Ingunn Schei disputerte 24. mai 2006

Ane Skjelfjord

In recent years, the value of milk protein as a component in the manufacture of dairy products has increased. One effect of this has been the need for research on how to increase the concentration and yield of milk protein from dairy cows, and how to predict dietary effects on milk protein production.

Utilization of metabolizable protein in dairy cows - effects at low energy supply

English language abstract
Milk protein is synthesized in the udder from amino acids (AA) absorbed from the blood. However, supplementation of metabolizable AA has shown low and variable successes in affecting milk protein responses. This may be partly because AA can be utilized for protein synthesis in other tissues than the mammary gland, or for energy or glucose production. The purpose of the present work was to study metabolizable protein (MP) utilization and milk protein production in response to nutrient supply when cows were fed to a low energy status. Two experiments were carried out, one production trial with 36 cows in early lactation (Paper I) and one infusion trial using eight ruminally cannulated cows, four cows from each of two genetic lines (Papers II-IV). The infusion experiment was run in early lactation and repeated with the same animals, feeds and treatments in late lactation.

In the first experiment, three diets were formulated to investigate the effect of dietary energy and MP supply on feed intake, milk production, blood metabolites and tissue mobilization in dairy cows in early lactation (Paper I). The cows were fed the same diet before calving; on the day of calving, they were switched to one of three treatment diets and remained on this diet until lactation week 14. When cows were fed low concentrate levels they compensated by increasing their silage intake, but total dry matter intake was lower than when cows were fed according to standard energy recommendations. Feeding a high supply of MP to cows at low energy intake increased milk production and body mobilization rate, with little increase of risk of ketosis. The results obtained in this study show that the MP supply is an important factor in regulating milk yield and milk protein production in early lactation. Therefore, when high milk yields are preferred, a high MP supplementation is recommended. However, an increased MP supplementation reduced the efficiency of MP utilization and thus also decreased the marginal response in milk protein. Consequently, the cost of the protein supplements must be considered when increasing diet MP level.

In the second experiment we hypothesized that the high rate of energy and protein turnover in the gastro-intestinal tract would reduce nutrients delivered to the mammary gland and thus reduce milk protein production. We also hypothesized that amino acids (AA) would supply both glucogenic substrates and essential AA (EAA) for milk protein synthesis and therefore increase milk protein synthesis more than starch or glucose infusions would. These hypotheses were tested by comparing the effects of post-ruminal and intravenous infusions of wheat starch or glucose or a mixture of AA in a multiple comparison. The effects on milk production, nitrogen (N) utilization, plasma metabolites and mammary extraction and uptake of plasma metabolites were study in early and late lactation (Papers II and III). In this experiment we also investigated the effects of genetic capacity on nutrient utilization (Paper IV). Therefore, two 4 x 4 Latin square designs were applied to four cows from each of two genetic lines selected for low and high milk production, one square for each of the two genetic groups. When post-ruminal infusions were performed, the cows were fitted with a tube through the rumen cannulae and the reticulo-omasal orifice ending up in the abomasum. Intravenous infusions were done through a jugular catheter inserted under local anaesthesia prior to infusions. In both lactation stages cows were fed a diet intended to cover 95% of their energy requirements.

