Effects of the supplementation with citrus flavonoids on performance, eating pattern and animal behavior in fattening cattle

Abstract

Avui dia millorar la productivitat, la salut i el benestar animal en els sistemes intensius de producció és bàsic per assegurar la seva sostenibilitat. A més, ens enfrontem a la reducció de l'ús d'antibiòtics pel creixement dels bacteris multirresistents. En conseqüència, és essencial investigar i desenvolupar noves alternatives juntament amb un nou enfocament del metabolisme, la salut i el benestar animal necessari per abordar aquests importants desafiaments. Els flavonoides cítrics són polifenols que posseeixen propietats antiinflamatòries, antioxidants i antimicrobianes, i han mostrat efectes prometedors en estudis previs realitzats en vedells d'engreix. D'altra banda, el creixent coneixement sobre una xarxa de comunicació entre el tracte gastrointestinal, la microbiota i el sistema nerviós central, l'eix intestí-cervell, proposa que la inflamació, la microbiota i la dieta estarien involucrades en la modulació de la conducta animal i alimentària. Així, l'objectiu d'aquesta tesi va ser estudiar els beneficis de suplementar flavonoides cítrics en vedells d'engreix alimentats amb dietes altes en concentrat sobre la productivitat, la conducta alimentària i animal, aprofundint en els possibles mecanismes d'acció relacionats amb l'eix intestí-cervell. El primer estudi va avaluar els efectes dels flavonoides cítrics sobre la conducta alimentària (menjadora uniboca), paràmetres productius, salut de la paret ruminal i comportament animal en vedells Holstein alimentats amb concentrat granulat. Els flavonoides van reduir la ingesta de concentrat i van modificar la conducta alimentària, reduint el percentatge de menjades grans. A més, es va millorar la salut de la paret ruminal i el comportament animal. En base a aquests resultats, els següents estudis van avaluar les possibles interaccions de suplementar flavonoides cítrics amb l'espai de menjadora, presentació (granulat vs. farina) i composició (nivell de greix) del pinso. També es va estudiar l'expressió de gens relacionats amb l'eix intestí-cervell, com receptors de nutrients, de neurotransmissors i diferents reguladors de la inflamació en l'epiteli ruminal i, en l'últim estudi, duodenal. En tots els estudis, els vedells suplementats amb flavonoides van dedicar més temps als comportaments alimentaris. Si bé els paràmetres productius i la ingesta de concentrat no es van veure afectats quan el concentrat es va subministrar granulat utilitzant menjadores multiespai, els flavonoides van reduir la ingesta de concentrat quan es va subministrar en farina, sense afectar el rendiment i millorant l'eficiència. En els diferents estudis, el comportament animal també va millorar, reduint comportaments orals no nutritius i les interaccions agressives i sexuals. A més, l'estudi macroscòpic de la paret ruminal realitzat en escorxador va mostrar un color més clar en els vedells suplementats amb flavonoides en els diferents estudis. Per contra, l'expressió gènica en l'epiteli ruminal va ser diferent entre estudis, sent l'expressió de gens relacionats amb la detecció de nutrients i el comportament diferent depenent de la presentació del concentrat (pellet o farina) i la seva composició (nivell de greix) en vedells suplementats amb flavonoides cítrics. L'expressió d'aquests gens en l'epiteli duodenal també va ser modificada en vedells alimentats amb dietes altes en greix. En conclusió, la suplementació amb flavonoides cítrics va modificar la conducta alimentària en els vedells, disminuint el percentatge de menjars grans o augmentant el temps dedicat comportaments alimentaris. Aquesta modulació de la conducta alimentària, juntament amb la salut de la paret ruminal podria explicar la millora del comportament en aquests vedells. A més, la suplementació amb flavonoides va modificar l'expressió de gens en l'epiteli ruminal i duodenal que podrien estar relacionats amb la conducta alimentària i animal. La presentació del concentrat (granulat vs. farina) i el nivell de greix van afectar a aquesta expressió gènica de receptors de nutrients, pèptids i hormones, i de molècules pro-inflamatòries, probablement com a resultat del metabolisme dels flavonoides en el rumen.

