Assessment and use of sea buckthorn and apple diversity in northern Pakistan
| dc.contributor.corporatename | Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Ökologische Agrarwissenschaften | |
| dc.contributor.referee | Bürkert, Andreas (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Khan, Asif Ali (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Wiehle, Martin (Dr.) | |
| dc.date.accessioned | 2021-06-09T06:35:02Z | |
| dc.date.available | 2021-06-09T06:35:02Z | |
| dc.date.issued | 2020-12-03 | |
| dc.description.sponsorship | ICDD | |
| dc.identifier | doi:10.17170/kobra-202106074078 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/123456789/12912 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.relation.projectid | International Center for Development and Decent Work (ICDD) | |
| dc.rights | Namensnennung - Nicht-kommerziell - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International | * |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ | * |
| dc.subject | Perennial plant genetic resources | eng |
| dc.subject | Neglected and underutilized crops (NUS) | eng |
| dc.subject | biodiversity | eng |
| dc.subject | domestication | eng |
| dc.subject | EST-SSR markers | eng |
| dc.subject | gene flow | eng |
| dc.subject | Gilgit-Baltistan | eng |
| dc.subject | RHS colour charts | eng |
| dc.subject | fruit collection and drying | eng |
| dc.subject | Hippophae rhamnoides | eng |
| dc.subject | non-regulated price | eng |
| dc.subject | post-harvest handling | eng |
| dc.subject | vitamin C | eng |
| dc.subject | α-diversity, | eng |
| dc.subject | β-diversity | eng |
| dc.subject | Dendrogram | eng |
| dc.subject | Genetic diversity, | eng |
| dc.subject | Homonym | eng |
| dc.subject | Microsatellite | eng |
| dc.subject.ddc | 630 | |
| dc.subject.swd | Pakistan | ger |
| dc.subject.swd | Biodiversität | ger |
| dc.subject.swd | Artenreichtum | ger |
| dc.subject.swd | Rückgang | ger |
| dc.subject.swd | Apfel | ger |
| dc.subject.swd | Sanddorn | ger |
| dc.title | Assessment and use of sea buckthorn and apple diversity in northern Pakistan | eng |
| dc.type | Dissertation | |
| dc.type.version | acceptedVersion | |
| dcterms.abstract | Many local perennial plant genetic resources (P/PGR) are under threat due to over-exploitation, depletion, degradation, farmers’ favoring few cash crops, poor marketing conditions leading to low product prices along with the lack of knowledge about alternative uses and management strategies. Such processes often cause the underutilization and replacement of local P/PGR causing them to become neglected and underutilized species (NUS). The decline of species abundance may cause genetic erosion of these NUS crops and prevents the adaptation or improvement of valuable traits. Many of these traditional NUS crops can be conserved on human-managed farmlands (in-situ conservation). The study area in Gilgit-Baltistan (GB), Pakistan harbors important local P/PGR hotspots with a still largely unknown species diversity reflecting a millennia old trading history along the historic Silk Route. The ongoing depletion and irreversible loss of indigenous plant genetic resources calls for an assessment of status quo of agrobiodiversity and the conservation of plant genetic resources. Sea buckthorn (Hippophae rhamnoides L.) and local apple (Malus × domestica) varieties are typical representatives of such local P/PGR, contribute substantially to farmers’ household incomes, and provide essential ecosystem services. Both species were intensively studied to assess their use, to unravel potential effects of past and present anthropogenic activities on varietal richness and diversity, and to derive location-specific management, conservation, and promotion strategies. As sea buckthorn berries are considered a “superfood” due to their nutritional properties, fruits of the species have a large international market potential, especially