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Kodo Millet Genetic Engineering: A Vision for Eradicating Hunger Worldwide

Génie génétique du millet de Kodo : Une vision pour éradiquer la faim dans le monde

Introduction

Food security in drought-prone regions, exacerbated by climate change, is a critical challenge for modern agriculture, particularly as traditional water-intensive crops like wheat, rice, and maize struggle in such environments. This has spurred interest in drought-tolerant, underutilized crops like Paspalum scrobiculatum (Kodo millet)1, an ancient grain cultivated for centuries in Africa, India, and Nepal, valued for its resilience, sustainability, and nutritional richness. Kodo millet is rich in carbohydrates, proteins, and essential micronutrients, including calcium, magnesium, phosphorus, and iron, while also being a good source of fiber and antioxidants, which support health benefits such as managing hyperglycemia, lipid profiles, and gut health2, 3. Its low glycemic index further makes it suitable for individuals with diabetes or those managing weight. Kodo millet's short 3- to 4-month growing cycle enables multiple annual harvests, providing a stable food supply for communities while its rising market demand in the gluten-free and health food sectors offers smallholder farmers opportunities to sell surplus, diversify income, and enhance food security and poverty alleviation4, 5

Kodo millet's natural drought resilience is driven by key physiological adaptations, including its C4 photosynthetic pathway, which enhances water-use efficiency compared to C3 crops like wheat and rice, particularly under high-temperature, low-moisture conditions6-8. Its deep root system enables access to water in lower soil layers, while efficient stomatal regulation minimizes transpiration-related water loss. Additionally, Kodo millet thrives in nutrient-poor, marginal soils with minimal fertilizer inputs, making it an ideal crop for regions where conventional agriculture struggles, combining drought tolerance with low input requirements to ensure productivity in challenging environments 9, 10

Enhancing Kodo millet natural drought tolerance through genetic modification could further alleviate hunger from the world. This could be accomplished by genetically modifying Kodo millet with key adaptative features of desert plants like water storage, reduced leaf size, deep root systems, stomatal regulation, and capability to cope the abiotic stress. The transcriptome of P. scrobiculatum suggests several genes for plant's ability to cope with dehydration11. Using comparative transcriptomics with transcripts of desert plants, we can gain idea on ancestral inherited genes in common. Major stress and drought related genes, like DTX35, a detoxifying efflux carrier that enhances drought tolerance12; MYB52 involved in abiotic stress response and ABA hypersensitivity13; NF-YA10 regulating responses to drought and salinity stress14; and RBCS1A, associated with Rubisco content and adaptation to drought stress15, can be incorporated, repressed or overexpressed. Through genetic engineering, desired traits can be introduced into normal plants, potentially enabling them to survive in arid conditions. Selective breeding programs can select individuals that exhibit desirable traits, gradually enhancing drought resistance and physiological adaptations can be induced via environmental stress. 

Genetically modified P. scrobiculatum offers a robust solution to food insecurity in drought-prone areas due to its innate drought tolerance, low input requirements, and nutritional richness. As climate change continues to challenge traditional agriculture, crops like Kodo millet are essential for building resilient and sustainable food systems. Its potential to improve food security, nutrition, and economic sustainability makes it a key candidate for future agricultural policies aimed at addressing hunger in drought-affected regions.

References

1. Kumar, D., Patel, S., Naik, R. & Mishra, N. Study on physical properties of indira kodo-I (Paspalum scrobiculatum L.) millet. International Journal of Engineering Research and Technology 5, 39-45 (2016).

2. Neelam, Y., Kanchan, C., Alka, S. & Alka, G. Evaluation of hypoglycemic properties of kodo millet based food products in healthy subjects. IOSR J. Pharm 3, 14-20 (2013).

3. Shahidi, F. & Chandrasekara, A. Millet grain phenolics and their role in disease risk reduction and health promotion: A review. Journal of Functional Foods 5, 570-581 (2013).

4. Bunkar, D.S., Goyal, S., Meena, K.K. & Kamalvanshi, V. Nutritional, functional role of kodo millet and its processing: a review. International Journal of Current Microbiology and Applied Sciences 10, 1972-1985 (2021).

5. Saini, S., Saxena, S., Samtiya, M., Puniya, M. & Dhewa, T. Potential of underutilized millets as Nutri-cereal: an overview. Journal of Food Science and Technology, 1-13 (2021).

6. Jency, J.P. et al. Induced mutagenesis enhances lodging resistance and photosynthetic efficiency of kodomillet (Paspalum scrobiculatum). Agronomy 10, 227 (2020).

7. Bandyopadhyay, T., Muthamilarasan, M. & Prasad, M. Millets for next generation climate- smart agriculture. Frontiers in plant science 8, 1266 (2017).

