Effects of dietary management on the energy metabolism of periparturient dairy cows: regulation of lipidome and transcriptome

Näytä kaikki kuvailutiedot

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-4637-3
Julkaisun nimi: Effects of dietary management on the energy metabolism of periparturient dairy cows: regulation of lipidome and transcriptome
Tekijä: Qin, Nanbing
Muu tekijä: Helsingin yliopisto, maatalous-metsätieteellinen tiedekunta
Uusiutuvien luonnonvarojen kestävän käytön tohtoriohjelma
Opinnäytteen taso: Väitöskirja (artikkeli)
Kuuluu julkaisusarjaan: Dissertationes Schola Doctoralis Scientiae Circumiectalis, Alimentariae, Biologicae - URN:ISSN:2342-5431
Tiivistelmä: High-producing dairy cows suffer from metabolic stress, particularly during the periparturient period. The high nutrient demand of milk production leaves the animals susceptible to various metabolic diseases after calving. Improving the health and welfare of high-producing dairy cows has been a long-term goal of dairy research and it is critical for the sustainability of the dairy industry. Previous research has suggested that the nutrition strategies during the dry period and early lactation have significant impacts on dairy cow metabolism after calving. Therefore, careful dietary management in the weeks leading up to and immediately after calving is important for dairy cow health and welfare. In this thesis, the cows received two types of dietary management: a prepartal high-energy feeding regimen and a milk fat depression (MFD) feeding regimen in two experiments, respectively. The high-energy feeding provided 130% of the recommended intake of a pregnant dairy cow during the last six weeks before parturition. The MFD diet was achieved by applying either a diet with a conjugated linoleic acid (CLA) supplement (cis-9, trans-11 and trans-10, cis-12 CLA; 10–15 g/d for each) or a high-starch diet (202 g/kg of dry matter) with polyunsaturated fatty acid (PUFA) supplement (40 g/kg of dry matter; mixture of sunflower oil and fish oil in a 2:1 ratio). The primary objective of this thesis was to investigate the effects of the dietary management on the energy metabolism and insulin resistance of dairy cows. Moreover, the study was aimed to investigate the potential molecular mechanisms underlying maternal insulin resistance and the physiological adaptation of dairy cows during the periparturient period based on analyses of lipidome and transcriptome. The prepartal high-energy feeding of dairy cows affected the lipidomic profiles in the liver and adipose tissue during the periparturient period. The diet effect was particularly evident in sphingolipid concentrations. The high-energy diet increased the hepatic total sphingomyelin concentration at both 1 wk prepartum and 1 wk postpartum. In the adipose tissue, the total ceramide concentration was elevated by the prepartal high-energy feeding at 1 wk prepartum. Of these sphingolipids, the highest sensitivity to prepartal energy levels was displayed in the adipose tissue by several ceramide subspecies and in the liver by sphingomyelin subspecies that contained a long-chain or very long chain fatty acids. In addition, the high-energy feeding elevated the concentrations of various phospholipid and lysophospholipid classes in the liver and altered the time-related patterns in the concentrations of various phospholipid classes in the adipose tissue. Analysis of the hepatic gene expression revealed that prepartal high-energy feeding promoted hepatic lipogenesis at 1 wk prepartum by upregulating the transcription of the thyroid hormone responsive gene and the liver X receptor/retinoid X receptor activation pathway. The hepatic inflammatory status was potentially reduced by the prepartal high-energy feeding at 1 wk prepartum, as suggested by the downregulation of the acute phase signalling pathway and the decreased transcription of the pro-inflammatory genes interleukin 1 and nuclear factor kappa B subunit 1. Both the MFD-inducing diets