Genetic characterization of traditional fonio millets (Digitaria exilis, D. iburua STAPF) landraces from West-Africa : Implications for conservation and breeding

Abstract

Fonio millets (Digitaria exilis, D. iburua) are amongst the important indigenous cereal crops that greatly contribute to household food security in semi-arid and sub-humid drought-prone areas of West-Africa. Because of their complete scientific neglect, the potential of these crops for food and agriculture is not adequately exploited for improvement. This thesis therefore deals with the genetic characterization of fonio genetic resources with the overall objective to contribute to our knowledge on the biology and genetics of the crops. In the primary step of the study, a basic cytogenetic evaluation of fonio millets and some of their wild relatives was conducted. The genome size among these Digitaria taxa was variable, while its stability was evident within species. Besides, the longstanding hypotheses on cytological variability in fonio was not substantiated as the crops were found to be exclusively tetraploid with 2n=36 chromosomes. AFLP analysis supplemented by agro-morphological traits evaluation was further performed to quantify the genetic diversity in fonio crops and assess its population structure and geographical pattern of distribution. Globally, a relatively moderate to extremely narrow genetic background was detected in these crops, which need due attention from a conservation and breeding point of view. In D. exilis, the genetic diversity was structured and unequally distributed in the region. The genetic variability and phenotypic attributes were loosely correlated. Based on AFLP markers, the molecular phylogenetic relationships of fonio species with the wild relatives were also inferred. Previous view of direct domestication of D. exilis and D. iburua from the wild tetraploid D. longiflora and D. ternata, respectively, was confirmed. In the last step of the study, progeny analysis by both AFLP and isozymes, seed set determination and pollen viability test were conducted to determine the reproductive system in fonio millets. Apomixis was found to be the major (if not the absolute) mode of reproduction in these crops. The present work constitutes the first large scale genetic characterization of West-African fonio millets and substantially adds to the general scientific understanding of the crops. The diverse results obtained are relevant for conservation management and exploitation of fonio genetic resources in breeding that, ultimately, may boost fonio production in West-Africa. Fonio Hirsen (Digitaria exilis, D. iburua) gehören zu den wichtigen einheimischen Getreidearten Westafrikas. Sie tragen in den semiariden und gemäßigt feuchten, bzw. von Wassermangel geprägten Gebieten des westlichen Afrika erheblich zur Ernährungssicherung der Haushalte bei. Wegen ihrer generellen wissenschaftlichen Vernachlässigung wird das Potenzial dieser Getreide für die Verbesserung der landwirtschaftlichen Erzeugung und für die Ernährung bisher nicht hinreichend genutzt. Diese Doktorarbeit befasst sich deshalb mit der genetischen Charakterisierung von Fonio, um zur Erweiterung unserer Kenntnisse der Biologie und Genetik dieser Getreidearten beizutragen. Im ersten Teil der Studie wurde eine grundlegende cytogenetische Untersuchung von Fonio-Hirsen und einiger ihrer wilden Verwandten durchgeführt. Die Genomgröße dieser Digitaria-Arten erwies sich als unterschiedlich, während die Arten selbst offensichtlich stabil sind. Außerdem erwies sich die seit längerer Zeit bestehende Hypothese einer cytologischen Variabilität in Fonio als unzutreffend, weil die vorliegende Studie zeigte, dass dieses Getreide ausschließlich tetraploid (2n=4x=36) ist. Auch wurden agro-morphologische Untersuchungen und AFLP-Analysen durchgeführt, um die genetische Diversität in Fonio-Hirsen zu bestimmen sowie die Populationsstruktur und geografischen Verbreitungsmuster zu erfassen. Allgemein wurde ein relativ mäßiger bis geringer genetischer Hintergrund in diesem Getreide festgestellt, der hinsichtlich Erhaltung und Züchtung zu beachten ist. In D. exilis wurde eine strukturierte genetische Diversität und ungleiche Verteilung im Untersuchungsgebiet beobachtet. Die genetische Diversität und phänotypischen Merkmale zeigten nur einen geringen Zusammenhang. Ferner wurden anhand von AFLP-Markern die phylogenetischen Beziehungen der Fonio-Arten mit ihren wilden Verwandten untersucht. Die bestehende Annahme einer direkten Domestizierung von D. exilis und D. iburua, ausgehend von den tetraploiden Wildarten D. longiflora bzw. D. ternata, konnte bestätigt werden. Im letzten Teil der Studie wurden Nachkommenschaftsanalysen sowohl anhand von AFLP als auch von Isoenzymen, Samenansatz und Pollenvitalität durchgeführt, um das Fortpflanzungssystem von Fonio-Hirsen näher zu beschreiben. Wie sich herausstellte, ist Apomixis die dominierende, wenn nicht sogar die ausschließliche Fortpflanzungsweise dieser Getreidearten. Insgesamt stellt die vorliegende wissenschaftliche Arbeit die erste, breitere genetische Charakterisierung von westafrikanischen Fonio-Hirsen dar und trägt so wesentlich zum besseren Verständnis dieser Getreide bei. Die erzielten Ergebnisse sind für das Erhaltungsmanagement und die Nutzung genetischer Ressourcen in der Züchtung von Fonio wichtig. Letztendlich können sie zu einer Steigerung der Fonio-Produktion im westlichen Afrika beitragen.