Information related to this report CRP: Livestock Flagship: FP3 – Feeds and Forages Cluster: Cluster 2: Development of new feed and forage options Activity: P1685 – Activity/Product Line 3.2.1: Improved feed & forage germplasm and new tools and technologies for breeding Deliverable: • D17259 – Report on selections and hybrid performance in first multienvironmental trial (Observation 1) of Br19. Luis Hernandez, Gonzalo Rios, Paula Espitia & Valheria Castiblanco Summary: With the aim to increase the supply of forage options, the Tropical Forages program at the International Center for Tropical Agriculture (CIAT; now Alliance Bioversity International – CIAT), has contributed since 1968 continuously to improve livestock production systems through selection and breeding of Urochloa grass to identify genotypes with desirable characteristics such as drought-tolerance, spittlebug resistance and adaptation to acid soils, which has allowed enhancing the efficiency of livestock production systems in the tropics. A new cohort of interspecific and apomictic hybrids (Br19) was evaluated in three locations to select best 300 hybrids with high adaptation to acid soils. The experiment was conducted in Federer's augmented designs. Traits such as biomass, height, coverage area, and growth habit were evaluated. An analysis of variance and another of genetic variability were performed only for the height trait. The analysis of variance indicates that there are significant differences between genotypes, revealing that there is sufficient variability in evaluated genotypes so the selection to develop new cultivars with the desired height can be effective. The evaluation dates in the three environments showed high values of heritability combined with high values of genetic advancement, which indicates that the height trait is controlled by the additive action of genes and can be improved by simple selection or by descent methods. Key Words: Urochloa, reciprocal recurrent selection, multi-environmental trial. Resumen: Con el objetivo de incrementar las opciones de ofertas forrajeras, el programa de forrajes tropicales del centro internacional de agricultura tropical (CIAT; ahora Allianza Bioversity Internacional – CIAT), ha contribuido desde 1968 continuamente en el mejoramiento de sistemas de producción ganadera a través de la selección y mejoramiento genético de Urochloa con el fin de identificar genotipos con características deseables como tolerancia a la sequía, resistencia al complejo salivazo y adaptación a suelos ácidos lo que ha permitido optimizar la eficiencia de los sistemas de producción ganadera del trópico. Una nueva cohorte de híbridos interespecificos apomícticos (Br19) se evaluó en tres localidades con el fin de seleccionar 300 híbridos con alta adaptación a suelos ácidos. El experimento fue conducido en un diseño experimental de bloques aumentados de Federer. Variables como biomasa, altura, área de cobertura y habito de desarrollo fueron evaluadas. Un análisis de varianza y otro de variabilidad genética fueron realizados únicamente para la variable altura. El análisis de varianza indica que existen diferencias significativas entre los genotipos utilizados en el estudio, revelando que existe suficiente variabilidad en el carácter evaluado, por lo que la selección para desarrollar nuevos cultivares con una altura deseada puede ser efectiva. Las fechas de evaluación en los tres ambientes mostraron altos valores de heredabilidad combinados con altos valores de avance genético, lo que indica que el carácter altura está controlado