cjas Cuban Journal of Agricultural Science Cuban J. Agric. Sci. 2079-3480 Ediciones ICA 00010 Pasture Science Study of morphoagronomic indicators of Cenchrus purpureus clones for biomass production Herrera R. S. 1 * Fortes Dayleni 1 García M. 1 Cruz Ana M. 1 Instituto de Ciencia Animal, C. Central km 47½, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba Instituto de Ciencia Animal Instituto de Ciencia Animal San José de las Lajas Mayabeque Cuba Email:rherrera@ica.co.cu 01 04 2019 04 2019 53 2 189 196 21 11 2018 28 01 2019 This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License ABSTRACT

Using a randomized block design with four replications, clones of Cenchrus purpureus (CT-6, CT-9, CT-13, CT-15, CT-24 and CT-28) obtained by in vitro tissue culture were evaluated and compared with their progenitor (CT-115) in typical red Ferralitic soil, for two years without irrigation and fertilization. In both evaluation years during the seasonal periods the height differed (P<0.001) between the clones and the CT-28 surpassed the CT-115 was highlighted. There were differences (P <0.001) in the percent of DM and their values varied in narrow range (17-23 % and 19-21 % in the dry and rainy season, respectively). With the exception of CT-24, the rest of clones showed leaves contents higher than 50 % and differed among them, but the highest value (64.88 %, P <0.001) was showed by CT-28 during the rainy season. The leaves length varied (P <0.0001) between clones and CT-9 was highlighted in both years (73.73 and 84.23 cm for the dry and rainy season, respectively for the first year and 68.6 and 76.7 cm for similar stages of the second year). Similar response pattern was obtained in the leaf width. The leaf area also differed between clones and the highest values were recorded in the rainy season of both years. There were significant differences between the clones in the seasonal and annual DM yield and the clones CT-9, CT-15, CT-24 and CT-28 were highlighted. There were also significant differences in the population of the clones at the beginning and end of the experiment, but when comparing these two stages there were not variation and the values ranged between 5.43 and 9.49 bunches/5m. In general terms, the studied indicators varied when comparing the studied years. There is a group of clones with favorable characteristics for forage production, where CT-9 and CT-28 were highlighted. Future studies using strategic fertilization and irrigation of promising clones are suggested.

 Key words: height yield leaves population leaf area INTRODUCTION

The cattle feeding in Cuba is based on the use of grasses and forages due to different reasons, among which can be mentioned: it is possible to grow them all year, when they are properly managed produce a high amount of biomass with appropriate quality, protect to the soil of erosion, they replace a certain amount of high-cost imported food and do not compete as a source of food with other animal species and even with man.

One of the species widely used as animal food in Cuba is Cenchrus purpureus determined by its ecological plasticity and high yields, due to its C4 photosynthetic path which efficiently converts light energy into biomass (Sage 2016).

On the other hand, in the Instituto de Ciencia Animal it has been worked on the improvement of C. purpureus through biotechnology applying in vitro tissue culture and physical mutagenesis. From this program, a group of clones with promising characteristics for forage, grazing, drought and salinity conditions were obtained (Herrera 2015, Herrera and Martínez 2015).

Therefore, the objective of this study was to evaluate some agronomic indicators of Cenchrus purpureus new clones, obtained by in vitro tissue culture at the Instituto de Ciencia Animal, with probable characteristics for biomass production.

 MATERIALS AND METHODS

Location, type of soil and climate. The experiment was carried out at the "Miguel Sistachs Naya" experimental station belonging to the Instituto de Ciencia Animal, located at 22º 53 NL and 82º 02 WL at 80 m o. s. l. The soil was typical red Ferralitic (Hernández et al. 2015).The rainfall during the experimental stage was 1234 mm and 80 % occurs during the rainy period, while the average annual mean temperature is 26 ºC, although in the dry season the value is lower (Herrera et al. 2018).

Treatment and design. A randomized block design, with four replications was used. As an experimental unit, the plot of 25 m2 was used. Six clones of Cenchrus purpureus obtained by in vitro tissue culture (CT-6, CT-9, CT-13, CT-15, CT-24 and CT-28) were evaluated and compared with their progenitor (C. purpureus vc Cuba CT-115).

