Digital image analysis as a tool to estimate legume contributions in legume-grass swards

Summary: Productivity and forage quality of legume-grass swards are important factors for successful arable farming in both organic and conventional farming systems. For these objectives the botanical composition of the swards is of particular importance, especially, the content of legumes due to their ability to fix airborne nitrogen. As it can vary considerably within a field, a non-destructive detection method while doing other tasks would facilitate a more targeted sward management and could predict the nitrogen supply of the soil for the subsequent crop. This study was undertaken to explore the potential of digital image analysis (DIA) for a non destructive prediction of legume dry matter (DM) contribution of legume-grass mixtures. For this purpose an experiment was conducted in a greenhouse, comprising a sample size of 64 experimental swards such as pure swards of red clover (Trifolium pratense L.), white clover (Trifolium repens L.) and lucerne (Medicago sativa L.) as well as binary mixtures of each legume with perennial ryegrass (Lolium perenne L.). Growth stages ranged from tillering to heading and the proportion of legumes from 0 to 80 %. Based on digital sward images three steps were considered in order to estimate the legume contribution (% of DM): i) The development of a digital image analysis (DIA) procedure in order to estimate legume coverage (% of area). ii) The description of the relationship between legume coverage (% area) and legume contribution (% of DM) derived from digital analysis of legume coverage related to the green area in a digital image. iii) The estimation of the legume DM contribution with the findings of i) and ii). i) In order to evaluate the most suitable approach for the estimation of legume coverage by means of DIA different tools were tested. Morphological operators such as erode and dilate support the differentiation of objects of different shape by shrinking and dilating objects (Soille, 1999). When applied to digital images of legume-grass mixtures thin grass leaves were removed whereas rounder clover leaves were left. After this process legume leaves were identified by threshold segmentation. The segmentation of greyscale images turned out to be not applicable since the segmentation between legumes and bare soil failed. The advanced procedure comprising morphological operators and HSL colour information could determine bare soil areas in young and open swards very accurately. Also legume specific HSL thresholds allowed for precise estimations of legume coverage across a wide range from 11.8 - 72.4 %. Based on this legume specific DIA procedure estimated legume coverage showed good correlations with the measured values across the whole range of sward ages (R2 0.96, SE 4.7 %). A wide range of form parameters (i.e. size, breadth, rectangularity, and circularity of areas) was tested across all sward types, but none did improve prediction accuracy of legume coverage significantly. ii) Using measured reference data of legume coverage and contribution, in a first approach a common relationship based on all three legumes and sward ages of 35, 49 and 63 days was found with R2 0.90. This relationship was improved by a legume-specific approach of only 49- and 63-d old swards (R2 0.94, 0.96 and 0.97 for red clover, white clover, and lucerne, respectively) since differing structural attributes of the legume species influence the relationship between these two parameters. In a second approach biomass was included in the model in order to allow for different structures of swards of different ages. Hence, a model was developed, providing a close look on the relationship between legume coverage in binary legume-ryegrass communities and the legume contribution: At the same level of legume coverage, legume contribution decreased with increased total biomass. This phenomenon may be caused by more non-leguminous biomass covered by legume leaves at high levels of total biomass. Additionally, values of legume contribution and coverage were transformed to the logit-scale in order to avoid problems with heteroscedasticity and negative predictions. The resulting relationships between the measured legume contribution and the calculated legume contribution indicated a high model accuracy for all legume species (R2 0.93, 0.97, 0.98 with SE 4.81, 3.22, 3.07 % of DM for red clover, white clover, and lucerne swards, respectively). The validation of the model by using digital images collected over field grown swards with biomass ranges considering the scope of the model shows, that the model is able to predict legume contribution for most common legume-grass swards (Frame, 1992; Ledgard and Steele, 1992; Loges, 1998). iii) An advanced procedure for the determination of legume DM contribution by DIA is suggested, which comprises the inclusion of morphological operators and HSL colour information in the analysis of images and which applies an advanced function to predict legume DM contribution from legume coverage by considering total sward biomass. Low residuals between measured and calculated values of legume dry matter contribution were found for the separate legume species (R2 0.90, 0.94, 0.93 with SE 5.89, 4.31, 5.52 % of DM for red clover, white clover, and lucerne swards, respectively). The introduced DIA procedure provides a rapid and precise estimation of legume DM contribution for different legume species across a wide range of sward ages. Further research is needed in order to adapt the procedure to field scale, dealing with differing light effects and potentially higher swards. The integration of total biomass into the model for determining legume contribution does not necessarily reduce its applicability in practice as a combined estimation of total biomass and legume coverage by field spectroscopy (Biewer et al. 2009) and DIA, respectively, may allow for an accurate prediction of the legume contribution in legume-grass mixtures.

