Summary As the center of diversity for sorghum [ Sorghum bicolor (L.) Moench], elite cultivars selected in Ethiopia are of central importance to sub-Saharan food security. Despite being presumably well adapted to their center of diversity, elite Ethiopian sorghums nonetheless experience constraints to productivity, for example associated with shifting rainfall patterns associated with climate change. A sorghum backcross nested association mapping (BC-NAM) population developed by crossing thirteen diverse lines pre-identified to have various drought resilience mechanisms, with an Ethiopian elite cultivar, Teshale, was tested under three rain-fed environments in Ethiopia. 27, 15, and 15 QTLs with predominantly small additive effects were identified for days to flowering, days to maturity, and plant height, respectively. Many associations detected in this study corresponded closely to known or candidate genes or previously mapped QTLs, supporting their validity. Field tests show drought resilience to be improved by incorporation of adaptations from the diverse donor lines. The expectation that genotypes such as Teshale from near the center of diversity tend to have a history of strong balancing selection, with novel variations more likely to persist in small marginal populations, was strongly supported in that for these three traits, nearly equal numbers of alleles from the donor lines conferred increases and decreases in phenotype relative to the Teshale allele. Such rich variation provides a foundation for selection to traverse a ‘valley’ of reduced yield and arrive at a new ‘adaptive peak’, exemplifying the nature of efforts that may be necessary to adapt many crops to new climate extremes. Societal Impact Statement In Ethiopia, agriculture is the largest economic sector and contributes 48% of the nation’s GDP, and sorghum provides more than one third of the cereal diet and is widely grown for food, feed, brewing, and construction purposes. With a worldwide water crisis looming, developing drought tolerant sorghum is vital in rain-fed environments, particularly in sub-Saharan Africa. Addressing such issues often requires a far-reaching approach to identify and incorporate new traits into a gene pool, followed by a period of selection to re-establish an overall adaptive phenotype. This study revealed that with the enormous altitudinal variation of a country such as Ethiopia, somewhat different lines may be needed for different locales.

Abstract Climate-change-associated shifts in rainfall distribution together with a looming worldwide water crisis make drought resilience of central importance to food security. Even for relatively drought resilient crops such as sorghum, moisture stress is nonetheless one of the major constraints for production. Here, we explore the potential to use natural genetic variation to build on the inherent drought tolerance of an elite cultivar (Teshale) bred for Ethiopian conditions including chronic drought, evaluating a backcross nested-association mapping (BC-NAM) population using 12 diverse founder lines crossed with Teshale under three drought-prone environments in Ethiopia. All twelve populations averaged higher head exsertion and lower leaf senescence than the recurrent parent in the two highest-stress environments, reflecting new drought resilience mechanisms from the donors. A total of 154 QTLs were detected for eight drought responsive traits – the validity of these were supported in that 100 (64.9%) overlapped with QTLs previously detected for the same traits, concentrated in regions previously associated with ‘stay-green’ traits as well as the flowering regulator Ma6 and drought resistant gene P5CS2 . Allele effects show that some favorable alleles are already present in the Ethiopian cultivar, however the exotic donors offer rich scope for increasing drought resilience. Using model-selected SNPs associated with eight traits in this study and three in a companion study, phenotypic prediction accuracies for grain yield were equivalent to genome-wide SNPs and were significantly better than random SNPs, indicating that these studied traits are predictive of sorghum grain yield. Rich scope for improving drought resilience even in cultivars bred for drought-prone regions, together with phenotypic prediction accuracy for grain yield, provides a foundation to enhance food security in drought-prone areas like the African Sahel.