Milk protein production was higher when intravenous infusions of glucose or AA were given than when abomasal infusions of starch or AA infusions were given. This indicates that the loss of nutrients across the gastro-intestinal tract and the liver when cows are in low energy status reduces the nutrient delivery to the mammary gland. Due to the common increase in feed intake and thus growth of internal organs in early lactation, it is suggested that some AA are used for this purpose independent of substrate supply. This was also supported by indications of higher endogenous faecal losses by abomasal infusions. Carbohydrates and AA as substrates gave similar milk production in both early and late lactation. These results suggest that AA infusion increased hepatic glucose production from AA, whereas glucose infusion reduced gluconeogenesis. When glucose was infused, a high utilization of EAA by the mammary gland was observed and these AA seemed to limit further milk protein synthesis. In contrast, when AA was infused, glucose or energy substrates might have been the limiting factor. Responses in milk production were similar in early and late lactation, which indicates that it is the nutrient supply per se and not the lactation stage that is important for the response when cows are in negative energy balance. When cows were on AA infusions a higher partitioning of AA towards skeletal muscles may have occurred in late than in early lactation, as indicated by differences in urinary N excretion, N balances and plasma insulin concentrations. In response to their infusion treatments, high genetic merit cows did not significantly increase milk production compared to low genetic merit cows. Plasma hormone concentrations indicated that high genetic cows had a prolonged mobilization of body tissues and that they responded metabolic differently to infusion substrates than low merit cows. The main conclusion from this study is that glucogenic substrates are limiting when cows are in low energy status, and the gastro-intestinal metabolism influences the nutrients available for milk synthesis and should therefore be taken into account when further developing the feed evaluation models for dairy cows.

Key words: glucose, amino acid infusion, lactation stage, plasma metabolites, genetic capacity

ISI database key words: dairy cows, energy deficiency, amino acids absorbed in the small intestine, concentrate amount, blood and milk urea, body condition, milk performance

Address as from June 2006:
UMB, IHA, P.O.Box 5003, N-1432 Ås



Utnytting av absorberte aminosyrer hos mjølkekyr - effektar ved låg energiforsyning

Norsk samandrag
Mjølkeproteinet er danna i juret frå aminosyrer (AA) som er tatt opp frå blodet. Men sjølv om ein aukar forsyninga av absorberte AA (MP), så har det gitt låg og variert effekt på responsen i mjølkeprotein. Det skuldast delvis at AA også kan utnyttast til proteinsyntese i andre kroppsvev, dei kan brukast som energikjelde eller til glukoseproduksjon. Målet med dette arbeidet har vore å studere utnyttinga av MP og respons i mjølkeprotein produksjonen ved ulik næringsforsyning til kyr som har låg energistatus. Det er gjennomført to forsøk, eit produksjonsforsøk med 36 kyr i tidleg laktasjon (Artikkel I) og eit infusjonsforsøk med 8 vom-kanulerte kyr, 4 kyr frå kvar av to genetiske linjer (Artikkel II-IV). Infusjonsforsøket vart gjennomført med dei same dyra, fôret og behandlingar både i tidleg og sein laktasjon.

I det første forsøket vart tre fôrrasjonar med ulikt innhald energi og MP undersøkt for effektar på fôropptak, mjølkeproduksjon, blod parametrar og mobilisering av kroppsreservar i tidleg laktasjon (Artikkel I). Før kalving fikk alle kyrne same fôrrasjon. På kalvingsdagen blei dei bytta over på forsøksfôret, og denne fôrrasjonen vart gitt fram til 14. laktasjonsveke. Når kyrne fikk låge kraftfôrmengder, kompenserte dei med å ta opp meir surfôr, men det totale tørrstoffopptaket var lågare enn ved fôring etter standard energinorm. Fôring med høgt innhald av MP til kyr med låg energiforsyning auka mjølkeproduksjonen og mobilisering av kroppsreservar, men det var liten risiko for auka ketose-fare. Desse resultata viser at MP forsyninga er ein viktig faktor for å regulere mjølkeavdråtten og proteinproduksjonen. Dersom ein ønskjer høg mjølkeavdrått, bør ein derfor ha høgt innhald av MP i fôrrasjonen. Auka MP forsyning reduserer derimot effektiviteten i utnyttinga av MP og dermed den marginale responsen i mjølkeprotein. Kostnaden med proteinsupplement må derfor vurderast når ein aukar MP nivået i fôret.

