Organic Plant breeding

EkoSeedForum 20th February 2014 Poznan, Poland

ÖkologischePflanzen-züchtung

European Consortium for Organic Plant BreedingEuropäisches Konsortiumfür ökologischePflanzenzüchtungwww.eco-pb.org

Monika MessmerMonika.messmer@fibl.orgwww.fibl.org

Organic Plant Breeding

Need for new conceptsConcepts / Definitions

Categories of varietiesPosition Paper ECO-PBIFOAM NormsSystems Breeding accordingto E.Lammerts van Büren

Participatory breedingSpecific breeding goalsBreeding efficiencyValorization

2

Notwendigkeit neuer KonzepteKonzepte / Definitionen

SortenkategorienPositionspapier ECO-PBIFOAM StandardSystemzüchtung nach E. Lammerts van Büren

Partipative ZüchtungSpezifische ZuchtzieleZüchtungseffizienzWertschätzung

Ökologische Pflanzenzüchtung

Reduced number of crops & varieties per cropAbnahme der genutzten Kulturarten & Anzahl Sorten pro Spezies

3

Maize, rice & wheat cover more than 50% of global calorie demandMais, Reis & Weizen decken über 50% des globalen Kalorienbedarfs

Dramatic drop of varieties during last 80 yearsStarke Reduktion von Gemüsesorten in 80 Jahren

Adopted from Edith Lammerts van Büren (Wageningen University & Louis Bolk Institute) 22.Jan 2014 Demeter International Meeting in Brussels

Development in Plant Breeding

4

Entwicklung in der Pflanzenzüchtung

from farmer’s activity to business breedingfrom breeder’s observation skills to technical / molecular genetic / informatic skillsfrom low cost to capital intensive, high throughput businessfrom open to closed systems (patents, club varieties)from many crops to few but highly profitabel cropsfrom seed regulations to protect farmers to regulations to support competitiveness of breeding companies

Von bäuerlicher Tätigkeit zu hoch professionellen ZüchtungsfirmenVom «Züchterblick» zu mehr technischen / molekuar-genetischen / Informatik-Kenntnissen und FähigkeitenVon niedrigen Kosten zu Kapital-intensiven Züchtungsaktivitäten und MaterialschlachtenVon offenen zu geschlossenen Systemen (Patente, Clubsorten)Von vielen Kulturen zu wenigen aber hoch profitablen KulturenVon Saatgutrecht zum Schutz der Landwirte zu einem Recht um die Wettbewerbsfähigkeit der Züchtungsfirmen zu schützen

Concentration on global seed market Globaliserung des globalen Saatgutmarktes

Howard, 2009, Visualizing Consolidation in the Global Seed Industry: 1996–2008 Sustainability 5

Varieties used in organic farming

I. Varieties derived fromconventional plant breeding

Selected under mainstream conditionsusing seed treatment, herbizides & mineral fertilizer

II. Varieties derived frombreeding programs for organicfarming (product oriented)

Refraining from gen technology and cellfusionIntegrating breeding goals for organicfarming & certain selection steps underorganic

III. Varieties derived fromorganic plant breeding programs(process oriented)

6

I. Sorten aus konventionellen Zuchtprogrammen

Selektiert unter konventionellen Anbau-bedingungen mit Beizmittel, Herbizide & Mineraldünger

II. Sorten aus Zuchtprogrammen für den ökologischen Anbau (Produkt-orientiert)

Keine Anwendung von gentechnischen Methoden und ZellfusionenBerücksichtigung der Zuchtziele des ökologischen Anbaus & Durchführung einzelner Selektionsschritte unter ökologischen Bedingungen

III. Sorten aus ökologischer Pflanzenzüchtung (Prozess orientiert)

Sorten im ökologischen Anbau

ECO-PB Position paper on Organic Plant Breeding

within frame of IFOAM principles of organic agriculture

Improve Soil fertilityPromote agro-biodiversityConserve natural resourcesAiming for ecological equilibriumSocial justice and equalityProcess of breeding as important asfinal cultivar