Experimental procedure. The preparation of the soil was conventional (plowing, crossing and harrow). The experiment was sowing in the rainy season of 2015 and the plots were kept free of weeds until their establishment without the use of herbicides. Five-month-old seeds were planted in plots of 5 x 5 m, with sowing distance between furrows of 1 m and all the plots had equal number of buds.

After 120 days of establishment the establishment cut was made and the population was counted (number of bunches/5m). From then on, the samplings were made during the dry season every 90 days of regrowth and in the rainy period every 60 days for two years, under dry conditions and without fertilization. The cut was made with a machete at 10 cm above the soil level. The plot was cut leaving border effect of the external furrows, as well as 50 cm at the ends. All the cut material was homogenized, weighed and a random sample of 500 g was taken per plot. The sample was manually separated into leaves and stems which were introduced in an air circulation oven at 60 ºC to constant weight. The height, percent of DM of the whole plant, length of the fourth leaf completely open from the apex, width of the previous leaf in its middle part, leaf area of the referred leaf, leaves percent, DM yields and population according to Herrera (2006) methodology.

Statistical analysis. Analysis of variance (Visauta 2007) was performed according to the experimental design and the values represent the mean per cut in each seasonal period, except the total yield and the population. For the normal distribution of the data the Kolmogorov-Smirnov (Massey 1951) test was used and for the variances the Bartlett (1937) test, so that the population was transformed by square root of the observation. The mean values were compared according to Duncan (1955) test.

 RESULTS AND DISCUSSION

In all seasonal periods there were significant differences between the clones heights and there is a general tendency to decrease the height in the second year (table 1). Vieira da Cunha (2006) when evaluating clones and hybrids of Pennisetum sp. found variation in the height of each of them and attributed it to the specific characteristics of each plant and its response to climate, soil and management conditions. This performance was also reported by Herrera et al. (2012) when evaluating clones of Cenchrus purpureus which showed better agronomic indicators than their progenitor and attributed it to the recent preparation of the soil, the seed quality and the competition with weeds.

Height of clones during the experimental period

abcd Values with dissimilar letters per column differ at P<0.05 (Duncan 1955)

In both seasonal periods of the first year the DM percentage of the whole plant differed between clones and CT-24 highlighted, while, in the second year despite differing among clones, the values were in a narrower range with average value of 20 % (figure 1). This indicator is useful if the harvested biomass is used for the silage production, since it is a science that, in order to obtain quality silages, it is necessary that the material to be silage must have not less than 25 % of DM. Taking into account the above and considering the management conditions of this experiment, it is not advisable to directly ensile the biomass of these clones and it is necessary to pre-dry the green mass to increase the DM content.

DM percent of the clones in both seasonal periods for two years

The leaves content significantly varied between clones (table 2) and it was important to find values higher than 50 %, a quality that seems to beinhered from its progenitor (CT-115), which is characterized by its leafy character. This feature, join to its non-high height, makes it promising for the biomass production and had been previously obtained in clones that were obtained with better quality indicators and tolerant to drought and salinity (Díaz 2007 and Álvarez 2009).

Leaf content of the clones during the experimental period

abc Values with dissimilar letters per column differ at P<0.05 (Duncan 1955)

The length of the fourth fully open leaf significantly differed between clones in both seasonal periods in the two experimental years where CT-9 highlighted. However, the values of the second year were, in general, lower than those of the first year (table 3). Similar response pattern showed the leaf width (figure 2).

In both seasonal periods and during the two evaluation years, the leaf area of the fourth completely open leaf significantly differed between clones and CT-9 highlighted, the values of the rainy season were higher than the dry season and there was a certain tendency to decrease, in general, the values of the second year (table 4).

