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Correction: Schwarzkopf et al. Weaning Holstein calves at 17 weeks of age enables smooth transition from liquid to solid feed. Animals 2019, 9, 1132
(2021) Schwarzkopf, Sarah; Kinoshita, Asako; Kluess, Jeannette; Kersten, Susanne; Meyer, Ulrich; Huber, Korinna; Dänicke, Sven; Frahm, Jana
Evolution of rumen and oral microbiota in calves is influenced by age and time of weaning
(2021) Amin, Nida; Schwarzkopf, Sarah; Kinoshita, Asako; Tröscher-Mußotter, Johanna; Dänicke, Sven; Camarinha-Silva, Amélia; Huber, Korinna; Frahm, Jana; Seifert, Jana
Background: The rumen bacterial communities are changing dynamically throughout the first year of calf’s life including the weaning period as a critical event. Rumen microbiome analysis is often limited to invasive rumen sampling procedures but the oral cavity of ruminants is expected to harbour rumen microbes due to regurgitation activity. The present study used buccal swab samples to define the rumen core microbiome and characterize the shifts in rumen and oral microbial communities occurring as result of calf’s age as well as time of weaning. Results: Buccal swab samples of 59 calves were collected along the first 140 days of life and compared to stomach tubing sample of the rumen at day 140. Animals were randomly divided into two weaning groups. Microbiota of saliva and rumen content was analysed by 16S rRNA gene amplicon sequencing. Our study showed that most rumen-specific bacterial taxa were equally observed in rumen samples as well as in the buccal swabs, though relative abundance varied. The occurrence of rumen-specific OTUs in buccal swab samples increased approximately 1.7 times from day 70 to day 140, indicating the gradual development of rumen as calf aged. The rumen-specific bacterial taxa diversity increased, and inter-animal variations decreased with age. Early weaning (7 weeks of age) rapidly increased the rumen microbial diversity from pre- to post-weaned state. Rumen microbiota of early-weaned calves seemed to have a suppressed growth of starch- and carbohydrate-utilizing bacteria and increased fibre degraders. Whereas, in late-weaned calves (17 weeks of age) no impact of dietary modifications on rumen microbiota composition was observed after weaning. Oral-specific bacterial community composition was significantly affected by calf’s age and time of weaning. Conclusions: The present study showed the significant impact of calf’s age and weaning on the establishment of rumen- and oral-specific bacterial communities utilizing buccal swab samples. The results emphasize the possibility of using buccal swab samples as a replacement of complex stomach tube method for large-scale predictive studies on ruminants. For in-depth rumen microbiome studies, the time of sampling should be carefully considered using an active phase of regurgitation.
Host metabolome and faecal microbiome shows potential interactions impacted by age and weaning times in calves
(2023) Amin, Nida; Schwarzkopf, Sarah; Tröscher-Mußotter, Johanna; Camarinha-Silva, Amélia; Dänicke, Sven; Huber, Korinna; Frahm, Jana; Seifert, Jana
Background: Calves undergo nutritional, metabolic, and behavioural changes from birth to the entire weaning period. An appropriate selection of weaning age is essential to reduce the negative effects caused by weaning-related dietary transitions. This study monitored the faecal microbiome and plasma metabolome of 59 female Holstein calves during different developmental stages and weaning times (early vs. late) and identified the potential associations of the measured parameters over an experimental period of 140 days. Results: A progressive development of the microbiome and metabolome was observed with significant differences according to the weaning groups (weaned at 7 or 17 weeks of age). Faecal samples of young calves were dominated by bifidobacterial and lactobacilli species, while their respective plasma samples showed high concentrations of amino acids (AAs) and biogenic amines (BAs). However, as the calves matured, the abundances of potential fiber-degrading bacteria and the plasma concentrations of sphingomyelins (SMs), few BAs and acylcarnitines (ACs) were increased. Early-weaning at 7 weeks significantly restructured the microbiome towards potential fiber-degrading bacteria and decreased plasma concentrations of most of the AAs and SMs, few BAs and ACs compared to the late-weaning event. Strong associations between faecal microbes, plasma metabolites and calf growth parameters were observed during days 42–98, where the abundances of Bacteroides, Parabacteroides , and Blautia were positively correlated with the plasma concentrations of AAs, BAs and SMs as well as the live weight gain or average daily gain in calves. Conclusion: The present study reported that weaning at 17 weeks of age was beneficial due to higher growth rate of late-weaned calves during days 42–98 and a quick adaptability of microbiota to weaning-related dietary changes during day 112, suggesting an age-dependent maturation of the gastrointestinal tract. However, the respective plasma samples of late-weaned calves contained several metabolites with differential concentrations to the early-weaned group, suggesting a less abrupt but more-persistent effect of dietary changes on host metabolome compared to the microbiome.