Dignity of creatures withintrinsic value

Integrity of plantRespecting crossing barriersMaintain Fertility & Adaptability

Allow plant to interact with itsenvironment (epigenetic effects)

7

Innerhalb der IFOAM Prinzipien zu ökologischen Landwirtschaft

BodenfruchtbarkeitAgro-BiodiversitätNatürliche RessourcenÖkologisches GleichgewichtSoziale Gerechtigkeit und GleichheitZüchtungsprozess gleichbedeutend wie die fertige Sorte

Würde der Kreatur mit Selbstwert

Integrität der PflanzeKreuzungsbarrierenFortpflanzungs- & Anpassungsfähigkeit

Wechselwirkung der Pflanze mit ihrer Umwelt ermöglichen (epigenetische Effekte)

ECO-PB Positionspapier zur ökologischen Pflanzenzüchtung

Aims of Organic Plant Breeding

Sustainable use of genetic resources Dynamic equilibrium of the whole agro-ecosystemFood security & nutritional qualityFood sovereigntySecure supply of plant productsServe welfare of society Improve Agro-biodiversityAdaptation to climate changeBreeding goals match demand of complete market chain incl. customers’ needs

8

Nachhaltige Nutzung genetischer RessourcenDynamischen Gleichgewichts im GesamtsystemNahrungsmittelsicherheit & QualitätNahrungsmittelsouveränitätVersorgung pflanzlicher RohstoffeZum Wohle der GesellschaftErhöhung der Agrar-BiodiversitätAnpassung an KlimawandelZuchtziele orientieren sich am Bedarf der gesamten Wertschöpfungskette inklusive Kundenbedürfnisse

Ziele der ökologischen Pflanzenzüchtung

Criteria for Organic Plant BreedingEthical issues

Genom is respected as indivisibleentity, no technical/physicalintervention (e.g. isolated DNA)Cell is respected as indivisible functional entity, no technical/physical intervention (e.g. cell fusion)Maintain reproducibility in species specific mannerNo legal or technical barriers to restrict breeders’ right Natural crossing barriers Promotion of open pollinated varieties as alternative to F1 hybrids

9

Ethische KriterienRespektierung der Integrität des Genoms, kein physischer oder technischer Eingriff (z.B. isolierte DNA)Respektierung der funktionellen Integrität der Zelle, kein physischer oder technischer Eingriff (z.B. Zellfusion)Erhaltung der Art-spezifischen VermehrungsweiseKeine legalen oder technischen Hürden die den ZüchtervorbehalteinschränkenNatürliche Kreuzungsbarrieren Förderung von offen abblühenden Populationen als Alternative zu F1-Hybriden

Kriterien für eine ökologische Pflanzenzüchtung

Criteria for Organic Plant BreedingBreeding criteria

Selection takes place under organicfarming to benefit from plant –environment interactionPhenotypic selection can besupplemented by other methods (e.g. Marker assisted selection)Exclusion of GMO progenies

Socio-economic criteriaExchange of genetic material isencouraged & patenting of livingorganisms is prohibitedDisclosure of breeding material andtechniques usedPromotion of participatory breedinginvolving all stakeholdersPlurality of breeding programs

10

ZüchtungskriterienSelektion erfolgt unter ökologischen Anbaubedingungen um von Pflanzen-Umwelt-Wechselwirkungen zu profitierenPhänotypische Selektion kann durch andere Methoden ergänzt werden (z.B. Marker gestützte Selektion)Keine gentechnisch veränderten Kreuzungspartner

Sozio-ökonomische KriterienAustausch von genetischem Material & keine Patente auf LebewesenOffenlegung des verwendeten Zuchtmaterials und der Züchtungs-methodenFörderung der partizipativen Züchtung mit Teilhabe aller InteressensgruppenVielfalt von Züchtungsprogrammen