Effects of tubers of the Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus) and potatoes (Solanum tuberosum) on the intestinal microbiota of pigs and evaluation of a procedure for quantification of microbial mass in pig faeces

Die Mikrobiota im Gastrointestinaltrakt (GIT) spielt eine bedeutende Rolle beim Fermentationsprozess im Bezug auf die Nährstoffversorgung sowie die Gesundheit des Darms und des gesamten Organismus. Inulin und resistente Stärke (RS) konnten als präbiotisch wirksame Substanzen identifiziert werden und sind jeweils auch in den Knollen der Topinamburpflanze (Helianthus tuberosus) und in Kartoffeln (Solanum tuberosum) enthalten. Da sie ebenfalls energiereiche Futtermittel für Schweine sind, war es das Ziel der ersten beiden Studien, die Auswirkungen der Aufnahme von Topinamburknollen und Kartoffeln auf die intestinale Mikrobiota und Parameter des Immunsystems bei Endmastschweinen zu bestimmen. In der dritten Studie wurde die mikrobielle Biomasse quantitativ mit einem Verfahren zur Isolation von Bakterien in einer Flüssigkeit durch Hochgeschwindigkeits-Zentrifugation erfasst und der bakteriell gebundene Stickstoff (MP-N) mit dem bakteriellen und endogenem Kotstickstoff (BEDN) verglichen. Im ersten Versuch wurden 72 Endmastschweine in einem Freilandhaltungssystem in eine Kontroll- (CT), die mit Kraftfutter entsprechend des Bedarfs der Tiere für ein Leistungsniveau von 700 g täglichem Lebendmassezuwachs versorgt wurde, und eine Versuchsvariante (ET) aufgeteilt. In der Versuchsvariante erhielten die Tiere nur 70% der Kraftfuttermenge der Kontrollvariante, hatten aber Zugang zu einer abgeteilten Fläche, auf der Topinamburknollen angebaut waren. Die freie Aufnahme von Topinamburknollen wurde auf 1•24 kg Trockenmasse (TM)/Tag bestimmt, entsprechend einer Inulinaufnahme von durchschnittlich 800 g/Tag. Während sich die Wachstumsleistung in der Kontrollvariante auf 0•642 ± 0•014 kg/Tag belief, war sie in der Versuchsvariante mit 0•765 ± 0•015 kg/Tag (P=0•000) höher. Die freie Verfügbarkeit von Inulin und Fructo-oligosacchariden (FOS) im GIT der Schweine erhöhte die Keimzahlen der anaeroben Bakterien (P=0•000), Laktobazillen (P=0•046) und Hefen (P=0•000) signifikant und verringerte das Vorkommen von Clostridium perfringens im Schweinekot erheblich von lg 5•24 ± 0•17 kolonie-bildende Einheiten pro g Frischmasse (KbE/ g FM) in der Kontrollvariante auf lg 0•96 ± 0•20 KbE/ g FM in der Versuchsvariante (P=0•000). C-reaktives Protein (CRP) und Antikörper gegen Lipopolysaccharide (LPS) von Escherichia coli J5 ließen keine Unterschiede zwischen den Fütterungsvarianten erkennen. In der zweiten Untersuchung wurden 58 Endmastschweine einer Kontrollvariante (CT), die bedarfsgerecht mit einer Kraftfuttermischung für ein Leistungsniveau von 700 g Tageszunahmen gefüttert wurde, und zwei Versuchsvarianten zugeteilt. Die Versuchsvarianten erhielten eine Menge von 1•2 kg TM gedämpften Kartoffeln (potato treatment, PT) oder gedämpften und einsilierten Kartoffeln (silage treatment, ST) pro Tag und nur 46% bzw. 43% der Menge des Kraftfutters der