Length of the fourth completely open leaf of the clones

abcde Values with dissimilar letters per column differ at P<0.05 (Duncan 1955)

Length of the fourth completely open leaf of the clones

Leaf area of the fourth completely open leaf of the clones

abcd Values with dissimilar letters per column differ at P<0.05 (Duncan 1955)

Viera da Cunha (2006) when evaluating varieties of Pennisetum sp. showed that the height and density of the leaf blade were key indicators to describe and explain the variability between these plants, while Romalo Faca (2008), when studying 14 clones of this genus, reported the importance of the height and length of leaves, among other indicators, to establish the differences between them.

Fortes (2012) determined that the length and width of the leaf, leaf area and height of Pennisetum purpureum vc. Cuba CT-115 increased with the regrowth age, but these values decreased in the second year of exploitation in grazing and attributed it to the variations found in the content of chlorophylls and carotenoids in addition to the effect of climatic factors. Uvidia et al. (2014) reported that the characteristics of leaves, leaf area and height varied with the distance and sowing dose in Pennisetum purpureum, while Castañeda et al. (2015), Ray et al. (2016) and Olivera et al. (2017) when evaluating different varieties of this genus by means of multivariate analysis they found that the leafiness, length and width of the leaf and height were outstanding indicators to explain the variability between plants.

The DM yield differed between clones (table 5) and the highest values were recorded in the rainy season. It was noted that during the dry season of the first year the clones CT-9, CT-24 and CT-28 exceeded the yield of the progenitor, while, in the second year, in the same period all clones were higher than CT-115. This characteristic makes them promising for the biomass production in the period of low rainfalls and is an indicator of its possible drought tolerance, an aspect that should be studied in future researches.

DM yields of the clones during the experimental period

abcd Values with dissimilar letters per column differ at P<0.05 (Duncan 1955)

The performance of the measurements made in the fourth completely open leaf and its leaf area in relation to the DM yield attracted attention, since it was expected that its decrease in the second experimental year would lead to lower yield and this did not happen in a number of clones and agrees with that explained by Herrera (2018) who when studying the Pennisetum purpureum performance and climatic factors in a period of 40 years found that this plant increased its height but decreased its yield over the years. However, it would be important to study this performance related to photosynthetic pigments, since everything seems to show that there is a process which is related to the transformation efficiency of light energy in biomass through the photosynthetic pigments that must be studied.

Table 6 shows the performance of the population (bunches/5m) at the beginning and end of the experimental stage. In both cases there were significant differences between clones, but at the beginning of the experiment the CT-15 and CT-24 surpassed the CT-115, while at the end both clones and the CT-28 also did.

Population (bunches/5m) at the beginning and end of the study

abcd Values with dissimilar letters per column differ at P<0.05 (Duncan 1955).

( ) Real value

The results showed that there is a group of clones with appropriate characteristics for the production of forage biomass and of them the CT-9 and CT-28 were promising for their yields, especially in the dry season. In addition, its leaf content was high and it was notorious that these clones were not depopulated by the cut frequency used in the two studied years without irrigation or fertilization. However, it is necessary to performed future researches related to their possible drought tolerance, to know their quality indicators, apply fertilization and strategic irrigation, as well as to determine their performance in the performance of the animal that intake them.

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Mediante un diseño de bloques al azar con cuatro réplicas se evaluaron clones de Cenchrus purpureus (CT- 6, CT- 9, CT- 13, CT- 15, CT- 24 y CT- 28) obtenidos por cultivo de tejidos in vitro y se compararon con su progenitor (CT- 115) en suelo Ferralítico rojo típico, durante dos años sin riego ni fertilización. En ambos años de evaluación durante los períodos estacionales la altura difirió (P<0.001) entre los clones y se destacó el CT-28 que superó al CT-115. Hubo diferencias (P<0.001) en el por ciento de MS y sus valores variaron en estrecho rango (17-23 % y 19-21 % en el período poco lluvioso y lluvioso, respectivamente). Con excepción del CT-24, el resto de los clones mostró contenidos de hojas superiores a 50 % y difirieron entre sí, pero el mayor valor (64.88%, P<0.001) lo presentó el CT-28 durante el período lluvioso. La longitud de las hojas varió (P<0.0001) entre clones y se destacó CT-9 en ambos años (73.73 y 84.23 cm para el período poco lluvioso y lluvioso, respetivamente del primer año y 68.6 y 76.7 cm para similares etapas del segundo año). Similar patrón de respuesta se obtuvo en el ancho de la hoja. El área foliar también difirió entre clones y los mayores valores se registraron en el período lluvioso de ambos años. Hubo diferencias significativas entre los clones en el rendimiento estacional y anual de MS y se destacaron los clones CT-9, CT-15, CT- 24 y CT-28. También hubo diferencias significativas en la población de los clones al inicio y al final del experimento, pero al comparar estas dos etapas no se apreció variación y los valores oscilaron entre 5.43 y 9.49 macollas/5m. En términos generales, los indicadores estudiados variaron al comparar los años estudiados. Se dispone de un grupo de clones con características favorables para la producción de forraje, donde se destacaron CT-9 y CT-28. Se sugieren futuros estudios empleando fertilización estratégica y riego de los clones promisorios.

