title: Rumen fermentation, microbial protein synthesis, and nitrogen balance in tropical cattle fed cultivated forages
Creators: name: Sainz-Sanchez, Pedro Alan
Publisher: name: Universität Hohenheim
Year: 2024
Subjects: subject: 630

description: Over the past decade, extensive research has focused on the role of cultivated forages in cattle diets and their effects on animal performance, particularly in terms of milk yield and daily live weight gain. Despite this progress, there remains a scarcity of information regarding the dietary factors influencing the efficiency of ruminal microbial crude protein (MCP) synthesis and nitrogen (N) balance in tropical cattle fed on cultivated forages. In the Tropics and Subtropics, a variety of non-structural carbohydrate (NSC) sources are commonly used as energy supplements for tropical cattle. Current advancements in ruminant nutrition highlight the need for a deeper understanding of the complex interactions between the type of NSC, the kinetics of starch degradation, and the timing of supplementation, particularly in the context of high-quality forage diets. Hence, the overall objective of the thesis was to comprehensively understand the dietary factors influencing the rumen MCP synthesis and N balance in tropical cattle fed on high-quality and low-quality cultivated forages. This doctoral thesis hypothesized that the rumen MCP synthesis and the N balance in tropical cattle are mainly affected by the crude protein (CP) and fiber concentrations of cultivated forages. It was further hypothesized that dietary factors such as the supplementation of NSC, type of NSC, and time of supplementation influence the nutritional quality of cultivated forages and affect the rumen MCP synthesis and excretion in tropical cattle. Overall, one in vitro and two in vivo studies were conducted to investigate the proposed hypotheses. In the first in vivo study (Chapter 2), three forage grass species (Cenchrus purpureus, Chloris gayana, and Urochloa brizantha), grown alone or intercropped with a forage legume (Dolichos lablab), were evaluated to determine feed intake, digesta passage rates, rumen MCP synthesis, and N balance in Boran steers. The results showed similar duodenal MCP flow, MCP synthesis efficiency, and digesta passage rates in steers fed different forage grasses, whether grown alone or intercropped. Minor variations in dry matter (DM) intake largely drove increased N intake, fecal N excretion, and N balance, particularly when no significant differences in the chemical composition of the forage grass species were observed. The in vitro study (Chapter 3) evaluated the interactions between tropical forage grasses (Urochloa humidicola and Urochloa mutica) and forage legumes (Desmodium uncinatum, Stylosanthes guianensis, and Mucuna pruriens) and their effects on in vitro total gas production (TGP), short-chain fatty acids (SCFA) concentration and profile, and MCP synthesis. For this, various forage-legume mixtures were prepared by varying the ratios of forage legume to forage grass (75:25 or 25:75 on DM basis). Results indicated that in vitro TGP, short-chain fatty acids concentration and profile, and MCP synthesis were influenced by CP concentration, CP degradation extent, and the fermentation of both structural and NSC of the forages. Additionally, supplemental CP and NSC, influenced in vitro TGP and MCP synthesis. The second in vivo study (Chapter 4) evaluated the use of corn and oat, differing in extent and rate of ruminal starch degradation as NSC sources (i.e., corn- and oat-based concentrate mixtures), supplemented to lactating Brown Swiss cows before or after grazing on an alfalfa-ryegrass sward. The study measured feed intake, rumen MCP synthesis, nutrient digestibility, N partitioning, and milk performance. Supplementing corn-based concentrate mixture after grazing and oat-based concentrate mixture before grazing improved the efficiency of MCP synthesis, milk performance, and efficiency of N use in grazing lactating dairy cows. The effects of NSC supplementation were influenced by the interdependent interactions of starch concentrations of NSC sources, their ruminal degradation kinetics, and the timing of supplementation. The findings of the present thesis, supported by existing literature, demonstrate that cultivated tropical forages can provide sufficient N compounds to support rumen MCP synthesis, meeting the CP requirements of tropical cattle without negatively affecting DM intake, nutrient digestibility, N balance, or overall animal performance. Although CP concentration of the cultivated forages is a key factor influencing rumen MCP synthesis and N balance in tropical cattle, this perspective overlooks important aspects such as the distinction between rumen degraded protein and rumen undegraded protein which provide a clearer representation of CP degradation and utilization at both, the ruminal and post-ruminal levels. The CP concentration in cultivated tropical forages is not the only factor affecting N balance; other nutritional factors, such as energy concentration, neutral detergent fiber, and acid detergent fiber concentrations, also play a crucial role. Specifically, the energy concentration of the forage affects the capture of N by ruminal microbes, while the concentrations of neutral detergent fiber and acid detergent fiber influence the available energy in the forage, thereby impacting overall N utilization in tropical cattle. The interaction between the time of supplementation and the type of NSC source influences the synchronization of N and energy in the rumen. The response to NSC supplementation is influenced by the timing of supplementation and the degradation rates of CP and carbohydrates in both the forages and NSC sources. In the context of the results presented in the present thesis and the existing literature, cultivated tropical forages not only enhance protein nutrition and performance in tropical cattle but may also contribute positively to environmental sustainability. For instance, reducing urinary and fecal N excretion helps limit excessive N release into the environment. Additionally, intercropping forage legumes with grasses can enhance soil fertility and improve soil structure. However, further research is required to assess overall system sustainability and to develop comprehensive feeding strategies for tropical cattle in the Tropics and Subtropics.
