Effects of intensive milk replacer feeding and butyrate on growth performance and intermediary metabolism in calves

Abstract

Calf-rearing management is a particularly important field in animal production as the calf will be the future dairy or beef cattle. Therefore, a healthy, robust, and productive animal will ensure successful farming. High morbidity and mortality rates elucidate the need and potential for improvements in calf rearing. One of the key factors is the nutrition of the calf. Beginning with the essential colostrum feeding to provide the newborn with nutrients, immunoglobulins, and additional bioactive factors, the further provision of sufficient energy and nutrients will improve the calf´s development in short-term and possible long-term effects.Like all mammals, neonatal calves depend on the supply of liquid feed, i.e., milk or milk replacer (MR), before the rumen development is adequate to absorb and digest solid feed for maintenance and growth. In conventional feeding regimes calves are fed restricted amounts of liquid feed (e.g., 4 6 L/d) for a few weeks, whereas ad libitum intake of milk or MR is at least twice as high and naturally lasts for several month. Hence, restricted-fed calves are not able to express their natural feeding behavior and cannot exploit their full growth potential. Furthermore, feed additives might increase the growth performance and feed efficiency. The short-chain fatty acid, butyrate, is known as a natural growth promoter and affected body growth, development of the gastrointestinal tract, and health in different species (i.e., calves, piglets, and chickens). Therefore, in the critical rearing stage where young stock is prone to health maladies, feed additives are used to improve health and robustness. An improved maturation of the intestinal tissue would contribute to the postnatal development of the calves through a greater and more viable absorptive surface.In the present study, the effects of ad libitum MR feeding and butyrate supplementation on the postnatal development, energy metabolism, and the regulation of growth through the somatotropic axis were evaluated. The trial was conducted with 64 Holstein calves (32 female, 32 male) that were studied from birth until wk 11 of life. All calves received the same amount of colostrum (2.5 kg) from their dam within 2 hours postnatum. Subsequent meals of transition milk were either offered in restricted amounts of 6 L/d (Res; n = 32) or ad libitum (Adl; max. 25 L/d; n = 32) until d 3 of age. From d 4 until d 56, dietary planes continued with MR (12.5 % dry matter) feeding, whereby feeding groups were subdivided and received MR either without (ResB-; AdlB-) or with 0.24 % butyrate supplementation (ResB+; AdlB+). All calves were gradually weaned to 2 L/d from wk 9 to 10, and 2 L MR/d were offered until the end of the trial. Concentrate, hay, and water were freely available.Performance data were determined by daily feed intake and weekly weighing. On four time points in wk 1, then weekly or once every other wk (insulin-like growth factor binding protein; IGFBP) until wk 11 of age, blood samples were taken to evaluate plasma concentrations of specific metabolites, hormones, and the systemic IGF system. Liver samples were collected on d 50 and 80 of age to determine gene expression related to glucose metabolism and to the hepatic IGF system.Calves fed liquid feed ad libitum had lower concentrate intake but higher milk and MR intakes which resulted in elevated metabolic and endocrine plasma levels, e.g., of glucose and insulin. The enhanced preweaning nutrient and energy intake positively affected the IGF system, especially with higher IGF-I and IGFBP-3 but lower IGFBP-2 concentrations. The effect of accelerated anabolic metabolism and stimulation of the somatotropic axis reflected the overall greater growth performance in Adl compared to Res calves. The supplementation of butyrate in MR had no additional effects on feed intake and body growth in the treatment groups. However, butyrate supplementation suppressed glucose status and the IGF system at specific time points throughout the study.In conclusion, butyrate supplementation had no additional effects, but preweaned calves benefit from ad libitum milk or MR feeding that stimulated the intermediary metabolism and growth performance. Furthermore, the intensive feeding practice allowed the expression of a more natural feeding behavior. Das Management der Kälberaufzucht hat eine große Bedeutung, da das Kalb die zukünftige Milchkuh oder das Mastrind darstellt und somit gesunde, robuste und produktive Tiere den Erfolg eines landwirtschaftlichen Betriebes sichern. Die hohen Krankheits- und Sterblichkeitsraten