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The impact of plant-plant coevolution in crop mixtures on the stability and resilience of an agroecosystem

English title The impact of plant-plant coevolution in crop mixtures on the stability and resilience of an agroecosystem
Applicant Schöb Christian
Number 198906
Funding scheme SNSF Professorships
Research institution Institut für Agrarwissenschaften ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Ecology
Start/End 01.07.2021 - 30.06.2023
Approved amount 581'532.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Ecology
Agricultural and Forestry Sciences

Keywords (11)

competition; recovery; yield; resilience; biodiversity; facilitation; resistance; plant-plant interactions; drought; ecosystem functioning; evolution

Lay Summary (German)

Lead
Zunehmende Dürreperioden verusachen in den heute weit verbreiteten Monokulturen grosse Schäden. in diesem Projekt verfolgen wir die Hypothese, dass Mischkulturen die Resilienz von Ackerbausystemen erhöhen können. Zudem gehen wir der Frage nach, ob spezifisches Saatgut für Mischkulturen deren Resilienz weiter erhöhen könnte im Vergleich zu Mischkulturen aus kommerziellem Saatgut. Die Forschung trägt damit dazu bei, neue Erkenntnisse zu gewinnen um heimische Ackerbausysteme nachhaltiger und resilienter zu gestalten.
Lay summary

Die Dürresommer der letzten Jahre haben gezeigt, dass unsere Ackerbausysteme gegenüber Klimaveränderungen sensibel reagieren. So können Dürren zu Ernteausfällen führen. Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, Ackerbausysteme resilienter zu machen gegenüber Dürreperioden. In diesem Projekt untersuchen wir, inwiefern Mischkulturen, das heisst der zeitgleiche Anbau von verschiedenen Nutzpflanzen auf demselben Feld, die Resilienz von traditionell in Monokultur angebauten Ackerbaukulturen erhöhen kann. Die Resilienz messen wir anhand des Kornertrags als auch anhand verschiedener anderer Ökosystemfunktionen, wie der Aktivität der Bodenmikrobien, der Zersetzung von organischem Material oder der Unterdrückung von Unkraut. 
In einem zweiten Schritt gehen wir der Frage nach, ob eine Mischkultur mit Samen aus der Mischkultur die Resilienz weiter verstärken kann. Wir gehen hier von der Annahme aus, dass sich Pflanzen evolutiv an ihre ständigen Nachbarn anpassen und sich damit Ökotypen für Mischkulturen entwickeln können, welche sich von den heute traditionellen Sorten für die Monokultur unterscheiden. Um diese Hypothese zu testen, vergleichen wir Mono- und Mischkulturen aus kommerziellem Saatgut mit den gleichen Kulturen aber aus Samen, die während mehrerer Generationen in der Mischkultur gezogen wurden. 
Fall Mischkulturen in der Tat generell resilienter sind gegenüber Störungen wie Dürre, und falls Mischkulturen aus Mischkultursamen resilienter sind als Mischkulturen aus Monokultursamen, dann haben wir gute Argumente einerseits für die weitere Entwicklung von Mischkulturen für den kommerziellen Anbau und andererseits für die Entwicklung von Mischkultursaatgut durch spezifische Zuchtprogramme für die Mischkultur. 

Direct link to Lay Summary Last update: 26.05.2021

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
170645 Ecology and evolution in practice: A plant-plant interaction-based approach to the evolution of biodiversity effects on productivity 01.07.2017 SNSF Professorships

Abstract

Agroecosystem diversification has become one of the most promising ways to increase sustainability of food production. Through intercropping, i.e. the joint cultivation of more than one crop species or cultivar on the same area, a significant increase in yield per unit area could be achieved. Beyond these diversity benefits on yield, more diverse agroecosystems have also been proven to increase yield stability. In other words, latest research about intercropping confirms ecological knowledge from long-term grassland diversity experiments demonstrating positive effects of plant diversity on productivity and stability. These grassland experiments recently provided additional insights into the evolution of such biodiversity effects on productivity. It could be shown that diverse grassland communities with a coexistence history as mixture increase yield benefits compared with diverse communities created with plants with a monoculture history. In agriculture, almost all commercially available seeds are sourced from monocultures. This could therefore constrain the diversity benefits of mixtures in crop systems. Furthermore, whether coexistence history also affects yield stability and resilience against environmental perturbations remains, to my knowledge, elusive, both from an ecological and agricultural viewpoint. The proposed research will create annual crop plant communities of different diversities with seeds showing several generations of coexistence history and with naïve seeds of plants obtained from commercial sources. These communities will be exposed to early- and late-season drought events and their resistance, recovery and resilience will be assessed through measurements of a suite of ecosystem functions, namely primary productivity, seed yield, weed suppression, soil basal respiration and organic matter decomposition. This experimental setup allows us to test the original hypothesis that coexistence history increases various ecosystem functions and their resilience against environmental perturbations. The proposed research will increase our knowledge about the role of eco-evolutionary processes in plant communities on ecosystem functioning and services. Beyond that, it will provide scientifically solid information about the potential of unique mixture types of crops for yield and yield stability. In other words, the proposed agroecological research will assess the potential of dedicated breeding programs for mixture cropping for agricultural sustainability.
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