Leguminosas

06.12.2006

Swiss Centre for International AgricultureSchweizerisches Zentrum für Internationale LandwirtschaftCentre Suisse pour l’Agriculture Internationale

Financiado Financiado parcialmente por:parcialmente por:

Leguminosas arbustivas con taninos: Potencial y limitaciones para la

alimentación del ganado en el trópico Tassilo Tiemann, Hans-Dieter Hess, Carlos Lascano

Seminario del CIAT

206.12.2006 Tassilo Tiemann, Animal Nutrition, ETH Zürich. [email protected]

The forage potential of tanniniferous legumes: Search for sustainable ways to cope with nutritional limitations in smallholder livestock

El potencial forrajero de leguminosas taníferas:Buscar maneras sostenibles como superar limitaciones nutricionales para la ganadería de pequeños agricultores


Objetivo general del proyecto

El desarrollo de sistemas de alimentación más eficientes basados en leguminosas arbustivascon altos niveles de taninos condensados, contribuyendo al mejoramiento de la productividad de la ganadería y al aumento del ingreso de pequeños productores.


Problema

Deficiencia de proteína es el problema más grave para la ganadería en el trópico.Particularmente pronunciado en sitios con

suelos ácidos e infértiles sequía prolongada

Las leguminosas conocidas (Leucaena, Gliricidia etc) de alta calidad no se adaptan a suelos acidos de baja fertilidad


Problema

Exceso de gases del efecto invernadero constituye un problema global.

Rumiantes son una de las mayores fuentes de metano del mundo


Posibles soluciones

Leguminosas arbustivas con taninos podrían representar una solución para los dos problemas por

Su capacidad de adaptación a suelos ácidos de baja fertilidadsu capacidad de fijar nitrógeno del airesu sistema radicular extenso y profundosu alta capacidad de persistenciael potencial de taninos de mitigar la producción de metano en rumiantes


Introducción taninos

Taninos son compuestos secundarios (no esenciales)

Son un grupo altamente heterogéneo

Taninos forman complejos con muchos compuestos (proteínas, carbohidratos, minerales)

Se distingue 2 grupos grandes:Taninos hidrolizables

Taninos condensados (TC)


Introducción taninosLos TC son polímeros de diferentes antocianidinas

Antocianidinas son colorantes (p.e. en flores)

Pelargonidina (510 nm) p.e. en Salvia

Cyanidina (525 nm) p.e. en Rosas rojas

Delfinidina (535 nm) p.e. en Verbena


Introducción taninosEsos tres monómeros pueden formar polímeros de diferentes tamaños y composiciones: se conocen aprox. 15000 TC→ alta variabilidad en sus carácteristicas químicas y biológicas


Introducción digestión ruminalEl tracto digestivo del rumiante:

La digestión sucede en compartimentos diferenciados con condiciones diferentes


Objetivos de la presentación

Definir los efectos ambientales sobre la productividad y calidad de especies arbustivas con y sin taninosEvaluar el efecto de mezclas con y sin taninos en procesos de digestión ruminalDeterminar la utilidad de las mezclas con y sin taninos en parámetros de producción animal


1. Interacción ambiente-plantaRendimiento de biomasaPropiedades químicas de taninos


Interacción ambiente-planta - rendimientoEvaluación de 5 leguminosas arbustivas:

Calliandra calothyrsus Leucaena leucocephala

Desmodium velutinum Cratylia argentea

Flemingia macrophylla


Cultivación en sitios contrastantes (Palmira/Llanos) y con diferentes niveles de fertilización en bloques completamente al azar

Palmira: Mollisol, pH 7.5 Llanos: Oxisol, pH 4.5en Enero 2005, 9 meses después del establecimiento

Interacción ambiente-planta - rendimiento


Evaluación de supervivencia y rendimientoEvaluación de propiedades biológicas y químicas

Producción de biomasa por planta en 9 semanas (lluvias)Fertilización: baja: 20 P, 20 K, 500 Ca, 10 S

alta: 50 P, 60 K, 1000 Ca, 40 S



Diferencias significativas (P<0.05) entre especies y sitios

Producción de biomasa de hojas (se excluyó Leucaena)Matazul (Llanos): diferencia marcada entre sitios y especies con y sin taninos

0

200

400

600

800

1000

1200

Palmira Matazul

peso

sec

o de

folla

je [g

]

