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Using millet-legume model intercropping systems to establish mycorrhiza-facilitated bioirrigation in dryland agriculture

English title Using millet-legume model intercropping systems to establish mycorrhiza-facilitated bioirrigation in dryland agriculture
Applicant Kahmen Ansgar
Number 183285
Funding scheme India
Research institution Botanisches Institut Universität Basel
Institution of higher education University of Basel - BS
Main discipline Ecology
Start/End 01.12.2019 - 30.11.2023
Approved amount 349'550.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Ecology
Agricultural and Forestry Sciences

Keywords (7)

finger millet; intercropping; hydraulic lift; common mycorrhizal network; sustainable land use; biofertilizer; bioirrigation

Lay Summary (German)

Lead
"Bioirrigation" ein neues agrar-ökologisches Konzept zur Minderung trockenheitsbedingter Ernteausfälle bei tropisch-ariden Kleinbauern
Lay summary

Kleinbauern in tropisch-ariden Gebieten tragen essentiell zur Ernährungsgrundlage in bevölkerungsreichen Staaten in Afrika oder Indien bei. Kleinbauern stehen zunehmend vor der Herausforderung ihre Ernteerträge aufgrund der lokal wachsenden Bevölkerung erhöhen zu müssen. Gleichzeitig geraten Kleinbauern durch den Klimawandel unter Druck. Insbesondere Trockenheitsereignisse können massive negative Auswirkungen auf die Ertragssicherheit von Kleinbauern haben. Da Kleinbauern jedoch nicht über das Kapital verfügen, um auf die Herausforderungen der Zukunft mit technischen Lösungen (z.B. Bewässerungssysteme) zu reagieren, bedarf es anderer Lösungen, die darauf abzielen die lokal gegebenen Ressourcen möglichst effizient und im Sinne der Ertragsstabilität zu nutzen.

Ein Lösungsansatz besteht darin verschiedene tropisch-aride Nutzpflanzen (Hirsen und Leguminosen) so vergesellschaften, dass sie das im Boden vorhandenen Wasser optimal ausnutzen und so höhere und stabilere Erträge ohne zusätzliche infrastrukturelle Kosten erzielen können. Der Ansatz baut auf dem Konzept der „Bioirrigation“ auf, wobei tief-wurzelnde Pflanzen (z.B. Leguminosen) nachts Wasser aus tiefen feuchten Bodenschichten durch ihr Wurzelsystem in den Oberboden leiten. Dieses Wasser steht dann während des Tages flachwurzelnden Arten, wie z.B. Hirsen zur Verfügung. Bioirrigation könnte daher ein simples agrar-ökologisches Konzept sein, um Trockenschäden und Ernteeinbussen bei flachwurzenden Agrarpflanzen zu verhindern.

Erste Gewächshausstudien haben gezeigt, dass Bioirrrigation tatsächlich funktioniert und Trockenstress von flachwurzelnden Hirsen durch Bioirrigation vermindert werden kann. Zudem hat sich gezeigt, dass Mycorrhizapilze, welche die Wurzelräume der beiden Arten verbinden, wesentlich zum Wassertransfer beitragen. Bei Feldversuchen hat sich das Bioirrigation Konzept jedoch bis heute nicht bewährt. Es wird vermutet, dass es zwischen den kombinierten Arten zu sehr starken zwischenartlichen Konkurrenzverhältnissen kommt, und insbesondere der Ertrag der Hirse durch die Vergesellschaftung mit Leguminosen stark beeinträchtigt wird. Zudem ist unklar, ob der in der Landwirtschaft übliche Abstand zwischen den Pflanzen zu gross ist, um einen Transfer von Wasser zwischen der Wurzelsystemen der zwei Arten zu ermöglichen.

