Plant genetic resources management approaches- A focus on legumes diversity

Genetic diversity is fundamental to the productivity, resilience, and adaptability of agricultural systems. With regard to crop species, plant genetic resources (PGR) are the basis of biodiversity for cultivated species and consequently for agriculture and food security. Optimizing management of plant genetic resources (PGR) is an essential all-encompassing effort. Effective conservation and characterization of their diversity are key components within ever-changing socio-environmental systems. However, key challenges persist particularly in managing large, often heterogeneous and redundant crop collections, where diversity levels remain largely unknown. Within ex situ genebank collections, the extent of diversity of PGR is considered at accession level. Characterizing intra-accession diversity is crucial for evaluating the extent to which PGR accessions capture available diversity and for monitoring genetic variation and integrity during seed regeneration. This process helps detect potential genetic diversity loss caused by genetic drift and selection. Moreover, plant genetic resources maintained in genebanks play a crucial role in plant research, not only in multi-location field trials but also in Citizen Science experiments. Therefore, it is essential to clarify the genotype-phenotype relationships at the accession level by assessing accession homogeneity. This study, therefore, aims to contribute to the optimization of plant genetic resources by addressing challenges in the conservation and management of PGR collections from ex situ genebanks through: i) exploring current integrated approaches for PGR conservation management and characterization in the omics landscape; ii) exploring new standardized classical phenotyping of common bean germplasm by assessing the intra-accession diversity; iii) exploring an innovative, decentralized and participatory citizen science experiment (CSE) for the conservation, characterization and valorization of plant genetic resources. In the first study, a comprehensive review of literature has been performed, highlighting foundations and evolution of plant genetic resource research, integrated approaches, covering dynamic and static conservation, phenotypic and genotypic characterization, and decentralized participatory approaches for managing PGR, while providing examples of progress in their application. In the subsequent study, intra-accession diversity is assessed by exploring new standardized classical phenotyping of common bean on 51 accessions from the IPK Federal Ex situ Genebank, Germany. A combination of descriptive statistics, diversity indices, and multivariate analyses revealed variability in both qualitative and quantitative traits within common bean accessions. The findings support the characterization of plant germplasm by providing a detailed assessment of within-accession diversity to complement existing data on variation among accessions. Finally, phenotypic data from an innovative, decentralized, and participatory citizen science experiment (CSE) involving 1,127 domesticated common bean accessions were explored. A high-accuracy model for automated phenotyping of common bean leaf shape was trained using a large set of leaf images from the CSE experiment. The perpspective is to extend a similar approach to other traits for which Citizens have provided images, such as flower colour and seed shape and seed colour.

La diversità genetica è fondamentale per la produttività, la resilienza e l'adattabilità dei sistemi agricoli. Per quanto riguarda le specie coltivate, le risorse genetiche vegetali (PGR) sono la base della biodiversità per le specie coltivate e di conseguenza per l'agricoltura e la sicurezza alimentare. Ottimizzare la gestione delle risorse genetiche vegetali (PGR) è uno sforzo essenziale e onnicomprensivo. Una conservazione efficace e la caratterizzazione della loro diversità sono componenti chiave all'interno di sistemi socio-ambientali in continua evoluzione. Tuttavia, persistono sfide chiave in particolare nella gestione di grandi collezioni di colture, spesso eterogenee e ridondanti, in cui i livelli di diversità rimangono in gran parte sconosciuti. All'interno delle collezioni di banche genetiche ex situ, l'entità della diversità delle PGR è considerata a livello di accessione. La caratterizzazione della diversità intra-accessione è fondamentale per valutare la misura in cui le accessioni PGR catturano la diversità disponibile e per monitorare la variazione genetica e l'integrità durante la rigenerazione dei semi. Questo processo aiuta a rilevare la potenziale perdita di diversità genetica causata dalla deriva genetica e dalla selezione. Inoltre, le risorse genetiche vegetali mantenute nelle banche genetiche svolgono un ruolo cruciale nella ricerca sulle piante, non solo nelle sperimentazioni sul campo multi-località, ma anche negli esperimenti di Citizen Science. Pertanto, è essenziale chiarire le relazioni genotipo-fenotipo a livello di accessione valutando l'omogeneità di accessione. Questo studio, pertanto, mira a contribuire all'ottimizzazione delle risorse genetiche vegetali affrontando le sfide nella conservazione e gestione delle collezioni PGR da banche genetiche ex situ attraverso: i) l'esplorazione degli attuali approcci integrati per la gestione e la caratterizzazione della conservazione PGR nel panorama omico; ii) l'esplorazione di una nuova fenotipizzazione classica standardizzata del germoplasma di fagiolo comune valutando la diversità intra-accesso; iii) l'esplorazione di un esperimento di citizen science (CSE) innovativo, decentralizzato e partecipativo per la conservazione, la caratterizzazione e la valorizzazione delle risorse genetiche vegetali. Nel primo studio, è stata eseguita una revisione completa della letteratura, evidenziando i fondamenti e l'evoluzione della ricerca sulle risorse genetiche vegetali, approcci integrati, che coprono la conservazione dinamica e statica, la caratterizzazione fenotipica e genotipica e gli approcci partecipativi decentralizzati per la gestione PGR, fornendo al contempo esempi di progressi nella loro applicazione. Nello studio successivo, la diversità intra-accesso è valutata esplorando la nuova fenotipizzazione classica standardizzata del fagiolo comune su 51 accessioni dalla banca genetica ex situ federale IPK, Germania. Una combinazione di statistiche descrittive, indici di diversità e analisi multivariate ha rivelato variabilità nei tratti sia qualitativi che quantitativi all'interno delle accessioni del fagiolo comune. I risultati supportano la caratterizzazione del germoplasma vegetale fornendo una valutazione dettagliata della diversità all'interno dell'accesso per integrare i dati esistenti sulla variazione tra gli accessioni. Infine, sono stati esplorati i dati fenotipici da un innovativo esperimento di citizen science (CSE) decentralizzato e partecipativo che ha coinvolto 1.127 accessioni domestiche di fagiolo comune. È stato addestrato un modello ad alta precisione per la fenotipizzazione automatizzata della forma delle foglie del fagiolo comune utilizzando un ampio set di immagini delle foglie dall'esperimento CSE. La prospettiva è quella di estendere un approccio simile ad altri tratti per i quali i cittadini hanno fornito immagini, come il colore del fiore e la forma e il colore dei semi.