 Palabras clave: altura rendimiento hojas población área foliar INTRODUCCIÓN

La alimentación del ganado vacuno en Cuba se fundamenta en el empleo de los pastos y forrajes debido a distintas razones, entre las cuales se pueden señalar: es posible cultivarlos todo el año, cuando se manejan adecuadamente producen elevada cantidad de biomasa con apropiada calidad, protegen al suelo de la erosión, sustituyen cierta cantidad de alimentos importados de altos costos y no compiten como fuente de alimentos con otras especies de animales e incluso con el hombre.

Una de las especies ampliamente empleada como alimento animal en Cuba es Cenchrus purpureus determinado por su plasticidad ecológica y altos rendimientos, debido a su sendero fotosintético C4, que convierte eficientemente la energía luminosa en biomasa (Sage 2016).

Por otro lado, en el Instituto de Ciencia Animal se ha trabajado en el mejoramiento de C. purpureus mediante la biotecnología aplicando el cultivo de tejidos in vitro y la mutagénesis física. De este programa se obtuvieron un grupo de clones con características promisorias para forraje, pastoreo, condiciones de sequía y salinidad (Herrera 2015, Herrera y Martínez 2015).

Por ello, el objetivo del presente trabajo fue evaluar algunos indicadores agronómicos de nuevos clones de Cenchrus purpureus, obtenidos por cultivo de tejidos in vitro en el Instituto de Ciencia Animal, con probables características para la producción de biomasa.

 MATERIALES Y MÉTODOS

Ubicación, tipo de suelo y clima. El experimento se desarrolló en la estación experimental “Miguel Sistachs Naya” perteneciente al Instituto de Ciencia Animal, ubicado en los 22º 53 LN y los 82º 02 LO a 80 msnm. El suelo fue Ferralítico rojo típico (Hernández et al. 2015). La lluvia durante la etapa experimental fue de 1234 mm y el 80% de ellas ocurre durante el período lluvioso, mientras que la temperatura media promedio anual es de 26 ºC aunque en el período poco lluvioso el valor es inferior (Herrera et al. 2018).

Tratamiento y diseño. Se utilizó un diseño de bloques al azar, con cuatro réplicas. Como unidad experimental se empleó la parcela de 25 m2. Se evaluaron seis clones de Cenchrus purpureus obtenidas por cultivo de tejidos in vitro (CT-6, CT-9, CT-13, CT-15, CT-24 y CT-28) y se compararon con su progenitor (C. purpureus vc. Cuba CT-115).

Procedimiento experimental. La preparación del suelo fue convencional (aradura, cruce y grada). El experimento se sembró en el período lluvioso de 2015 y las parcelas se mantuvieron libres de arvenses hasta su establecimiento sin el empleo de herbicidas. Se plantaron semillas de cinco meses de edad en parcelas de 5 x 5 m, con distancia de siembra entre surcos de 1 m y todas las parcelas tenían igual número de yemas.