Das hier beschriebene Projekt versucht nun die erfolgreichen Gewächshaustests von Bioirrigation in die Praxis zu transferieren. Speziell soll untersucht werden, welche Leguminosenarten am besten für die Bioirrigation geeignet sind. Dies vor allem im Hinblick auf die Fähigkeit Wasser zur Verfügung zu stellen und andererseits einen geringen Konkurrenzdruck auszuüben. Des wWiteren soll untersucht werden, wie Pflanzabstände variiert werden müssen, damit der Wassertransfer zwischen den Wurzelsystemen der vergesellschafteten Pflanzenarten ermöglicht wird. Letztlich wird der Frage nachgegangen, ob Mycorrhizapilze auch im Feld eine wichtige Rolle für die Bioirrigation spielen.

Direct link to Lay Summary Last update: 05.12.2019

Responsible applicant and co-applicants

Gesuchsteller/innen Ausland

Employees

Name Institute

Project partner

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Prof. Dr. Thomas Boller Switzerland (Europe)
- Publication
- Research Infrastructure
Dr. Vikram Sahai India (Asia)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Dr. Jana Kholova India (Asia)
- Research Infrastructure
Dr. Mathimaran Natarajan India (Asia)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
- Exchange of personnel
- Industry/business/other use-inspired collaboration
Dr. Davis Joseph Bagyaraj India (Asia)
- Research Infrastructure
Dr. Nirmalakumari Angamuthu India (Asia)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
Dr. Vaiyapuri Ramalingam Prabavathy India (Asia)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
Dr. Rengalakshmi Raj India (Asia)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure

Abstract

In the years to come, sustainable land use is one of the big challenges for plant science. One promising low-input strategy is to make use of the potential of intercropping. In dryland agriculture, deep-rooting plants, intercropped within shallow-rooting ones, may act as "bioirrigators" that can transfer water from deep soil layers to the topsoil for the benefit of the system. Our recent experiments have shown that bioirrigation is facilitated by the presence of a common mycorrhizal network (CMN) shared by the intercropped plants. The ambition of the research that we propose in this project is to identify the morphological, physiological and competitive traits that make plants ideal bioirrigaors in CMN facilitated intercropping systems. With this research we seek to establish the basic knowledge that will allow installing effective CMN facilitated bioirrigation in intercropping systems as a measure to stabilize and increase the yield of small holder or subsistence farmers in dryland agriculture. To achieve this goal, we will perform a series of experiments at different levels of complexity with finger millet as target plant for bioirrigation and different legume species (cow pea, pigeon pea, lab lab) as potential bioirrigators. We seek to achieve our overall goal by addressing six specific research questions:1)Do the three selected legume species perform hydraulic lift and thus meet the basic requirement to act as bioirrigator?2)What is the competitive strength of different legume species on finger millet and how are these competitive interactions ameliorated or enhanced by a CMN?3)What is the return in terms of water, nutrients and yield for finger millet when investigating carbon into a CMN with different legume species?4)Does CMN facilitated bioirrigation of different legume species improve the water relations, the nutritional status, and yields of finger millet when connected to intercropped legumes via a CMN during drought?5)What are the optimal population densities and ideal spatial arrangement of FM and its intercropping partners in order allow the establishment of a CMN, maximize the beneficial effects of bioirrigation, and minimize intraspecific competition?6)What is the acceptance of CMN facilitated bioirrigation in intercropping systems of a potential end user.To address these questions, we have arranged a highly-qualified consortium of Indian and Swiss Scientists that will address these questions at different scales: (i) controlled greenhouse experiments to assess the ecological basics of CMN facilitated bioirrigation, (ii) controlled lysimeter studies to determine the effects of CMN facilitated bioirrigation on the water relations and total water use of the intercropping systems, (iii) replicated field trials to assess the optimal planting density of the intercropping partners to minimize competitive effects yet maximize beneficial yield effects, and (iv) on-farm trials to test the applicability of bioirrigation in a real world farming scenarios and to test the acceptance of this new technology by the farmer. In order to successfully complete these experiments, the consortium will employ a set of highly complementary methods that range from basic ecophysiological approaches to state of the art compound-specific stable isotope analyses, modern molecular tools and a world class large-scale lysimeter system. With the combination of esteemed Indo-Swiss expertise in crop physiology and agronomy together with the availability of world class infrastructure at the different institutions, we feel that our consortium is ideally suited to successfully conduct the work we propose here and to make with this a significant impact on science and the development of new biotechnology.
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