Characterisation of the resource allocation dynamics of the Kernza® (Thinopyrum intermedium) crop across different ages and generations

Abstract

Adapting the agriculture of the future to escape the social and environmental limitations that represent huge challenges for future generations is essential for many countries in Europe. Greener alternatives in food production to feed a growing world population, combined with new solutions for more sustainable production, are needed. At present, the growth potential of cereal yields has reached its maximum in some places. It is therefore time to look at alternatives to mainstream cereals. In view of the steady decline in the area used for cereal production in Europe, new perennial crops such as Kernza® (Thinopyrum intermedium) are being considered. This type of perennial crop allows for the production of grain and forage while being environmentally friendly. Thanks to its dense and deep root system and the progress made in stabilising its yield over several years, Kernza seems to be on the way to becoming one of the first perennial crops to be established in European agriculture. In this study, two different experimental sites were analysed. The first one is a Kernza crop entering its third year of development and the second trial, consisting of four different generations of Kernza seeds, is in its first year of development. In order to better understand the dynamics of above-ground and below-ground biomass development, samples were taken at certain vegetative stages to compare the evolution of biomass according to the year of production. In addition, the dynamics of biomass and nitrogen content were evaluated in order to better understand the allocation of resources in a perennial crop. By studying each part of the plant separately, the interactions between root and above-ground biomass were observed. In the second year of development, a decrease in root biomass before anthesis was observed. However, in the third year of the experiment, this variation is no longer visible, indicating a change in resource allocation. The latter could be related to intra-specific competitions arising from the perennial characteristics of the longer established crops. Secondly, the same type of samples were taken to assess differences in above-ground and root biomass development of four generations. The aim was to identify the traits indicating visible evolution obtained by selection, as well as to determine whether selection in a North American environment produces variations in development under Belgian environmental conditions. Some differences were established, as the number of stems and above-ground biomass decreased in the new generations. This is probably related to breeding efforts to increase grain yields. As we only have one year of data for these four generations of Kernza, further sampling and analysis will be needed in the future to confirm or refute these observations.

Pour de nombreux pays d’Europe il est indispensable d’adapter leur agriculture aux exigences du futur pour échapper aux limites sociales et environnementales qui représentent d’immenses défis pour les générations futures. Il faut des alternatives plus vertes dans la production alimentaire afin de nourrir une population mondiale croissante, ainsi que de nouvelles solutions pour des productions plus durables. A l’heure actuelle, les potentiels de croissance des rendements céréaliers ont atteint leur maximum. Il est donc temps de se tourner vers des alternatives aux céréales courantes. Suite au déclin régulier des surfaces consacrées à la production de céréales en Europe, de nouvelles cultures pérennes comme le Kernza® (Thinopyrum intermedium) sont au centre des réflexions. Ce type de culture pérenne permet la production de grain et de fourrage tout en se voulant respectueuse de l’environnement. Grâce à son système racinaire dense et profond ainsi qu’aux avancées concernant la stabilisation de son rendement sur plusieurs années, le Kernza semble être en passe de devenir l’une des premières cultures pérennes à s’imposer dans l’agriculture européenne. Dans cette étude, deux sites expérimentaux différents ont été analysés. Le premier est une culture de Kernza entrant dans sa troisième année de développement et le second essai, composé de quatre générations différentes de semences de Kernza, est dans sa première année de développement. Dans le but de mieux comprendre la dynamique de développement de la biomasse aérienne et souterraine, des échantillons ont été prélevés à des stades végétatifs déterminés, afin de comparer l’évolution de la biomasse en fonction de l’année de production. De plus, les dynamiques de la biomasse et de la teneur en azote ont été évaluées, afin de mieux comprendre l’allocation des ressources dans une culture pérenne. L’étude séparée de chaque partie de la plante a permis d’observer les interactions entre les biomasses racinaire et aérienne. Au cours de la deuxième année de développement, une diminution de la biomasse racinaire avant l’anthèse a été relevée. Cependant, au cours de la troisième année de l’expérience, cette variation n’est plus visible, ce qui indique un changement dans l’allocation des ressources. Ce dernier pourrait être lié aux compétitions intra-spécifiques découlant des caractéristiques pérennes des cultures établies depuis plus longtemps. Ensuite, le même type d’échantillons a été prélevé pour évaluer des différences dans le développ -ement de la biomasse aérienne et racinaire sur quatre générations. Le but a été d’identifier des traits de dévelopemnt indiquant l’évolution visible obtenue par sélection ainsi que de déterminer si la sélection réalisée dans un environnement nord-américain produit des variations dans le dévelopement dans des conditions environnementales belges. Certaines différences ont été établies, en effet, le nombre de tiges et la biomasse aérienne ont diminué chez les nouvelles générations. Cette diminution est probablement liée aux efforts de sélection pour augmenter les rendements en grains. Etant donné que nous ne disposons que d’une année de données relatives à ces quatre générations de Kernza, des échantillonnages et des analyses supplémentaires seront nécessaires à l’avenir pour confirmer ou infirmer ces observations.