Rearing of Norwegian Red replacement heifers; Short- and long-term effects of dietary energy and protein levels on growth characteristics and adipose tissue gene expression

Abstract

This thesis is part of a larger research project aimed at assessing the impact of calf and youngstock development on dairy cow production and profitability. The potential impact of heifer growth on future milk yield has been known for many decades, but the mechanisms mediating such effects are still not fully elucidated. Over the last 15-20 years, an important role of adipose tissue in the regulation of whole-body metabolism and energy allocation has become clear. However, knowledge about this connection in growing cattle is incomplete. Thus, the main objective of this thesis was to investigate how different feeding during rearing affects growth profiles, and how these two also affect adipose tissue gene expression in Norwegian Red replacement heifers. This was achieved by performing a controlled feeding experiment in which Norwegian Red heifers were subjected to different levels of dietary energy and protein from three months of age to confirmed pregnancy. Energy and protein supplies were regulated by roughage quality and amount, and an additional difference in protein supply was achieved by the use of two experimental concentrates differing in protein content. After confirmed pregnancy, all heifers were fed the same, roughage-based diet. The experimental feeding lead to different growth profiles as assessed by body weights, body condition scores and withers heights. Subcutaneous adipose tissue biopsies were harvested from the experimental heifers at 12 months of age and at month seven of pregnancy. RNA was extracted from these biopsies and subjected to next-generation RNA sequencing to assess adipose gene expression differences between treatment groups as well as within-treatment changes occurring between 12 months of age and at month seven of pregnancy Our results showed that Norwegian Red heifers can obtain a rapid pre-conception growth of >900 g/ day on roughage-based rations. When combined with low-energy feeding and a moderate growth post-conception, they may calve in at an adequate body condition score and body weight at 22 months of age without negative consequences for total milk yield over three lactations. Growth characteristics and adipose gene expression were strongly affected by dietary energy level, while dietary protein above current recommendations had minor effects. However, total ration characteristics was the most important determinant of overall outcome. The nutritionally induced transcriptomic changes observed in this study seem to be reversible to a large extent. Nonetheless, we found that growth rates, BCS development and adipose gene expression were all affected by the experimental diets even more than 6 months after their termination. Two immune-related genes, ENSBTAG00000007075 and ENSBTAG00000048049 maintained the same pattern of differential expression from the experimental feeding period to seven months into pregnancy and may suggest that some kind of developmental programming has occurred in our heifers. Gene expression changes which seemed to have occurred from the experimental feeding period to month seven of pregnancy for all heifers, and thus might be induced by pregnancy, were dominated by genes and pathways related to inflammatory and immunologic functions. We identified Transforming growth factor 1 (TGFB1) as a key regulator and CFD, the gene coding for adipsin, as candidates for further studies on pregnancy function and preservation. The genes coding for uncoupling protein 2 (UCP2), superoxide dismutase (SOD) and catalase (CAT) may act as indicators of nutritional status and oxidative stress, while PI3K, RICTOR and MAP4K seem to be key regulators of gene expression pertaining to metabolic function. This is the first study to examine the total transcriptome of adipose tissue in the Norwegian Red. The results presented in this thesis are of both practical and theoretical relevance as they identify important focus points for dairy farmers when planning their management strategies, give further insights to adipose tissue metabolic regulation through gene expression, and provides candidate genes and systems for further studies to improve the performance of the Norwegian Red breed.

