Thursday, February 21, 2013

Uprooting underground killers


Parasitic weeds of the genus Striga—also known as witchweeds—are a major threat to upland rice production in several parts of Africa. The roots of Striga seedlings penetrate the root cells of host plants, among them, rice, and leave them weak and unproductive. AfricaRice and its partners are making significant headway in the struggle to control Striga in rice fields across the continent.

Attractive as it might seem to have a plethora of pink or orange flowers brightening up a rice field, Striga is an extremely sinister bedfellow. These parasitic weeds get their nutrients and water directly from the host plant’s root system and the host plant’s energy is diverted to support the parasite. Heavy infestation can result in complete crop failure.

Two main species of Striga attack rice in Africa. Striga hermonthica is a problem in Côte d’Ivoire, northern Nigeria, and Uganda. It infests about 40% of all cereal-producing areas (including sorghum, millet, and maize) of sub-Saharan Africa, causing US$7 to $13 billion in losses annually, according to figures cited by Infonet Biovision. Striga asiatica is prevalent in Madagascar, Malawi, and Tanzania and causes severe damage in rice, particularly in areas with erratic rainfall and poor soil fertility.

Both species are difficult to manage because the first 4 to 7 weeks of their life cycle take place underground, inaccessible for mechanical control. Striga can be controlled by herbicides, but effective and affordable herbicide technologies are not yet available for rice farmers in Africa.

Fatal chemical attraction

Each Striga plant is capable of producing up to 250,000 tiny seeds, which can remain viable in the soil for many years. Striga seeds germinate only in the presence of host-derived chemicals such as strigolactones, as this guarantees the existence of a suitable host to parasitize. Rice roots exude such strigolactones.

“The very small seeds of Striga have very small energy reserves,” explains AfricaRice weed scientist Jonne Rodenburg. “Hence, they have to tap into host-plant resources very quickly.”
       
Getting at the root of the problem

As part of a project funded by the UK Department for International Development and the Biotechnology and Biological Sciences Research Council, and led by the University of Sheffield, Dr. Rodenburg’s team field-screened 18 upland NERICA varieties, their parents, and resistant and local checks for their resistance to both species.

“From work on sorghum and maize, it is known that durable resistance is hard to find,” says Dr. Rodenburg. “Striga species are genetically highly variable, and so they tend to overcome resistance based on a single mechanism very quickly. It takes only one or a few plants able to circumvent the resistance to reinfest a whole field over a few cropping seasons.”

AfricaRice has partnered with Wageningen University to look at pre-attachment resistance. Muhammad Jamil, a PhD student with Prof. Harro Bouwmeester, screened upland NERICA varieties and their parents in the laboratory to identify and quantify strigolactones.

Varieties that produced significantly fewer strigolactones showed lower Striga infestation, whereas those that produced the largest amounts of strigolactones showed the most severe infestation (see box).

Meanwhile, Mamadou Cissoko, a PhD student at the University of Sheffield, under the supervision of Prof. Julie Scholes, was looking for post-attachment resistance or mechanisms for preventing the development of Striga in rice after it has germinated and attached to the roots.

A genetic block

“The work going on in Sheffield is very exciting,” says Dr. Rodenburg. “They have identified the chromosome carrying Striga resistance genes.” This could lead to the identification of the first Striga resistance gene in any cereal crop (the only Striga resistance gene currently known is in the legume cowpea).

“Thirty years of research on Striga resistance in maize and sorghum have not brought scientists as close as we seem to be after just a few years,” Dr. Rodenburg says. “This will pave the way for targeted breeding using molecular markers.”

Marker-assisted breeding has the potential to insert a single gene—in this case, the gene for Striga resistance—into an already adapted and popular rice variety. This would accelerate the process of making Striga-resistant rice available to farmers. However, this step is still a few years down the road.

Sifting through the gene pool

In the meantime, Dr. Rodenburg and his partners are excited by the findings of the pre- and post-attachment resistance screening, and by the fact that some NERICA varieties exhibit both resistance mechanisms and also show resistance in the field against both Striga species.

“Rice varieties (or breeding lines) that exhibit the complete range of pre- and post-attachment and field resistance are just the sort of thing that we were looking for,” Dr. Rodenburg says. “The next step in this process will be to screen more adapted varieties and to test a subset of the resistant NERICA varieties in participatory varietal selection trials.

“We will do this in Uganda, where the need for S. hermonthica resistance is urgent, and in Madagascar and Tanzania, in some of the most important hot spots for S. asiatica in upland rice,” he adds.

Screening work in Madagascar, which also includes promising local and advanced varieties, is carried out in collaboration with FOFIFA (the Madagascan national program) and the Centre de coopération internationale en recherche agronomique pour le développement.