por la acción aditiva de genes y puede mejorarse mediante selección simple o por métodos de descendencia. Palabras clave: Urochloa, selección recurrente recíproca, ensayo multiambiental. Introducción El mayor limitante en sistemas de producción ganadera del trópico seco se centra en el bajo número de ofertas forrajeras que se adapten a sus condiciones edafoclimáticas. La región ganadera de los llanos orientales se caracteriza por presentar suelos ácidos (Miles et al., 1996), periodos de sequía prolongados (hasta seis meses con baja precipitación) y presencia de plagas (complejo salivazo (Hemitera: Cercopidae); Holmann y Peck, 2002) y enfermedades (Rhizoctonia solani Kuhn.; Alvarez et al., 2013). A pesar que en el mercado existen cultivares que presentan características como alta adaptación a suelos ácidos (c.v. Basilisk; Wenzl et al., 2001), resistencia al complejo salivazo (c.v. Marandu; Nunes et al. 1984) y alta calidad nutricional (c.v Toledo; Lascano et al., 2002), pocos genotipos logran reunir todas estas características. Sumado a lo anterior, existe el riesgo potencial que las plagas y enfermedades logres quebrar la resistencia de las plantas y/o aparición aparición de nuevas potenciales plagas. Para suplir la demanda de ofertas forrajeras, el programa de forrajes tropicales del centro internacional de agricultura tropical CIAT, ha contribuido desde 1968 en el mejoramiento continuo de sistemas de producción ganadera a través de la selección y mejoramiento genético de Urochloa con el fin de identificar genotipos con características deseables como tolerancia a la sequía, resistencia al complejo salivazo y adaptación a suelos ácidos lo que permitirá optimizar la eficiencia de los sistemas de producción ganadera del trópico. Los cruces genéticos del programa de mejoramiento de Urochloa interespecífico tiene como base genética el cruce entre accesiones tetraploides (2n=4x=36) de las especies U. brizantha, U. decumbens y U. ruziziensis (Miles, 2007). El programa sigue un esquema de selección recurrente basada en habilidad combinatoria específica en el cual cada tres años se produce una nueva progenie de híbridos a partir del cruzamiento entre los materiales sexuales mejorados y el probador apomíctico CIAT:606 (c.v. Basilisk; Worthington & Miles, 2015). La progenie obtenida se utiliza para el desarrollo de nuevos cultivares a través de la selección en tándem, en la cual en la primera etapa se seleccionan los híbridos con mejor capacidad de adaptación a suelos ácidos. Luego, las poblaciones híbridas seleccionados se avalúan contra limitantes bióticos y abióticos y rasgos de calidad nutricional. Finalmente, los híbridos elite son sometidos a ensayos multilocacionales para evaluar su interacción con el ambiente. Para el año 2019 se logró obtener una cohorte de 7039 híbridos, correspondientes al 11º ciclo de selección recurrente. De estos híbridos, 3507 mostraron ser de naturaleza apomíctica (identificados a través del marcador molecular p779/p780; Worthington, 2016) los cuales entran en proceso de evaluación para selección en tándem. Por esto, el objetivo del presente estudio fue evaluar la población hibrida apomíctica Br19 con el fin de seleccionar una cohorte de 300 híbridos con alta adaptación a suelos ácidos. Materiales y Métodos Genotipos evaluados Durante los años 2019 y 2020, se evaluaron en tres localidades (Palmira, LlanosAlta y LlanosBaja) 2507 hibridos apomicticos (poblacion Br19), 299 híbridos sexuales (Sx18, mothers of Br19 genotypes) y tres testigos (Mulato II, Basilisk y Marandú). Diseño experimental Para la