Kontrollvariante. Die Wachstumsleistung und Schlachtkörperzusammensetzung ließen keine signifikanten Unterschiede zwischen den Varianten erkennen. Im PT und ST waren gegenüber dem CT im Kot der pH-Wert sowie die Gehalte von TM, Neutral-Detergenz-Faser (NDF), unverdautem Futterstickstoff (UDN) und teilweise von Säure-Detergenz-Faser (ADF) signifikant niedriger (P=0•000) und die von Ammonium (NH4) und Ammoniumstickstoff (NH4-N) signifikant höher (P=0•000). Das hohe Angebot von hitzebehandelten Kartoffeln führte zu einer erheblichen Verringerung von E. coli (P=0•000), C. perfringens (P=0•000) und Immunoglobulin A gegen LPS von E. coli J5 (P=0•001). Darüber hinaus waren in der ersten Versuchsperiode im ST die aeroben und anaeroben Gesamtkeimzahlen sowie die Laktobazillen und Hefen gegenüber dem PT signifikant erhöht. Die Unterschiede in der Mikrobiota zwischen der Kontroll- und Versuchsvarianten weisen auf die positiven Auswirkungen von Topinamburknollen und hitzebehandelten Kartoffeln auf die Mikrobiota im hinteren Darmabschnitt hin. Das Ziel der dritten Untersuchung war die Modifizierung des Verfahrens zur Isolation von Bakterien in einer Flüssigkeit mittels verschiedener Zentrifugationsschritte, um ein mikrobielles Pellet (MP) zu erhalten, welches die quantitative Abtrennung und Erfassung der Bakterien in Schweinekot ermöglicht. Zusätzlich wurde der BEDN Anteil sowie die Gehalte der Aminozucker Galactosamin, Glucosamin, Mannosamin und Muraminsäure im Kot und im MP bestimmt. Die untersuchten Kotproben stammten von Schweinen eines Phosphor (P) Stoffwechselversuch. Zehn männlich-kastrierte Schweine mit einem durchschnittlichen Lebendgewicht von 51•1 ± 8•5 kg wurden einzeln in Stoffwechselkäfigen gehalten. Die Tiere wurden fünf Fütterungsvarianten zugeteilt, die dem Bedarf der Tiere für ein Leistungsniveau von 700 g Tageszunahmen entsprachen, in den Rationen 2 bis 5 jedoch eine P-Gehalt unter dem Tagesbedarf der Tiere aufwiesen und in den Rationen 3 bis 5 mit abgestuften Gehalten von 50, 100 sowie 200 mg/kg einer experimentellen Phytase ergänz waren. Die Absenkung des P Gehaltes im Futter verringerte den Asche- (P=0•024) und Trockenmassegehalt im Kot (P=0•017) sowie die P Konzentration im MP (P=0•000) signifikant. Die mikrobielle Biomasse im Kot wurde durch die Wiegung des MP auf durchschnittlich 467 g/kg TM bestimmt. Der Stickstoffgehalt im Kot betrug im Mittel 46•1 g/kg TM und der in die Bakterienmasse eingebaute Stickstoffanteil 27•1 g/kg TM bzw. 58% vom Gesamtstickstoffgehalt im Kot. Die BEDN Fraktion wurde auf 73% am Kotstickstoff bestimmt. Der P-Gehalt im Kot sowie der N Gehalt im MP mit durchschnittlichen 10•4 und 57•9 g/kg TM lagen im Bereich von Literaturangaben. Die P Gehalte im MP schwankten in Abhängigkeit von der Zugabe von Phytase signifikant (P=0•000) von 1•8 bis 4•8 g/kg TM. Die Aminozucker wiesen keine signifikanten unterschiede zwischen Fütterungsvarianten auf und lagen im Bereich von Werten von Rinderkot. Ergebnisse weisen darauf hin, dass die angewandte Methode zur direkten Quantifizierung der mikrobiellen Biomasse geeignet ist.