Calliandra FlemingiaCratyliaDesmodium

a

c‘

b

ab

b

b‘

a‘

c‘



Interacción de fertilización con sitio en producción de MSEfectos claros de fertilización en los suelos pobres de Matazul

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Palmira Matazul

peso

sec

o to

tal [

g]

altobajo

a

a‘

a

b‘

Diferencias significativas con P<0.05



Resumen

Diferencias significativas entre sitios en producción de biomasa

Mayor producción en suelos fértilesMayor respuesta a fertilización en suelos pobres

Diferencias en la adaptación de las especies a suelos de baja fertilidad

Calliandra y Flemingia muestran la mejor adaptación para los dos sitios y particularmente para Matazul



Interacción ambiente-planta (química de taninos)

Evaluación de 3 leguminosas arbustivas:

Calliandra calothyrsus Flemingia macrophylla Leucaena leucocephala



Prueba de astringencia Cuantificación de Antocianidinas por HPLC Identificación del peso molecular de las diferentes fracciones por HPLC y MALDI-ToF


HCl-Butanol Purificación



Astringencia -Capacidad de ligar proteina

Spectrum Index Plot

Sample Name FRACYOLLMETHAN Vial 1 Injection 0 Date Acquired 10/07/96 10:33:56

nm500.00550.00

531.84.76

4.757nm500.00

550.00

526.1

6.34

6.337nm500.00

550.00

508.87.82

7.818nm500.00

550.00

485.8

500.2

526.1

543.4

557.8

8.92

8.916nm500.00

550.00

526.1543.4 9.38

9.381nm500.00

550.00

534.7 10.76

10.762

AU

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

Minutes0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00

4.75

7

6.33

7

7.81

8

8.91

69.

381

10.7

62

unknown unknown unknowndelphinidin pelargonidincyanidin

Monómeros - HPLC Peso molecular



Prueba de astringencia (Hagerman 1998)Efectos marcados entre especies en astringencia de taninosTendencia a mayor astringencia de taninos en plantas fertilizadas

Palmira

0

1

2

3

4

5

6

7

Flemingia P Calliandra P Leucaena P

Astr

inge

ncy

[mm

]

Fertilización baja

Fertilización altaa

b b

* Diferencias significativas (P<0.05) entre especies (minúsculas) y niveles de fertilización (asteriscos)



Análisis de la composición monoméricaDiferencias significativas debidas a especies

Flemingia: alta proporción de Delfinidina (muy astringente)


0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Flemingia Calliandra Leucaena

DesconocidosPelargonidinCianidinDelfinidin

a b

a

a

c

b

bc

ca aa



Peso molecular de taninos (Barahona et al, p.p.)Diferencias entre especies en el grado de polimerización de los taninos

Peso molecular de fracciones de taninos en Dalton

1a fracción 2a fracción 3a fracción

--

~1000

~500

Calliandra 250-650 --

Flemingia ~350 ~2000

Leucaena 250-350 ~1000



Los taninos de las especies evaluadas tienen diferente astringencia, composición monomérica y grado de polimerización.

Un nivel alto de fertilización aumenta la astringencia de diferentes taninos

La fertilización no influye significativamente en la composición monomérica de los taninos


Resumen


2. Taninos y efectos en fermentación


Objetivo

Evaluar el efecto de taninos de leguminosas en parámetros de fermentación in vitro


Ensayo 1

Evaluar el efecto de diferentes concentraciones de taninos de varios especies sobre la dinámica de fermentación in vitro


Taninos y efectos en fermentación


Diseño experimentalMezcla básica:

Brachiaria humidicola (CIAT 6133) (67%)+Vigna unguiculata (CIAT 391) (33%)

Adición de 25, 50, 75 y 100mg de taninos purificados de

Calliandra calothyrsus (CIAT 22310 & 22316)Flemingia macrophylla (CIAT 17403)Leucaena leucocephala (CIAT 734)



Comperación con niveles de taninos intermedios

0

50

100

150

200

250

300

3 6 9 12 24 36 48 60 72 96 120 144 168

Horas

Prod

ucci

ón d

e ga

s [m

l]

Br/Cau

310-50

316-50Fl-50

Leu-50

Niveles altos de taninos reducen tasa y magnitud de la fermentación

Taninos de Calliandra: mayor efecto en patrones de fermentaciónTaninos de Leucaena: menor efecto en patrones de fermentación