8. Reddy, Y.N. et al. in Millets and pseudo cereals 143-158 (Elsevier, 2021).

9. Krishnababu, M. et al. Exploring Millet Genetic Diversity for Improved Crop Resilience: A Review. International Journal of Environment and Climate Change 14, 898-905 (2024).

10. Fatondji, D., Ajeigbe, H.A. & Ibrahim, A. Modern Crop Management Practices for Pearl Millet Cultivation in Semi-Arid Africa. Pearl Millet in the 21st Century: Food-Nutrition-Climate resilience-Improved livelihoods, 445-477 (2024).

11. Suresh, B.V. et al. De novo transcriptome analysis identifies key genes involved in dehydration stress response in kodo millet (Paspalum scrobiculatum L.). Genomics 114, 110347 (2022).

12. Lu, P. et al. Overexpression of cotton a DTX/MATE gene enhances drought, salt, and cold stress tolerance in transgenic Arabidopsis. Frontiers in plant science 10, 299 (2019).

13. Ma, R. et al. Biological function and stress response mechanism of MYB transcription factor family genes. Journal of Plant Growth Regulation42, 83-95 (2023).

14. Yu, Y. et al. Soybean nuclear factor YA10 positively regulates drought resistance in transgenic Arabidopsis thaliana. Environmental and Experimental Botany180, 104249 (2020).

15. Izumi, M., Tsunoda, H., Suzuki, Y., Makino, A. & Ishida, H. RBCS1A and RBCS3B, two major members within the Arabidopsis RBCS multigene family, function to yield sufficient Rubisco content for leaf photosynthetic capacity. Journal of Experimental Botany 63, 2159- 2170 (2012).

Bloodroot Photo by A. Bosorogan

Introduction

La sécurité alimentaire dans les régions sujettes à la sécheresse, exacerbée par le changement climatique, est un défi majeur pour l'agriculture moderne, d'autant plus que les cultures traditionnelles à forte consommation d'eau, comme le blé, le riz et le maïs, ont du mal à s'adapter à ces environnements. Cette situation a suscité l'intérêt pour des cultures tolérantes à la sécheresse et sous-utilisées telles que Paspalum scrobiculatum (millet de Kodo)1, une céréale ancienne cultivée depuis des siècles en Afrique, en Inde et au Népal, appréciée pour sa résilience, sa durabilité et sa richesse nutritionnelle. Le millet de Kodo est riche en hydrates de carbone, en protéines et en micronutriments essentiels, notamment en calcium, en magnésium, en phosphore et en fer, tout en étant une bonne source de fibres et d'antioxydants, qui contribuent à des bienfaits pour la santé tels que la gestion de l'hyperglycémie, les profils lipidiques et la santé intestinale2, 3. Son faible indice glycémique le rend également adapté aux personnes souffrant de diabète ou à celles qui gèrent leur poids. Le cycle de croissance court de 3 à 4 mois du millet de Kodo permet des récoltes annuelles multiples, fournissant un approvisionnement alimentaire stable aux communautés, tandis que la demande croissante du marché dans les secteurs des aliments sans gluten et des aliments de santé offre aux petits exploitants agricoles des opportunités de vendre leurs excédents, de diversifier leurs revenus et d'améliorer la sécurité alimentaire et la réduction de la pauvreté4, 5.

La résistance naturelle du millet de Kodo à la sécheresse est due à des adaptations physiologiques clés, notamment sa voie de photosynthèse en C4, qui améliore l'efficacité de l'utilisation de l'eau par rapport aux cultures en C3 comme le blé et le riz, en particulier dans des conditions de température élevée et de faible humidité6-8. Son système racinaire profond permet d'accéder à l'eau dans les couches inférieures du sol, tandis qu'une régulation stomatique efficace minimise les pertes d'eau liées à la transpiration. En outre, le millet de Kodo prospère dans des sols marginaux pauvres en nutriments avec un apport minimal d'engrais, ce qui en fait une culture idéale pour les régions où l'agriculture conventionnelle est en difficulté, combinant la tolérance à la sécheresse avec de faibles besoins en intrants pour assurer la productivité dans des environnements difficiles 9, 10