siembra en campo se extrajeron macollas de plantas mantenidas en vivero y se sembraron suelo y arena en una proporción 3:1. Veinte días después, los genotipos fueron transportados a campo y sembrados siguiendo un arreglo experimental de bloques aumentados de Federer (Federer, 1956). El diseño experimental fue generado en el software R mediante la función design.dau del paquete estadístico agricolae (Mendiburu and Muhammad, 2020). En total se generaron tres repeticiones, cada una de 46 bloques de 64 unidades experimentales (8 filas, 8 columnas) de las cuales 3 correspondieron a los testigos (Mulato II, Basilisk y Marandú). Los bloques fueron ensamblados en Excel con el fin de generar el mapa de campo y los respectivos listados de evaluación. Manejo agronómico El primer lote seleccionado para el estudio está ubicado en el Valle geográfico del rio Cauca en el campus Palmira del CIAT (coordenadas) el cual se caracteriza por presentar condiciones de alta fertilidad. Los otros dos lotes seleccionados correspondieron a lotes de altillanura (Puerto López, Finca el Porvenir, coordenadas) históricamente utilizados para la producción de ganado en sistemas extensivos y caracterizados por su elevada saturación de Aluminio. Los lotes ubicados en altillanura fueron fertilizados (Tabla 1) veinte días después de la siembra. La siembra se realizó de forma manual colocando las plántulas a una profundidad de 10 cm. El control de malezas se realizó combinando el método mecánico y químico. Ocho días antes de la siembra se aplicaron los herbicidas pre-emergentes Atrazina® y Dual® a una dosis de 1.5 g l-1 y 1.5 cc l-1 respectivamente. Posterior a la siembra se utilizó el método mecánico de forma focalizada según la necesidad. Para el control de hormiga arriera (Acromirmex sp.) se realizaron aplicaciones de lorsban 75 WG mezclado con cal (relación 1:1) con la ayuda de una insufladora. Table 1. Fuente y dosis de fertilización aplicado en lotes de altillanura. LlanosAlta LlanosBaja Dosis Dosis Dosis Elementos Fuente Dosis Fuente Elemento Fuente Elemento (g/plant) (kg/ha) (g/plant) (kg/ha) N Urea 80 17.39 40 8.69 P DAP 50 10.86 20 4.35 K KCL 100 10 20 2 Ca Cal dolomita 66 22 33 11 Mg Cal dolomita 28.5 11.4 14.25 5.5 S Flor de azufre 20 2.35 10 1.2 Menores Borozinco 15 1.5 -- -- Fechas de evaluación y caracteres evaluados En cada ambiente se realizaron evaluaciones en cinco fechas separadas (Tabla 2). La primera evaluación fue conducida 8 semanas después de la siembra. Dos evaluaciones se realizaron en época de máxima precipitación y dos en época de mínima precipitación cada una a 35 días de rebrote. Posterior a cada evaluación se realizó un corte de estandarización a 20 cm de altura. Los caracteres evaluados sobre las plantas fueron: habito de crecimiento, biomasa visual, altura y área de cobertura. El hábito de crecimiento fue estimado únicamente en la primera evaluación de forma visual en una escala de 1 a 5, siendo 1 una planta totalmente rastrera y 5 una planta totalmente erecta (Figura 1). La biomasa visual se estimó según la cantidad de materia verde producida en un rango de 1 a 9, siendo 1 la planta con menor biomasa y 9 la planta con mayor biomasa. La altura (cm) se cuantifico midiendo la distancia desde la parte basal de la planta hasta la altura máxima. El área de cobertura (cm2) fue estimada mediante el análisis de imágenes capturadas con dron. Tabla 2. Fechas de siembra, corte y evaluación en lotes de altillanura y Palmira. Altillanura Palmira Actividad Precipitación Precipitación Fecha Fecha realizada total (mm) total (mm) Siembra 16-ago-19 