Effects of different milk replacer feeding levels during a 14-week preweaning phase in heifer calves

Abstract

The development of dairy heifer calves and especially their mammary glands is crucial for the productivity of the future dairy cows. Conventional rearing of dairy heifer calves is still based on restrictive milk or milk replacer (MR) feeding regimes, i.e., 4 – 6 L/d or 10% of body weight and weaning at around 8 weeks of age. A paradigm shift in the way of rearing heifer calves from restricted feeding and early weaning towards greater feed allowances and later weaning ages is ongoing. Increasing the daily MR allowance for calves might be better for growth, development, and future milk yields than restricted and low MR feeding. An improvement in animal welfare can be expected by increasing the daily MR allowance and thereby increasing energy and nutrient intake as well as by extending the time until weaning, because hunger and abnormal behaviour associated with restrictive feeding can be avoided. The influence of the MR feeding level on the systemic oxidative status, which describes the balance between the production of oxidants and the neutralizing defense capacity of antioxidants, is less explored in calves during rearing. The aim of this thesis was to investigate the influence and effects of different MR feeding levels during a 14-week preweaning phase on growth, mammary gland development, and systemic oxidative status in dairy heifer calves. In this study, 37 German Holstein heifer calves were examined during the first 5 months of life (week 20). The calves were allocated either to a high feeding level of MR (14% solids, 140 g MR/L) of 10 L/d (1.4 kg MR/d; HIGH, n = 18) or to a restrictive low feeding level of 5.7 L/d (0.8 kg MR/d; RES, n = 19) until the linear weaning in week 13 and week 14 of life. Blood samples were initially collected 36 – 48 h after birth, then fortnightly from week 8 – 16, and in week 20 of life. Variables characterizing the oxidative status were measured in plasma. Ultrasound scans of the mammary glands were performed from each udder quarter of each calf first in week 3 of life and then at the same time points as blood sampling. The RES calves had lower growth rates and showed more signs of hunger than HIGH-fed calves, but did not differ from HIGH in their intake of solid starter feed and health status. While the level of derivatives of reactive oxygen metabolites (dROM) and the ferric reducing ability of plasma (FRAP) increased with age, the oxidative damage to lipids (TBARS) and to proteins (AOPP), as well as the glutathione peroxidase (GSH-Px) activity decreased during the first 20 weeks of life, whereby differences between feeding groups were limited to AOPP and FRAP. The developmental stages and tissue structures of the bovine mammary gland visible in ultrasound images, i.e., the parenchyma (PAR) and surrounding tissue (SURR), were defined, described, and schematically delineated. The resulting and classified 11 visible stages of the developing mammary gland thus formed an atlas of the developing bovine mammary gland. The brightness of these tissue structures, measured as pixel values, was not affected by the MR allowance, but showed an increase in brightness of PAR from week 8 of life onwards and a decrease in brightness of SURR, indicating the spread of PAR into SURR with increasing developmental stage. The present thesis characterizes the changes in oxidative status of dairy heifer calves with increasing age and confirms the benefits of a high feeding level of MR with regard to improved welfare, growth, and development. Even though an effect of MR feeding level on the brightness of structures and visible developmental stages of the mammary gland could not be detected in this study, the structural development and change of PAR could be seen in its increasing brightness and the categories of the herein developed atlas. Therefore, this study and the atlas can serve as a basis for further studies on the investigation of mammary gland development by ultrasound scanning.