description: In den letzten zehn Jahren haben viele Studien die Rolle von kultivierten Futterpflanzenarten in der Rinderfütterung und ihre Auswirkungen auf die Leistung der Tiere im Hinblick auf die Milchproduktion oder die tägliche Lebendgewichtszunahme untersucht. Trotz dieser Fortschritte gibt es nach wie vor einen Mangel an Informationen über die Ernährungsfaktoren, die die Effizienz der mikrobiellen Rohprotein (MXP)-Synthese im Pansen und die Stickstoff (N)-Bilanz bei tropischen Rindern, die mit kultivierten Futterpflanzen gefüttert werden, beeinflussen. Unterschiedliche Arten von Nicht-Struktur-Kohlenhydraten (NSC) wurden bereits als Energieergänzung für Rinder in den Tropen und Subtropen eingesetzt. Aktuelle Fortschritte in der Wiederkäuernährung unterstreichen die Notwendigkeit eines tieferen Verständnisses der komplexen Wechselwirkungen zwischen der Art der NSC, der Kinetik ihres Stärkeabbaus und dem Zeitpunkt ihrer Fütterung, insbesondere in Ergänzung zu hochwertigen Grundfuttermitteln. Daher war das übergeordnete Ziel dieser Arbeit, ein umfassendes Verständnis der Ernährungsfaktoren zu erlangen, die die MXP-Synthese im Pansen und die N-Bilanz bei tropischen Rindern beeinflussen, die mit hochwertigem und minderwertigem Futter gefüttert werden. In diesem Dissertationsprojekt wurde die Hypothese aufgestellt, dass die MXP-Synthese im Pansen und die N-Bilanz bei tropischen Rindern hauptsächlich durch die Rohprotein-(XP) und Faserkonzentration der kultivierten Futterpflanzen beeinflusst werden. Darüber hinaus wurde die Hypothese aufgestellt, dass Ernährungsfaktoren wie die Supplementierung mit NSC, die Art der NSC und der Zeitpunkt der Supplementierung, die ernährungsphysiologische Qualität der kultivierten Futterpflanzen sowie die ruminale MXP-Synthese und die N-Ausscheidung bei tropischen Rindern beeinflussen. Insgesamt wurden eine In-vitro- und zwei In-vivo-Studien durchgeführt, um die vorgeschlagenen Hypothesen zu untersuchen. In der ersten In-vivo-Studie (Kapitel 2) wurden drei Futtergrasarten (Cenchrus purpureus, Chloris gayana und Urochloa brizantha), die allein oder als Zwischenfrucht mit einer Futterleguminose (Dolichos lablab) angebaut wurden, untersucht, und deren Einfluss auf die Passagerate der festen und flüssigen Digesta, die ruminale MXP-Synthese und die N-Bilanz bei heranwachsenden Boran-Ochsen bestimmt. Die Ergebnisse zeigten einen ähnlichen duodenalen Fluss an MXP, eine ähnliche Effizienz der MXP-Synthese und eine ähnliche Passagerate des festen und flüssigen Verdauungsbreis bei Ochsen, die mit den verschiedenen Futtergräsern gefüttert wurden, unabhängig davon, ob diese allein oder als Zwischenfrucht angebaut wurden. Geringfügig höhere Trockenmasse (TM)-Aufnahmen waren hauptsächlich für die Erhöhung der N-Aufnahme, der fäkalen N-Ausscheidung und der N-Bilanz verantwortlich, insbesondere wenn es keine Unterschiede in der Nährstoffzusammensetzung zwischen den Futtergrasarten gab. Die In-vitro-Studie (Kapitel 3) untersuchte die Wechselwirkungen zwischen tropischen Futtergräsern (Urochloa humidicola und Urochloa mutica) und Futterleguminosen (Desmodium uncinatum, Stylosanthes guianensis und Mucuna pruriens) und deren Einfluss auf In-vitro-Gasproduktion (GP), die Konzentration und das Profil kurzkettiger Fettsäuren (SCFA) sowie die MXP-Synthese. Dazu wurden verschiedene Futterleguminosen-Gras-Mischungen durch Variation der Verhältnisse von Futterleguminosen zu Futtergras (75:25 oder 25:75 auf TM-Basis) hergestellt. Die In-vitro-GP, die SCFA-Konzentration und das SCFA-Profil sowie die MXP-Synthese wurden durch die XP-Gehalt, das Ausmaß des XP-Abbaus und die Fermentation sowohl der Strukturkohlenhydrate als auch der NSC der Futterpflanzen beeinflusst. Die zusätzliche