Understanding the invisible enemy

In the future, AfricaRice will work with the University of Sheffield, Makerere University, Kenyatta University, and CIAT on identifying multiple quantitative trait loci (QTLs) and candidate resistance genes that underlie rice resistance to different Striga species and ecotypes, and characterize—for the first time—Striga loci that enable parasites to overcome specific host resistances.

Combined with participatory varietal selection trials, this effort should validate and enhance previous findings and make adapted cultivars with durable broad-based resistance available to farmers.

More information

Jamil M, Rodenburg J, Charnikhova T, Bouwmeester HJ. 2011. Pre-attachment Striga hermonthica resistance of New Rice for Africa (NERICA) cultivars based on low strigolactone production. New Phytol. 192(4):964-975.

Cissoko M, Boisnard A, Rodenburg J, Press MC, Scholes JD. 2011. New Rice for Africa (NERICA) cultivars exhibit different levels of post-attachment resistance against the parasitic weeds Striga hermonthica and Striga asiatica. New Phytol. 192:952-963.

Éradication des tueurs souterrains


Les adventices parasites du genre Striga – aussi connues sous le nom de l’herbe des sorciers– constituent une grave menace pour la production de riz de plateau dans de nombreuses régions d’Afrique. Les racines des plantules de la Striga pénètrent dans les cellules des racines des plantes hôtes, dont, le riz, qui deviennent fragiles et non productives.

AfricaRice et ses partenaires enregistrent des avancées notables dans la lutte contre la Striga dans les champs des riziculteurs sur l’ensemble du continent.

Aussi attrayant que cela puisse paraître d’avoir beaucoup de fleurs roses ou orange qui agrémentent une rizière, Striga est un compagnon extrêmement sinistre. Ces plantes assassines tirent leurs nutriments et leur eau directement du système racinaire de la plante hôte dont l’énergie est détournée pour supporter le parasite. Une forte infestation peut entraîner une récolte complètement déficitaire.

Deux espèces principales de Striga attaquent le riz en Afrique. Striga hermonthica pose des problèmes en Côte d’Ivoire, au nord du Nigeria et en Ouganda. Selon les chiffres cités par Infonet Biovision 1, il attaque près de 40 % de toutes les zones de production de céréales (notamment du sorgho, du millet et du maïs) de l’Afrique subsaharienne, causant entre 7 et 13 milliards de dollars de pertes chaque année.

Striga asiatica est très répandue à Madagascar, au Malawi et en Tanzanie et cause d’énormes dégâts chez le riz, en particulier dans des zones où la pluviométrie est irrégulière et les sols peu fertiles. Les deux espèces sont difficiles à contrôler, parce que les 4 à 7 premières semaines de leur cycle de vie se passent sous terre, où la lutte mécanique est impossible. Les herbicides peuvent venir à bout de la Striga, mais les riziculteurs africains n’ont pas encore accès aux technologies herbicides efficaces et abordables.

Attraction chimique fatale

Chaque plante de Striga est capable de produire jusqu’à 250 000 minuscules graines, qui peuvent rester en vie dans le sol pendant de nombreuses années. Les graines de Striga ne germent qu’en présence de produits chimiques dérivés de leur hôte comme les strigolactones, car ils garantissent l’existence d’un hôte approprié à parasiter.

Les racines du riz sont envahies par ces strigolactones. Jonne Rodenburg, malherbologiste à AfricaRice explique que « les réserves énergétiques des toutes petites graines de Striga sont très faibles ». « Elles doivent donc, très vite, puiser dans les ressources de la plante hôte ». 

Aller à la racine du problème 

Dans le cadre d’un projet financé par le Département pour le développement international (Royaume-Uni) et le Conseil pour la recherche en biotechnologie et en sciences biologiques, mené par l’Université de Sheffield, l’équipe de Dr Rodenburg a criblé au champ 18 variétés NERICA de plateau, leurs parents et leur résistance, et des variétés témoins locales pour tester leur résistance aux deux espèces. 

Toujours selon Dr Rodenburg, d’après les « travaux de recherche effectués sur le sorgho et le maïs, il est difficile de trouver une résistance durable ». « Les espèces Striga sont génétiquement très variables, aussi, ont-elles tendance à contourner, très vite, la résistance basée sur un seul mécanisme. Il ne suffit que d’une ou de quelques plantes ayant réussi à contourner la résistance, pour réinfester toute une rizière en quelques saisons culturales ».

AfricaRice a noué un partenariat avec l’Université de Wageningen en vue d’étudier la résistance pré-attachement. Muhammad Jamil, un étudiant doctorant et le Professeur Harro Bouwmeester, ont criblé les variétés NERICA de plateau et leurs parents en laboratoire, afin d’identifier et de quantifier les strigolactones. 