Hoy en día mejorar la productividad, la salud y el bienestar animal en los sistemas intensivos de producción es básico para asegurar su sostenibilidad. Además, nos enfrentamos a la reducción del uso de antibióticos por el crecimiento de bacterias multirresistentes. Consecuentemente, es esencial investigar y desarrollar nuevas alternativas y, posiblemente, un nuevo enfoque del metabolismo, salud y bienestar animal es necesario para abordar estos importantes desafíos. Los flavonoides cítricos son polifenoles que poseen propiedades antiinflamatorias, antioxidantes y antimicrobianas, y han mostrado efectos prometedores en estudios previos con terneros de cebo. Por otro lado, el creciente conocimiento sobre una red de comunicación entre tracto gastrointestinal, microbiota y sistema nervioso central, el eje intestino-cerebro, propone que inflamación, microbiota y dieta podrían estar involucradas en la modulación de la conducta animal y alimentaria. Así, el objetivo de esta tesis fue estudiar los beneficios de suplementar flavonoides cítricos en terneros de cebo alimentados con dietas altas en concentrado sobre el rendimiento productivo, la conducta alimentaria y animal, profundizando en los posibles mecanismos de acción relacionados con el eje intestino-cerebro. El primer estudio evaluó los efectos de suplementar flavonoides cítricos sobre la conducta alimentaria (comedero uniboca), parámetros productivos, salud de la pared ruminal y comportamiento animal en terneros Holstein alimentados con concentrado granulado. Los flavonoides redujeron la ingesta de concentrado y modificaron la conducta alimentaria, reduciendo el porcentaje de comidas grandes. Además, se mejoró la salud de la pared ruminal y el comportamiento animal. En base a estos resultados, los siguientes estudios evaluaron las posibles interacciones de suplementar flavonoides cítricos con el espacio de comedero, presentación (granulado vs. harina) y composición (nivel de grasa) del concentrado. Además, se estudió la expresión de genes relacionados con el eje intestino-cerebro, como receptores de nutrientes, de neurotransmisores y diferentes reguladores de la inflamación en el epitelio ruminal y, en el último estudio, duodenal. En todos los estudios, los terneros suplementados con flavonoides dedicaron más tiempo a diferentes comportamientos alimentarios. Si bien los parámetros productivos y la ingesta de concentrado no se vieron afectados cuando el concentrado se suministró en gránulos utilizando comederos multiespacio, los flavonoides redujeron la ingesta de concentrado cuando se suministró en harina, sin afectar el rendimiento y mejorando la eficiencia. En los diferentes estudios, el comportamiento animal también mejoró, reduciendo comportamientos orales no nutritivos y las interacciones agresivas y sexuales. Además, el estudio macroscópico de la pared ruminal realizado en matadero mostró un color más claro en los terneros suplementados con flavonoides cítricos en los diferentes estudios. Por el contrario, la expresión génica en el epitelio ruminal fue diferente entre estudios, siendo la expresión de genes relacionados con la detección de nutrientes y el comportamiento diferente dependiendo de la presentación del concentrado (pellet o harina) y su composición (nivel de grasa) en terneros suplementados con flavonoides cítricos. La expresión de estos genes en el epitelio duodenal también fue modificada en terneros alimentados con dietas altas en grasa. En conclusión, la suplementación con flavonoides cítricos modificó la conducta alimentaria en los terneros, disminuyendo el porcentaje de comidas grandes o aumentando el tiempo dedicado comportamientos alimentarios. Esta modulación de la conducta alimentaria, junto con la salud de la pared ruminal podría explicar la mejora del comportamiento en estos terneros. Además, la suplementación con flavonoides modificó la expresión de genes en el epitelio ruminal y duodenal que podrían estar relacionados con la conducta alimentaria y animal. La presentación del concentrado (granulado vs. harina) y el nivel de grasa afectaron a esta expresión génica de receptores de nutrientes, péptidos y hormonas, y de moléculas pro-inflamatorias, probablemente como resultado del metabolismo de los flavonoides en el rumen.

Nowadays, improving productivity, health and animal welfare in livestock reared under intensive conditions is mandatory for the sustainability of our production systems. Furthermore, reducing the use of antibiotics due to the constant growth of resistant bacteria is a critical issue to face. Consequently, the research and development of new proposals beyond traditional solutions applied are essential, and probably also a new approach of animal metabolism, health and well-being is needed to tackle all these important challenges. Citrus flavonoids are polyphenols that possess interesting anti-inflammatory, antioxidant, and antimicrobial properties and have showed promising effects in previous research on beef cattle. Otherwise, recently the knowledge of a communication network between gastrointestinal tract, microbiota, and the central nervous system, the gut-brain axis, has increased. Thus, inflammation, microbiota, and diet have been proposed to be involved in animal behavior and eating pattern modulation. Therefore, the main objective of this thesis was to study the possible benefits of supplementing citrus flavonoids in bulls fattened under intensive conditions and fed highconcentrate diets on performance and productivity, but also their possible effects on eating and animal behavior and to study the possible mode of action related with the gutbrain axis. Thus, a first study evaluated the effects of citrus flavonoids supplementation on eating pattern (using a single-space feeder), performance parameters, rumen wall health, and animal behavior in Holstein bulls fed high-concentrate diets in pellet form. Citrus flavonoids reduced feed intake and modified eating pattern, reducing the percentage of large meal sizes. Additionally, rumen wall health and animal behavior were improved. Based on these results, the following studies evaluated the possible interactions of citrus flavonoids supplementation with feeder space, concentrate presentation (pellet vs. meal) and composition (fat level). Furthermore, the expression of genes involved in the gutbrain axis crosstalk, such as nutrient sensing receptors, some neurotransmitters receptors and different inflammation regulators were studied in the epithelium of rumen and, in the last study, of duodenum epithelium as well. When bulls were supplemented with citrus flavonoids devoted more time to perform feeding behaviors throughout the different studies. Whilst performance parameters and concentrate intake were not affected when concentrate was fed in pellet form using multi-space feeders, concentrate intake was reduced when citrus flavonoids were supplemented in a concentrate fed in meal form without impairing performance, so improving efficiency. In all studies, animal behavior was also improved, by reducing oral non-nutritive behaviors, and aggressive and sexual interactions. Moreover, in all studies, the macroscopical rumen wall study performed at the slaughterhouse showed lighter color for bulls supplemented with citrus flavonoids. Conversely, ruminal gene expression differed among the studies, so the expression of genes involved in nutrient sensing and behavior in bulls supplemented with citrus flavonoids were different depending on the concentrate presentation (pellet or meal), and composition (fat level inclusion). The expression of these genes in the duodenum epithelium when bulls were fed high-fat diets was also modified. In conclusion, citrus flavonoids supplementation modified eating pattern in Holstein bulls, decreasing the percentage of large meal sizes or increasing time devote to feeding events. This modulation of the eating pattern, together with an improvement in rumen wall might be involved in the improvement of animal behavior of bulls supplemented with citrus flavonoids. Moreover, flavonoid supplementation differently modified the expression of genes in the rumen and duodenum epithelium that could be related with eating pattern and animal behavior regulation, although concentrate presentation (pellet vs. meal) and fat level might affect these effects on gene expression of different nutrient sensing, peptides and hormones receptors, along with some proinflammatory molecules, probably as result of the effect of rumen fermentation on flavonoid metabolism.