Effects of parity, farm, and dietary energy levels on circulating adiponectin concentrations and on oxidative status in high yielding dairy cows in late pregnancy and early lactation

Urh, Christiane (2019): Effects of parity, farm, and dietary energy levels on circulating adiponectin concentrations and on oxidative status in high yielding dairy cows in late pregnancy and early lactation. Dissertation, LMU München: Tierärztliche Fakultät

Abstract

During late pregnancy and early lactation the energy demands of high yielding dairy cows exceed their nutrient intake. The resulting negative energy balance leads to hormonal changes, substantial mobilization of body reserves, and an increased risk for production diseases like ketosis, fatty liver, mastitis and metritis. Glucose and insulin sensitivity play a pivotal role in this period, as the reduced insulin sensitivity in tissues like liver, muscle and adipose tissue in the transition period is supposed to be one reason for the development of the production diseases and glucose is the main energy supply for the conceptus and the precursor for lactose. On the one hand, insulin sensitivity can be increased by adiponectin, an insulin sensitizing hormone produced by adipose tissue and circulating in relatively high concentrations. On the other hand, insulin sensitivity can be decreased by oxidative stress, the imbalance between pro- and antioxidants. In this thesis influencing factors on adiponectin and the oxidative status are examined, leading to the discussion, if they could possibly serve as indicators for metabolically successful cows in the transition period. In our studies (chapter III and IV) we examined the effects of parity, farm, and feeding different energy levels on adiponectin and the oxidative status in a large number of dairy cows. Primiparous cows had lower adiponectin prepartum and greater adiponectin postpartum compared with pluriparous cows. Our results suggest that adiponectin is likely involved in the mechanisms of energy partitioning between the the offspring on the one hand and the own body, which is still growing in primiparous cows, on the other hand. This energy partitioning may change from pregnancy to lactation. Unexpectedly, not a greater energy supply, but a greater amount of straw in the roughage portion lead to greater adiponectin concentrations in early lactation. Further studies are needed to elucidate the mechanisms behind the roughage effect and its metabolic consequences. To examine the oxidative status we measured the concentrations of the derivatives of reactive oxygen metabolites (dROM) and the ferric reducing ability (FRAP) in serum and calculated the oxidative status index (OSi) as dROM / FRAP * 100. Cows in their first and second lactation had greater dROM, FRAP, and OSi than cows in their third and higher lactation. Hence, not only cows in their first lactation, but also cows in their second lactation should be regarded with special care, like antioxidant supplements. Furthermore, these results emphasize the value of assessing the oxidative status with regard to both, the pro- and antioxidative side. Feeding different amounts of concentrates did not affect dROM, FRAP, and OSi, but cows from one farm were sticking out by greater dROM and lower FRAP, resulting in a greater OSi as compared with cows in the other farm. A lower milk yield on day 100 and greater BHB concentrations in this farm with higher Osi support the association of oxidative status and metabolic status. Further investigations are needed to determine the applicability of OSi as a prognostic tool during early lactation and to sort out which factors, e.g. in management, are influencing the oxidative status the most. To sum it all up, circulating adiponectin was affected by parity, farm, and feeding and the oxidative status was affected by farm and parity. The time dependent differences of the effects emphasize the importance of taking multiple factors at the same time into account. By now there are no reliable thresholds for adiponectin concentrations or the oxidative parameters investigated in our studies. The various effects, the individual and sampling time dependent variation, and the fact that the concentrations change in a relatively small range complicate the definition of thresholds. Therefore, these parameters are not perfectly suitable as indicators for a successfully passed transition period. Nevertheless, we could expand the knowledge on influencing factors on adiponectin and the oxidative status of transition dairy cows. Furthermore, there is evidence that also in dairy cows insulin sensitivity, and therefore adiponectin, and oxidative status interact, as it was already reported for humans. Further studies should focus on the possibilities to include adiponectin in a surrogate marker for insulin sensitivity or to establish new indices for metabolic health in the transition period.