Les variétés produisant beaucoup moins de strigolactones avaient un faible taux d’infestation par la Striga, tandis que celles qui produisent les plus grandes quantités de strigolactones avaient le taux d’infestation le plus élevé. 

Entre-temps, Mamadou Cissoko, un doctorant de l’Université de Sheffield, sous la supervision du Professeur Julie Scholes, a fait des recherches sur la résistance post-attachement ou les mécanismes destinés à lutter contre le développement de la Striga chez le riz après germination et attachement aux racines. 

Un bloc génétique

Pour Dr Rodenburg, « les travaux en cours à Sheffield sont très intéressants ». « Ils ont permis l’identification du chromosome porteur de gènes de résistance à la Striga ». Ce qui pourrait conduire à l’identification du premier gène de résistance à la Striga dans n’importe quelle culture céréalière (le seul gène de résistance à la Striga actuellement connu se trouve dans la légumineuse niébé).

« Trente années de recherche sur la résistance à la Striga chez le maïs et le sorgho n’ont pas permis aux chercheurs d’être aussi près d’une solution que nous semblons l’être après quelques années seulement » a affirmé Dr Rodenburg. « Celle-ci ouvrira la voie à une sélection ciblée à l’aide de marqueurs moléculaires ».

La sélection assistée par marqueurs peut permettre l’introduction d’un seul gène – dans le cas présent, le gène de résistance à la Striga – dans une variété de riz populaire déjà adaptée. Ce qui accélèrera le processus devant permettre de mettre du riz résistant à la Striga à la disposition des producteurs. Toutefois, quelques années sont encore nécessaires pour parvenir à ce stade. 

Le patrimoine génétique passé au crible

En attendant, Dr Rodenburg et ses partenaires sont ravis des résultats obtenus par suite du criblage pour la résistance pré et post-attachement, et de ce que certaines variétés de NERICA présentent les deux mécanismes de résistance et font preuve d’une résistance aux deux espèces de Striga au champ.

Dr Rodenburg a affirmé que « les variétés de riz (ou lignées fixes) qui présentent la gamme complète de résistance pré et post-attachement ainsi qu’au champ sont l’exemple même de ce que nous cherchons ». 

La prochaine étape de ce processus consistera à cribler des variétés plus adaptées et à tester un sous-groupe de variétés NERICA résistantes lors d’essais pendant la sélection variétale participative.

Il a ajouté que « nous ferons de même en Ouganda, où il faut de toute urgence créer une résistance à S. hermonthica, ainsi qu’à Madagascar et en Tanzanie, dans certaines zones les plus sensibles à S. asiatica chez le riz de plateau ».

Les activités de criblage à Madagascar, qui portent également sur des variétés locales et avancées prometteuses, sont menées en collaboration avec FOFIFA (le programme national malgache) et le Centre de coopération internationale en recherche agronomique pour le développement.

Comprendre l’ennemi invisible

À l’avenir, AfricaRice collaborera avec l’Université de Sheffield, l’Université de Makerere, l’Université Kenyatta et le CIAT à l’identification des loci à caractères quantitatifs (QTL) multiples et des gènes de résistance candidats qui sous-tendent la résistance du riz aux différentes espèces et écotypes de Striga, et caractérisent – pour la première fois – les loci de la Striga qui permettent aux parasites de contourner les résistances d’hôtes spécifiques. Associé aux essais de sélection variétale participative, cet effort devrait valider et renforcer les précédents résultats et mettre à la disposition des producteurs, les cultivars adaptés à résistance généralisée durable.



Informations complémentaires

Jamil M, Rodenburg J, Charnikhova T, Bouwmeester HJ. 2011. Pre-attachment Striga hermonthica resistance of New Rice for Africa (NERICA) cultivars based on low strigolactone production. New Phytol. 192(4):964-975.

Cissoko M, Boisnard A, Rodenburg J, Press MC, Scholes JD. 2011. New Rice for Africa (NERICA) cultivars exhibit different levels of post-attachment resistance against the parasitic weeds Striga hermonthica and Striga asiatica. New Phytol.192:952-963.

Tuesday, February 19, 2013

Congratulations to IFAD President


AfricaRice Director General Dr. Papa Abdoulaye Seck warmly congratulated  Dr. Kanayo F. Nwanze, former Director General of AfricaRice and the current President of IFAD on his reappointment to a second term at IFAD in recognition of his remarkable accomplishments.

Despite great challenges, IFAD witnessed tremendous improvement in its services during his first term, as it increased presence in the countries of operations.

"IFAD is a key strategic partner of AfricaRice," said Dr Seck. "We are looking forward to continuing our close cooperation to jointly address the challenges of food security in sub-Saharan Africa. We wish Dr. Nwanze continued success."