Effects of dietary energy on transcriptional adaptations and insulin resistance in dairy cows and mares

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1412-9
Title: Effects of dietary energy on transcriptional adaptations and insulin resistance in dairy cows and mares
Author: Selim, Shaimaa
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Agricultural Sciences
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: URN:ISSN:2342-5431
Abstract: The objective of the research described in this thesis was to increase the understanding of the transcriptional adaptations of genes encoding proteins, which have key roles in lipid and glucose metabolism, insulin signalling and inflammation, in situations of overfeeding energy during the dry period in dairy cows and summer grazing season in mares. Emphasis was placed on the potential to decrease metabolic disorders and to improve animal nutritional management and health. In the experiment I, dairy cows were fed a grass silage based diet either on a controlled energy level (on average 99 MJ/d metabolizable energy (ME), n = 8) during the last six weeks of the dry period or high energy level (on average 141 MJ/d ME, n = 8) for the first three weeks and then gradually decreasing energy allowance during three weeks to 99 MJ/d ME by parturition. In experiment II, dairy cows were fed ad libitum either grass silage (144 MJ/d ME, n = 8) or a mixture of grass silage, wheat straw and rapeseed meal (TMR, 55%: 40%: 5%, 109 MJ/d ME, n = 8) during the 8-wk dry period. Liver and adipose tissue biopsies and blood samples were collected during the transition period in experiments I and II. In the experiment III, the impact of grazing either on cultivated high-yielding pasture (CG) or semi-natural grassland pasture (NG) on fat deposition, insulin resistance status and adipose tissue gene expression of Finnhorse mares was studied. Body measurements, intravenous glucose tolerance tests (IVGTT), and sampling for the determination of neck and tailhead adipose tissue gene expressions were conducted in May and September. In experiments I and II, overfed cows had greater total dry matter and ME intakes and ME balance before parturition than control cows, but no differences were observed after calving. Increases in body weight and body condition score were greater in the overfed cows of the experiment II during the dry period. In the experiment I, there was greater plasma insulin and lower glucagon/insulin ratio in overfed cows than in control cows, while in the experiment II, there were no differences in blood parameters between overfed and TMR group during the transition period. Down-regulation of key genes linked to hepatic gluconeogenesis and fatty acid β-oxidation in the overfed group of cows in the experiment I was found, suggesting impaired liver function compared to a controlled energy diet. In the experiment II, ad libitum feeding of grass silage throughout the dry period may have attenuated the increase of hepatic gluconeogenic capacity from propionate compared to a controlled TMR diet. However, there was no difference in the expression of genes related to hepatic glucose release during the transition period (II). In adipose tissue, there was some evidence that the level of energy overfeeding may have exacerbated the inflammatory status postpartum and temporarily decreased lipogenesis very near parturition relative to control energy diet (I). In the experiment II, prepartal ad libitum feeding of grass silage decreased lipogenesis and insulin sensitivity early postpartum compared to the TMR control group. In the experiment III, CG mares had higher median body condition score and body weight, and larger waist circumference than NG mares at the end of grazing. In September, greater basal and peak insulin concentrations, and faster glucose clearance rate during IVGTT were observed in CG mares than in NG mares. In addition, a greater decrease in plasma non-esterified fatty acids during IVGTT was noticed in CG mares. There were no differences in the expression of genes related to insulin resistance, inflammation and lipogenesis between the two groups. Significant temporal differences in the expression profiles of genes related to insulin resistance and lipogenesis were observed during the grazing season. Grazing on CG had moderate effects on responses during IVGTT, but did not exacerbate insulin resistance. In conclusion, overfeeding energy with concomitant weight gain moderately altered the expression of genes related to insulin resistance, inflammation and lipogenesis in adipose tissue of dairy cows. Prepartal overfeeding energy affected the expression of genes related to hepatic gluconeogenesis and fatty acid oxidation in dairy cows, but the extent of these effects differed depending on the dietary composition during the close-up period (e.g. feeding of cereal grain). In mares, the diets with variable energy content did not affect the expression of insulin resistance- or inflammation-related genes, although mares were different in their body condition scores.Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää lypsylehmien ummessaolokauden energiayliruokinnan ja tammojen laidunruokinnan vaikutusta rasva- ja glukoosiaineenvaihduntaan, insuliiniherkkyyteen ja tulehdustekijöihin liittyvien geenien toimintaan. Erityisesti tutkimuksessa pyrittiin luomaan perustaa mahdollisuuksille vähentää aineenvaihduntasairauksia rehujen koostumuksen ja ruokintasuositusten avulla. Tutkimukseen sisältyi kolme ruokintakoetta. Kokeet I ja II tehtiin ayrshirelehmillä ja koe III suomenhevostammoilla. Kokeessa I lypsylehmät saivat nurmisäilörehuun perustuvalla ruokinnalla joko rajoitetusti energiaa (keskimääräinen muuntokelpoisen energian (ME) saanti 99 MJ/d, n = 8) ummessaolokauden kuuden viimeisen viikon aikana tai runsaasti energiaa (141 MJ/d ME, n = 8) ensimmäiset kolme viikkoa ja sen jälkeen energian saantia vähennettiin siten että poikimisen aikoihin energian saanti oli 99 MJ/d ME. Kokeessa II lypsylehmät saivat tyhjäkauden aikana syödä vapaasti joko säilörehua (144 MJ/d ME, n = 8) tai säilörehun, oljen ja rypsin seosta (TMR, 55%: 40%: 5%, 109 MJ/d ME, n = 8). Sekä kokeessa I että II kerättiin ennen ja jälkeen poikimisen verinäytteitä ja otettiin maksasta ja ihonalaisesta rasvakudoksesta biopsianäytteitä. Kokeessa III tutkittiin kahden erilaisen laitumen vaikutusta tammojen ihonalaisen rasvan kertymiseen, insuliiniresistenssiin ja rasvakudosten geenitoimintaan. Kokeessa käytetyt laitumet olivat viljelty laidun (CG) ja puoliksi luonnontilainen niitty (NG). Rasva- ja kuntoluokkamittaukset, suonensisäinen glukoosirasituskoe sekä kaulan ja hännänympäryksen rasvakudosten geenitoimintamittaukset tehtiin sekä toukokuussa että syyskuussa. Kokeissa I ja II yliruokittujen lehmien kuiva-aineen syönti, ME-saanti ja energiatase olivat ennen poikimista suurempia kuin kontrollilehmien. Poikimisen jälkeen eroja ei havaittu ryhmien välillä. Tyhjäkauden aikana elopaino ja kuntoluokka kasvoivat suuremman energiamäärän saaneilla lehmillä enemmän kuin kontrollilehmillä kokeessa II. Kokeessa I suuremman energiamäärän saaneilla lehmillä oli suurempi plasman insuliinipitoisuus ja alhaisempi glugakoni/insuliini-suhde kun taas kokeessa II vastaavia eroja ei havaittu poikimisen läheisyydessä. Kokeessa I havaittiin maksan glukoneogeneesiin ja rasvahappojen beetaoksidaatioon liittyvien geenien toiminnan vaimentuneen enemmän energiaa saaneilla lehmillä, mikä viittaa maksan heikentyneeseen toimintaan. Kokeessa II ummessaolokauden aikainen vapaa säilörehuruokinta saattoi heikentää maksan kykyä käyttää propionihappoa glukoneogeneesin esiaineena rajoitetusti energiaa sisältävään seosrehuruokintaan verrattuna. Toisaalta kokeessa II ryhmien välillä ei ollut eroja maksan glukoosinkuljetukseen liittyvien geenien toiminnassa. Rasvakudoksen geenitoiminnan muutokset viittasivat tulehdusreaktion aktivoitumiseen ja lipogeneesin tilapäiseen heikentymiseen enemmän energiaa saaneilla lehmillä poikimisen jälkeen. Kokeessa II lehmien poikimista edeltävä vapaa säilörehun syönti vähensi lipogeneesiä ja insuliiniherkkyyttä heti poikimisen jälkeen verrattuna TMR-rehua syöneisiin lehmiin. Kokeessa III CG-tammoilla oli laidunkauden jälkeen suurempi kuntoluokan mediaani, elopaino ja ympärysmitta kuin NG-tammoilla. Syyskuussa glukoosirasituskokeessa havaittiin CG-tammoilla korkeampi insuliinin perustaso ja maksimikonsentraatio sekä nopeampi glukoosin poistumisnopeus kuin NG-tammoilla. Lisäksi CG-tammoilla plasman vapaiden rasvahappojen pitoisuus väheni rasituskokeen aikana enemmän kuin NG-tammoilla. Insuliiniresistenssiin, tulehdukseen ja lipogeneesiin liittyvien geenien toiminnoissa ei havaittu eroja ryhmien välillä. Sen sijaan laidunkaudella havaittiin ajan suhteen tapahtuvia muutoksia insuliiniresistenssiin ja lipogeneesiin liittyvien geenien toiminnassa. Glukoosirasituskokeen perusteella runsaampi laidunruokinta ei lisännyt tammojen insuliiniresistenssiä. Johtopäätöksenä liiallinen energiansaanti samanaikaisen painon nousun kanssa vaikutti jossakin määrin insuliiniresistenssiin, tulehdukseen ja lipogeneesiin liittyvien geenien toimintaan lypsylehmillä. Poikimista edeltävä liiallinen energiansaanti vaimensi maksan glukoneogeneesiin ja rasvahappojen beetaoksidaatioon liittyvien geenien toimintaa mutta vaikutus riippui rehujen koostumuksesta, erityisesti väkirehun määrästä tunnutuskaudella. Laitumiin perustuva erilainen energiansaanti ei vaikuttanut tammojen insuliiniresistenssiin tai tulehdukseen liittyvien geenien toimintaan vaikka kuntoluokat olivat erilaiset eri laitumilla.
URI: URN:ISBN:978-951-51-1412-9
http://hdl.handle.net/10138/155655
Date: 2015-08-21
Subject: Animal Science
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Selim_thesis.pdf 1.189Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record