The serum proteome and metabolome of dairy cows clustered for body fat content from a large dairy herd

Riosa, Ruben (2022) The serum proteome and metabolome of dairy cows clustered for body fat content from a large dairy herd. PhD thesis, Joint Doctorate Degree in collaboration with University of Glasgow and the University of Bonn.

Abstract

The transition from late pregnancy to early lactation implies metabolic and endocrine changes for accomplishing the adaptation to the rapid increase of milk production. Voluntary feed intake can usually not cover the energy and nutrient requirements in the first weeks of lactation, and dairy cows thus need to mobilize body reserves, mainly from adipose tissue. The extent of this mobilization that can be assessed by recording backfat thickness (BFT), varies between animals but is commonly more pronounced in cows that are over-conditioned at calving. Over-conditioned cows are at greater risk for developing metabolic disorders, such as ketosis, and thus for compromised welfare and performance than cows of normal or lean body condition. Making use of a large dataset including also health records from a herd with 1,709 multiparous Holstein cows, the objectives of this thesis work were (1) to characterize the variation in pre-calving back fat thickness (BFT) and the subsequent BFT loss during early lactation, and to relate it to milk production, health condition, and selected blood variables, (2) to perform an untargeted metabolomics analysis for comparing the metabolome in blood serum of selected subgroups differing in body condition loss, health status and in dietary methionine (Met) supply, and (3), to undertake proteome analyses in other subgroups of animals that were either lean or over-conditioned before calving but were otherwise not differing in health status and Met supply. Animals from which serum samples and BFT records were available both at day 25 ante partum (ap) and day 30 post partum (pp) were selected (n =713) and subjected to K-means cluster analyses. Five clusters were obtained each considering the BFT-ap and the difference between BFT-ap and BFT pp (ΔBFT). The clusters were validated and the serum samples analysed for non-esterified fatty acids (NEFA), ß-hydroxybutyrate (BHB), for two adipokines, i.e., adiponectin and leptin, and for one inflammation marker (Haptoglobin). In confirmation of the literature, cows in the clusters with greater ΔBFT underwent more intense lipolysis and ketogenesis than cows with smaller ΔBFT. Cows categorized as very fat ap had lesser milk yields than other clusters. No differences in the serum metabolome at day 30 pp were detectable in cows with different ΔBFT, health status, and Met supply (n = 184). Even though the subset was further limited to fat versus lean cows (n = 30 in total) that were all healthy and did not receive supplemental Met for the proteome analysis, no differences were observed between the two groups. The findings about the classical variables recorded were largely confirmatory whereas the multivariate results from metabolomics and proteomics could not further extend the current knowledge about the relationship between body condition, fat mobilization, and metabolism.

Der Übergang von der späten Gravidität zur frühen Laktation bringt metabolische und endokrine Veränderungen mit sich, um die Anpassung an den schnellen Anstieg der Milchproduktion zu bewältigen. Die freiwillige Futteraufnahme kann den Energie- und Nährstoffbedarf in den ersten Wochen der Laktation in der Regel nicht decken, so dass Milchkühe Körperreserven, v.a. Fett, mobilisieren müssen. Das Ausmaß dieser Mobilisierung, das durch die Erfassung der Rückfettdicke (BFT) beurteilt werden kann, variiert tierindividuell, ist aber bei Kühen, die beim Abkalben überkonditioniert sind, meist stärker ausgeprägt. Überkonditionierte Kühe haben ein höheres Risiko für die Entwicklung von Stoffwechselstörungen wie Ketose und damit für eine Beeinträchtigung des Wohlbefindens und der Leistung als Kühe mit normaler oder magerer Körperkondition. Unter Verwendung eines großen Datensatzes, der auch Gesundheitsdaten aus einer Herde mit 1.709 pluriparen Holstein-Kühen enthielt, waren die Ziele dieser Arbeit: (1) die BFT-Variation vor dem Abkalben (ante partum, ap) und des anschließenden BFT-Verlustes während der frühen Laktation in ihrer Beziehung zu Milchleistung, Gesundheitszustand und ausgewählten Blutvariablen zu charakterisieren, (2) das Metabolom im Blutserum ausgewählter Untergruppen, die sich in Bezug auf den Verlust der Körperkondition, den Gesundheitszustand und die Methionin (Met)-Zufuhr mit der Nahrung unterscheiden, mittels einer untargeted Metabolomics-Analyse zu vergleichen, (3) auch das Proteom in anderen Untergruppen von Tieren, die vor dem Kalben entweder mager oder überkonditioniert waren, sich aber ansonsten nicht in Bezug auf den Gesundheitszustand und die Met-Zufuhr unterschieden, zu untersuchen. Es wurden zunächst Tiere ausgewählt, von denen Serumproben und BFT-Aufzeichnungen sowohl am Tag 25 ap als auch am Tag 30 post partum (pp) verfügbar waren, und einer K-Means-Cluster-Analyse unterzogen. Sowohl für den ap BFT-Wert als auch für die Differenz zwischen BFT-ap und BFT-pp (ΔBFT) wurden jeweils fünf Cluster erhalten. Die Cluster wurden validiert und die Serumproben auf nicht veresterte Fettsäuren (NEFA), ß-Hydroxybutyrat (BHB), auf zwei Adipokine (Adiponectin und Leptin) und auf einen Entzündungsmarker (Haptoglobin) untersucht. Wie in der Literatur beschrieben, durchliefen die Kühe in den Clustern mit größerem ΔBFT eine intensivere Lipolyse und Ketogenese als Kühe mit kleinerem ΔBFT. Kühe, die als sehr fett eingestuft wurden, hatten eine geringere Milchleistung als andere Cluster. Bei Kühen mit unterschiedlichem ΔBFT, Gesundheitszustand und Met-Versorgung (n = 184) waren keine Unterschiede im Serum-Metabolom am Tag 30 pp nachweisbar. Auch die für die Proteom-Analysen vorgenommene Reduzierung der Untergruppen auf fette und magere Kühe (insgesamt n = 30), die alle gesund waren und kein zusätzliches Met erhielten, wurden keine Unterschiede zwischen den beiden Gruppen festgestellt. Die Ergebnisse zu den erfassten klassischen Variablen waren weitgehend bestätigend, während die multivariaten Ergebnisse aus Metabolomics und Proteomics unter den gewählten Bedingungen das derzeitige Verständnis der Beziehungen zwischen Körperkondition, Fettmobilisierung und Stoffwechsel nicht weiter vertiefen konnten.

• Item Type: Thesis (PhD)
• Qualification Level: Doctoral
• Additional Information: Dissertation from the European Joint Doctorate in Molecular Animal Nutrition (MANNA). This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme H2020-MSCA- ITN-2017- EJD: Marie Skłodowska-Curie Innovative Training Networks (European Joint Doctorate) – Grant agreement nº: 765423 – MANNA
• Subjects: S Agriculture > SF Animal culture
• Colleges/Schools: College of Medical Veterinary and Life Sciences > Institute of Biodiversity Animal Health and Comparative Medicine
• Funder's Name: European Commission (EC)
• Supervisor's Name: Sauerwein, Prof. Dr. Helga, Burchmore, Dr. Richard and McLaughlin, Dr. Mark
• Date of Award: 2022
• Depositing User: Theses Team
• Unique ID: glathesis:2022-82980
• Copyright: Copyright of this thesis is held by the author.
• Date Deposited: 17 Jun 2022 08:41
• Last Modified: 17 Jun 2022 08:42
• Thesis DOI: 10.5525/gla.thesis.82980
• URI: https://theses.gla.ac.uk/id/eprint/82980