Kriterien für eine ökologische Pflanzenzüchtung

IFOAM Norms on organic plant breeding

Selection under organic conditionsRefraining from genetic engineeringDisclosure of breeding techniquesgenome as well as cell is respected as an impartible entitynatural reproductive ability No patents on seeds

11

Selektion unter ökologischen BedingungenKeine GentechnikOffenlegung der ZüchtungsmethodenGenom und Zelle werden als unteilbare Einheit betrachtet Erhaltung der natürlichen ReproduktionsfähigkeitKeine Patente auf Saatgut

IFOAM Normen für ökologische Pflanzenzüchtung

Systems-based Breeding

Farmer-based, chain-based, or community based breeding approachesOn-farm ResearchParticipatory ResearchMulti stakeholder networkingOpen Source Action Research

Restoring/renewing lost relationships among partners in the community!

12

Züchtungsansätze ausgehend von Landwirten, der Wertschöpfungs-kette oder der lokalen Bevölkerung / Gemeinschaft On – Farm ForschungPartizipative ForschungInterdisziplinäre NetzwerkeFrei zugängliche SortenAktionsforschung

Wiederherstellung der Beziehungen zwischen den verschiedenen Parntern einerGemeinschaft!

System basierte Pflanzenzüchtung

Proposed by Edith Lammerts van Büren (Wageningen University & Louis Bolk Institute) 22.Jan 2014 Demeter International Meeting in Brussels

Level of participation BeteiligungsgradConventional researchResearch managed on station oron farm trialsConsultativeInformation sharing, farmers areconsulted, scientists takedecisionCollaborative Task sharing between farmersand scientistsFarmer managedno scientists involved

13

Optimal: collective decision in group processsharing of responsibilities Gonsolves et al. 2005

Konventionelle ForschungForscher-orientiert auf Versuchsstation oder beim Landwirt BeratendInformationsaustausch, Landwirte beraten, Wissenschaftler entscheidenZusammenarbeitAufgabenteilung Zwischen Landwirt und ForscherLandwirt-orientiert Ohne Wissenschaftler

Optimal: Kollektive Entscheide im Gruppenprozess, Verantwortlich-keiten werden gemeinsam getragen

14

Formal plant breeding and seedsupply / Formale Pflanzenzüchtung

Participatory plant breeding andseed multiplication / PartizipativeZüchtung und Saatgutvermehrung

Participatory Cultivar Evaluation and Plant BreedingPartizipative Sortenprüfung und Züchtung

Participatory cotton breeding in IndiaPartizipative Baumwollzüchtung in Indien

15.03.201415

Collaboration between

bioRe associationChetna organicUAS Dharwad

FiBL

Participatory breeding of locally adapted Durum wheat

Goal: locally adapted varieties for local products, supporting diversity, strengthening of rural regionsComprehension of farmers, breeders, merchant, consumer, sociologists → leading to new breeding criteriaDecentralized on farm testingFarmers are involved in decision processes Marketing aspects are included from the start

16

Ziel: lokal angepasste Sorten für lokale Produkte, Förderung der Biodiversität, Stärkung ländlicher RegionenVerständnis von Landwirten, Züchtern, Händlern, Konsumenten und Soziologen führen zu neuen ZuchtzielenDezentrale on Farm PrüfungenLandwirte sind in Entscheidungsprozess miteinbezogenMarkrelevante Aspekte wurden von Beginn an miteinbezogen

Partizipative Züchtung von lokal angepasstem Durum

Dominique Declaux (INRA Montpellier) www.selection.participative.cirad.fr

Edith Lammerts van Büren (Wageningen University & Louis Bolk Institute)Chain based breeding in Bioimpuls – organic late blight resistance potato breeding / Bioimpuls – ökologische Resistenzzüchtung auf Kraut- und Knollenfäule

