Cultivation potential of Vanilla crop wild relatives in two contrasting land use systems

Abstract

Vanilla is an important cash crop for many smallholder farmers around the tropics, and a highly appreciated spice used in a wide range of products. The crop species Vanilla planifolia is, however, facing a number of threats that are jeopardizing a stable vanilla supply. The neotropical realm holds at least 37 fragrant Vanilla species besides V. planifolia. These so-called Vanilla crop wild relatives (CWRs) possibly possess interesting traits for crop improvement and market diversification, but received meager attention so far. The aim of our study was therefore to provide insights into the cultivation potential of four Vanilla CWRs (Vanilla hartii, V. odorata, V. pompona and V. trigonocarpa) naturally growing within our study region in southern Costa Rica, by comparing their plant performance and aromatic profiles with V. planifolia and a commercially used hybrid, and this in two types of land use systems where vanilla could possibly be introduced. As such, we established six field sites in secondary forests (SF), adding economic value to these often undervalued ecosystems, and six in existing cacao plantations (CP), diversifying monocrop agrosystems. First, we measured plant survival, vitality and growth over a period of two years, and compared these plant performance traits among Vanilla species and land use systems using (generalized) additive mixed models. The models also enabled us to observe possible effects of additionally measured, site-specific environmental variables on vanilla plant performance. Second, we evaluated the aromatic potential of Vanilla CWR pods using high-performance liquid chromatography. We found that the hybrid had the highest overall plant vitality and growth, and this in both CPs and SFs, while V. planifolia was characterized by a rather low vitality, but high growth rates, and clearly performed inferior in SFs. The CWRs had a good overall vitality, and this in the two land use systems, but were characterized by lower growth rates compared to the hybrid and V. planifolia. The aromatic profiles of the Vanilla CWR pods indicated potential for market diversification, with V. odorata highly resembling the profile of the commercially used species. The other CWRs had varied profiles, with especially V. hartii containing high anisyl contents interesting for niche markets. Based on our assessment of Vanilla CWR plant performance and aromatic profiles, we see potential for their integration within the two studied land use systems. Corresponding planting designs should, however, take into account species-specific light intensity preferences, monitor chemical properties and the presence of growth-promoting and disease-suppressive soil microbiota, and incorporate vanilla tutor and shade trees with optimal functional traits. We developed a possible vanilla cultivation design that could be implemented for further evaluation in terms of production feasibility.La vainilla es un cultivo comercial importante para muchos pequeños agricultores de los trópicos y un producto muy apreciado. Especia utilizada en una amplia gama de productos. Sin embargo, la especie cultivada Vanilla planifolia se enfrenta a una serie de amenazas. que están poniendo en peligro un suministro estable de vainilla. El reino neotropical alberga al menos 37 especies de vainilla fragantes además de V. planifolia. Estos parientes silvestres de los cultivos de vainilla (CWR, por sus siglas en inglés) posiblemente posean rasgos interesantes para los cultivos. mejora y diversificación del mercado, pero hasta ahora ha recibido escasa atención. El objetivo de nuestro estudio fue por lo tanto, proporcionar información sobre el potencial de cultivo de cuatro PSC de vainilla (Vanilla hartii, V. odorata, V. pompona y V. trigonocarpa) que crecen naturalmente dentro de nuestra región de estudio en el sur de Costa Rica, comparando su rendimiento vegetal y perfiles aromáticos con V. planifolia y un híbrido utilizado comercialmente, y esto en dos tipos de sistemas de uso de la tierra donde posiblemente se podría introducir la vainilla. Como tal, establecimos seis sitios de campo en bosques secundarios (FS), que agregan valor económico a estos ecosistemas a menudo infravalorados, y seis en bosques de cacao existentes. plantaciones (PC), diversificando los agrosistemas de monocultivos. Primero, medimos la supervivencia, la vitalidad y el crecimiento de las plantas durante durante un período de dos años, y comparó estos rasgos de rendimiento de las plantas entre las especies de vainilla y los sistemas de uso de la tierra. utilizando modelos mixtos aditivos (generalizados). Los modelos también nos permitieron observar posibles efectos de variables ambientales medidas y específicas del sitio sobre el desempeño de la planta de vainilla. En segundo lugar, evaluamos el aromático. Potencial de las vainas de Vanilla CWR mediante cromatografía líquida de alta resolución. Descubrimos que el híbrido tenía la mayor vitalidad y crecimiento general de las plantas, y esto tanto en CP como en SF, mientras que V. planifolia se caracterizó por una vitalidad bastante baja, pero altas tasas de crecimiento, y un desempeño claramente inferior en SF. Los CWR tuvieron un buen desempeño general vitalidad, y esto en los dos sistemas de uso de la tierra, pero se caracterizaron por tasas de crecimiento más bajas en comparación con los híbrido y V. planifolia. Los perfiles aromáticos de las vainas de vainilla CWR indicaron potencial para la diversificación del mercado. con V. odorata muy parecido al perfil de las especies utilizadas comercialmente. Los otros CWR tenían perfiles variados, especialmente V. hartii que contiene altos contenidos de anisilo, interesantes para nichos de mercado. Residencia en En nuestra evaluación del rendimiento y los perfiles aromáticos de la planta Vanilla CWR, vemos potencial para su integración. dentro de los dos sistemas de uso del suelo estudiados. Sin embargo, los diseños de plantación correspondientes deben tener en cuenta preferencias de intensidad de luz específicas de cada especie, controlar las propiedades químicas y la presencia de sustancias promotoras del crecimiento. y microbiota del suelo supresora de enfermedades, e incorporar tutores de vainilla y árboles de sombra con funcionalidad óptima rasgos. Desarrollamos un posible diseño de cultivo de vainilla que podría implementarse para su posterior evaluación en términos de viabilidad de producción.