in China and Europe. Contrary to the situation in other countries, in Pakistan this species is heavily underutilized and neglected. During 2016-2017, the first study on natural sea buckthorn populations was conducted to assess the effects of putative ongoing domestication. Both, morphological and genetic diversity were characterized and evaluated based on the present variability. For this purpose, 300 individuals from eight different villages were selected where farmers were directly involved in sea buckthorn collection. Within each village the samples were classified as wild and supposedly domesticated stands. Dendrometric, fruit, and leaf morphometric traits were recorded. For genotyping, twelve EST-SSR (expressed sequence tags-simple sequence repeats) markers were used. The results showed significant differences in morphological traits across stands (village and wild) and there was a significant positive correlation among leaf area and altitude. Berries exhibited 22 colour shades and 20 dorsal and 15 ventral leaves colour shades. Mean genetic diversity was high (He = 0.699) and comparable to other studies. Three distinct genetic clusters were found corresponding to the geographical location of the populations with mountains acting as a physical barrier against gene flow. Likely gene flows within and among village of the same valley/region and lacking trends in morphological traits among stands yielded little evidence of domestication. Considering high allelic richness and genetic diversity, the population of GB is likely natural and seems to be a promising source for selection of improved germplasm. The reason for low market performance of sea buckthorn in Gilgit-Baltistan was assessed during a second study (2017–2018) conducted to assess the factors influencing local trade. A total of 111 fruit collectors and 17 commission agents were interviewed using semi-structured questionnaires. This study provided comprehensive data regarding the value chain from collection to post-harvest management practices of sea buckthorn berries including effects of sun and shade drying of fruits on vitamin C. The findings were complemented by an analysis of the underlying supply chain (collectors ~ supplier and commission agents ~ buyer). The results showed that berry marketing is severely hampered by low raw product quality, varying prices, and low local demand. Fruit sale prices were low and not satisfactory for the collectors (1.82 US$ kg−1) although mostly poor households were/are involved in the harvest and sale for their subsistence. Post-harvest conditions such as traditional sun drying, and storage were inappropriate leading to a decline of fruit physical appearance and chemical quality, thereby negatively influencing the sales price of produce. Supply chain analyses indicated lack of coordination among actors and infrastructure which prevent sea buckthorn production at a larger scale. The study provides evidence for an urgent need to define appropriate food quality standards, to increase communication among different stakeholders, and to intensify training of collectors. Malus × domestica is one of the main fruit crops of temperate regions, traded globally, and a comparatively well documented species, whereas diversity of germplasm in remote areas is yet to be explored. In GB, germplasm diversity of apple is threatened by gradual loss due a recent increase in market demand and farmers’ preference for modern, high yielding cultivars. Therefore in 2018–2019, a third study was conducted on local apple cultigens to assess their diversity, varietal richness, arboricultural activities as well as phenotypic and genotypic parameters. To this end, two dead-end valleys (Ishkoman and Baltistan) were selected by assuming that plant genetic materials was introduced from its lower end via roads and trading markets rather than tedious mountain pathways. A total of 106 individual apple trees were