Relationship between colour type, environment - ETH E

DISS. ETHZ N°19377
Relationship between colour type, environment and
composition of the Andean plant maca (Lepidium
meyenii Walp.) and of its utility for enhancing fertility
in breeding bulls
A dissertation submitted to the
ETH Zurich
for the degree of
Doctor of Sciences ETH Zurich
Presented by
CÉLINE CLÉMENT
Dipl. Ing. Agr. ETH Zürich
Born 15. 12. 1978
Citizen of Ependes, Fribourg
Examiner : Michael Kreuzer
Co-examiner : Emmanuel Frossard
2011
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Summary
SUMMARY
This thesis focuses on male fertility and how various supplement or plants can have
a positive influence on fertility. A review of the peer reviewed literature showed that
male fertility in mammals can be improved though various feed supplement. The
efficiency of several micro and macronutrient in this respect is well understood
whereas that of various plants that demonstrated fertility enhancing properties not.
Maca belongs to the short list of plants with promising fertility enhancing properties
identified. Others are khat (which is a substance with potential addictive effects),
pomegranate and leucaena. Maca (Lepidium meyenii) is an Andean plant that grows in
the central Peruvian and Bolivian Andes between 3,800 and 4,500 m above sea level.
The research about this plant is an actual topic but has happened rather unstructured.
It is going in four distinct directions, namely studies about its primary and secondary
metabolites, studies about effects on the sexual behavior, studies about effects on
fertility, and studies about other effects of maca. Maca turned out to have various
biological effects and to contain a lot of characteristic and potentially bioactive
metabolites, but it is still unknown which metabolites (or combination of such) are
responsible for the effects reported.
It was the aim of this project to fill some of these gaps. The chemical composition of
hypocotyls and leaves from four different colour types (yellow, pink, violet and lead)
was determined. Samples were either collected or had been experimentally grown
under different conditions at two sites at about 4000 m above sea level in the Peruvian
Andes. Furthermore, the influence on various fertility parameters of maca
supplementation given either early or late or never was tested under controlled
conditions in a total of 78 breedings bulls.
The main results were:
•
The hypocotyls of maca contain higher concentrations of glucosinolates,
macaene and macamides as the leaves but lower concentrations of
phytosterols.
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Summary
•
The concentrations of glucosinolate, macaene, macamides and phytosterol
are influenced by both colour and environment.
•
The “environment factor” found is hypothetised to have been a soil effect
rather than a consequence of the cultivation history.
•
Maca supplementation showed a positive carry-over effect on a distinct
sperm quality trait, the DNA-fragmentation index, in the breeding bulls
suggesting that maca acts against oxidative stress.
•
Especially bulls with initial borderline quality respond positive and thus their
potentially valuable genotype may be kept from getting culled before being
productive in semen production.
This list of several promising results is encouraging for continuing research on maca
and is filling some of the still existing gaps in the knowledge. About the chemical
concentration, more controlled field experiments should be conducted with different
pure genetic lines of the investigated colour types to evaluate the interrelationship of
genotype, soil, climate and cultivation history as the main environmental factors
Concerning the supplementation of breeding animals, the investigations should be
extended to female animals and they might concentrate on the black maca colour type
and higher dosages to enlarge its field of application and to facilitate its adoption.
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RÉSUMÉ
Le thème d’étude de la présente thèse est relatif à l’effet de certains suppléments
ou plantes sur la fertilité mâle. Une revue de la litérature scientifique montre que la
fertilité mâle peut être augmentée par divers suppléments. Alors que l’efficacité de
plusieurs micronutrients est bien établie, celle de diverses plantes ayant démontré leur
capacité à augmenter la fertilité reste ambiguë. La maca est classée comme plante avec
des vertus prometteuses sur la fertilité. D’autres plantes avec la même réputation sont
le khat (contient des substances psychoactives à risque de dépendance), la grenade et
la leucaena. La maca (Lepidium meyenii) est une plante qui pousse dans les Andes
centrales du Pérou et de la Bolivie entre 3'800 et 4'500 mètres au-dessus de la mer. Vu
son effet prometteur, la recherche sur cette plante est d’actualité mais manque de
cohérence. En effet, les travaux réalisés jusqu’ici s’orientaient vers quatre directions
distinctes, la composition de la maca en métabolites primaires et secondaires, son effet
sur le pouvoir sexuel, son effet sur la fertilité et enfin les autres effets de la maca. Il a
été démontré que la maca contient une variété de métabolites caractéristiques et
potentiellement bioactives. En outre, il a été indiqué que cette plante possède des
effets biologiques divers. Mais aucune étude n’a montré le lien entre le (ou les)
métabolite secondaire que contient la maca, et l’activité biologique potentielle de cette
dernière.
Le but de ce projet était de combler certaines de ces lacunes dans la compréhension
de la relation des métabolites secondaires de la maca avec la couleur de l’hypocotyle et
de tester une supplémentation de maca sur des taureaux d’élevage. La composition
chimique des hypocotyles et des feuilles appartenant à quatre type de plantes selon la
couleur de l’hypocotyle (jaune, rose, violet, plomb) a été déterminée. Des échantillons
ont été collectés ou ont été cultivés dans différentes conditions sur deux sites à environ
4000 m d’altitude dans les Andes Péruviennes. De plus, l’influence d’une
supplémentation de maca donnée soit tôt, tard ou jamais a été testée sur divers
paramètres de fertilité dans des conditions contrôlées sur un total de 78 taureaux
d’élevage.
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Résumé
Les principaux résultats sont :
•
Les hypocotyles de maca contiennent des concentrations plus élevées en
glucosinolates, macaene et macamides que les feuilles, mais des concentrations
plus basses de phytostérols.
•
Les concentrations de glucosinolates, macaene, macamides et phystérols varient
en fonction de la couleur et de l’environnement.
•
Le « facteur environnemental » trouvé est hypothétiquement un effet de sol
plutôt qu’une conséquence de l’historique des cultures.
•
La supplémentation de maca a montré un effet cary-over positif sur un trait
propre à la qualité de sperme chez les taureaux d’élevage et l’index de
fragmentation d’acide désoxyribonucléique (ADN), cela faisant supposer que la
maca agit contre le stress oxydatif du sperme.
•
Particulièrement, les taureaux ayant une qualité initiale marginale de sperme
ont répondu positivement, ainsi leur génotype potentiellement de qualité a pu
être épargné d’un abattage avant d’avoir pu entrer dans la phase productive.
Cette liste de résultats prometteurs est encourageante pour la continuation de la
recherche sur la maca et comble certaines lacunes scientifiques parmi les nombreuses
existantes encore. En terme de composition chimique, plus d’expériences contrôlées en
champs doivent êtres conduites avec différentes lignes génétiques pures de couleurs
déjà étudiées afin d’évaluer l’interrelation du génotype, sol, climat et historique des
cultures comme facteurs environnementaux principaux. Concernant l’effet de la
supplémentation sur les animaux d’élevage, les investigations doivent être étendues
aux femelles et devraient se concentrer sur la maca noire et à de plus fortes doses afin
d’élargir son champs d’action et faciliter son adoption.
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