmental conditions, broader approaches are needed. Nowadays, the rapid expansion of the “-omics” techniques are bringing high-throughput approaches to the frontline of plant breeding, accelerating crop improvement by elucidating the interaction between genotype and phenotype. In this sense, epigenomics, genomics, transcriptomics, proteomics, metabolomics, phenomics and ionomics, together with bioinformatic tools, have made it possible for breeders to design more resilient and/or more productive varieties towards biotic and abiotic stresses. More recently, multi-omic approaches have been proposed for plant evaluation and breeding, integrating datasets from the different -omics together with complex mathematical models.

Los impactos del cambio climático en la producción agrícola ya son una realidad en todo el mundo. Los eventos meteorológicos extremos, como sequías, inundaciones y olas de calor, son cada vez más frecuentes y esto afecta a la agricultura debido a su alta vulnerabilidad. Para mitigar estos impactos, es de vital importancia el acceso a la diversidad genética no explotada de cultivos para la producción de nuevas variedades que puedan prosperar en condiciones ambientales más extremas. Durante el proceso de domesticación, se han perdido una multitud de rasgos agronómicos beneficiosos, y, en este sentido, los parientes silvestres de los cultivos y las variedades locales contienen muchos genes de potencial valor para el mejoramiento de plantas. Entre estos, hay muchos rasgos relevantes para la adaptación al cambio climático. A pesar del vasto conjunto de recursos que existe, gran parte de la riqueza genética de los cultivos que se encuentra en los bancos de germoplasma está subutilizada. Para superar las barreras entre la conservación y el uso del germoplasma, es necesaria una evaluación para descubrir la diversidad útil que contienen.

El número de accesiones depositadas en los bancos de germoplasma sigue creciendo continuamente. La evaluación del germoplasma se refiere a la observación, medición e informe de rasgos hereditarios de las plantas de una colección. La Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura destacó, en un informe reciente, que una de las principales limitaciones que afectan la conservación, uso, monitoreo e informe de información sobre los recursos fitogenéticos para la alimentación y la agricultura (PGRFA) concierne al acceso a datos y la comunicación entre investigadores, mejoradores, agricultores y gobiernos. En este sentido, considerando la amplia gama de recursos que se encuentran en las colecciones de germoplasma de plantas cultivadas, que varía desde tipos silvestres y silvestres hasta variedades de alto rendimiento, es de gran importancia garantizar un formato estandarizado accesible para la recopilación y gestión de datos. Otros problemas comunes dependen del desarrollo de estrategias de muestreo para especímenes representativos en hábitats naturales o del diseño de tecnologías para el mantenimiento a largo plazo.

Hasta la fecha, la evaluación del germoplasma se ha centrado principalmente en descriptores morfológicos, rasgos agronómicos y tecnología de marcadores moleculares. A pesar de su fiabilidad, bajo costo y accesibilidad, los descriptores morfológicos presentan algunas limitaciones, como la influencia del entorno en el genotipo, lo que hace que la evaluación y el intercambio de información sean más complejos, y el polimorfismo limitado, lo que demanda la evaluación de más descriptores. Por otro lado, la evaluación basada en caracteres agronómicos se utiliza especialmente en cultivos económicamente relevantes, aunque una evaluación completa en este sentido es costosa, requiere mucho tiempo y mano de obra; como consecuencia, hoy en día cubre solo una pequeña fracción de las accesiones de interés.

Sin embargo, el objetivo final de la evaluación del germoplasma y el mejoramiento de plantas es obtener rasgos deseables de manera altamente eficiente. Por lo tanto, las técnicas de evaluación tradicionales no son suficientes para cumplir con las demandas de seguridad alimentaria y sostenibilidad. El rendimiento de los cultivos está determinado por rasgos complejos resultantes de interacciones genéticas y epigenéticas. Comprender la relación entre el genotipo y el fenotipo es importante para la evaluación y conservación sostenible de la riqueza del germoplasma de los cultivos. En este sentido, los marcadores moleculares, que revelan el polimorfismo de secuencias de ADN, constituyeron un punto de inflexión en la caracterización del germoplasma. Sin embargo, los enfoques basados en marcadores moleculares tienen la limitación de considerar los genes como entidades funcionales independientes; cuando los rasgos son el resultado de una regulación multigénica y tienen una estrecha interacción con las condiciones ambientales, se necesitan enfoques más amplios.

Hoy en día, la rápida expansión de las técnicas “-ómicas” está llevando enfoques de alto rendimiento a la vanguardia del mejoramiento de plantas, acelerando la mejora de cultivos al dilucidar la interacción entre el genotipo y el fenotipo. En este sentido, la epigenómica, genómica, transcriptómica, proteómica, metabolómica, fenómica y ionómica, junto con herramientas bioinformáticas, han hecho posible que los mejoradores diseñen variedades más resistentes y/o más productivas frente a estreses bióticos y abióticos. Más recientemente, se han propuesto enfoques multi-ómicos para la evaluación y el mejoramiento de plantas, integrando conjuntos de datos de las diferentes -ómicas junto con modelos matemáticos complejos.