Mothers’ parity and weaning age influence the transition from liquid to solid feed in female Holstein calves
(2023) Schwarzkopf, Sarah; Huber, Korinna
Milchbauern streben aus wirtschaftlichen Gründen ein junges Erstkalbealter an. Da diese jungen Färsen während der Trächtigkeit noch wachsen, könnten sie mit ihrem Kalb um Nährstoffe konkurrieren. Daher können die Parität der Mütter und die damit verbundene Nährstoffversorgung während der Trächtigkeit die frühe Entwicklung beeinflussen. Kälber werden als funktionell monogastrische Tiere geboren, die auf Milch oder Milchaustauscher zur Ernährung angewiesen sind. Um den Status eines Wiederkäuers zu erreichen und festes Futter als Nahrungsquelle zu verwenden, müssen sich viele digestive, endokrine und biochemische Funktionen ändern. Daher ist das Absetzen ein kritisches und potenziell stressiges Ereignis. Das durchschnittliche Absetzalter weiblicher Milchkälber beträgt 6 – 11 Wochen, was mit Stress einhergeht, der das Immunsystem, das Wachstum und die Magen-Darm-Entwicklung negativ beeinträchtigen kann. Daher kommt ein Aufschieben des Absetzens möglicherweise der Gesundheit und Entwicklung der Kälber zugute. Es verbessert das Wachstum, reduziert die mit dem Absetzen verbundene Belastung und erhöht möglicherweise das Alter bei der Entfernung aus der Herde. Die vorliegende Arbeit zielte darauf ab, die Auswirkungen von zwei Absetzaltersstufen und der Parität der Mütter auf die Entwicklung und Anpassung an die Entwöhnung zu identifizieren. Mittels eines Tierversuchs mit neunundfünfzig weiblichen Holstein-Kälbern wurden die Auswirkungen eines frühen (7 Wochen) und späten (17 Wochen) Absetzens auf Wachstum, Verhalten, Pansen- und Magen-Darm-Entwicklung und Anpassung des Leber- und Nierenstoffwechsels getestet. Darüber hinaus wurde der Einfluss unterschiedlicher Absetzalter auf Kälber von primiparen und multiparen Kühen berücksichtigt. Proben wurden kontinuierlich im Alter von 8 Tagen (Versuchstag 1) bis zum Alter von 21 Wochen (Versuchstag 140) genommen. Die Analysen und Ergebnisse werden in drei begutachteten wissenschaftlichen Arbeiten beschrieben und im Folgenden zusammengefasst. Die Wachstumsleistung wurde anhand von Lebendgewicht, Lebendgewichtszunahme, Widerrist- und Hüfthöhe, Brustumfang, Rücken- und Körperlänge bewertet. Der Energiestoffwechsel und die Leberfunktion wurden durch Messung der Serumkonzentrationen von Glukose, Insulin, Harnstoff, Cholesterin, Leptin, Beta-hydroxybutyrate und nicht-veresterten Fettsäuren quantifiziert (Manuskript 1). Das Verhalten der Tiere wurde beobachtet unterteilt in Ruhe-, Kau- und Aktivverhalten, um Rückschlüsse auf Anzeichen von Hunger und Stress sowie der Pansenentwicklung zu ziehen. Die Pansenentwicklung und entsprechende metabolische und adaptive Veränderungen im Säure-Basen-Stoffwechsel wurden durch Messung des pH-Wertes in Urin, Kot und Speichel sowie stickstoffhaltiger Metaboliten im Urin bewertet (Manuskript 2). Das Mikrobiom in Kotproben wurde analysiert, um die Reifung des Magen-Darm-Trakts zu beurteilen. Um Einblicke in metabolische Anpassungen zu erhalten, wurde eine umfassende Anzahl an Metaboliten gemessen. Dazu gehörten Aminosäuren, biogene Amine, Acylcarnitine und Sphingomyeline (Manuskript 3). Ein späteres Absetzen im Alter von 17 Lebenswochen wirkt sich positiv auf das Körperwachstum und die Anpassung des Energie- und Säure-Basen-Stoffwechsels aus (Manuskript 1; Manuskript 2). Der pH-Wert des Speichels stieg während des Experiments im Laufe der Zeit an, unabhängig vom Absetzalter oder der Parität der Mutter (Manuskript 2). Da ein alkalischer pH-Wert im Speichel für dessen Pufferkapazität wichtig ist, unterstreicht dies, wie wichtig es ist, das Absetzen