Diferencias significativas (P<0.05) entre especies/ accesiones

Comperación con niveles de taninos altos

0

50

100

150

200

250

300

3 6 9 12 24 36 48 60 72 96 120 144 168

Horas

Prod

ucci

ón d

e ga

s [m

l]

Br/Cau

310-100

316-100Fl-100

Leu-100



Simulación de los procesos en el tracto digestivoTaninos y efectos en fermentación


Calidad forrajera – efecto de taninosInclusión de leguminosas taníferas (% MS)

Tratamiento 0 11 22 33

Digestibilidad in vitro de la proteína total

C. argentea 95.4

C. calothyrsus 22310 - 93.1 90.0 84.8 b

C. calothyrsus 22316 - 92.0 88.4 79.3 c

F. macrophylla - 92.8 86.8 87.0 a

L. leucocephala - 93.0 91.0 90.6 a

Digestibilidad in vitro de la proteína por HCL/pepsina

C. argentea 7.0

C. calothyrsus 22310 - 14.4 20.7 27.2 a (32%)

C. calothyrsus 22316 - 13.1 15.7 11.7 c (15%)

F. macrophylla - 17.6 24.7 26.5 a (30%)

L. leucocephala - 12.9 17.4 20.8 b (23%)


Existen diferencias entre taninos de leguminosas de cómo afectan la digestión ruminal

Esa influencia depende tanto del tipo de tanino como de su concentración

Las diferencias entre accesiones pueden ser mayores que entre especies

Resumen



4. Efectos in vivo


Efectos in vivo

Para una evaluación completa del forraje se evaluó

Los efectos de los taninos mediante un balance completo de C y N en ovinos

El impacto en la emisión de metano in vivo en ovinos

Los efectos en la producción y calidad de leche de vacas


Efectos in vivoEnsayos en Colombia y Suiza con ovinos y vacas

Balance de nitrógeno

Producción de leche

Emisión de metano


Efectos in vivo – balance de N

VARIABLES CONTRASTEST2 vs T4 T3 vs T1 vs T2,T4 T1 vs T3,T5

Consumo de N g/d 0.421 0.951 0.010 <0.001N total al duodeno g/d 0.009 0.373 0.311 0.017Absorción Aparente de N g/d 0.014 0.637 0.656 0.087

La adición de los taninos reduce disponibilidad de N

Control(T1)

Calliandra y Flemingia 15% (T2 y T4)

Calliandra y Flemingia30% (T3 y T5)

0

2

4

6

8

10

12

14


Efectos in vivo – balance de N

La adición de plantas taníferas puede aumentar la eficiencia microbial

0

2

4

6

8

10

12

Control(T1)

Calliandra y Flemingia 15% (T2 y T4)

Calliandra y Flemingia30% (T3 y T5)

a

ba

g de N microbial/kg de MO digerida


Efectos in vivo – emisión de metanoLa emisión total de metano bajó en las dietas con alto contenido de leguminosas taníferas

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

Brach

Brach/CaupiCall 15%

Call 30%Flem 15%

Flem 30%

CH4

[l]/k

g pe

so m

etab

ólic

o

a

b b b

d c

2021222324252627282930

Brach

Brach/CaupiCall 15%

Call 30%Flem 15%

Flem 30%

CH

4 [l]

/con

sum

o [k

g]

a a

a a

bb



Efectos in vivo – producción de leche

heno de Caupi 100% 5.3 a 87.3heno de Calliandra 100% 3.6 c 28.9heno de Calliandra/Caupi (67/33%) 4.4 b 59.4heno de Calliandra/Caupi (33/67%) 4.7 b 81.2

Produccion de leche LCG(kg)

Consumo %TRATAMIENTOS

La adición de plantas taníferas disminuye la producción de leche con respecto a la leguminosa sin taninosSin embargo consumo y producción suben con mezclas en comparación a la leguminosa con taninos



Efectos in vivoResumen

Taninos reducen la disponibilidad de proteína para el animalMezclar plantas taníferas con leguminosas de alta calidad mejora altamente el consumo y la producción de leche comparado con dietas puras de especies taníferasLa producción de metano se reduce con la adición de especies taníferas


Conclusiones finales


Conclusiones finalesLeguminosas taníferas muestran un mejor rendimiento en suelos ácidos y aguantan mejor la sequía en ellos que plantas sin taninos

Diferentes especies y accesiones varían mucho en el tipo de taninos que contienen y en la actividad biológica de ellos