17-jul-19 375 288 Evaluación 1 23-sep-19 6-nov-19 Corte 1 1-oct-19 9-nov-19 119 104 Evaluación 2 25-nov-19 13-ene-20 Corte 2 26-dic-19 16-mar-20 27 107 Evaluación 3 25-feb-20 22-abr-20 Corte 3 17-mar-20 29-abr-20 422 220 Evaluación 4 20-abr-20 10-Jul-20 Corte 4 4-may-20 21-jul-20 826 72 Evaluación 5 20-jun-20 7-sep-20 Análisis estadístico Todos los análisis estadísticos fueron realizados utilizando el programa estadístico R (R-4.0.3, R Core Team, 2020). Un gráfico de densidad fue elaborado para conocer la distribución de los datos utilizando el paquete estadístico ggplot2 (Wickham, 2011). Un análisis de varianza y otro de variabilidad genética fueron realizados únicamente para la variable altura por ambiente y fecha de evaluación haciendo uso del paquete estadístico augmentedRCBD (Aravind et al. 2020). Resultados y discusión En general, los datos de los parámetros evaluados presentaron una distribución normal (Figure 2). En cada ambiente, los valores de altura y área de cobertura fueron mayores en época de máxima precipitación que en época de mínima precipitación (Table 3, Figure 2). Comparando los datos de altillanura, los genotipos presentaron mejor comportamiento en LlanosAlta que en LlanosBaja. En Palmira los mayores valores promedio se presentaron en la evaluación cuatro la cual coincide con la época de máxima precipitación. Figure 1. Distribución de los datos de los parámetros evaluados en la población Br19 en las tres localidades. Los datos de evaluación de hábito de crecimiento siguieron una distribución normal (Figura 3). Los genotipos Br19 mostraron ser en su mayoría de habito decumbente (38.8%), los cuales, en algunos casos, presentan estolones. El 18.3% de los genotipos mostraron ser de habito rastrero, estos genotipos se caracterizan por tener hojas y entrenudos cortos, poca altura y, en algunos casos, presencia de estolones lo que se deriva en alta área de cobertura. El 6.6% presento habito de crecimiento erecto, estos se caracterizan por tener tallos gruesos y entrenudos largos y hojas largas, ideales para sistemas de corte y acarreo. Hábito de desarrollo Figura 2. Distribución de los datos de habito de desarrollo evaluado sobre la población Br19. Número y proporción de genotipos Análisis de varianza El análisis de varianza indica que existen diferencias significativas entre los genotipos utilizados en el estudio, revelando que existe suficiente variabilidad en el carácter evaluado (Altura) en las 5 fechas de cada localidad, por lo que la selección para desarrollar nuevos cultivares con una altura deseada puede ser efectiva. El resultado del análisis de varianza se presenta en la Tabla 1 y 2. Tabla 1. Análisis de varianza (con ajuste de tratamiento) realizado para la variable Altura en cinco fechas de evaluación y estimada sobre los genotipos Br19 sembrados en bloques aumentados de Federer en tres localidades. Source Df 1 1 3 4 5 Block (ignoring Treatments) 45 956.09 ** 1119.64 ** 926.79 ** 488.68 ** Treatment (eliminating Blocks) 2750 149.03 ** 230.02 ** 225.06 ** 100.07 ** Treatment: Check 2 1615.14 ** 1054.22 ** 548.55 * 275.54 ** Treatment: Test and Test vs. Check 2748 147.96 ** 229.42 ** 224.83 ** 99.94 ** Residuals 91 54.24 49.95 121.84 50.03 Block (ignoring Treatments) 45 692.59 ** 527.48 ** 194.85 ** 263.57 ** 801.41 ** Treatment (eliminating Blocks) 2765 66.33 ** 113.61 ** 43.3 ** 57.07 ** 97.05 ** Treatment: Check 2 1238.54 ** 2631.01 ** 747.66 ** 405.75 ** 968.67 ** Treatment: Test and Test vs. Check 2763 65.48 ** 111.79 ** 42.79 ** 56.81 ** 96.42 ** Residuals 90 27.41 51.36 26.97 21.37 39.57 