<strong>Auswirkungen unterschiedlicher Milchaustauscherfütterungsmengen während einer 14-wöchigen Tränkephase vor dem Absetzen bei Färsenkälbern: Charakterisierung des oxidativen Status und der Entwicklung der Milchdrüse mittels Ultraschallbildgebung</strong> <br /> Die Entwicklung von Färsenkälbern und insbesondere ihrer Milchdrüsen ist entscheidend im Hinblick auf die Produktivität als zukünftige Milchkühe. Die konventionelle Aufzucht von Kälbern basiert immer noch auf einer restriktiven Fütterung mit Milch oder Milchaustauscher (MR), d.h. 4 - 6 L/Tag oder 10% des Körpergewichts pro Tag und Absetzen im Alter von ca. 8 Wochen. Derzeit findet ein Paradigmenwechsel in der Aufzucht von Färsenkälbern von restriktiver Fütterung und frühem Absetzen hin zu größeren Futtermengen und einem späteren Absetzalter statt. Eine Erhöhung der täglichen MR-Menge für Kälber könnte das Wachstum, die Entwicklung und die zukünftige Milchleistung im Vergleich zu einer niedrigen restriktiven MR-Fütterung verbessern. Auch eine Verbesserung des Tierwohls kann durch die Erhöhung der täglichen MR-Zulage und der dadurch erhöhten Energie- und Nährstoffzufuhr als auch durch die Verlängerung des Zeitraums bis zum Absetzen erwartet werden, da Hunger und abnormes Verhalten, die mit einer restriktiven Fütterung einhergehen, vermieden werden können. Der Einfluss des MR-Fütterungsniveaus auf den systemischen oxidativen Status, der das Gleichgewicht zwischen der Produktion von Oxidantien und der neutralisierenden Abwehrkapazität von Antioxidantien beschreibt, ist bei Kälbern während der Aufzucht bislang wenig erforscht. Ziel dieser Arbeit war es daher, den Einfluss und die Auswirkungen unterschiedlicher MR-Fütterungsniveaus während einer 14-wöchigen Tränkephase auf das Wachstum, die Entwicklung der Milchdrüse und auf den systemischen oxidativen Status bei Kälbern zu untersuchen. In dieser Studie wurden dazu 37 Deutsche Holstein Färsenkälber während ihrer ersten 5 Lebensmonate (bis zur 20. Lebenswoche) untersucht. Die Kälber erhielten entweder eine hohe Menge an MR (14% Trockenmasse, 140 g MR/L) mit 10 L/Tag (1,4 kg MR/Tag; HIGH, n = 18) oder eine restriktive niedrige Menge von 5,7 L/Tag (0,8 kg MR/Tag; RES, n = 19) bis zum linearen Absetzen in der 13. und 14. Lebenswoche. Blutproben wurden zunächst 36 - 48 h nach der Geburt, dann in vierzehntägigen Abständen von Woche 8 - 16 und in der 20. Lebenswoche genommen. Parameter, die den oxidativen Status charakterisieren, wurden im Plasma bestimmt. Ultraschalluntersuchungen der Milchdrüsen wurden von jedem Euterviertel eines jeden Kalbes zuerst in der 3. Lebenswoche und dann zu den gleichen Zeitpunkten wie die Blutentnahme durchgeführt. Die restriktiv gefütterten Kälber (RES) zeigten geringere Wachstumsraten und mehr Anzeichen von Hunger als die auf hohem Niveau gefütterten Kälber (HIGH). Dabei unterschieden sich die beiden Gruppen jedoch nicht in der Aufnahme von festem Starterfutter und auch nicht im Gesundheitszustand. Während im Plasma der Gehalt an reaktiven Sauerstoffmetaboliten (dROM) und das antioxidative Potential, gemessen als das Eisen(III)-Reduktionsvermögen des Plasmas (FRAP), mit dem Alter zunahmen, nahmen die oxidativen Schädigungen von Lipiden (TBARS) und von Proteinen (AOPP) sowie die Aktivität der Glutathionperoxidase (GSH-Px) in den ersten 20 Lebenswochen ab, wobei die Unterschiede zwischen den Fütterungsgruppen auf AOPP und FRAP beschränkt waren. Die in Ultraschallbildern sichtbaren Entwicklungsstufen und Gewebestrukturen der bovinen Milchdrüse, d.h. das Parenchym (PAR) und das umgebende Gewebe (SURR), wurden definiert, beschrieben und schematisch abgegrenzt. Aus den daraus resultierenden und klassifizierten 11 sichtbaren Stadien der sich entwickelnden Milchdrüse wurde somit ein Atlas der sich entwickelnden bovinen Milchdrüse erstellt. Die Helligkeit dieser Gewebestrukturen, gemessen als Pixelwerte (pixel values), wurde durch die Fütterungsmenge von MR nicht beeinflusst. Dagegen zeigte sich eine Zunahme der Helligkeit von PAR ab der 8. Lebenswoche und eine Abnahme der Helligkeit von SURR, was auf die Ausbreitung des PAR in SURR mit fortschreitendem Entwicklungsstadium hindeutet. Die vorliegende Arbeit charakterisiert die Veränderungen des oxidativen Status von Färsenkälbern mit zunehmendem Alter und bestätigt die Vorteile eines hohen Fütterungsniveaus von MR im Hinblick auf eine Verbesserung des Wohlbefindens, des Wachstums und der Entwicklung. Obwohl ein Effekt des Fütterungsniveaus von MR auf die Helligkeit der Gewebestrukturen und auf die sichtbaren Entwicklungsstadien der Milchdrüse im Rahmen dieser Studie nicht nachgewiesen werden konnte, ist es gelungen die strukturelle Entwicklung und Veränderung von PAR durch dessen zunehmende Helligkeit und durch die Kategorien des hier entwickelten Atlasses zu zeigen. Daher können diese Studie und der Atlas als Grundlage für weitere Studien zur Untersuchung der Milchdrüsenentwicklung mittels Ultraschall dienen.