Forscher

12 Landwirt-Züchter

6 Züchtungsfirmen

Organic farming systems ökologischer Kreislauf

Closed nutrient cycles, farm based fertiliser & biological N fixation

Species and genetic diversity on farm level

Self-regulating systems promotion of beneficial organisms, symbiota, soil microbiotaadapted

varieties

Conservation of resources, sustainable

soil fertility

18

Bodenfruchtbarkeit

Angepasste Sorten

Agro-Biodiversität auf Betriebsebene

Ressourcenschonend und nachhaltig

Selbstregulierende Systeme; Förderung von Nützlingen, Symbiosen, Boden-mikroorganismen

Geschlossene Nährstoffkreisläufe, Betriebsdünger & biologische N Fixierung

Request of farmers

19

An Ökobetriebe angepasste Sorten, stabile Erträge, hohes Qualitätsniveau bei geringem Input Spezifische Sortenansprüche:

Rasche JugendentwicklungNährstoffeffizienzUnkrautunterdrückungsvermögen bzw. UnkrauttoleranzResistenzen gegen samenbürtigeKrankheitenAusnutzung von Symbiosen mit Bodenorganismen

NachbaufähigkeitGrosse Auswahl an Arten & SortenVerbot von GVO (Cytoplastenfusion)Erhaltung und freier Zugang zu GVO freien genetischen Ressourcen

Forderungen der Landwirte

Varieties adapted to organic farms, high and stable yields with a high quality even under low-external input conditions Special requirements for varieties:

Fast youth developmentNutrient efficiency (slow releasing fertilizer)Capability of weed suppression or tolerant against weeds/weedingResistant towards seed born diseasesUtilization of symbioses with soil organisms

Possibility of farm saved seedsBroad choice of crops & varieties Prohibition of GMO (incl. cell fusion)Preservation and free access to GMO free genetic resources

20

Conventional farming CF

Konventioneller Anbau

Organic farming OF

ökologischer Anbau

Selection trials with maize under organic farmingSelektionsversuche bei Mais unter ökologischem Anbau

21

Dry matter grain yield of maize breeding material group 151 across 3 locations in 2008

9

10

11

12

13

14

9 10 11 12 13 14

Conventional farming DMY (T/ha)

Org

anic

farm

ing

DMY

(T/h

a)

rp = 0.36

rg = 0.59Selected under CF

Most genotypes performing best under OF would be discarded by indirect selection under CF

Lost opportunities if selected under convential farming (CF)Chancenverlust bei Selektion unter konventiollem Anbau

Kornertrag von Maiszucht-material, das unter konventionellen (CF) und ökologischen Anbau an drei Orten in 2008 geprüft wurdeBeste Sorten

unter konv. Bedingungen

Beste Sorten unter ökol. Bedingungen

Die meisten dieser Sorten würden bei Selektinunter konv. Bedingungen weggeschmissen werden

Breeding for mixed cropping / Züchtung auf Mischkultureignung

22

Plant – Plant Interaction / Pflanzen – Pflanzen Wechselwirkungen

Plant – soil microbe Interaction /Pflanzen – Boden Wechselwirkungen

Plant – Fauna –MicrobeInteraction /Pflanzen-Fauna-Mikroorganismen Wechselwirkungen

Plant BreedingPflanzen-züchtung

VarietyTesting

Sortenprüfung

Propagation

VermehrungConventional

breedingConventional Conventional

untreatedconventional

breedingconventional organic

Breeding forOrganic

organic organic

organic plant breeding

organic organic

23

Organic seed system / Biosaatgut

Valorization of organic plant breeding along the value chainAuslobung der ökologischen Züchtung entlang der Wertschöpfungskette

24www.bioverita.ch

Vermittlung des Mehrwert ökologischer PflanzenzüchtungLabell für ökologische Produkte aus ökologisch gezüchteten Sorten

Communication tool to show added value of organic plant breeding Labell for organic products derived from organically bred cultivars

Thanks a lot for your attention

25

Joseph Tychonievich

Vielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit