Farmers’ desired traits and selection criteria for maize varieties and their implications for maize breeding: A case study from KwaZulu-Natal Province, South Africa

Adoption of hybrids and improved varieties has remained low in the smallholder farming sector of South Africa, despite maize being the staple food crop for the majority of households. The objective of this study was to establish preferred maize characteristics by farmers which can be used as selection criteria by maize breeders in crop improvement. Data were collected from three villages of a selected smallholder farming area in South Africa using a survey covering 300 households and participatory rural appraisal methodology. Results indicated a limited selection of maize varieties grown by farmers in the area compared to other communities in Africa. More than 97% of the farmers grew a local landrace called Natal-8-row or IsiZulu. Hybrids and improved open pollinated varieties were planted by less than 40% of the farmers. The Natal-8-row landrace had characteristics similar to landraces from eastern and southern Africa and closely resembled Hickory King, a landrace still popular in Southern Africa. The local landrace was preferred for its taste, recycled seed, tolerance to abiotic stresses and yield stability. Preferred characteristics of maize varieties were high yield and prolificacy, disease resistance, early maturity, white grain colour, and drying and shelling qualities. Farmers were willing to grow hybrids if the cost of seed and other inputs were affordable and their preferences were considered. Our results show that breeding opportunities exist for improving the farmers’ local varieties and maize breeders can take advantage of these preferred traits and incorporate them into existing high yielding varieties.

Agronomic aspects of intercropping spring or winter peas and cereals as influenced by ploughing system

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den Mischfruchtanbau von Sommer- oder Wintererbsen und Getreide zu bewerten und die Eignung einer flachwendenden Bodenbearbeitung im ökologischen Erbsenanbau zu ermitteln. Weiterhin war im Rahmen dieser Arbeit beabsichtigt, den Einfluss einer mechanischen Bodenbelastung zur Saat auf die Leistungsfähigkeit von Sommererbsen in Reinsaat und Gemenge nach tief- (Pflug, 25-30 cm) und flachwendender (Stoppelhobel, 7-12 cm) Bodenbearbeitung zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden Feldversuche mit den Versuchsfaktoren Anbauform (Sommererbsen und Hafer in Reinsaat oder Gemenge), Pflugsystem (flach- und tiefwendend), mechanische Bodenbelastung (0 t; 2,6 t; 4,6 t Hinterradlast) und Standort (Köllitsch, Trenthorst) in 2009 und 2010 durchgeführt. Der Mischfruchtanbau zweier Wintererbsen-Sorten (E.F.B. 33: normalblättrig, buntblühend; James: halbblattlos, weißblühend) nach flach- und tiefwendender Bodenbearbeitung wurde am Standort Trenthorst in den Jahren 2009/10 und 2010/11 untersucht. Zur Untersuchung der Vorfruchtwirkung wurde im Anschluss an die Wintererbsen-Versuche Winterweizen angebaut. Ein Gefäßversuch und ein Bioassay wurde ergänzend zu den Mischfruchtversuchen mit Sommererbsen durchgeführt, um die Ursachen eines unterschiedlichen Unkrautunterdrückungsvermögens in Reinsaaten und Gemenge von Sommererbsen und Hafer bestimmen zu können. Mischfruchtbestände von Erbsen und Getreide unterdrückten annuelle Unkräuter stärker als Erbsen-Reinsaaten, was insbesondere bei halbblattlosen Erbsen zu beobachten war. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass eine stärkere unterirdische Interaktion zwischen Kulturpflanzen und Unkräutern für die stärkere Unkrautunterdrückung in Erbsen-Hafer-Gemengen im Vergleich zu Erbsen-Reinsaaten verantwortlich war. Die flachwendende Bearbeitung führte in Sommererbsen-Reinsaaten zu einem signifikant höheren Unkrautaufkommen, wohingegen in den Erbsen-Hafer-Gemengen eine vergleichbare (Köllitsch) oder signifikant höhere (Trenthorst) Verunkrautung nach flachwendender Bearbeitung vorhanden war. In den Wintererbsen-Versuchen waren keine signifikanten Unterschiede hinsichtlich des Unkrautaufkommens zwischen den Pflugsystemen festzustellen. Der Mischfruchtanbau von Wintererbsen und Triticale reduzierte den Befall mit der Grünen Erbsenblattlaus und verbesserte die Standfestigkeit der normalblättrigen Wintererbse, wohingegen kein positiver Effekt des Mischfruchtanbaus in Hinsicht auf Auswinterungsverluste der Wintererbsen und einen Befall mit dem Erbsenwickler festgestellt werden konnte. Die Mischfruchtbestände von Sommer- oder Wintererbsen und Getreidepartnern wiesen unter der Voraussetzung, dass keine Ertragsbildungsprobleme beim Getreide auftraten, höhere Gesamterträge im Vergleich zu den entsprechenden Erbsen-Reinsaaten auf. Die Getreidepartner unterdrückten in den Mischfruchtbeständen insbesondere die halbblattlosen Erbsen. Die flachwendende Bodenbearbeitung führte im Vergleich zur tiefwendenden Bearbeitung zu einer vergleichbaren oder signifikant besseren Ertragsleistung der Rein- und Mischfruchtbestände von Erbsen und Getreide. Die mechanische Bodenbelastung hat die Ertragsleistung und die Kornqualität der Kulturen im Jahr 2009 nicht beeinflusst. Im Jahr 2010 führte die mechanische Bodenbelastung, im Gegensatz zum Hafer, zu einer Reduzierung der Erbsen-Erträge um 12,1 % (2,6 t) und 20,8 % (4,6 t). Zudem nahmen der Rohproteingehalt der Erbsen und die Gesamterträge mit zunehmender mechanischer Bodenbelastung nach tiefwendender Bodenbearbeitung kontinuierlich ab, wohingegen nach flachwendender Bearbeitung keine signifikanten Unterschiede festgestellt wurden. Der Winterweizen, der nach den Rein- und Mischsaaten von E.F.B. 33 angebaut wurde (2010/11: 35,9; 2011/12: 20,1 dt TM ha-1), war dem Winterweizen nach den Rein- und Mischsaaten von James (2010/11: 23,8; 2011/12: 16,7 dt TM ha-1) ertraglich überlegen. Während im Jahr 2010/11 kein signifikanter Unterschied der Ertragsleistung der Nachfrucht Winterweizen in den beiden Pflugsystemen festgestellt wurde, führte die flachwendende Bodenbearbeitung im Jahr 2011/12 zu signifikant geringeren Winterweizen-Erträgen (12,9 dt TM ha-1) im Vergleich zur tiefwendenden Bodenbearbeitung (20,5 dt TM ha-1). Der metabolische Energiegehalt der weißblühenden Winter- (15,2 MJ kg-1) und Sommererbsen (15,7 MJ kg-1) lag signifikant über demjenigen der buntblühenden Wintererbsen-Sorte E.F.B. 33 (13,3 MJ kg-1). Das Pflugsystem hatte nur geringe Auswirkungen auf die Kornqualität und den energetischen Futterwert.

Heat stress response for physiological traits in dairy and dual purpose cattle populations on phenotypic and genetic scales

The main objective of this thesis was to determine the potential impact of heat stress (HS) on physiological traits of lactating cows and semen quality of bulls kept in a temperate climate. The thesis is comprised of three studies. An innovative statistical modeling aspect common to all three studies was the application of random regression methodology (RRM) to study the phenotypic and genetic trajectory of traits in dependency of a continuous temperature humidity index (THI). In the first study, semen quality and quantity traits of 562 Holstein sires kept on an AI station in northwestern Germany were analyzed in the course of THI calculated from data obtained from the nearest weather station. Heat stress was identified based on a decline in semen quality and quantity parameters. The identified general HS threshold (THI = 60) and the thermoneutal zone (THI in the range from 50 to 60) for semen production were lower than detected in studies conducted in tropical and subtropical climates. Even though adult bulls were characterized by higher semen productivity compared to younger bulls, they responded with a stronger semen production loss during harsh environments. Heritabilities (low to moderate range) and additive genetic variances of semen characteristics varied with different levels of THI. Also, based on genetic correlations genotype, by environment interactions were detected. Taken together, these findings suggest the application of specific selection strategies for specific climate conditions. In the second study, the effect of the continuous environmental descriptor THI as measured inside the barns on rectal temperatures (RT), skin temperatures (ST), vaginal temperatures (VT), respiration rates (RR), and pulse rate (PR) of lactating Holstein Friesian (HF) and dual-purpose German black pied cattle (DSN) was analyzed. Increasing HS from THI 65 (threshold) to THI 86 (maximal THI) resulted in an increase of RT by 0.6 °C (DSN) and 1 °C (HF), ST by 3.5 °C (HF) and 8 °C (DSN), VT by 0.3 °C (DSN), and RR by 47 breaths / minute (DSN), and decreased PR by 7 beats / minute (DSN). The undesired effects of rising THI on physiological traits were most pronounced for cows with high levels of milk yield and milk constituents, cows in early days in milk and later parities, and during summer seasons in the year 2014. In the third study of this dissertation, the genetic components of the cow’s physiological responses to HS were investigated. Heat stress was deduced from indoor THI measurements, and physiological traits were recorded on native DSN cows and their genetically upgraded crosses with Holstein Friesian sires in two experimental herds from pasture-based production systems reflecting a harsh environment of the northern part of Germany. Although heritabilities were in a low range (from 0.018 to 0.072), alterations of heritabilities, repeatabilities, and genetic components in the course of THI justify the implementation of genetic evaluations including heat stress components. However, low repeatabilities indicate the necessity of using repeated records for measuring physiological traits in German cattle. Moderate EBV correlations between different trait combinations indicate the potential of selection for one trait to simultaneously improve the other physiological attributes. In conclusion, bulls of AI centers and lactating cows suffer from HS during more extreme weather conditions also in the temperate climate of Northern Germany. Monitoring physiological traits during warm and humid conditions could provide precious information for detection of appropriate times for implementation of cooling systems and changes in feeding and management strategies. Subsequently, the inclusion of these physiological traits with THI specific breeding values into overall breeding goals could contribute to improving cattle adaptability by selecting the optimal animal for extreme hot and humid conditions. Furthermore, the recording of meteorological data in close distance to the cow and visualizing the surface body temperature by infrared thermography techniques might be helpful for recognizing heat tolerance and adaptability in cattle.