Block (ignoring Treatments) 45 153.02 ** 475.63 ** 224.33 ** 419.54 ** 346.14 ** Treatment (eliminating Blocks) 2786 90.82 ** 148.22 ** 51.63 ** 77.18 ** 133.93 ** Treatment: Check 2 663.36 ** 1018.33 ** 126.46 ** 43.31 ns 531.93 ** Treatment: Test and Test vs. Check 2784 90.41 ** 147.59 ** 51.58 ** 77.21 ** 133.65 ** Residuals 90 45.16 42.32 19.49 31.12 56.12 Tabla 2. Análisis de varianza (con ajuste de bloques) realizado para la variable Altura en cinco fechas de evaluación y estimada sobre los genotipos Br19 sembrados en bloques aumentados de Federer en tres localidades Source Df 1 2 3 4 5 Treatment (ignoring Blocks) 2750 163.56 ** 247.55 ** 237.94 ** 107.25 ** Treatment: Check 2 1615.14 ** 1054.22 ** 548.55 * 275.54 ** Treatment: Test vs. Check 1 3111.67 ** 3937.94 ** 482.61 * 1601.9 ** Treatment: Test 2747 161.43 ** 245.62 ** 237.63 ** 106.58 ** Block (eliminating Treatments) 45 68.02 ns 48.42 ns 139.46 ns 49.88 ns Residuals 91 54.24 49.95 121.84 50.03 Treatment (ignoring Blocks) 2765 76.37 ** 120.16 ** 46.06 ** 60.7 ** 108.71 ** Treatment: Check 2 1238.54 ** 2631.01 ** 747.66 ** 405.75 ** 968.67 ** Treatment: Test vs. Check 1 638.4 ** 297.1 * 990.35 ** 3176.29 ** 3756.36 ** Treatment: Test 2762 75.33 ** 118.28 ** 45.21 ** 59.32 ** 106.76 ** Block (eliminating Treatments) 45 75.59 ** 124.89 ** 25.34 ns 40.34 ** 85.08 ** Residuals 90 27.41 51.36 26.97 21.37 39.57 Treatment (ignoring Blocks) 2786 92.29 ** 154.83 ** 54.63 ** 83.11 ** 138.54 ** Treatment: Check 2 663.36 ** 1018.33 ** 126.46 ** 43.31 ns 531.93 ** Treatment: Test vs. Check 1 35.88 ns 13.17 ns 1804.44 ** 8475.28 ** 11620.89 ** Treatment: Test 2783 91.9 ** 154.26 ** 53.95 ** 80.13 ** 134.13 ** Block (eliminating Treatments) 45 62.52 ns 66.28 * 38.84 ** 52.37 * 61.22 ns Residuals 90 45.16 42.32 19.49 31.12 56.12 LlanosAlta LlanosBaja Palmira LlanosAlta LlanosBaja Palmira Análisis de variabilidad genética Los resultados del análisis de variabilidad genética se presentan en la tabla 3. Los valores de coeficiente de variación genotípica fueron menores al coeficiente de variación fenotípica en las tres localidades en todas las fechas de evaluación. En Palmira se presentaron los valores más altos de coeficiente de variación genotípica (19 – 38.5) y fenotípica (26.8 – 43.1). En las cinco fechas de evaluación de los tres ambientes el coeficiente de variación fenotípica es clasificado como alto (Sivasubramaniam and Madhavamenon, 1973) mientras que el coeficiente de variación genotípica se clasifica como medio. En general, la alta magnitud de la variación fenotípica (PV) se compuso de una alta variación genotípica (GV) y una menor variación ambiental (EV, tabla 3), lo que indica una alta variabilidad genética para la variable altura y una menor influencia del entorno. Por lo tanto, la selección basada en el fenotipo puede ser eficaz para mejorar estos rasgos en futuros cultivares. La heredabilidad o confiabilidad del valor fenotípico de la altura, fue clasifica de media a alta (de acuerdo con Robinson 1966). Estos valores sugieren que puede ser efectivo realizar una selección de genotipos basados en el carácter altura. Altos valores de heredabilidad indican que la expresión del carácter evaluado esta menos influenciado por el ambiente. El avance genético como porcentaje de la media proporciona información concerniente a la efectividad de selección para la mejora de rasgos (Johnson et al. 1955). En el presente estudio se encontró que el avance genético como porcentaje de la media oscila entre 23.3 y 70.9, clasificado, según Johnson et al. (1955), como alto en los tres