I det andre forsøket var hypotesa at omsetninga av energi og protein i mage-tarmkanalen og levra er så stor at det vil redusere næringsforsyninga til juret og dermed mjølkeproduksjonen. Ei anna hypotese var at AA ville kunne tilføre både glukogene substrat og essensiell AA (EAA) til mjølkeproteinsyntese, og vil dermed kunne auke proteinproduksjonen samanlikna med stivelse eller glukose som substrat. Desse hypotesane vart testa ved å samanlike løpe- og intravenøs infusjon av kveitestivelse, glukose, og ei AA blanding i ein multippel test for å studere effektar på mjølkeproduksjonen, nitrogen (N) utnyttinga, plasma metabolittar, samt ekstraksjon og opptak av plasma metabolittar i juret til kyr i tidleg og sein laktasjon (Artikkel II og III). I dette forsøket vart det også undersøkt effekt av genetisk kapasitet på næringsutnyttinga (Artikkel IV). Dermed blei fire kyr frå kvar av to ulike genetiske linjer selektert for høg og låg mjølkeproduksjon brukt i to 4 x 4 Latinsk kvadrat, eit kvadrat for kvar av dei to genetiske gruppene. Til infusjon i løpen vart det lagt ein slange i løpen gjennom vomma og nett- og bladmagekanalen. Intravenøs infusjon vart gjort gjennom eit kateter i hals-vena innsett under lokal anestesi før infusjonen starta.

Intravenøs infusjon av glukose eller AA gav høgare produksjon av mjølkeprotein enn stivelse eller AA gitt i løpen. Det tyda på at tapet av næringsstoff over mage-tarmkanalen og levra når kyrne har låg energi status reduserar forsyninga av næringsstoff til juret. Det auka fôropptaket i tidleg laktasjon aukar veksten av indre organ, og resultata tyder på at ein del AA kan ha blitt brukt der, uavhengig av type substrat som vart gitt. Desse funna vart også støtta av teikn på høgare utskiljing av endogent protein i gjødsla ved infusjon i løpen. Karbohydrat og AA som substrat gav lik produksjon av mjølkeprotein både i tidleg og seinlaktasjon og tyder på mangel på glukogene substrat. Infusjon av AA auka glukoseproduksjonen frå AA i levra medan infusjon av glukose reduserte glukoneogenesen. Utnyttinga av EAA i juret var høg ved infusjon av glukose, og desse AA såg ut til å vere avgrensande for ein vidare proteinsyntese. Når AA vart infundert derimot, såg glukose eller energi ut til å kunne vere den avgrensande faktoren. Responsen i mjølkeproduksjonen var lik i tidleg og seinlaktasjon, og det tyder på at det er næringsforsyninga per se og ikkje laktasjonsstadiet som er viktig for responsen i mjølk. I seinlaktasjon kan ein høgare del av AA ved infusjon av AA ha gått til lagring i skjelettmuskulaturen enn i tidleg laktasjon, indikert ved forskjellar i N utskilt i urin, N balanse målingar og plasma insulin konsentrasjonar. Sjølv om kyr med høg genetisk kapasitet ikkje hadde signifikant høgare avdrått enn kyr med låg genetisk kapasitet, indikerte plasma hormon konsentrasjonar på at kyr med høg genetisk kapasitet hadde høgare og lenger tid med mobilisering av kroppsreservar enn låg-linje kyr. Dei responderte også forskjellig på infusjonssubstrat. Hovudkonklusjonane frå dette studiet er at tilgangen på glukogene substrat er mangelfull når kyrne har låg energi status, og at stoffskiftet i mage-tarmkanalen og levra påverkar næringsstoffa som er tilgjengeleg for mjølkesyntesen. Dette bør det takast omsyn til ved vidare utvikling av modellar for fôrmiddelvurdering til mjølkekyr.

Nøkkelord til artikkelsøk: glukose, aminosyrer, laktasjonsstadium, plasmametabolitter, genetisk kapasitet, ku, melkeku, lav energistatus, melkeprotein, mage-tarmkanal, energiomsetning, urea i blod og melk, kroppsreserver, mjølkeavdrått, melkeproduksjon, næringsforsyning til jur


Adresse pr. juni 2006:
UMB, IHA, Postboks 5003, 1432 Ås



Oppdatert: 20.09.06
Utskriftsvennlig versjon : Arkiv : Tips en venn