sampled, and 35 tree owners were interviewed from seven villages of these two valleys. For the first time in this area dendrometric parameters, fruit traits (qualitative and quantitative), and varietal diversity (based on alpha- and beta-diversity) were measured in each village. Eleven SSR markers were used for genotyping and synonyms and homonyms were distinguished based on cluster analysis. Alpha varietal diversity was highest in Baltistan, where even a wild apple relative (Malus baccata) was found. Beta-diversity revealed three compositionally distinct clusters among villages. Fruit weight, calyx depth, and axis pit width represented highest variability as compared to other assessed characters and seem thus useful traits to distinguish the studied accessions. Arboricultural activities were rarely observed and only a few local varieties were marketed, while most of them were used for home consumption only. Genetic data revealed sixty-one multi-locus genotypes (MLG; mean genotype diversity: 58%) and 18 putative clones (comprising 2 to 9 ramets) while mean genetic diversity was moderate (He = 0.677). Observed negative inbreeding coefficients indicated excess of heterozygotes in three genetic clusters with high gene flow among villages and valleys. Against our expectations there was no apparent effect of accessibility (lower to upper part of the valley) on varietal diversity exhibited by morphological or genetic traits. Moderate correlation (r = 0.627, p = 0.001) between phenotypic and genotypic and dendrogram analysis indicated genetically linked fruit traits, which merit further investigation. The moderate to high varietal, phenotypic, and genetic diversity revealed the need and potential of in situ conservation for the apple germplasm of GB and as a basis for future breeding programs. Our studies show that sea buckthorn and apple can act as model species for P/PGR in GB emphasizing the need for the development of locally suitable conservation and management strategies. The marketing promotion of indigenous P/PGRs may open new income sources for local communities. This will also help to maintain the historical biological heritage of the region. Studies combining results of P/PGR agrobiodiversity with socio-economic data will provide guidance to identify P/PGR that merit conservation and further promotion. | eng |
| dcterms.abstract | Weltweit ist eine Vielzahl lokaler mehrjähriger pflanzengenetischer Ressourcen (P/PGR) durch Übernutzung, Degradation, Simplifizierung, schlechte und unattraktive Vermarktungsbedingungen, sowie mangelndes Wissen über alternative Nutzungformen und Managementstrategien bedroht. Diese Faktoren führen oft zur Abnahme lokaler P/PGR, wodurch sie zu vernachlässigten und nicht genutzten Arten (NUS) werden. Der Rückgang des Artenreichtums kann die genetische Erosion dieser NUS-Kulturen beschleunigen und die Anpassung oder Verbesserung wertvoller Merkmale verhindern. Viele dieser traditionellen NUS-Kulturen können jedoch auf vom Menschen bewirtschafteten Ackerflächen erhalten werden (in-situ-Erhaltung). Das Untersuchungsgebiet dieser Studie in Gilgit-Baltistan (GB), Pakistan, ist ein bedeutender wenn auch weitgehend unbekannter Biodiversitäts-Hotspot für lokale P/PGR, der eine jahrtausendealte Handelsgeschichte entlang der historischen Seidenstraße widerspiegelt. Die fortschreitende Übernutzung und der irreversible Verlust der einheimischen pflanzengenetischen Ressourcen erfordern deren momentane Zustandsaufnahme und -bewertung sowie der Beurteilung von Erhaltungsmaßnahmen. Sanddorn (Hippophae rhamnoides L.) und lokale Apfelsorten (Malus × domestica) sind typische Vertreter solcher lokaler P/PGR, tragen wesentlich zum Haushaltseinkommen der Bauern bei und erbringen wichtige Ökosystemdienstleistungen. Beide Arten wurden intensiv untersucht, um ihre Nutzung zu beurteilen und mögliche Auswirkungen vergangener und gegenwärtiger anthropogener Aktivitäten auf die