L'amélioration de la tolérance naturelle à la sécheresse du millet de Kodo par le biais de modifications génétiques pourrait contribuer à réduire la faim dans le monde. Cela pourrait être réalisé en modifiant génétiquement le millet de Kodo avec des caractéristiques d'adaptation clés des plantes désertiques telles que le stockage de l'eau, la taille réduite des feuilles, les systèmes racinaires profonds, la régulation stomatique et la capacité à faire face au stress abiotique. Le transcriptome de P. scrobiculatum suggère plusieurs gènes pour la capacité de la plante à faire face à la déshydratation11. En utilisant la transcriptomique comparative avec les transcriptions des plantes désertiques, nous pouvons nous faire une idée des gènes ancestraux hérités en commun. Les principaux gènes liés au stress et à la sécheresse, comme DTX35, un transporteur d'efflux détoxifiant qui améliore la tolérance à la sécheresse12 ; MYB52 impliqué dans la réponse au stress abiotique et l'hypersensibilité à l'ABA13 ; NF-YA10 régulant les réponses à la sécheresse et au stress salin14; et RBCS1A, associé au contenu de la Rubisco et à l'adaptation au stress de la sécheresse15, peuvent être incorporés, réprimés ou surexprimés. Grâce au génie génétique, les caractéristiques souhaitées peuvent être introduites dans des plantes normales, ce qui pourrait leur permettre de survivre dans des conditions arides. Les programmes de sélection permettent de choisir les individus qui présentent les caractéristiques souhaitées, en renforçant progressivement la résistance à la sécheresse et les adaptations physiologiques peuvent être induites par le stress environnemental. 

P. scrobiculatum génétiquement modifié offre une solution solide à l'insécurité alimentaire dans les zones sujettes à la sécheresse, grâce à sa tolérance innée à la sécheresse, à ses faibles besoins en intrants et à sa richesse nutritionnelle. Alors que le changement climatique continue de remettre en question l'agriculture traditionnelle, des cultures comme le millet de Kodo sont essentielles pour mettre en place des systèmes alimentaires résistants et durables. Son potentiel d'amélioration de la sécurité alimentaire, de la nutrition et de la durabilité économique en fait un candidat clé pour les futures politiques agricoles visant à lutter contre la faim dans les régions touchées par la sécheresse. 

Références

1. Kumar, D., Patel, S., Naik, R. & Mishra, N. Study on physical properties of indira kodo-I (Paspalum scrobiculatum L.) millet. International Journal of Engineering Research and Technology 5, 39-45 (2016).

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5. Saini, S., Saxena, S., Samtiya, M., Puniya, M. & Dhewa, T. Potential of underutilized millets as Nutri-cereal: an overview. Journal of Food Science and Technology, 1-13 (2021).

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7. Bandyopadhyay, T., Muthamilarasan, M. & Prasad, M. Millets for next generation climate- smart agriculture. Frontiers in plant science 8, 1266 (2017).

8. Reddy, Y.N. et al. in Millets and pseudo cereals 143-158 (Elsevier, 2021).

9. Krishnababu, M. et al. Exploring Millet Genetic Diversity for Improved Crop Resilience: A Review. International Journal of Environment and Climate Change 14, 898-905 (2024).

10. Fatondji, D., Ajeigbe, H.A. & Ibrahim, A. Modern Crop Management Practices for Pearl Millet Cultivation in Semi-Arid Africa. Pearl Millet in the 21st Century: Food-Nutrition-Climate resilience-Improved livelihoods, 445-477 (2024).

11. Suresh, B.V. et al. De novo transcriptome analysis identifies key genes involved in dehydration stress response in kodo millet (Paspalum scrobiculatum L.). Genomics 114, 110347 (2022).

12. Lu, P. et al. Overexpression of cotton a DTX/MATE gene enhances drought, salt, and cold stress tolerance in transgenic Arabidopsis. Frontiers in plant science 10, 299 (2019).

13. Ma, R. et al. Biological function and stress response mechanism of MYB transcription factor family genes. Journal of Plant Growth Regulation42, 83-95 (2023).

14. Yu, Y. et al. Soybean nuclear factor YA10 positively regulates drought resistance in transgenic Arabidopsis thaliana. Environmental and Experimental Botany180, 104249 (2020).

15. Izumi, M., Tsunoda, H., Suzuki, Y., Makino, A. & Ishida, H. RBCS1A and RBCS3B, two major members within the Arabidopsis RBCS multigene family, function to yield sufficient Rubisco content for leaf photosynthetic capacity. Journal of Experimental Botany 63, 2159- 2170 (2012).


Université du Québec à Trois-Rivières

Basanta Lamichhane is a final-year PhD student in Molecular Biology specializing in metabolic engineering and alkaloid biosynthesis in Prof. Isabel Desgagne-Penix’s lab at Université du Québec à Trois-Rivières under co-supervision of Prof. Hugo Germain. Being a passionate molecular biologist, working in the wet lab has become his favorite hobby.


Université du Québec à Trois-Rivières

Basanta Lamichhane est étudiant en dernière année de doctorat en biologie moléculaire et se spécialise dans l'ingénierie métabolique et la biosynthèse des alcaloïdes dans le laboratoire du professeur Isabel Desgagne-Penix à l'Université du Québec à Trois-Rivières sous la co-supervision du professeur Hugo Germain. Étant un biologiste moléculaire passionné, le travail en laboratoire humide est devenu son passe-temps favori.

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