Gene$c  Advances  In  Alfalfa  and  Grasses:  Are  We  Making  Progress?  E.  Charles  Brummer  UC-‐Davis,  Alfalfa  Breeding  

 Outline  

Yield  Trends  Four  Ways  

Summer  Dormant  Grasses  

Other  Traits  

0  

1  

2  

3  

4  

5  

6  

7  

8  

9  1909  

1913  

1917  

1921  

1925  

1929  

1933  

1937  

1941  

1945  

1949  

1953  

1957  

1961  

1965  

1969  

1973  

1977  

1981  

1985  

1989  

1993  

1997  

2001  

2005  

2009  

Yield  (ton

s  ha-‐

1 )  

y=0.001x  +  2.1  R²  =  0.005  

y=0.006x  +  3.3  R²  =  0.14  

y=0.08x  +  4.5  R²  =  0.94    

 

y=0.001x  +  2.1  R²  =  0.005  

Brummer  and  Casler.  2014.  In.  S.  Smith  (ed.)  Yield  Gains  in  Major  U.S.  Field  Crops.  CSSA,  Madison,  WI.  

1989  –  present  Li`le  to  no  gain  

 U.S.  On-‐Farm  Alfalfa  Yield  Trends  

Major  midwestern  drought  

1950  –  1987  Alfalfa  yield  gain  ~2%  per  year  Due  to  gene$cs  ~2%  per  decade  

Brummer  and  Casler.  2014.  In.  S.  Smith  (ed.)  Yield  Gains  in  Major  U.S.  Field  Crops.  CSSA,  Madison,  WI.  

 U.S.  On-‐Farm  Alfalfa  Yield  Trends  

0  

2  

4  

6  

8  

10  

12  

14  

16  

18  

1919  

1923  

1927  

1931  

1935  

1939  

1943  

1947  

1951  

1955  

1959  

1963  

1967  

1971  

1975  

1979  

1983  

1987  

1991  

1995  

1999  

2003  

2007  

2011  

Yield  (ton

s  ha-‐

1 )  

CA  

NM  

KS  

WI  

Brummer  and  Casler.  2014.  In.  S.  Smith  (ed.)  Yield  Gains  in  Major  U.S.  Field  Crops.  CSSA,  Madison,  WI.  

 Alfalfa  Variety  Trial  Yield  Trends  

R²  =  0.005  0  

5  

10  

15  

20  

25  

1987   1992   1997   2002   2007   2012  

Total  yield  (t  ha-‐

1 )  

242  Yield  Trials  in  Midwestern  US/Can  Average  of  top  five  cul$vars  for  1st  produc$on  year  yield  

Brummer  and  Casler.  2014.  In.  S.  Smith  (ed.)  Yield  Gains  in  Major  U.S.  Field  Crops.  CSSA,  Madison,  WI.  

 Alfalfa  Variety  Trial  Yield  Trends  

Location No.

Trials R2 slope

Ames, IA 19 0.01 -0.03

Arlington, WI 22 0.17 0.25

East Lans., MI 22 0.01 0.03

Kemptville, ONT 13 0.25 -0.26

Rosemount, MN 23 0.06 0.08

242  Yield  Trials  in  Midwestern  US/Can  Average  of  top  five  cul$vars  for  1st  produc$on  year  yield  

Year  Trial  Seeded  

Yield    First  Full  Produc$on  Year  

Top  Five  as  Percentage  of  

Vernal  Top  Five   Vernal  

1999   8.8   7.5   117%  

2004   9.0   8.0   113%  

2010   8.4   7.6   110%  

 Is  California  Different?  UC-‐Davis  Alfalfa  Variety  Trials,  Tulelake,  CA    

But  over  (me  aren’t  new  cul$vars  be`er?  

Harvest  Year   Trial  Mean  Yield   Vernal  Mean  as  a  percentage  

of  Vernal  

2000   8.3   7.5   111  

2001   7.6   7.3   103  

2002   9.2   8.9   103  

2003   6.8   7.0   98  

Average   7.2   7.0   103  

2005   8.6   8.0   107  

2006   8.9   8.4   105  

2007   7.5   7.3   102  

2008   7.4   6.9   107  

2009   7.7   7.9   98  

Average   7.5   7.2   104  

 Yield  vs  Year  of  Cul$var  Release  

 But  what  about  the  rest  of  CA?  

Brummer  and  Casler.  2014.  In.  S.  Smith  (ed.)  Yield  Gains  in  Major  U.S.  Field  Crops.  CSSA,  Madison,  WI.  

We  conclude  that  across  the  cool-‐season  perennial   forage  species,   li`le  to  no  yield  gain  has  been  observed  in  general.  However,  programs  that  have  focused  directly   on   yield   as   a   selec$on   criterion   have   improved   yield.   A   greater  commitment   from   all   breeders   to   improving   yield   is   needed   to   keep   forage-‐based  produc$on  systems  compe$$ve  with  annual  grain  and  oilseed  systems.  

Brummer  and  Casler.  2014.  Cool-‐Season  Forages.  In  Yield  Gains  in  Major  US  Field  Crops.  

Li  &  Brummer,  2012,  Agronomy  2:40  

 Predic$ng  yield  using  markers  

Faster  methods  to  es$mate  yield  among  breeding  lines  –  using  sensors  and  GPS  could  further  increase  progress  

Our  data  show  poten$al  for  increased  gene$c  gain  using  markers  

Mul$ple  marker  selec$ons  per  phenotypic  cycle  

1-‐A

1-‐B

2-‐A

2-‐B

3-‐A

3-‐B

4-‐A

4-‐B

5-‐A

5-‐B

Year  &  season

R

E

E

E

S&R

E

E

E

S&R

E

Phenotypic  selec$on

R

E

E

E

E

E

E

E

S&R

S&R

S&R

S&R

S&R

S&R

Build  model

Update  model

Marker-‐based  genomic  selec$on

 Improving  alfalfa  

Total  yield  

Nutri$ve  value  

Yield  under  stress      (Al,  drought,  salinity)  

Insect/disease  resistance  

Grazing  tolerance  

 Nutri$ve  Value  

Breeding  for  higher  yield  could  depress  nutri$ve  value  –  may  explain  yield  stagna$on  

New  high  quality  cul$vars  

Hi-‐Gest®  Low  Lignin  –  Non-‐transgenic  

HarvXtra™  Alfalfa  –  Trangenic  Low  Lignin  

Commercial  Breeding  Targets  

Salt  Selected  No  Selec8on  

Selected  and  Evaluated  Under  Deficit  Irriga8on  

Summer  Dormant  Fescue  Adapta$on  

Expand  tall  fescue  growing  regions  with  summer  dormant  germplasm  

Summer  Ac$ve  

Summer  Dormant  

Yield,  establishment,  and  maturity  of  Summer  Ac$ve  Winter  yield  and  summer  survival  of  Summer  Dormant  

Hybrids  are  par$ally  sterile  =  poor  seed  produc$on  

 Summer  Dormant  x  Ac$ve  Hybrids  

Markers  for  summer  dormancy  to  facilitate  introgression  

Summer  dormant  orchardgrass  has  similar  promise  

 Conclusions  

Li`le  to  no  gene$c  progress  has  been  observed  for  forage  yield  in  alfalfa  and  grasses  over  the  past  20  years  

Selec$ng  for  yield  in  addi$on  to  improved  nutri$ve  value  and  persistence  is  needed  

Opportuni$es  for  grasses  in  California  

Thank  you