• Energy Research

AbstractClimate change is increasingly impacting ecosystems globally. Understanding adaptive genetic diversity and whether it will keep pace with projected climatic change is necessary to assess species’ vulnerability and design efficient mitigation strategies such as assisted adaptation. Kelp forests are the foundations of temperate reefs globally but are declining in many regions due to climate stress. A lack of knowledge of kelp's adaptive genetic diversity hinders assessment of vulnerability under extant and future climates. Using 4245 single nucleotide polymorphisms (SNPs), we characterized patterns of neutral and putative adaptive genetic diversity for the dominant kelp in the southern hemisphere (Ecklonia radiata) from ~1000 km of coastline off Western Australia. Strong population structure and isolation‐by‐distance was underpinned by significant signatures of selection related to temperature and light. Gradient forest analysis of temperature‐linked SNPs under selection revealed a strong association with mean annual temperature range, suggesting adaptation to local thermal environments. Critically, modelling revealed that predicted climate‐mediated temperature changes will probably result in high genomic vulnerability via a mismatch between current and future predicted genotype–environment relationships such that kelp forests off Western Australia will need to significantly adapt to keep pace with projected climate change. Proactive management techniques such as assisted adaptation to boost resilience may be required to secure the future of these kelp forests and the immense ecological and economic values they support.

AbstractOur agricultural system and hence food security is threatened by combination of events, such as increasing population, the impacts of climate change, and the need to a more sustainable development. Evolutionary adaptation may help some species to overcome environmental changes through new selection pressures driven by climate change. However, success of evolutionary adaptation is dependent on various factors, one of which is the extent of genetic variation available within species. Genomic approaches provide an exceptional opportunity to identify genetic variation that can be employed in crop improvement programs. In this review, we illustrate some of the routinely used genomics‐based methods as well as recent breakthroughs, which facilitate assessment of genetic variation and discovery of adaptive genes in legumes. Although additional information is needed, the current utility of selection tools indicate a robust ability to utilize existing variation among legumes to address the challenges of climate uncertainty.

La mitigación de la producción de metano por parte de los rumiantes es un desafío importante para la producción ganadera mundial. Esta investigación ofrece un nuevo paradigma para reducir las emisiones de metano de los rumiantes mediante la cría de tréboles climáticamente inteligentes. Demostramos una amplia diversidad genética para el potencial metanogénico del rasgo en la leguminosa de pasto clave de Australia, el trébol subterráneo (Trifolium subterraneum L.). En una población biparental, la heredabilidad de sentido amplio en el potencial metanogénico fue moderada (H2 = 0.4) y la variación alélica en una región de Chr 8 representó el 7.8% de la variación fenotípica. En un estudio de asociación de todo el genoma, identificamos cuatro loci que controlan el potencial metanogénico evaluado mediante un sistema de fermentación in vitro. Significativamente, el descubrimiento de un polimorfismo de un solo nucleótido (SNP) en Chr 5 en un bloque de haplotipo definido con un supuesto gen candidato aguas arriba de una superfamilia similar a la peroxidasa vegetal (TSub_g18548) y una proteína quinasa receptora de lectina aguas abajo (TSub_g18549) proporciona candidatos valiosos para un ensayo para este rasgo complejo. De esta manera, se puede rastrear la variación de haplotipos para criar pastos con un potencial metanogénico reducido. De