improved the energy balance and decreased plasma levels of non-esterified fatty acids and beta-hydroxybutyrate during early lactation. The CLA-supplemented diet reduced the plasma levels of ceruloplasmin and bilirubin at wk 3 of lactation, suggesting an attenuated inflammation status. However, the high-starch and PUFA-supplemented diet had the opposite effect by increasing the levels of ceruloplasmin and bilirubin at wk 15 of lactation. Both the CLA-supplemented diet and the high-starch and PUFA-supplemented diet downregulated lipolysis in the adipose tissue at wk 3 of lactation by reducing the transcription of hormone-sensitive lipase and fatty acid binding protein 4. The decreased lipolysis resulted in increased lipid deposition in the adipose tissue during early lactation, reflected by the increased transcription of perilipin 2. Lipogenesis in the adipose tissue was potentially increased by the high-starch and PUFA-supplemented diet at wk 15 of lactation. In contrast, the CLA-supplemented diet had no effect on lipogenesis at both wk 3 and 15 of lactation. The CLA supplement likely affected lipid metabolism in the adipose tissue through the regulation of insulin sensitivity, as the diet affected gene expression related to the insulin signalling pathway, the inflammatory response and ceramide metabolism. In contrast, the high-starch and PUFA-supplemented diet had little or no effect on these insulin-related pathways and therefore it may have regulated lipid metabolism in the adipose tissue through other pathways. In conclusion, increasing prepartal energy intake (130% of the energy requirement for a pregnant dairy cow) did not impair the normal liver function and insulin sensitivity of dairy cows near calving. Moreover, this diet attenuated the hepatic inflammatory status during the final stage of pregnancy. Both the CLA-supplemented diet and the high-starch and PUFA-supplemented diet potentially reduced the cows’ metabolic stress by decreasing the necessity to mobilize body reserves. However, these two MFD-inducing diets may have had different effects on the inflammatory status of dairy cows. The CLA supplement may attenuate systemic inflammation during early lactation, while the high-starch and PUFA-supplemented diet may have exacerbated inflammation during the later lactation stages.Poikimisen läheisyydessä korkeatuottoiset lypsylehmät kärsivät metabolisesta stressistä. Maidontuotanto vaatii runsaasti ravintoaineita ja altistaa eläimet aineenvaihduntasairauksille poikimisen jälkeen. Lypsylehmätutkimuksen tavoitteena on ollut pitkään korkeatuottoisten lypsylehmien terveyden ja hyvinvoinnin parantaminen ja tätä voidaan pitää kriittisenä maidontuotannon kestävyyden näkökulmasta. Aikaisempien tutkimusten perusteella ummessaolokauden ja alkulaktaation ruokintastrategialla on merkittävä vaikutus lypsylehmän poikimisen jälkeiseen aineenvaihduntaan. Ruokinnan tarkka suunnittelu poikimista edeltävinä viikkoina ja välittömästi poikimisen jälkeen on tärkeää lypsylehmien terveydelle ja hyvinvoinnille. Väitöstyössä tutkittiin kahta erilaista ruokintastrategiaa: poikimista edeltävä runsasenerginen ruokinta sekä poikimisen jälkeen maidon rasvapitoisuutta voimakkaasti vähentävä (milk fat depression, MFD) ruokinta. Runsasenerginen ruokinta sisälsi 130 % tiineiden lypsylehmien ruokintasuositusten mukaisesta energian saannista kuuden viikon ajan ennen poikimista. MFD-ruokinta toteutettiin joko lisäämällä ruokintaan konjugoitua linolihappoa (conjugated linoleic acid, cis-9, trans-11 ja trans-10, cis-12 CLA; 10-15 g/pv kumpaakin) tai lisäämällä tärkkelyspitoiseen ruokintaan (202 g/kg kuiva-ainetta) monityydyttymättömiä rasvahappoja (polyunsaturated fatty acids, PUFA, 40 g/kg kuiva-ainetta öljyseosta, jossa 2:1 auringonkukkaöljyä ja kalaöljyä). Väitöstyön päätavoitteena oli tutkia ruokintastrategioiden vaikutuksia lypsylehmien energia-aineenvaihduntaan ja insuliiniresistenssiin. Lisäksi väitöstyössä tutkittiin maternaalisen insuliiniresistenssin ja fysiologisen