Abstract

In der Transitphase, also den letzten Wochen der Trächtigkeit und den ersten Wochen der Laktation, übersteigt der Energiebedarf von hochleistenden Milchkühen die Energieaufnahme mit dem Futter. Daraus folgt eine negative Energiebilanz, die zu Änderungen im Hormonhaushalt, Mobilisation von Körperreserven und einem erhöhten Risiko für Produktionskrankheiten wie Ketose, Fettleber, Mastitis und Metritis führt. In dieser Phase spielen Glukose und Insulinsensitivität eine wichtige Rolle. Die Insulinsensitivität in Geweben wie Leber, Muskel und Fett wird reduziert, was als ein Grund für die Entwicklung der Produktionskrankheiten angesehen wird. Adiponectin als insulinsensitivierendes Hormon, welches im Fettgewebe produziert wird und in relativ hohen Konzentrationen im Blut vorkommt, kann die Insulinsensitivität steigern. Oxidativer Stress, also das Ungleichgewicht zwischen Pro- und Antioxidantien, können die Insulinsensitivität hingegen reduzieren. In dieser Arbeit werden die Einflussfaktoren auf Adiponectin und den oxidativen Status untersucht. Weiterhin wird diskutiert ob sie als Indikatoren dienen können, um Kühe mit einem stabilen Stoffwechsel zu erkennen. In unseren Studien (Kapitel III und IV) haben wir die Effekte der Lakatationsnummer, verschiedener Betriebe und der Fütterung verschiedener Energielevels auf Adiponectin und den oxidativen Status untersucht. Primipare Kühe hatten geringere Adiponectinkonzentrationen vor der Kalbung und größere Adiponectinkonzentrationen nach der Kalbung als pluripare Kühe. Unsere Ergebnisse lassen vermuten, dass Adiponectin wahrscheinlich in die Vorgänge der Energieverteilung zwischen dem Nachwuchs auf der einen und dem eigenen, bei primiparen Kühen noch im Wachstum befindlichen, Körper auf der anderen Seite involviert ist. Des Weiteren scheint sich diese Energieverteilung Verlauf von Hochträchtigkeit zur Laktation zu verändern. Anders als erwartet, hat nicht eine erhöhte Energiezufuhr, sondern ein erhöhter Strohgehalt im Grundfutter zu erhöhten Adiponectinkonzentrationen geführt. Um die Gründe für diesen Grundfuttereffekt und die Folgen daraus zu erörtern, sind weitere Studien notwendig. Zur Erfassung des oxidativen Status haben wir in den Serumproben die Derivate der Sauerstoffmetaboliten (dROM), und die eisenreduzierende Kapazität (FRAP) gemessen und daraus den oxidativen Status Index (OSi) (dROM/FRAP*100) gemessen. Kühe in ihrer ersten und zweiten Laktation zeigten höhere dROM, FRAP und OSi Werte als Kühe in der dritten oder höheren Laktation. Diese Ergebnisse sprechen dafür, dass nicht nur Kühe in ihrer ersten Laktation besondere Behandlung, wie z.B. die Zugabe von Antioxidantien erfahren sollten, sondern auch Kühe in der zweiten Laktation. Außerdem zeigen sie, dass beide Seiten des oxidativen Status, also sowohl die pro- als auch die antioxidativen Parameter, erfasst werden sollten. Die Fütterung verschiedener Kraftfuttermengen hatte keinen Einfluss auf den oxidativen Status. Allerdings hatten Kühe in einem Betrieb deutlich höhere dROM und niedrigere FRAP-Werte als in dem anderen betrachteten Betrieb, was sich ebenfalls in einem höheren OSi zeigte. Eine niedrigere Milchleistung an Tag 100 der Laktation und höhere BHB-Konzentrationen in diesem Betrieb unterstützen die Idee, dass der oxidative Status mit der Stoffwechselsituation in Verbindung steht. Die Verwendbarkeit des OSi als Prognosewert in der frühen Laktation und weitere Einflussfaktoren auf den oxidativen Status müssen in weiteren Studien geklärt werden. Bis jetzt gibt es noch keine zuverlässigen Grenzwerte für Adiponectin oder die oxidativen Parameter aus unserer Studie. Die verschiedenen Effekte und die individuellen und Zeitpunkt abhängigen Streuungen sowie die Tatsache, das sich die Konzentrationsänderungen nur in einem relativ kleinen Bereich bewegen, erschweren die Festlegung solcher Grenzwerte. Dadurch sind diese Parameter bisher nicht gut als Indikatoren für eine erfolgreiche Transitphase zu gebrauchen. Nichtsdestotrotz zeigt diese Dissertation neue Erkenntnisse über die Einflussfaktoren auf Adiponectin und den oxidativen Status bei Milchkühen. Außerdem geben die Ergebnisse Hinweise darauf, dass auch bei Milchkühen die Insulinsensitivität und somit auch Adiponectin mit dem oxidativen Status interagieren, wie es bereits für den Menschen berichtet wurde. In zukünftigen Studien sollte der Fokus darauf liegen Adiponectin zum Beispiel in Schätzgleichungen für die Insulinsensitivität zu integrieren oder Indices für Stoffwechselgesundheit in der Transitphase zu entwickeln.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Dairy Cow, transition period, adiponectin, feeding, oxidative stress, optiKuh
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 590 Tiere (Zoologie)
• Fakultäten: Tierärztliche Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 27. Juli 2019
• 1. Bericht­erstatter:in: Zerbe, Holm