La composición monomérica de los taninos no depende de la fertilización

El impacto de las leguminosas taníferas en producción animal se puede mejorar mediante la mezcla con leguminosas de alta calidadsin taninos

La emisión de metano baja con la adición de leguminosas con taninos


Conclusiones finales

En mezclas con leguminosas de alta calidad las plantas seleccionadas presentan una alternativa viable para pequeños agricultores en regiones con suelos ácidos y con una sequía prolongada para mantener la producción animal en un nivel intermedio


Visión

Los retos de la futura investigación deben ser:

Seleccionar plantas con un mejor rendimiento y una fase de establecimiento más corta y segura

Encontrar técnicas que permiten relacionar mejor las características químicas de los taninos con su actividad biológica

Buscar plantas con taninos favorables para la alimentación animal


Agradecimientos

Les agradezco su atención e interés


Les agradezco su atención e interés


6. Efectos en la fertilidad de suelos


Efectos en la fertilidad de suelosEnsayo al principio y después de 40 días


Efectos en la fertilidad de suelos

Diferencia significativa con P<0.05

0

0.5

1

1.5

2

2.5

heces20

heces80

sinfertil

heces20

heces80

urea 20 urea 80 sinfertil

sin microelementos con microelementos

% n

itróg

eno

desp

ués

de 5

6d [%

] a

b

a‘b‘

c‘ c‘ c‘

c

Efecto de diferentes tratamientos en el porcentaje de nitrógeno en las plantas.

Sin microelementos: taninos en heces muestran efecto claro


Efectos en la fertilidad de suelos

Diferencia significativa con P<0.05

0

20

40

60

80100

120

140

160

180

heces20

heces80

sinfertil

heces20

heces80

urea 20 urea 80 sinfertil

sin microelementos con microelementos

mg

nitró

geno

des

pués

de

56d

[%]

a

b

a‘

b‘b‘ b‘c‘

c

Efecto de diferentes tratamientos en el contenido de nitrógeno en las plantas.

La cantidad total de N es mayor con mayor adición de heces


Efectos en la fertilidad de suelosResumen

Un efecto de taninos se muestra solamente en suelos muy pobres sin niveles adecuadas de microelementos.

Más heces resultan en porcentualmente menos N en la planta.

La cantidad absoluta de N secuestrada en las plantas aumenta con la cantidad de heces aplicadas.


Evaluación agronómicaCondiciones: Palmira: 24.3°C, 896mm/año, 960m snm

Matazul: 26°C, 2250mm/año, 160m snm30 plantas/bloque, solo las 12 centrales evaluadas

Diferencias entre sitios y especies son significativas con P<0.05

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

Calliandra Flemingia Leucaena Cratylia Desmodium

punt

os d

e cl

asifi

caci

ón

Palmira altoMatazul alto

Interacción ambiente-planta


Calidad forrajera – efecto de taninosProteína cruda en relación a la proporción PEG:TC

La cantidad de PEG requerida para neutralizar diferentes taninos varia


Calidad forrajera – efecto de taninos

Ácidos grasos volátiles:Aun promediado sobre todas las concentraciones hay una diferencia marcada en cantidad y calidad de los AGV

AGV totales

58

60

62

64

66

68

70

72

Calliandra 22310 Calliandra 22316 Flemingia Leucaena

conc

entra

ción

[mm

ol] '

acetato:propionato

3.2

3.4

3.6

3.8

4

Calliandra 22310 Calliandra 22316 Flemingia Leucaena

rela

ción

ace

t: pr

op

a

ab

bcc

a

b

c

d



0102030405060708090

100

11 22 33

Inclusión de taninos [%]

Deg

rada

ción

de

PC

en

el ru

men

[%]

C. calothyrsus 22310 C. calothyrsus 22316F. macrophylla L. leucocephala

Efecto de proteína sobrepasante (bypass protein)El efecto de proteína sobrepasante es demostrableSin embargo no puede compensar el efecto negativo de los taninos en el rumen completamente

75

80

85

90

95

100

11 22 33


Deg

rada

ción

de

PC to

tal [

%]

C. calothyrsus 22310 C. calothyrsus 22316F. macrophylla L. leucocephala

aa

b

c0

5

10

15

20

25

30

11 22 33


Deg

rada

ción

de

PC c

on p

epsi

na [%

]

C. calothyrsus 22310C. calothyrsus 22316F. macrophyllaL. leucocephala

aa

b

c

aabb


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