los candidatos a loci de rasgos cuantitativos, la proteína similar a DRT100 de reparación/tolerancia de daños en el ADN (TSub_g26967), vinculada para evitar la gravedad del daño en el ADN inducido por metabolitos secundarios, se considera fundamental para la producción de metano entérico, al igual que la resistencia a enfermedades (TSub_g26971, TSub_g26972 y TSub_g18549) y las proteínas ribonucleasa (TSub_g26974, TSub_g26975). Estas proteínas son buenos indicadores para dilucidar la base genética de la fermentabilidad microbiana in vitro y el potencial metanogénico entérico en el trébol subterráneo. Los genes identificados permiten el diseño de un conjunto de marcadores para la selección asistida por marcadores para reducir la emisión de metano en el rumen en leguminosas de pasto seleccionadas. Demostramos la viabilidad de un enfoque de fitomejoramiento sin comprometer la productividad animal para mitigar las emisiones de metano entérico, que es uno de los desafíos más importantes para la producción ganadera mundial. Atténuer la production de méthane par les ruminants est un défi important pour la production animale mondiale. Cette recherche offre un nouveau paradigme pour réduire les émissions de méthane des ruminants en élevant des trèfles climato-clever. Nous démontrons une grande diversité génétique pour le potentiel méthanogène des caractères dans la légumineuse de pâturage clé de l'Australie, le trèfle souterrain (Trifolium subterraneum L.). Dans une population biparentale, l'héritabilité au sens large du potentiel méthanogène était modérée (H2 = 0,4) et la variation allélique dans une région de Chr 8 représentait 7,8 % de la variation phénotypique. Dans une étude d'association à l'échelle du génome, nous avons identifié quatre loci contrôlant le potentiel méthanogène évalué par un système de fermentation in vitro. De manière significative, la découverte d'un polymorphisme nucléotidique unique (SNP) sur Chr 5 dans un bloc d'haplotype défini avec un gène candidat putatif en amont d'une superfamille de type peroxydase végétale (TSub_g18548) et une protéine kinase du récepteur de la lectine en aval (TSub_g18549) fournit des candidats précieux pour un dosage de ce trait complexe. De cette façon, la variation de l'haplotype peut être suivie pour élever des pâturages avec un potentiel méthanogène réduit. Parmi les locus de caractères quantitatifs candidats, la protéine de type DRT100 de réparation/tolérance aux dommages à l'ADN (TSub_g26967), liée pour éviter la gravité des dommages à l'ADN induits par les métabolites secondaires, est considérée comme centrale dans la production de méthane entérique, tout comme la résistance aux maladies (TSub_g26971, TSub_g26972 et TSub_g18549) et les protéines ribonucléases (TSub_g26974, TSub_g26975). Ces protéines sont de bons indicateurs pour élucider la base génétique de la fermentabilité microbienne in vitro et du potentiel méthanogène entérique dans le trèfle souterrain. Les gènes identifiés permettent la conception d'une série de marqueurs pour la sélection assistée par marqueurs afin de réduire l'émission de méthane du rumen chez des légumineuses de pâturage sélectionnées. Nous démontrons la faisabilité d'une approche de sélection végétale sans compromettre la productivité animale pour atténuer les émissions de méthane entérique, qui est l'un des défis les plus importants pour la production animale mondiale. Mitigating methane production by ruminants is a significant challenge to global livestock production. This research offers a new paradigm to reduce methane emissions from ruminants by breeding climate-clever clovers. We demonstrate wide genetic diversity for the trait methanogenic potential in Australia's key pasture legume, subterranean clover (Trifolium subterraneum L.). In a bi-parental population the broadsense heritability in methanogenic potential was moderate (H2 = 0.4) and allelic variation in a region of Chr 8 accounted for 7.8% of phenotypic variation. In a genome-wide association study we identified four loci controlling