zu verzögern. Die gastrointestinale Entwicklung war durch eine längere Milchaustauscheraufnahme nicht beeinträchtigt, sondern erreichte am Ende der Studie einen funktionellen Status. Faktoren der Pansenentwicklung (Manuskript 2) und die Mikrobiota im Kot (Manuskript 3) passten sich schnell an und deuteten auf eine altersabhängige Reifung hin. Die analysierten Metaboliten wiesen auf ausgeprägte Effekte eines frühen Absetzens auf verschiedene Stoffwechselwege hin (Manuskript 3). Insbesondere die Gluconeogenese in der Leber schienen bei früh abgesetzen Kälbern unzureichend zu sein. Die Leptinkonzentrationen und die Rückenlänge waren bei früh abgesetzten Kälbern primiparer Mütter reduziert, nicht jedoch bei spät abgesetzten Kälbern primiparer Mütter (Manuskript 1). Daher profitieren Kälber von primiparen Kühen besonders von einem späteren Absetzen. Die Ergebnisse zeigten, dass ein Absetzen im Alter von 7 Wochen nicht empfohlen werden kann, da es zu abrupten und möglicherweise belastenden Stoffwechselveränderungen und einer gestörten Reifung verschiedener Organe und deren Stoffwechselfunktionen führte. Die aktuelle Studie zeigte, dass die Verzögerung des Absetzens auf ein Alter von 17 Wochen einen gleichmäßigen Übergang verschiedener physiologischer Funktionen in den Wiederkäuerstatus ermöglicht. Deshalb schien es die mit dem Absetzen verbundenen Stoffwechselprobleme und den Stress zu reduzieren. Weitere Forschung über das Absetzen, unter Berücksichtigung der Aufzuchtkosten und späteren Milchleistung und Gesundheit, ist erforderlich.
Weaning age influences indicators of rumen function and development in female Holstein calves
(2022) Schwarzkopf, Sarah; Kinoshita, Asako; Hüther, Liane; Salm, Laurenz; Kehraus, Saskia; Südekum, Karl-Heinz; Huber, Korinna; Dänicke, Sven; Frahm, Jana
Background: Prenatal and postnatal conditions are crucial for the development of calves. Primiparous cows are still maturing during pregnancy, thus competing with the nutritional needs of their offspring. Therefore, mature cows might provide a superior intrauterine condition. Furthermore, weaning calves at an older age might affect them positively as well by reducing stress and offering time for various organs and their functions to develop. We aimed to evaluate effects of mothers’ parity and calves’ weaning age on gastrointestinal development and corresponding acid–base balance. Fifty-nine female German Holstein calves (about 8 days old) were investigated in a 2 × 2 factorial experiment with factors weaning age (7 vs. 17 weeks) and parity of mother (primiparous vs. multiparous). Calves were randomly assigned to one of these four groups. Animal behavior that was observed included resting, chewing and active behavior. Results: Behavioral patterns were interactively affected by time and weaning age. Rumen sounds per 2 min increased in early-weaned calves during their weaning period. In late-weaned calves a consistently increase in rumen sounds was already recorded before their weaning period. Urinary N-containing compounds (creatinine, hippuric acid, uric acid, urea, allantoin) were interactively affected by time and weaning age. Concentrations of all measured compounds except urea increased during early weaning. All except hippuric acid concentration decreased in early-weaned calves after weaning. In late-weaned calves allantoin and uric acid increased before weaning and did not change during weaning. Conclusion: These results suggest that late-weaned calves developed adequate rumen functions and acid–base balance, whereas early-weaned calves might have suffered from ruminal acidosis and catabolism. Weaning calves at 7 weeks of age might be too early for an adequate rumen development.