Advances in high throughput and affordable phenotyping for adapting maize and wheat to climate change

Abstract

Supplying sufficient food to an increasing population is one of the most important challenges over the next century. To meet this demand, crop productivity will need to increase while it is being threatened by climate change effects like the increase of temperatures and the intensity of drought periods. Improving crop performance is key for an efficient adaptation to these challenging growing conditions, with crop breeding being one of the pillars. In that sense selecting more productive varieties for specific environments requires a better understanding of plant acclimation to stress conditions, including efficient phenotyping approaches. Plant phenotyping research pursues the development of new methods with high-throughput capacity and affordable to characterize non-destructively plant traits of interest. The main focus of this thesis was to develop and study versatile and precise methodologies with high-throughput capacity in order to improve crop performance assessments, while saving time and costs in the phenotyping tasksof two of the most important cereal crops: maize and wheat. The use of unmanned aerial vehicles (UAV) equipped with imaging sensors (including RGB, multispectral and thermal) permits covering simultaneously hectares of experimental fields fast, precisely, and in a non-destructive way. However, ground evaluations may still be an alternative in terms of cost and spatial resolution. The performance of these methodologies to assess genotypic differences in grain yield was evaluated in maize and wheat under different agronomical and environmental growing conditions such as nutrient deficiency, conservation agriculture, drought and heat stress. On one side, maize studies were performed in trials in Zimbabwe focused on the evaluation of genotypes under either low and normal phosphorus conditions or the application of conservation agriculture together with different top-dressing nitrogen fertilization regimes, to overcome the nutrient poverty of soils. In these studies, vegetation indices, related to

parameters informing on the above-ground biomass and assessed during early stages of development, performed well as grain yield indicators. Moreover, during more advanced phenological stages, indices informing on the leaf and the canopy color were the traits that reported a better association with grain yield and N content in leaves. For the case of wheat, evaluations were performed in different latitudes in Spain covering a range of environments and grown under different management conditions, and sampling was performed during the reproductive stage (heading, anthesis and grain filling). In general terms, biomass indicators, such as canopy green biomass inferred from vegetation indices, together with water status indicators, such as canopy temperature, were the most critical traits predicting GY. The delay of senescence in water-limited environments and the photosynthetic efficiency measured by multispectral indices like the photochemical reflectance index (PRI) during anthesis were also relevant traits for GY under the rainfed and late-planting trials, respectively.

La producció de suficient aliment per a una població cada cop més gran és un dels reptes més importants per al pròxim segle. Per assolir la demanda, la productivitat dels cultius han d’augmentar alhora que fan front als efectes del canvi climàtic com increment de les temperatures i la intensitat dels períodes de sequera. La millora de la capacitat dels cultius és un element clau per a l’adaptació a aquestes condicions més exigents i la selecció de varietats més productives sota ambients específics requereix una millor comprensió de l’aclimatació dels cultius als estressos. La recerca en fenotipatge de cultius té com objectiu el desenvolupament de noves metodologies d’alt rendiment capaces de caracteritzar característiques d’interès de les plantes d’una manera no destructiva. Sota condicions de camp, l’aplicació de metodologies tradicionals en experiments grans laboriós i requereix molt de temps. El principal objectiu d’aquesta tesi ha estat el desenvolupament i estudi diferents metodologies de caràcter versàtil, precises i d’alta capacitat per a millorar les mesures de com es desenvolupen els cultius, alhora de que es redueixen els costos i el temps requerit per a fer els mostrejos. El treball es basa en dos dels principals cereals: el blat i el blat de moro. L’ús de vehicles aeris no tripulats (UAV, del anglès Unmanned Aerial Vehicles) equipats amb càmeres i sensors (RGB, multiespectrals i termals) permet mesurar simultàniament hectàrees de camps experimentals d’una manera ràpida, precisa i sense la destrucció de mostra. Tot i així, les mesures a nivell de terra també són una alternativa prou potent pel que fa el cost i la resolució espacial. La capacitat d’aquestes metodologies per a mesurar diferencies genotípiques en el rendiment del blat de moro i el blat ha estat analitzada sota diferents condicions de creixement com la deficiència de nutrients, pràctiques de agricultura de conservació, sequera i altes temperatures. Per una banda, els estudis de blat de moro es van desenvolupar a Zimbabwe i estaven focalitzats en l’avaluació de genotips sota

condicions diferents de fòsfor o en l’aplicació de l’agricultura de conservació per combatre la pobresa mineral dels sòls. En aquests estudis, les mesures relacionades amb paràmetres de biomassa aèria durant estadis primerencs de desenvolupament va funcionar bé com a indicadors de rendiment. A més, durant estadis fenològics més avançats, mesures de color de la capçada del cultiu van estar associats tant amb el rendiment com amb el contingut de nitrogen en les fulles. En el cas del blat, les avaluacions es van dur a terme a diferents latituds d’Espanya, cobrint un ampli rang de condicions climàtiques i agronòmiques. Els mostrejos es van realitzar en diferents estadis fenològics. En termes generals, els indicadors de biomassa i d’estat hídric del cultiu han estat de les mesures més correlacionades amb el rendiment. L’endarreriment de la senescència del cultiu en els ambients on l’aigua era el factor més limitant i el potencial fotosintètic mesurat per index multiespectrals durant la floració del cultiu han estat rellevants sota condicions de sequera i sembra tardana, respectivament.