methanogenic potential assessed by an in vitro fermentation system. Significantly, the discovery of a single nucleotide polymorphism (SNP) on Chr 5 in a defined haplotype block with an upstream putative candidate gene from a plant peroxidase-like superfamily (TSub_g18548) and a downstream lectin receptor protein kinase (TSub_g18549) provides valuable candidates for an assay for this complex trait. In this way haplotype variation can be tracked to breed pastures with reduced methanogenic potential. Of the quantitative trait loci candidates, the DNA-damage-repair/toleration DRT100-like protein (TSub_g26967), linked to avoid the severity of DNA damage induced by secondary metabolites, is considered central to enteric methane production, as are disease resistance (TSub_g26971, TSub_g26972, and TSub_g18549) and ribonuclease proteins (TSub_g26974, TSub_g26975). These proteins are good pointers to elucidate the genetic basis of in vitro microbial fermentability and enteric methanogenic potential in subterranean clover. The genes identified allow the design of a suite of markers for marker-assisted selection to reduce rumen methane emission in selected pasture legumes. We demonstrate the feasibility of a plant breeding approach without compromising animal productivity to mitigate enteric methane emissions, which is one of the most significant challenges to global livestock production. يمثل التخفيف من إنتاج المجترات للميثان تحديًا كبيرًا للإنتاج الحيواني العالمي. يقدم هذا البحث نموذجًا جديدًا لتقليل انبعاثات الميثان من المجترات عن طريق تربية البرسيم الذكي للمناخ. نظهر تنوعًا وراثيًا واسعًا لإمكانات سمة مولد الميثان في بقول المراعي الرئيسية في أستراليا، البرسيم الجوفي (Trifolium subterraneum L.). في مجتمع ثنائي الوالدين، كانت الوراثة ذات المعنى الواسع في إمكانات مولد الميثان معتدلة (H2 = 0.4) وكان التباين الأليل في منطقة من Chr 8 يمثل 7.8 ٪ من التباين الظاهري. في دراسة ارتباط على مستوى الجينوم، حددنا أربعة مواقع تتحكم في إمكانات مولد الميثان التي تم تقييمها بواسطة نظام التخمير في المختبر. من الجدير بالذكر أن اكتشاف تعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة (SNP) في Chr 5 في كتلة النمط الفرداني المحددة مع جين مرشح مفترض من فصيلة نباتية شبيهة بالبيروكسيداز (TSub_g18548) وكيناز بروتين مستقبلات الليكتين في المصب (TSub_g18549) يوفر مرشحين قيمين لاختبار هذه السمة المعقدة. وبهذه الطريقة يمكن تتبع تباين النمط الفرداني لتربية المراعي ذات الإمكانات الميثانية المنخفضة. من بين مرشحات مواقع السمات الكمية، يعتبر البروتين الشبيه بإصلاح/تحمل تلف الحمض النووي DRT100 (TSub_g26967)، المرتبط بتجنب شدة تلف الحمض النووي الناجم عن الأيضات الثانوية، أمرًا أساسيًا لإنتاج الميثان المعوي، وكذلك مقاومة الأمراض (TSub_g26971، TSub_g26972، و TSub_g18549) وبروتينات الريبونوكلياز (TSub_g26974، TSub_g26975). هذه البروتينات هي مؤشرات جيدة لتوضيح الأساس الجيني للتخمير الميكروبي في المختبر والإمكانات المعوية المولدة للميثان في البرسيم الجوفي. تسمح الجينات المحددة بتصميم مجموعة من العلامات للاختيار بمساعدة العلامات لتقليل انبعاث الميثان الكرش في بقوليات المراعي المختارة. نوضح جدوى نهج تربية النباتات دون المساس بالإنتاجية الحيوانية للتخفيف من انبعاثات الميثان المعوية، والتي تعد واحدة من أهم التحديات التي تواجه الإنتاج الحيواني العالمي.

Agriculture and food security are predicted to be significantly impacted by climate change, though the impact will vary by region and by crop. Combined with the increasing global population, there is an urgent need for agriculture to adapt to ensure future food security for this growing population. Adaptation strategies include changing land and cropping practices, the development of improved crop varieties and changing food consumption and waste. Recent advances in genomics and agronomy can help alleviate some of the impacts of climate change on food production; however, given the timeframe for crop improvement, significant investment is required to realise these changes. Ultimately, there is a limit as to how far agriculture can adapt to the changing climate, and a political will to reduce the impact of burning of fossil fuels on the global climate is essential for long term food security.