Sortenvielfalt zu analysieren. Daraus können dann, standortspezifische Management-, Erhaltungs- und Förderungsstrategien abgeleitet werden. Da Sanddornbeeren aufgrund ihrer ernährungsphysiologischen Eigenschaften als "Supernahrungsmittel" gelten, haben die Früchte ein bedeutendes internationales Marktpotenzial, insbesondere in China und Europa. Im Gegensatz zu diesen Regionen, wird Sanddorn in Pakistan kaum genutzt und nahezu vernachlässigt. In den Jahren 2016-2017 wurde deshalb die erste Studie über natürliche Sanddornpopulationen durchgeführt, um die Auswirkungen von möglichen Domestikationprozessen zu beurteilen. Sowohl die morphologische als auch die genetische Vielfalt wurden charakterisiert und auf der Grundlage der gegenwärtigen Variabilität bewertet. Zu diesem Zweck wurden 300 Individuen aus acht verschiedenen Dörfern ausgewählt, in denen die Bauern direkt an der Sanddornsammlung beteiligt waren. Innerhalb jedes Dorfes wurden die Proben als wilde und vermeintlich domestizierte Bestände klassifiziert. Dendrometrische, frucht- und blattmorphometrische Merkmale wurden erfasst. Für die Genotypisierung wurden zwölf EST-SSR-Marker (expressed sequence tags - einfache Sequenzwiederholungen) verwendet. Die Ergebnisse zeigten signifikante Unterschiede in den morphologischen Merkmalen der verschiedenen Bestände (domestiziert und wild), und es bestand eine signifikante positive Korrelation zwischen Blattfläche und Höhenlage. Die Beeren wiesen 22 und die Blattflächen 20 dorsale und 15 ventrale Farbschattierungen auf. Die mittlere genetische Vielfalt war hoch (He = 0.699) und ist mit anderen Studien vergleichbar. Es wurden drei verschiedene genetische Cluster gefunden, die der geographischen Lage der Populationen entsprachen, wobei Berge als physische Barriere gegen den Genfluss wirkten. Wahrscheinliche Genflüsse innerhalb und zwischen den Dörfern desselben Tales/derselben Region und fehlende Trends bei den morphologischen Merkmalen zwischen den Beständen wiesen auf einen nur geringen Domestizierungsgrad hin. In Anbetracht des hohen Allelreichtums und der genetischen Vielfalt ist die Population von GB als natürlich einzustufen und scheint eine vielversprechende Quelle für die Selektion von verbesserten Sorten zu sein. Der Grund für die geringe Marktleistung des Sanddorns in Gilgit-Baltistan wurde in einer zweiten Studie (2017-2018) untersucht, um die Faktoren zu bewerten, die den lokalen Handel beeinflussen. Insgesamt wurden 111 Obstsammler und 17 Zwischenhändler mittels halbstrukturierter Fragebögen befragt. Diese Studie lieferte umfassende Daten zu Managementpraktiken entlang der Wertschöpfungskette von der Sammlung bis zur Lagerung der Früchte. Dies schloss auch die Auswirkungen der Sonnen- und Schattentrocknung der Früchte auf den Vitamin C Gehalt ein. Die Ergebnisse wurden durch eine Analyse der zugrunde liegenden Lieferkette (Sammler ~ Lieferant und Kommissionäre ~ Käufer) ergänzt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Vermarktung der Beeren durch niedrige Rohproduktqualität, schwankende Preise und geringe lokale Nachfrage stark behindert wird. Die Verkaufspreise der Früchte waren niedrig und für die Sammler nicht zufriedenstellend (1,82 US$ kg-1), obwohl zumeist arme Haushalte für ihren Lebensunterhalt an der Ernte und dem Verkauf beteiligt waren/sind. Die Aufarbeitungsbedingungen nach der Ernte, wie z.B. das traditionelle Trocknen in der Sonne und die Lagerung, waren unangemessen, was zu einer Verschlechterung der physischen und chemischen Qualität der Früchte führte und sich somit negativ auf den Verkaufspreis der Produkte auswirkte. Lieferkettenanalysen wiesen auf einen Mangel an Koordination zwischen den Akteuren und Problemen mit der Infrastruktur hin, die eine Sanddornproduktion in größerem Maßstab verhindern. Die Studie liefert Belege für die dringende Notwendigkeit, angemessene Lebensmittelqualitätsstandards zu definieren, die Kommunikation zwischen den