Securing adaptation of timothy cultivars under climate change and during seed multiplication using genomics and big-data approaches

Timotei er den viktigste engveksten i Norge, spesielt i de nordlige delene av landet. Klimaendringene fører til større variasjon i temperatur og nedbør, og dette vil påvirke både planteproduksjonen i vekstsesongen og overvintringsevnen. Produksjon av bruksfrø av nord-norske timoteisorter er lokalisert i Sør-Norge fordi klimaet i nord ikke er godt nok for en sikker frøproduksjon. Prosjektet hadde som mål å undersøke om frost- og isdekketoleranse, samt genetisk struktur endres i løpet av generasjoner med oppformering av nordlige timoteisorter i sør. Frost- og isdekketoleranse er testet i tre frøpartier, prebasis (elitefrø, originalt foredlerfrø), basisfrø (stamsæd) og bruksfrø av de nordlig tilpassede sortene ‘Engmo’ og ‘Noreng’. Frosttoleransen er redusert hos sortene når vi sammenligner planter fra prebasis med planter fra dagens kommersielle frøpartier som er oppformert i sør. Når det gjelder toleranse mot isdekke fant vi ikke signifikante forskjeller mellom frøpartier eller sorter. Årsaken kan være at plantene ikke blir utsatt for isdekke under oppformering i Sør Norge. Det er også klare genetiske endringer i sortene over tid, og størst endring i Noreng som er en syntetisk sort med snevrere genetisk bakgrunn enn Engmo. Resultatene viser at frøproduksjonen i Sørøst-Norge kan redusere vinterherdigheten hos nordnorske sorter, og tyder på at dagens system for oppformering ikke bevarer sortenes egenskaper godt nok. Tre generasjoner av de nordlige timoteisortene Engmo og Nordeng ble avlet på hver av tre lokaliteter i Norge, en nordlig (Tromsø), en i Midt-Norge (Steinkjer) og en sørlig (Landvik). Disse lokalitetene representerer de tradisjonelle områdene for oppformering av elite, stamsæd og bruksfrø av nordlige timoteisorter. Målet var å undersøke om oppformering i sørlige deler av landet reduserer overvintringsevnen hos nordnorske sorter. Resultatene fra frost og isdekketestene viser at sortene taper både frost- og isdekketoleranse ved gjentatt oppformering i sør. Det gjelder både for Engmo og Noreng, men i ulik grad. Genotyping med SNP markører viser at det også er klare endringer over generasjoner, spesielt til 1. frøgenerasjon. Endringene kan skyldes genetisk seleksjon i samspill med lokalt klima eller epigenetiske effekter. Overlevende planter fra tredje engår fra feltforsøk på fire lokaliteter i Nord-Norge med sortene ‘Engmo’, ‘Noreng’, ‘Grindstad’ og ‘Snorri’ ble samlet inn og testet for frost- og isdekketoleranse. Frosttoleransen hos overlevende planter var dårligere enn hos planter fra frøpartiene som ble sådd i felt. Denne alderseffekten var også tydelig i genekspresjon under frost og isdekke; planter fra de opprinnelige frøpartiene var klart annerledes enn overlevende planter fra felt. Engmo og Snorri var mest tolerante mot frost- og isdekke, og overlevende planter fra Vesterålen var mer frosttolerant enn overlevende planter fra Tromsø hvor vinterstresset normalt er større. Resultatene viste at selv om overlevende planter hadde lavere frosttoleranse enn planter fra de sådde frøpartiene, så ble mange stress-responsive gener oppregulert i disse. Vi fant betydelig oppregulering av gener relatert til etylenrespons, glykolyse og stressrelaterte proteiner under isdekke, og genekspresjon ved isdekke, hypoksi (oversvømmelse) og frost er delvis overlappende. Det ble også observert forskjeller i genuttrykk mellom overlevende planter fra felt og planter fra frøpartiene som ble sådd, samt mellom nordlige og sørlige kultivarer. Disse forskjellene kan skyldes seleksjon i felt, plantealder og/eller genetisk bakgrunn. En genotype fra sorten ‘Liljeros’ (Graminor) er sekvensert. Genomsekvensen har høy kvalitet og har blitt brukt både i genekspresjonsstudiene (RNA-sekvensering) og i de populasjonsgenetiske studiene (genetiske markører). Vi samarbeider med en gruppe ved Sveriges lantbruksuniversitet (SLU) som sekvenserer foreldreartene til timotei (villtimotei og fjelltimotei) om felles publisering av timoteigenomet. Data fra verdiprøvingen av fôrvekster (18 477 observasjoner for perioden 1988-2017 som dekker 166 kombinasjoner av sted og etableringsår og 119 forskjellige sorter) er brukt for å finne en statistisk prediksjonsmodell for avling basert på agroklimatiske variabler. Antall døgngrader (GDD) i juli og antall dager med regn (>1 mm) i juni–juli ga best prediksjon. Prediksjonsmodellen ble kombinert med en rekke klimaensembler (RCP4.5) for å predikere avling for tiårene 2050–2059 og 2090–2099 på 8 steder i Norge. Prediksjonene viser betydelig redusert avling i Sørøst Norge, mens den vil øke i Nord-Norge ved midten av århundret på grunn av økte temperaturer og skiftende nedbørsmønstre. Prosjektet har vært presentert i media og fagpresse, og på markdager. Et avslutningsseminar med deltakere fra referansegruppen og landbruksrådgivningen i Nord Norge representert i tillegg til alle prosjektdeltakerne ble arrangert ved NIBIO Tromsø, Holt i desember 2023.