sopeutumisen mahdollisia molekyylitason mekanismeja analysoimalla lipidomia ja transkriptomia poikimisen läheisyydessä. Poikimista edeltävä runsasenerginen ruokinta vaikutti maksa- ja rasvakudoksen lipidiprofiileihin poikimisen läheisyydessä. Ruokinta vaikutti erityisesti sfingolipidien pitoisuuksiin. Maksassa runsasenerginen ruokinta lisäsi sfingomyeliinien kokonaispitoisuutta sekä viikko ennen poikimista, että viikko poikimisen jälkeen. Rasvakudoksessa poikimista edeltävä runsasenerginen ruokinta lisäsi keramidien kokonaispitoisuutta viikko ennen poikimista. Poikimista edeltävällä ruokinnalla oli selvimmät vaikutukset useisiin rasvakudoksen keramideihin ja maksan sfingomyeliineihin, jotka sisälsivät pitkäketjuisia tai erittäin pitkäketjuisia rasvahappoja. Lisäksi runsasenerginen ruokinta lisäsi useiden maksan fosfolipidi- ja lysofosfolipidi –luokkien pitoisuuksia ja muutti useiden fosfolipidi-luokkien ajallista vaihtelua rasvakudoksessa. Maksan geenitoiminnan analyysi osoitti, että runsasenerginen ruokinta lisäsi lipogeneesiä viikko ennen poikimista lisäämällä transkriptiota kilpirauhashormoniin reagoivassa geenissä ja maksan X- reseptorin/retinoidi-X –reseptorin aktivoimassa reaktiotiessä. Akuutin vaiheen soluviestinnän geenien ja tulehdusta edistävien interleukiini 1 ja tumatekijä kappa B alayksikkö 1 –geenien transkription heikkeneminen viittaa siihen, että poikimista edeltävä runsasenerginen ruokinta alensi maksan tulehdustilaa viikko ennen poikimista. Molemmat MFD-ruokinnat paransivat energiatasetta ja vähensivät plasman vapaiden rasvahappojen ja betahydroksivoihapon pitoisuuksia alkulaktaatiossa. CLA-ruokinnalla plasman keruloplasmiinin ja bilirubiinin pitoisuudet olivat pienemmät kolmannella laktaatioviikolla, mikä viittaa tulehduksen vähenemiseen. Toisaalta tärkkelys-PUFA -ruokinta vaikutti päinvastaisesti lisäämällä keruloplasmiinin ja bilirubiinin pitoisuuksia 15. laktaatioviikolla. Sekä CLA-ruokinta että tärkkelys-PUFA -ruokinta vähensivät rasvakudoksen lipolyysiä kolmannella laktaatioviikolla, mitä osoittaa hormonisensitiivisen lipaasin ja rasvahappoja sitovan proteiinin 4 geenien transkription väheneminen. Perilipiini 2 –geenin transkription lisääntyminen tukee käsitystä vähentyneen lipolyysin seurauksena lisääntyneestä rasvan varastoitumisesta rasvakudokseen alkulaktaatiossa. Tärkkelys-PUFA -ruokinta mahdollisesti lisäsi lipogeneesiä rasvakudoksessa 15. laktaatioviikolla. Sitä vastoin CLA-ruokinta ei vaikuttanut lipogeneesiin laktaatioviikoilla 3 tai 15. Todennäköisesti CLA vaikutti rasvakudoksen aineenvaihduntaan säätelemällä insuliiniherkkyyttä, sillä ruokinta vaikutti insuliinin signaloinnin, tulehdusvasteen ja keramidien aineenvaihdunnan geenitoimintaan. Tälle vastakohtaisesti tärkkelys-PUFA -ruokinnalla oli vähän tai ei lainkaan vaikutusta näihin insuliiniin liittyviin reaktioteihin ja siksi ruokinta saattoi säädellä rasvakudoksen aineenvaihdunnan muita reaktioteitä. Johtopäätöksenä todettiin, että poikimista edeltävän energiansaannin lisääminen (130 %:iin tiineen lypsylehmän energiantarpeesta) ei heikentänyt lypsylehmien maksan normaalia toimintaa tai insuliiniherkkyyttä poikimisen läheisyydessä. Lisäksi tällä ruokinnalla voitiin vähentää maksan tulehdustilaa tiineyden loppuvaiheessa. Sekä CLA-ruokinta että tärkkelys-PUFA -ruokinta mahdollisesti vähensivät lehmien metabolista stressiä vähentämällä kudosvarastojen käyttöä. Näillä kahdella MFD-ruokinnalla oli kuitenkin erilainen vaikutus lehmien tulehdustilaan. CLA-ruokinta saattoi vaimentaa systeemistä tulehdusta alkulaktaatiossa, kun taas tärkkelys-PUFA -ruokinta saattoi pahentaa tulehdustilaa laktaation myöhemmässä vaiheessa.
URI: URN:ISBN:978-951-51-4637-3
http://hdl.handle.net/10138/257507
Päiväys: 2018-11-23
Avainsanat: Animal Science
Tekijänoikeustiedot: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Tiedostot

Latausmäärä yhteensä: Ladataan...

Tiedosto(t) Koko Formaatti Näytä
Effectso.pdf 1.036MB PDF Avaa tiedosto

Viite kuuluu kokoelmiin:

Näytä kaikki kuvailutiedot