Factors influencing the response of broiler chicken to glycine supplements in low crude protein diets

Abstract

The increasing demand for meat and other animal products along with the global limitation of arable land for crop production is expected to result in a shortage of protein-rich feedstuff. Furthermore, the excretion of nitrogenous compounds has negative effects on the environment because of the risk of nitrogen (N) leakage into the groundwater. Ammonia emissions from livestock enterprises have been associated with environmentally damaging effects. The biggest determinant of ammonia emissions associated with livestock farming is excretion of N. Excretion of N in part is inevitable but N excretion can be reduced by avoiding excessive intake of feed protein. At present, there is a substantial lack of knowledge about the requirement of nitrogenous nutrients except for essential amino acids (AA) and the influence of these nutrients on animal physiology. As reported in the literature, this has often led to undesirable effects of low crude protein (CP) diets on growth. This partly is due to a deficient glycine (Gly) and serine (Ser) supply in low CP diets. This thesis focused on factors influencing the response to Gly and Ser in low CP broiler feed because growth response to these AA was inconsistent in the literature. In the first study, a meta-analysis was conducted to investigate the response of broilers to dietary levels of Gly equivalents (Glyequi) of Gly and Ser in existing literature. A curvilinear relationship between Glyequi and daily gain (ADG), daily feed intake (ADFI) and feed efficiency (G:F) was found. The impact of dietary Glyequi on ADFI was low, but G:F and ADG varied markedly at different levels of Glyequi. The effect of dietary Glyequi depended on the supply of both methionine (Met) and cysteine (Cys). The G:F and ADG response to dietary Glyequi was different for different Met:(Met+Cys) ratios and Cys concentrations. This was explained by a decreased necessity of conversion of Met to Cys, for which Ser is needed. Adequate concentrations of both Met and Cys probably reduced the necessity of the conversion of Met to Cys. The second study investigated the effect of threonine (Thr) and choline, which are endogenous precursors of Gly, on the response to dietary Glyequi. An increase in Thr concentration reduced the Glyequi concentration required to achieve certain response levels of G:F and ADG. Choline also exerted a considerable effect, but the Glyequi replacing effect of choline was less pronounced than Thr. The observed replacement values of dietary Thr and choline for dietary Glyequi exceeded the possible replacement values calculated by considering endogenous conversion. This likely originated from an excess supply of other essential AA than Thr. If Thr and, to a lower extent, choline limited growth, then excessive intake of other AA had to be catabolized, resulting in an increased need for Glyequi for uric acid formation. It was concluded that further studies should take Glyequi, choline, and Thr together into consideration when determining the requirements for these nutrients. The third study aimed to investigate whether the growth performance and N utilization of broilers are influenced by different proportions of free and peptide-bound AA in diets, and if his influences Glyequi requirements. The hypothesis was that an increased oxidation of free AA leads to an increased ammonia production, which must be detoxified to uric acid in a Gly-dissipating process. 2×2 factorial arrangements were used where one factor was AA from soy protein isolate or from a free AA mix. The other factor was a low and high level of Glyequi. Replacing AA from the soy protein isolate with free AA reduced ADG and G:F, mainly due to reduced ADFI. Reasons for that cannot be identified clearly. The N efficiency on day 21 was not different between the AA sources, possibly due to the lower AA digestibility of the soy protein isolate and higher urinary excretion of nitrogenous substances in the treatments with the AA mix. Thus, availability of AA for protein synthesis after ingestion probably did not limit broiler growth. The ADG of the treatments with the high Glyequi concentration was higher for both AA sources. This increase was due to higher ADFI by broilers in the treatments with soy protein isolate and due to the increased G:F in the treatments with the AA mix. Contrary to the hypothesis, these responses did not give an indication of different utilization of Glyequi for uric acid synthesis. In conclusion, the response of broiler chicken to dietary Glyequi depends on other dietary characteristics, like the concentrations of Cys, Thr, and choline. The information described in this thesis contribute to enable further optimization of the dietary Glyequi concentration as well as the other dietary characteristics influencing the response to Glyequi. This enables reducing the CP concentration in diets without adverse effects on growth and, therefore, diminishing the negative effects of broiler production on the environment.