Transcurridos 120 días de establecimiento se realizó el corte de establecimiento y se contó la población (número de macollas/5m). A partir de ahí los muestreos se realizaron durante el período poco lluvioso cada 90 días de rebrote y en el lluvioso cada 60 días durante dos años, en condiciones de secano y sin fertilización. El corte se realizó a machete a 10 cm sobre el nivel del suelo. La parcela se cortó dejando efecto de borde de los surcos externos, así como 50 cm por los extremos. Todo el material cortado se homogenizó, se pesó y se tomó una muestra aleatoria de 500 g por parcela. La muestra se separó manualmente en hojas y tallos las que se introdujeron en estufa de circulación de aire a 60 ºC hasta peso constante. Se evaluaron la altura, por ciento de MS de la planta íntegra, longitud de la cuarta hoja completamente abierta a partir del ápice, ancho de la hoja anterior en su parte media, área foliar de la referida hoja, por ciento de hojas, rendimientos de MS y población según la metodología de Herrera (2006).

Análisis estadístico. Se realizó análisis de varianza (Visauta 2007) de acuerdo con el diseño experimental y los valores representan la media por corte en cada período estacional, excepto el rendimiento total y la población. Para la distribución normal de los datos se utilizó la prueba de Kolmogorov-Smirnov (Massey 1951) y para las varianzas la prueba de Bartlett (1937), por lo que la población se transformó mediante raíz cuadrada de la observación. Los valores medios se compararon de acuerdo con Duncan (1955).

 RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En todos los períodos estacionales hubo diferencias significativas entre las alturas de los clones y existe tendencia general a disminuir, la altura en el segundo año (tabla 1). Vieira da Cunha (2006) al evaluar clones e híbridos de Pennisetum sp. encontraron variación de la altura de cada una de ellos y lo atribuyeron a las características específica de cada planta y su respuesta a las condiciones de clima, suelo y manejo. Este comportamiento también lo informaron Herrera et al. (2012) al evaluar clones de Cenchrus purpureus que presentaron mejores indicadores agronómicos que su progenitor y lo atribuyeron a la reciente preparación del suelo, la calidad de la semilla y la competencia con las arvenses.

Height of clones during the experimental period

abcd Values with dissimilar letters per column differ at P<0.05 (Duncan 1955)

En ambos períodos estacionales del primer año el por ciento de MS de la planta íntegra difirió entre clones y sobresalió el CT-24, mientras que, en el segundo año a pesar de diferir entre clones, los valores estuvieron en un rango más estrecho con valor medio de 20 % (figura 1). Este indicador es de utilidad si la biomasa cosechada se emplea para la producción de ensilaje, ya que es ciencia constituida que, para la obtención de ensilajes de calidad, es preciso que el material a ensilar tenga no menos de 25 % de MS. Al tener en cuenta lo anterior y considerar las condiciones de manejo de este experimento, no es recomendable ensilar directamente la biomasa de estos clones y es necesario pre-secar al sol la masa verde para incrementar su contenido de MS.

DM percent of the clones in both seasonal periods for two years

El contenido de hojas varió significativamente entre clones (tabla 2) y fue importante encontrar valores superiores a 50 %, cualidad que parece heredar de su progenitor (CT-115) que se caracteriza por su carácter hojoso. Este rasgo unido a su no elevada altura lo hacen promisorios para la producción de biomasa y que había sido obtenido con anterioridad en clones que se obtuvieron con mejores indicadores de calidad y tolerantes a la sequía y salinidad (Díaz 2007 y Álvarez 2009).

Leaf content of the clones during the experimental period

abc Values with dissimilar letters per column differ at P<0.05 (Duncan 1955)

La longitud de la cuarta hoja totalmente abierta difirió significativamente entre clones en ambos períodos estacionales en los dos años experimentales donde sobresalió el CT-9. Sin embargo, los valores del segundo año fueron, en general, inferiores a los del primer año (tabla 3). Similar patrón de respuesta presentó el ancho de la hoja (figura 2).

En ambos períodos estacionales y durante los dos años de evaluación, el área foliar de la cuarta hoja completamente abierta difirió significativamente entre clones y sobresalió el CT-9, los valores del período lluvioso fueron superiores al poco lluvioso y se apreció cierta tendencia a disminuir, en general, los valores del segundo año (tabla 4).

