Agricultural systems models worldwide are increasingly being used to explore options and solutions for the food security, climate change adaptation and mitigation and carbon trading problem domains. APSIM (Agricultural Production Systems sIMulator) is one such model that continues to be applied and adapted to this challenging research agenda. From its inception twenty years ago, APSIM has evolved into a framework containing many of the key models required to explore changes in agricultural landscapes with capability ranging from simulation of gene expression through to multi-field farms and beyond. Keating et al. (2003) described many of the fundamental attributes of APSIM in detail. Much has changed in the last decade, and the APSIM community has been exploring novel scientific domains and utilising software developments in social media, web and mobile applications to provide simulation tools adapted to new demands. This paper updates the earlier work by Keating et al. (2003) and chronicles the changing external challenges and opportunities being placed on APSIM during the last decade. It also explores and discusses how APSIM has been evolving to a “next generation” framework with improved features and capabilities that allow its use in many diverse topics.

Better understanding of root system structure and function is critical to crop improvement in water-limited environments. The aims of this study were to examine root system characteristics of two wheat genotypes contrasting in tolerance to water limitation and to assess the functional implications on adaptation to water-limited environments of any differences found. The drought tolerant barley variety, Mackay, was also included to allow inter-species comparison. Single plants were grown in large, soil-filled root-observation chambers. Root growth was monitored by digital imaging and water extraction was measured. Root architecture differed markedly among the genotypes. The drought-tolerant wheat (cv. SeriM82) had a compact root system, while roots of barley cv. Mackay occupied the largest soil volume. Relative to the standard wheat variety (Hartog), SeriM82 had a more uniform rooting pattern and greater root length at depth. Despite the more compact root architecture of SeriM82, total water extracted did not differ between wheat genotypes. To quantify the value of these adaptive traits, a simulation analysis was conducted with the cropping system model APSIM, for a wide range of environments in southern Queensland, Australia. The analysis indicated a mean relative yield benefit of 14.5% in water-deficit seasons. Each additional millimetre of water extracted during grain filling generated an extra 55 kg ha–1 of grain yield. The functional implications of root traits on temporal patterns and total amount of water capture, and their importance in crop adaptation to specific water-limited environments, are discussed.

CONTEXT: Drought and extreme heat at flowering are common stresses limiting the yield of summer crops, which are likely to intensify and become more frequent as projected under climate change. OBJECTIVE: This study explores the idea that adaptation to these stresses could be increased by sowing summer crops early in late winter or spring, to avoid the overlap with critical crop stages around flowering. Here we report on the impacts of early sowing i.e., in late winter and spring on sorghum crop and root growth and function (i.e., water use), and final grain yield. METHODS: Two seasons of on-farm genotype (G) by environment (E) by management (M) sorghum experimentation were conducted in the Darling Downs region of Queensland, Australia. Each trial consisted of a factorial combination of three times of sowing (TOS, referred to as late winter, spring, and summer), two levels of irrigation, four target plant populations, and six commercial genotypes. Treatments were replicated three times. Crop roots and shoot were sampled at the flag leaf stage for each TOS. Crop water use across the growing season was monitored using time-lapse electromagnetic induction (EMI) surveys. EMI was also used to calculate a root activity factor. Final grain yield and yield components were determined at maturity. RESULTS: Results showed that TOS, irrigation levels, and their interactions significantly influenced crop root and shoot traits, water use, and yield, though results were not always consistent across seasons. In the first season which was dry and had large temperature contrasts between TOS, crop growth in the early sown crops was primarily limited by temperature. In contrast, the second season was much warmer and crop growth was instead primarily limited by water availability. Cold air and soil temperatures in the early sowing dates during the first season i.e., late winter and spring, lead to smaller crops with smaller rooting systems and root-to-shoot ratios, and roots having a larger average root diameter. In general terms, root length growth and root length density responded positively to increasing pre-flowering mean air temperatures ranging between 16 and 20C, while root average diameters were larger below 19 or above 21C. Early sowing advanced flowering and therefore decreased the risk of extreme heat during the critical stages around flowering and affected water use before and after flowering. The root activity factor was directly related to the crop root length density. The early sown crops increased yield by transferring water use from vegetative to reproductive stages. The larger yield of early sown sorghum was associated with larger grain numbers. Early sown crops had larger values of water use efficiency associated with larger total grain numbers, particularly for the tillers. As expected, the lowest values of water use efficiency were observed in irrigated and summer sown crops. The early sowing times left more water in the soil profile at maturity, particularly under irrigated conditions and with small plant populations. CONCLUSIONS: We conclude that early sown sorghum is a potential option to increase crop adaptation to hotter and drier environments. Here we propose that in the race to increase crop adaptation to heat stresses, plant breeding efforts should consider cold tolerance traits during crop germination, emergence, and early vegetative stages so that sorghum sowing windows could be significantly advanced.

Abstract Context Phenotypic plasticity can be a valuable adaptation strategy for coping with environmental heterogeneity. There is limited information on the plasticity of root traits and their effect on yield and yield stability. Objectives With a perspective of phenotypic plasticity, we focus on functional root traits associated to water uptake in field-grown sorghum to answer: (i) How do genetic (G), environmental (E) and management (M) factors and their interactions, affect the root traits? and (ii) How do root traits and their plasticity affect yield and yield stability? Methods A new high-throughput functional root phenotyping approach was used in G × E × M trials to quantify two root traits, maximum rooting depth (MxRD) and a root activity index (RAindex). Crop phenotypic plasticities were determined using the reaction norm method. Results The applied G × E × M treatments created plastic responses between the tested hybrids. There was a hierarchy of plasticities for the different traits studied i.e., grain number traits > root traits > grain weight traits. The plasticity of root traits was associated with the stability of grain yield traits. Hybrids with high root plasticity tend to have more stable grain numbers and grain weights. Conclusions There is valuable genetic diversity in the mean value and plasticity of root traits that could be used to match root phenotypes to target production environments. Our root phenotyping approach can be a valuable tool for understanding the dynamic interactions between root function, root architecture and yield traits in the field under variable environments.