Supplementierung mit XP und NSC erhöhte die In-vitro-GP und MXP-Synthese. Die zweite In-vivo-Studie (Kapitel 4) untersuchte die Verwendung von zwei Getreidekörnern (Mais und Hafer), die sich im Ausmaß und in der Geschwindigkeit des Stärkeabbaus im Pansen unterscheiden, als NSC-Quellen (d.h. Kraftfuttermischungen auf Mais- und Haferbasis). Die Kraftfuttermischungen wurden laktierenden Braunviehkühen vor oder nach dem Weiden auf einer Luzerne-Rispengras-Wiese verfüttert. Die Futteraufnahme, die ruminale MXP-Synthese, die Nährstoffverdaulichkeit, die N-Bilanz und die Milchleistung der laktierenden Braunviehkühen wurden dabei untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die Zufütterung einer Kraftfuttermischung auf Maisbasis nach dem Weidegang und einer Kraftfuttermischung auf Haferbasis vor dem Weidegang die Effizienz der MXP-Synthese, die Milchleistung und die Effizienz der N-Nutzung bei Milchkühen, die auf einer Luzerne-Rispengras-Wiese weiden, verbesserte. Die Auswirkungen der Supplementierung mit NSC-Quellen bei weidenden laktierenden Kühen hängen von miteinander verknüpften und voneinander abhängigen Ernährungsfaktoren wie der Stärkekonzentration der NSC-Quellen, der Abbaukinetik der NSC-Quellen im Pansen und dem Zeitpunkt der Supplementierung ab. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit, gestützt durch die vorhandene Literatur, zeigen, dass kultivierte tropische Futterpflanzen N-Verbindungen liefern können, um die MXP-Synthese im Pansen zu unterstützen und den Proteinbedarf tropischer Rinder zu decken. Dies geschieht, ohne die TM-Aufnahme, die Nährstoffverdaulichkeit, die N-Bilanz oder die allgemeine Tierleistung negativ zu beeinflussen. Obwohl der XP-Gehalt kultivierter Futterpflanzen ein Schlüsselfaktor für die Beeinflussung der MXP-Synthese im Pansen und der N-Bilanz bei tropischen Rindern ist, werden andere wichtige Aspekte wie die Unterscheidung zwischen pansenabbaubarem XP und pansenbeständigem XP vernachlässigt, welche eine klarere Darstellung der XP-Abbaus und -Verwertung auf ruminaler und postruminaler Ebene bieten. Die N-Bilanz wird nicht nur durch die XP-Gehalt in kultivierten tropischen Futterpflanzen beeinflusst; auch andere ernährungsphysiologische Faktoren, wie die Energiekonzentration, die Konzentrationen an neutraler (NDF) und saurer Detergenzfaser (ADF), spielen eine entscheidende Rolle. Insbesondere wirkt sich die Energiekonzentration des Futters auf die Aufnahme von N durch Pansenmikroben aus, während die NDF- und ADF-Konzentrationen die verfügbare Energie des Futters bestimmen und somit die Gesamt-N-Verwertung bei tropischen Rindern beeinflussen. Die Wechselwirkung zwischen dem Zeitpunkt der Supplementierung und der Art der NSC-Quelle beeinflusst die Synchronisation von N und Energie im Pansen. Die Reaktion auf die NSC-Supplementierung hängt vom Zeitpunkt der Supplementierung sowie von den Abbauraten von XP und Kohlenhydraten sowohl in den Futterpflanzen als auch in den NSC-Quellen ab. Im Kontext der in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse und der bestehenden Literatur tragen kultivierte tropische Futterpflanzen nicht nur zur Verbesserung der Proteinernährung und Leistung bei tropischen Rindern bei, sondern können auch positiv die ökologischen Nachhaltigkeit unterstützen. Zum Beispiel hilft die Reduzierung der Harn- und Kot-N-Ausscheidungen, eine übermäßige Freisetzung von N in die Umwelt zu begrenzen. Außerdem kann der Zwischenfruchtanbau von Futterleguminosen zusammen mit Futtergräsern die Bodenfruchtbarkeit erhöhen und die Bodenstruktur verbessern. Weitere Forschung ist jedoch erforderlich, um die Gesamtnachhaltigkeit des Systems zu bewerten und umfassende Fütterungsstrategien für Rinder in den Tropen und Subtropen zu entwickeln.