Researchers use DNA prediction models to speed up banana breeding
février 20, 2018
An international team of scientists have for the first time demonstrated that it is possible to speed up banana breeding using genomic prediction models that accurately select banana hybrids with desired traits. The models use the plant’s genetic data (DNA l andmarks) to estimate its usefulness in breeding and predict the physical traits such as height, yield, and disease resistance before the plant is taken to the field. This study, published in a paper, Genomic prediction in a multiploid crop: genotype by environment interaction and allele dosage effects on predictive ability in banana, in Le génome végétal provides the first empirical evidence on the use of genomic prediction in a banana population.
Why speed up banana breeding?
Moses Nyine of IITA explains about his research in a banana field in Ug anda
Banana, an important staple and source of income for millions of people in 120 tropical and subtropical countries, are by nature, sterile crops. They reproduce through suckers, which limits the mingling and recombination (shuffling) of genes from the parents to children. Therefore, there is limited diversity in banana growing in a particular region, which makes them prone to the same pests, diseases, and environmental stress.
Efforts to develop improved high-yielding and disease-resistant varieties are thus frustrated by the sterile nature of the plant. This complicates the breeding process, making it lengthy and costly—taking up to 20 years to deliver improved varieties to farmers.
Moses Nyine from the International Institute of Tropical Agriculture (IITA) and a PhD student at Palacký University, is the lead researcher. He says the findings of the study present a significant breakthrough for banana breeding in the face of the myriad pests and diseases affecting banana in Africa. These include banana weevil, nematodes, Black Sigatoka, Banana Xanthomonas wilt, Banana Bunchy top virus, and more recently Fusarium Wilt (Panama disease/Tropical Race 4 (TR4) detected in Africa for the first time in Mozambique in 2013.
IITA has a comprehensive banana improvement program since more than 30 years that covers the whole breeding pipeline. It has developed numerous improved plantain varieties, called PITA, and improved highl and cooking bananas together with NARO (National Agricultural Research Organization, Ug anda) called NARITAs. These hybrids have been distributed to 15 countries in Africa, Latin America, and Asia.
Biotechnology and statistics to the rescue
The researchers collected data from the East Africa Highl and Banana and their hybrids planted in two fields in Ug anda for two crop cycles between 2013 and 2016. In total, 307 banana types of banana were observed under low and high input field management conditions. They collected data on 15 key traits of the crop and grouped them into five categories: plant stature, suckering behavior, black leaf streak resistance, fruit bunch, and fruit filling.
The DNA differences between the bananas were mapped out using a technology called genotyping by sequencing (GBS). These data sets were then used to test the ability of six genomic prediction models to determine the bananas with the best traits through cross validation. The BayesB model was found superior to other models, particularly in predicting fruit filling and fruit bunch traits.
The results demonstrate that genomic prediction is possible in banana breeding and the prediction accuracy can be improved by using models based on data from many different environments. The prediction accuracy within the training population based on genomic estimated breeding values (GEBV) was above 75% even with models that had low predictive abilities.
The study was conducted as part of a collaboration of researchers from IITA, the Institute of Experimental Botany; the Centre of Plant Structural and Functional Genomics; Palacký University, Olomouc, Czech Republic; and the Laboratory of Tropical Crop Improvement, Division of Crop Biotechnics, Katholieke Universiteit, Belgium.
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Olamide Deborah Nwanze est une chercheuse principale spécialisée dans la recherche sur l'approche "genre" afin d'éclairer les politiques de sélection participative et inclusive, de développement de variétés et de systèmes semenciers concernant les cultures de racines, tubercules et bananes (RTB) au siège de l'Institut International d'Agriculture Tropicale, à Ibadan, au Nigeria. Elle est candidate au doctorat à l'Université d'Ibadan et titulaire d'un master et d'un diplôme d'ingénieur agronome en vulgarisation agricole et développement rural. Olamide est membre du programme African Women in Agricultural Research and Development – Gender Responsive Agricultural Systems Policy (SAISIE DE RÉCOMPENSEet les Chercheuses Sensibles au Genre Équipées pour la Transformation Agricole (SUPER. Elle cherche à appliquer ses apprentissages en matière d’approche genre, recherche sensible au genre, et expertise en développement et examen de politiques pour faciliter l’accès et l’adoption par les femmes, les jeunes, les enfants et les groupes sociaux vulnérables aux innovations agricoles qui garantissent la sécurité alimentaire, nutritionnelle, des revenus et des moyens de subsistance en Afrique. Ses rôles actuels comprennent le mentorat de chercheurs stagiaires, le développement de guides et manuels de formation, la mise en œuvre et l'adaptation de cadres et d'outils genre, l'engagement des acteurs de la chaîne de valeur en tant que partenaires de la science citoyenne, l'examen et la refonte des politiques, la gestion et l'analyse des données. Ses recherches actuelles portent sur les méthodes mixtes ainsi que sur les approches participatives et interdisciplinaires pour saisir et mettre en évidence les dynamiques de genre, les besoins, les préférences et les défis rencontrés par les parties prenantes au sein de la chaîne de valeur des moyens de subsistance agricoles afin de prioriser des stratégies axées sur le genre dans les programmes de sélection, la conception et la mise en œuvre des politiques.
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