verdeutlichen die Notwendigkeit und das Potenzial, die Kälberaufzucht zu verbessern. Ein Schlüsselfaktor hierfür ist die Kälberfütterung. Angefangen mit der essenziellen Kolostrumgabe, um das Neugeborene mit Nährstoffen, Immunglobulinen und weiteren bioaktiven Substanzen zu versorgen, verbessert eine weitere ausreichende Energie- und Nährstoffversorgung die unmittelbare und möglicherweise langfristige Entwicklung der Kälber.Neugeborene Kälber sind wie alle Säugetiere auf die Aufnahme von Flüssignahrung in Form von Milch oder Milchaustauscher (MAT), angewiesen. Erst wenn der Pansen ausreichend entwickelt ist, um Festfutter zu verdauen, kann der Grundumsatz und das Wachstum hierüber generiert werden. In konventionellen Fütterungsstrategien werden Kälber restriktiv und für wenige Wochen mit Tränke versorgt (z.B. 4 6 l/d), wohingegen ad libitum getränkte Kälber mind. doppelt so viel Milch oder MAT aufnehmen und in der Natur erst nach mehreren Monaten abgetränkt werden. Somit sind restriktiv gefütterte Kälber weder in der Lage ihr physiologisches Trinkverhalten auszuleben noch können sie ihr Wachstumspotential ausschöpfen.Des Weiteren ist es möglich, die Wachstumsleistung und Fütterungseffizienz durch den Einsatz von Futterzusatzstoffen zu erhöhen. Die kurzkettige Fettsäure Butyrat ist bekannt als natürlicher Wachstumsstimulator und beeinflusst das Körperwachstum, die Entwicklung des Magen-Darm-Traktes und die Gesundheit in verschiedenen Tierarten, z.B. Kälber, Ferkel, oder Küken. Zusatzstoffe im Futter sollen den Gesundheitsstatus und die Robustheit der Jungtiere verbessern, v.a. in der kritischen Aufzuchtphase, wenn sie besonders anfällig für Krankheiten sind. Im Allgemeinen führt eine ausgereifte und gesunde Darmmukosa zu einer verbesserten postnatalen Entwicklung der Kälber, da es eine größere und funktionsfähigere Absorptionsoberfläche bietet.In der präsentierten Studie wurden die Effekte einer ad libitum Fütterung von MAT und eines Buttersäurezusatzes auf die postnatale Entwicklung, den Energiestoffwechsel und die Wachstumsregulation durch die somatotrope Achse untersucht. Der Versuch wurde mit 64 Kälbern (32 weiblich, 32 männlich) der Rasse Deutsche Holstein von ihrer Geburt bis zur 11. Lebenswoche durchgeführt. Alle Kälber erhielten die gleiche Menge an Erstkolostrum (2,5 kg) von der Mutter innerhalb von zwei Stunden nach der Geburt. Anschließend wurde Transitmilch bis zum 4. Lebenstag entweder restriktiv mit 6 l/d (Res; n = 32), oder ad libitum (Adl; max. 25 l/d; n = 32) vertränkt. Ab dem 4. bis zum 56. Lebenstag wurde die Tränkeintensität mit einem MAT (12,5 % Trockenmasse) fortgesetzt, wobei die Fütterungsgruppen entweder einen MAT ohne Butyrat (ResB-, AdlB-) oder mit 0,24 % Butyratzusatz (ResB+, AldB+) erhielten. Alle Kälber wurden in den Lebenswochen 9 bis 10 linear auf 2 l/d abgetränkt, wobei sie bis zum Versuchsende 2 l/d erhielten. Kraftfutter, Heu und Wasser standen zur freien Verfügung.Für die Leistungsdaten wurden die täglichen Futteraufnahmen und wöchentlichen Gewichte erfasst. Blutproben wurden an vier Zeitpunkten in der ersten Lebenswoche, dann wöchentlich oder zweiwöchentlich (insulin-like growth factor binding protein; IGFBP) bis zum Versuchsende entnommen. Im Blutplasma wurden spezifische Metaboliten und Hormone, sowie Parameter des IGF-Systems analysiert. Am 50. und 80. Lebenstag wurden Leberbiopsien durchgeführt, um die Genexpression in Bezug auf den Glukosestoffwechsel und das leberspezifische IGF-System zu untersuchen.Ad libitum gefütterte Kälber hatten geringere Kraftfutteraufnahmen, aber höhere Milch- und MAT-Aufnahmen, was zu erhöhten metabolischen und endokrinen Plasmawerten, z.B. von Glukose und Insulin, führte. Die erhöhte Nährstoff- und Energiezufuhr vor dem Abtränken zeigte eine positive Beeinflussung des IGF-Systems mit höheren Konzentrationen von IGF-I und IGFBP-3, bei gleichzeitig niedrigeren IGFBP-2 Werten. Der Effekt des verbesserten anabolen Stoffwechsels und die Stimulation der somatotropen Achse spiegelten sich in dem insgesamt höheren Gewichtszuwachs der Adl gegenüber den Res Kälbern wider. Der Zusatz von Butyrat im MAT hatte keine zusätzlichen Effekte auf die Futteraufnahme und das Wachstum der Kälber. Jedoch minderte der Butyratzusatz den Glukosespiegel und das IGF-System zu bestimmten Zeitpunkten während des Versuchs.Zusammenfassend zeigt diese Studie, dass der Zusatz von Butyrat keine weiteren, das Wachstum oder die Entwicklung stimulierenden Effekte hatte, aber Tränkekälber von der ad libitum Milch- oder MAT-Fütterung profitieren, die den Intermediärstoffwechsel und das Wachstum stimuliert. Darüber hinaus ermöglicht das intensive Tränkemanagement die Ausübung eines natürlicheren Trinkverhaltens der Kälber.