ambientes en todas las fechas de evaluación. Teniendo en cuenta que la heredabilidad en sentido amplio encierra efectos tanto aditivos como epistáticos, se tiene que es confiable solo cuando en el experimento existen altos valores de avance genético. Por tanto, las estimaciones de heredabilidad junto con el avance genético son más útiles que la heredabilidad por sí misma para predecir la efectividad de la selección (Johnson et al. 1955). En este estudio todas las fechas de evaluación en los tres ambientes mostraron altos valores de heredabilidad combinados con altos valores de avance genético, lo que indica que el carácter altura está controlado por la acción aditiva de genes y puede mejorarse mediante selección simple o por métodos de descendencia (Panse and Sukhatme, 1957). Tabla 3. Genetic Variability Analysis from Height data obtained in Br19 populatoin evaluated in trhee environments. CV: coefficient of variation; PV: phenotyic variance; GV genotyipc variance; EV: environmental variance; GCV: genotypic coefficient of variation; PCV: phenotypic coefficient of variation; ECV: environmental coefficient of variation; hBS: broad-sense heritability; GA: genetic advance; GAM: genetic advance as percent of mean. GCV PCV hBS GAM Env Date Mean PV GV EV GCV PCV ECV hBS GA GAM category category category category 1 37.4 75.3 47.9 27.4 18.5 Medium 23.2 High 14 63.6 High 11.4 30.5 High 2 45.1 118.3 66.9 51.4 18.1 Medium 24.1 High 15.9 56.6 Medium 12.7 28.1 High 3 24.1 45.2 18.2 27.0 17.8 Medium 28 High 21.6 40.3 Medium 5.6 23.3 High 4 39.0 59.3 38.0 21.4 15.8 Medium 19.8 Medium 11.9 64.0 High 10.2 26.1 High 5 47.3 106.8 67.2 39.6 17.3 Medium 21.8 High 13.3 62.9 High 13.4 28.4 High 1 38.5 91.9 46.7 45.2 17.7 Medium 24.9 High 17.4 50.9 Medium 10.1 26.1 High 2 53.6 154.3 111.9 42.3 19.7 Medium 23.2 High 12.1 72.6 High 18.6 34.7 High 3 30.3 54.0 34.5 19.5 19.4 Medium 24.2 High 14.6 63.9 High 9.7 31.9 High 4 41.4 80.1 49.0 31.1 16.9 Medium 21.6 High 13.5 61.2 High 11.3 27.3 High 5 53.2 134.1 78.0 56.1 16.6 Medium 21.8 High 14.1 58.2 Medium 13.9 26.1 High 1 33.7 161.4 107.2 54.2 30.8 High 37.8 High 21.9 66.4 High 17.4 51.7 High 2 36.4 245.6 195.7 50.0 38.5 High 43.1 High 19.4 79.7 High 25.8 70.9 High 4 56.7 237.6 115.8 121.8 19.0 Medium 27.2 High 19.5 48.7 Medium 15.5 27.3 High 5 38.6 106.6 56.6 50.0 19.5 Medium 26.8 High 18.3 53.1 Medium 11.3 29.3 High Siguientes etapas Construir un índice de selección teniendo en cuenta los valores de todos los parámetros evaluados en los diferentes ambientes y fechas de evaluación. Luego de realizada la selección se debe proceder a implementar dos estudios, el primero para determinar la calidad nutricional de los genotipos y el segundo una prueba de progenie con el fin de corroborar la efectividad del marcador molecular de apomixis. Posterior a la prueba de progenie y calidad nutricional, los mejores 100 genotipos serán sometidos a estrés biótico (complejo salivazos, Hemiptera: Cercopidae) y abiótico (sequia). Acknowledgements This work was done as part of the CGIAR Research Program on Livestock. We thank all donors that globally support our work through their contributions to the CGIAR system. Referencias Alvarez, E., Latorre, M., Bonilla, X., Sotelo, G., & Miles, J. W. (2013). Diversity of Rhizoctonia spp. causing foliar blight on Brachiaria in Colombia and evaluation of Brachiaria genotypes for foliar blight resistance. Plant disease, 97(6), 772-779. Palmira Llanos Alta Llanos baja Aravind, J., Mukesh Sankar, S., Wankhede, D. P., and Kaur, V. 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