Denne avhandlingen er en del av et større prosjekt, «the impact of calf and youngstock development on dairy cow production and profitability». Det overordnede målet for prosjektet var å skaffe ny kunnskap om fôringsstrategier for rekrutteringskviger til melkeproduksjon, utviklet med tanke på høy ytelse og lønnsomhet. At en kviges fremtidige ytelse kan påvirkes av tilveksten under oppdrettsperioden, har vært kjent i mange tiår, men mekanismene som ligger bak er i stor grad ukjent. I løpet av de siste 15-20 årene har fettvevets betydning for kroppens energiallokering og metabolske regulering blitt stadig tydeligere, men hos storfe har kunnskap om denne forbindelsen vært mangelfull. Hovedmålet med denne avhandlingen har derfor vært å belyse hvordan ulik fôring i oppdrettet påvirker tilvekstprofiler og hvordan disse to igjen påvirker genuttrykket i fettvev hos kviger av Norsk Rødt Fe. Dette ble gjort gjennom et kontrollert fôringsforsøk, hvor NRF-kviger fikk tildelt fôr med ulikt innhold av energi og protein fra tre måneders alder til bekreftet drektighet. Energi- og proteintilgang ble styrt via grovfôret, og en ytterligere forskjell i protein ble oppnådd ved bruk av to forsøkskraftfôr med ulikt proteininnhold. Etter bekreftet drektighet ble alle kviger tildelt det samme fôret. Forsøksfôringen ga ulike tilvekstprofiler, som ble registrert via kroppsvekt, hold og mankehøyde. Subkutane fettvevsbiopsier ble tatt ut fra kvigene ved 12 måneders alder og ved syv måneders drektighet. RNA ble ekstrahert fra biopsiene og sekvensert via neste-generasjons RNA-sekvensering for å vurdere forskjellene i genekspresjon mellom de ulike fôringsgruppene, samt utviklingen innad i hver gruppe mellom 12 måneders alder og syv måneders drektighet. Våre resultater viste at NRF-kviger er i stand til å nå en tilvekst på >900 g/ dag på grovfôrbaserte rasjoner. Når kombinert med lavt energiinnhold i fôret og derved moderat tilvekst i drektigheten, kunne de kalve inn ved 22 måneders alder uten at dette gikk ut over total melkeytelse over 3 laktasjoner. Tilvekst og genekspresjon i fettvev ble sterkt påvirket av energitilførsel, mens proteintiførsel utover gjeldende angitt minimumsbehov kun hadde små effekter. Likevel var det rasjonens totale sammensetning som hadde mest å si for det totale resultatet. De ernæringsrelaterte forskjellene i genuttrykk som ble observert i denne studien, ser i stor grad ut til å være reversible. Ikke desto mindre var både tilvekst, hold og genuttrykk i fettvev fremdeles påvirket av forsøksfôringen mer enn seks måneder etter dens avslutning. To immunrelaterte gener, ENSBTAG00000007075 and ENSBTAG00000048049, beholdt samme, ulike genekspresjonsmønster mellom forsøksgrupper fra 12 måneders alder til syvende drektighetsmåned. Dette kan antyde at en form for utviklingsmessig programmering har funnet sted. Endringer i genuttrykk mellom 12 måneders alder og syv måneders drektighet, som var felles for alle forsøksgrupper var trolig indusert av drektigheten. Disse endringene var dominert av gener og pathways relatert til inflammatoriske og immunologiske funksjoner. Vi identifiserte TGFB1 som en nøkkel-regulator og CFD, genet som koder for adipsin, som kandidater for videre studier på endringer i og opprettholdelse av drektighetsfunksjoner. Genene som koder for uncuopling protein 2 (UCP2), superoxid dismutase (SOD) og katalase (CAT) kan ha potensielle roller som indikatorer for ernæringsstatus og oksidativt stress. PI3K, RICTOR og MAP4K ble funnet å være blant de mest sentrale regulatorene av genekspresjon relatert til metabolisme. Dette er den første studien som undersøker hele fettvevstranskriptomet hos NRF. Resultatene som presenteres i denne avhandlingen kan være av både praktisk og teoretisk relevans. ettersom de har identifisert viktige fokuspunkter for melkebønders oppdrettsstrategier, har utvidet vår innsikt i metabolsk regulering i fettvev via genekspresjon, og har identifisert gener og systemer som er potensielle kandidater for videre studier på Norsk Rødt fe.