Kompetansebygging: 1) Prosjektet har bygd opp kompetanse hos partnerne på gjennomføring og analyse av frost- og isdekketoleranse. 2) Kompetanse på genekspresjonsanalyser (RNA sekvensering) av responser på frost- og isdekketoleranse er utviklet. En NMBU-stipendiat har utført sitt doktorgradsarbeid på dette. Studiene av genekspresjon under isdekke er unike. 3) Økt kompetanse innen bioinformatikk for analyse og sammenstilling av genomsekvenseringsdata for et komplisert polyploid timoteigenom. 4) Kompetanse på bruk av data fra langvarige serier av feltforsøk for å modellere avling basert på agro-klimatiske variabler er utviklet ved samarbeid med Norsk regnesentral. Betydning for partnere og næring 5) Resultatene viser at frøproduksjonen i Sørøst-Norge kan redusere vinterherdigheten hos nordnorske sorter, og tyder på at dagens system for oppformering ikke bevarer sortenes egenskaper godt nok. 6) Resultatene vil få betydning for virksomheten for bedriftspartnerne i prosjktet, dvs. frøfirmaene Felleskjøpet og Stand Unikorn, og Graminor som utvikler timoteisorter. 7) Resultatene har bekreftet utsagn fra bøndene i Nord Norge om at timoteisorten Noreng, som erstattet Engmo i frøblandingene, har dårligere overvintring enn Engmo. Samfunnsmessig betydning: 8) Økt varighet av eng ved at sortene har god overvintringsevne har stor betydning for landbruket. Det gir økt bærekraft ved reduserte utslipp, mindre bearbeiding av jorda, reduserte kostnader og økt lønnsomhet for bonden.

Grassland based forage production is the cornerstone of agriculture in Northern Norway. It is important for the economy and it is expected to use local feed resources for the production of milk and meat. Achieving this goal requires higher and more stable yields of high quality forage over years. Timothy is the most important forage species in Norway, especially in the north. The predicted climate change will lead to higher and more variable precipitation patterns. These changes are expected to be more rapid in the north. Development of timothy cultivars that are adapted is crucial for a sustainable forage production in the north. Breeding of new cultivars takes long time with traditional methods – up to 20 years. By using machine-learning methods and genomic selection, it is possible to combine climate and soil data with phenotype and genomic data to predict genomic breeding values. Production of commercial seeds of timothy cultivars bred for Northern Norway is challenging since the production is located in the South Eastern part of Norway. This can lead to risks of genetic shifts in the cultivars and thus change in key traits that are important in the north, e.g. winter survival. Studies of genetic shifts during seed multiplication are limited. In this project, we will study winter survival, estimated as freezing and ice-encasement tolerance in different seed generations of northern timothy cultivars and breeding populations. This information will be combined with molecular marker data for identification of genome regions in timothy associated in genetic regulation of these traits. In addition, we will study potential genetic shifts in seed generations of different age of the northern timothy cultivars ‘Engmo and ‘Noreng’. Historical phenotypic data from multi-location-year yield trials will be combined with climate, soil, and genomic data using advanced machine learning models to develop genomic prediction models for developing of adapted cultivars in the north.