Der steigende Bedarf an tierischen Produkten bei global begrenztem nutzbaren Land für die Pflanzenproduktion bewirkt, dass eine Knappheit an proteinreichen Futtermitteln zu erwarten ist. Zudem bringt die Ausscheidung von stickstoff-(N)-haltigen Substanzen das Risiko von N-Eintrag in das Grundwasser. Ammoniakemissionen von tierhaltenden Betrieben werden mit einer Vielzahl von umweltschädigenden Auswirkungen in Verbindung gebracht. Der bedeutendste Einflussfaktor auf nutztierbedingte Ammoniakemissionen ist die Ausscheidung von N. Diese kann durch das Vermeiden von überschüssiger Proteinaufnahme vermindert werden. Derzeit besteht eine erhebliche Unkenntnis hinsichtlich des Bedarfs an N-haltigen Nährstoffen abgesehen von essentiellen Aminosäuren (AS) und dem Einfluss dieser Nährstoffe auf die Tierphysiologie. Dies hat in vielen Fällen zu nicht wünschenswerten Auswirkungen rohprotein-(XP)-reduzierter Futtermischungen auf die Wachstumsleistung geführt. Ein Mangel an den nichtessentiellen AS Glycin (Gly) und Serin (Ser) im Futter für Masthähnchen wurde als bedeutende Ursache gefunden, wobei die Auswirkungen von Gly und Ser im Futter auf das Wachstum in Studien sehr unterschiedlich war. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war daher Einflussfaktoren auf die Auswirkungen von Gly und Ser im Futter für Masthähnchen zu untersuchen. In der ersten Studie wurde eine Metaanalyse durchgeführt um die Auswirkungen der Konzentration an Gly-Äquivalenten (Glyequi) von Gly und Ser im Futter auf das Wachstum von Masthühnern in zuvor veröffentlichter Literatur zu untersuchen. Zwischen der Glyequi-Konzentration und täglichen Zunahmen (TZ), täglicher Futteraufnahme (TFA) und Futtereffizienz (FE) wurde ein kurvilinearer Zusammenhang festgestellt. Die Auswirkung der Glyequi-Konzentration auf die TFA war gering; dagegen waren FE und TZ deutlich beeinflusst. Die Auswirkung der Glyequi-Konzentration hing von der Versorgung mit Methionin (Met) und Cystein (Cys) ab. Die Auswirkung der Glyequi-Konzentration auf das Niveau der TZ und FE war verschieden bei veränderten Verhältnissen von Met zu Met+Cys und Cys-Konzentrationen. Dies kann durch eine verringerte Notwendigkeit der Cys-Synthese aus Met erklärt werden, für die Ser benötigt wird. Die zweite Studie untersuchte den Einfluss von Threonin (Thr) und Cholin, welche endogene Vorstufen von Gly sind, auf die Auswirkungen von Glyequi. Eine Erhöhung der Thr-Konzentration verringerte die benötigte Glyequi-Konzentration um bestimmte Niveaus an TZ und FE zu erreichen. Die Cholin-Konzentration hatte ebenfalls einen erheblichen Einfluss. Allerdings war der Austauschwert von Cholin zu Glyequi geringer als der von Thr. Die festgestellten Austauschwerte von Thr und Cholin für Glyequi überstiegen die durch endogene Gly-Synthese erklärbare Austauschwerte. Sie sind wahrscheinlich durch eine übermäßige Versorgung mit anderen essentiellen AS außer Thr bedingt. Wenn Thr und in Cholin die Wachstumsleistung begrenzten, mussten andere übermäßig aufgenommene AS katabolisiert werden was zu einem höheren Glyequi-Bedarf für die Bildung von Harnsäure führt. Demnach sollten künftige Studien Glyequi, Thr und Cholin zusammen berücksichtigen, wenn Bedarfswerte für diese Nährstoffe ermittelt werden. Die dritte Studie wurde durchgeführt um zu prüfen, ob die Wachstumsleistung und N-Verwertung von Masthähnchen vom Verhältnis von freien und peptidgebundenen AS im Futter abhängt und ob das den Glyequi-Bedarf beeinflusst. Die Hypothese war, dass eine erhöhte Oxidation von freien AS zu einer erhöhten Ammoniakproduktion führt, das bei einem Gly-verbrauchenden Prozess zu Harnsäure entgiftet wird. Der Austausch der AS-Menge von Sojaproteinisolat gegen freie AS verringerte die TZ und FE vor allem durch eine verringerte TFA. Ursachen dafür können nicht eindeutig geklärt werden. Hinsichtlich der N-Effizienz bewirkten die AS-Quellen keinen Unterschied. Folglich begrenzte die Verfügbarkeit von AS für die Proteinsynthese nach der Aufnahme vermutlich das Wachstum nicht. Die TZ bei den Behandlungen mit hoher Glyequi-Konzentration war bei beiden AS-Quellen erhöht. Diese Steigerung war durch eine höhere TFA bei den Behandlungen mit Sojaproteinisolat und durch eine höhere FE bei den Behandlungen mit der freien AS-Mischung bedingt. Entgegen der Hypothese geben diese Ergebnisse keinen Hinweis auf eine unterschiedliche Verwertung von Glyequi für die Harnsäurebildung. Nach dieser Arbeit hängen die Auswirkungen der Glyequi-Konzentration im Futter von der weiteren Futterbeschaffenheit, wie den Konzentrationen an Cys, Thr und Cholin ab. Die beschriebenen Erkenntnisse lassen eine weitere Optimierung der Konzentrationen von Glyequi und weiterer Nährstoffe zu. Dies ermöglicht die XP-Konzentration im Futter ohne nachteilige Auswirkungen auf das Wachstum zu reduzieren und somit die negativen Auswirkungen der Masthähnchenproduktion auf die Umwelt zu verringern.