Length of the fourth completely open leaf of the clones

abcde Values with dissimilar letters per column differ at P<0.05 (Duncan 1955)

Length of the fourth completely open leaf of the clones

Viera da Cunha (2006) al evaluar variedades de Pennisetum sp. señalaron que la altura y la densidad de la lámina foliar eran indicadores fundamentales para describir y explicar la variabilidad entre estas plantas, mientras que Romalo Faca (2008) al estudiar 14 clones de este género informó la importancia de la altura y la longitud de las hojas, entre otros indicadores, para establecer las diferencias entre ellos. Fortes (2012) determinó que la longitud y el ancho de la hoja, área foliar y la altura de Pennisetum purpureum vc. Cuba CT-115 aumentaron con la edad de rebrote, pero estos valores disminuyeron en el segundo año de explotación en pastoreo y lo atribuyó a las variaciones que encontró en el contenido de clorofilas y carotenoides además del efecto de los factores climáticos. Uvidia et al. (2014) reportaron que las características de las hojas, el área foliar y la altura varía con la distancia y dosis de siembra en Pennisetum purpureum, mientras que Castañeda et al. (2015), Ray et al. (2016) y Olivera et al. (2017) al evaluar diferentes variedades de este género mediante análisis multivariado encontraron que la hojosidad, longitud y ancho de la hoja y la altura eran indicadores destacados para explicar la variabilidad entre plantas.

Leaf area of the fourth completely open leaf of the clones

abcd Values with dissimilar letters per column differ at P<0.05 (Duncan 1955)

El rendimiento de MS difirió entre clones (tabla 5) y los mayores valores se registraron en el período lluvioso. Llamó la atención que durante el período poco lluvioso del primer año los clones CT-9, CT-24 y CT-28 superaron el rendimiento del progenitor, mientras que, en el segundo año, en el mismo período todos los clones fueron superiores al CT-115. Esta característica los hace promisorio para la producción de biomasa en el período de bajas precipitaciones y es un indicador de su posible tolerancia a la sequía, aspecto este que debe ser estudiado en investigaciones futuras.

DM yields of the clones during the experimental period

abcd Values with dissimilar letters per column differ at P<0.05 (Duncan 1955)

Llamó la atención el comportamiento de las medidas realizadas en la cuarta hoja totalmente abierta y su área foliar en relación con el rendimiento de MS, ya que era de esperar que su disminución en el segundo año experimental propiciara menor rendimiento y esto no sucedió en un número de clones y concuerda con lo planteado por Herrera (2018) quiene al estudiar el comportamiento de Pennisetum purpureum y los factores climáticos en un período de 40 años encontraron que esta planta incrementaba su altura pero disminuía su rendimiento con el transcurso de los años. Sin embargo, sería de importancia estudiar esta conducta relacionada con los pigmentos fotosintéticos, ya que todo parece indicar que existe un proceso que está relacionado con la eficiencia de transformación de la energía lumínica en biomasa a través de los pigmentos fotosintéticos que debe ser estudiado.

La tabla 6 presenta el comportamiento de la población (macollas/5m) al inicio y final de la etapa experimental. En ambos casos hubo diferencias significativas entre clones, pero al inicio del experimento el CT-15 y CT-24 superaron al CT-115, mientras que al final ambos clones y el CT-28 también lo hicieron.

Population (bunches/5m) at the beginning and end of the study

abcd Values with dissimilar letters per column differ at P<0.05 (Duncan 1955).

( ) Real value

Los resultados evidenciaron que se dispone de un grupo de clones con características apropiadas para la producción de biomasa forrajera y de ellos resultaron promisorios el CT-9 y CT-28 por sus rendimientos, en especial, en el período poco lluvioso. Además, su contenido de hojas fue elevado y resultó notorio que estos clones no se despoblaron por la frecuencia de corte empleada en los dos años estudiados sin riego ni fertilización. Sin embargo, es necesario realizar futuras investigaciones relacionadas con su posible tolerancia a la sequía, conocer sus indicadores de calidad, aplicar fertilización y riego estratégicos, así como determinar su comportamiento en la conducta del animal que los consume.