verschiedenen Akteuren zu verbessern und die Ausbildung von Sammlern zu intensivieren. Malus × domestica ist eine der wichtigsten Obstkulturen der Gemäßigten Breiten, wird weltweit gehandelt und ist ein vergleichsweise gut dokumentiertes Kultigen, während die Sortenvielfalt in abgelegenen Gebieten noch weitgehend unerforscht ist. In GB ist die pflanzengenetische Vielfalt bei Äpfeln aufgrund der in jüngster Zeit gestiegenen Marktnachfrage und Bevorzugung moderner, ertragreicher Sorten durch die Landwirte von einem allmählichen Verlust bedroht. Daher wurde zwischen 2018 und 2019 eine dritte Studie zu den lokalen Apfelsorten durchgeführt, um deren Vielfalt, Sortenreichtum, baumpflegerische Aktivitäten sowie phänotypische und genotypische Parameter zu bewerten. Zu diesem Zweck wurden zwei Sackgassentäler (Ishkoman und Baltistan) ausgewählt, wobei zugrundegelegt wurde, dass pflanzengenetisches Material nur vom unteren Talende aus über Straßen und Handelsmärkte und nicht über wenig erschlossene Bergpässe eingeführt wurde. Insgesamt wurden 106 einzelne Apfelbäume beprobt, und 35 Baumbesitzer aus sieben Dörfern befragt. Pro Dorf wurde die Sortenvielfalt (basierend auf Alpha- und Beta-Diversität), dendrometrische Parameter und Fruchtmerkmale qualitativ und quantitativ gemessen. Für die Genotypisierung wurden elf SSR-Marker verwendet und Synonyme und Homonyme wurden auf der Grundlage einer Clusteranalyse unterschieden. Die Alpha-Sortenvielfalt war in Baltistan am höchsten, wo sogar ein Verwandter des Wildapfels (Malus baccata) gefunden wurde. Die Beta-Diversität zeigte drei kompositorisch unterschiedliche Cluster unter den Dörfern. Fruchtgewicht, Kelchtiefe und Achskernbreite zeigten die höchste Variabilität unter allen untersuchten Merkmalen und scheinen somit nützlich zur Unterscheidung der untersuchten Akzessionen zu sein. Baumpflegerische Maßnahmen wurden nur selten beobachtet und nur wenige lokale Sorten wurden vermarktet sondern die meisten wurden nur für den Eigenverbrauch verwendet. Die genetischen Daten zeigten 61 Multi-Locus-Genotypen (mittlere Genotypvielfalt: 58%) und 18 mutmaßliche Klone (bestehend aus 2 bis 9 Rameten), während die mittlere genetische Vielfalt mäßig war (He = 0.677). Die beobachteten negativen Inzuchtkoeffizienten deuteten auf einen Überschuss an Heterozygotie in drei genetischen Clustern mit hohem Genfluss zwischen Dörfern und Tälern hin. Entgegen unseren Erwartungen gab es keinen offensichtlichen Effekt der Zugänglichkeit (unterer bis oberer Teil des Tals) auf die Sortenvielfalt basierend auf den morphologischen oder genetischen Merkmalen. Eine moderate Korrelation (r = 0.627, p = 0.001) zwischen phänotypischen und genotypischen Merkmalen visualisiert durch eine Dendrogrammanalyse deutete auf genetisch verknüpfte Fruchtmerkmale hin, die eine weitere Untersuchung verdient. Sowohl der mäßige bis hohe Sortenreichtum als auch die, phänotypische und genetische Diversität unterstreicht die Bedeutung einer in-situ-Erhaltung des pflanzengentischen Materials von GB, das als Grundlage für zukünftige Züchtungsprogramme dienen kann. Unsere Studien zeigen überdies, dass Sanddorn und Apfel als Modellarten für P/PGR in GB dienen können, was die Notwendigkeit der Entwicklung von lokal geeigneten Erhaltungs- und Managementstrategien unterstreicht. Die Förderung von Vermarktungsstrukturen für einheimische P/PGRs kann zudem neue Einkommensquellen für lokale Gemeinschaften eröffnen. Dies kann dazu beitragen, das historisch biologische Erbe der Region zu erhalten. Studien, die Ergebnisse der Agrobiodiversität von P/PGR mit sozio-ökonomischen Daten kombinieren, bieten eine Orientierungshilfe bei der Identifizierung von P/PGR bieten, die es verdienen, erhalten und weiter gefördert zu werden. | ger |
| dcterms.accessRights | open access | |
| dcterms.creator | Nawaz, Muhammad Arslan | |
| dcterms.dateAccepted | 2021-04-15 | |
| dcterms.extent | IX, 183 Seiten | |
| kup.iskup | false |