Bone ash data in the context of phosphorus and phytase evaluation in poultry

Abstract

Phosphorus (P) is an essential element that is crucial for various metabolic processes in the body of animals and humans. To keep the animals healthy and to obtain food products rich in nutrients, an adequate P supply is indispensable. Plant feedstuffs, the main components of poultry diets, contain P in a form that is only partially available to poultry. For this reason, poultry diets are often supplemented with mineral P. However, global rock phosphate reserves, where mineral P is mined from, are limited. Additionally, excessive P supply should also be avoided because of the environmental impact of P accumulation in the soil. Consequently, P supply not exceeding the requirements of poultry is essential to ensure animal wellbeing and to protect the environment. In order to feed diets with adequate concentrations of P, it is necessary to have suitable approaches for the determination of available P in the animal. The availability of P varies widely between feed components and it is also influenced by feed supplements and other factors. Bone ash analysis is an often-used tool to evaluate the relative bioavailability of P since a high amount of P is stored in the bones. A standard assay for bone ash analyses has never been agreed on. Therefore, many different approaches are described in the literature with an unknown impact on the results of P bioavailability studies. The main objective of the present thesis was to examine the suitability of bone ash data for the evaluation of available P in poultry with emphasis on methodological aspects. Therefore, different studies with broiler chickens and Japanese quail were conducted. The experiments comprised various aspects related to P availability in poultry. The effect of feed supplements in the form of phytase products, myo-inositol and a coccidiostat were evaluated. Furthermore, quantitative genetic analyses were performed. All experiments had in common that tibiotarsus (tibia) or foot ash data or both were used for the examination of the relative bioavailability of P. Based on the data that accrued during the studies described in the four manuscripts of this thesis, comprehensive methodological analyses were performed. The tibia and foot were compared regarding their appropriateness as a trait for the evaluation of the relative bioavailability of P by using bone ash data. The relationship between the two traits was investigated, as well as the relationship between foot or tibia ash and quantitative P measurements. Additionally, P concentration in the ash of both bone fractions was analysed and compared. Results indicated only minor differences between tibia and foot ash data. No clear preference for one of them could be deduced from the data. The left and right feet of broiler chickens were compared in terms of both ash concentration and total ash amount. Significant differences between the two feet of the same animal were detected for both traits. Consequently, not only the choice of the bone fraction but also of the body side should be considered when sampling for bone ash data. Ash data are mostly expressed as a concentration of the dry matter content of the bone. Also possible is the use of the absolute ash amount. The relationship of both ways of expression with traits of quantitative P measurements was analysed by using correlation coefficients and regression analyses. Results showed that the absolute ash amount was at least as suitable as ash concentration but has the advantage that it is easier to determine. Possible selection procedures for animals for bone ash analyses were simulated with data from two of the experiments. Often it is not possible to use all animals involved in an experiment for bone ash analyses. Therefore, the influence of sampling frequency and selection method on the outcome of P availability studies was evaluated. Results indicated that the number and selection method of animals for bone ash data might influence the results. However, it was not possible to recommend a specific selection method based on the obtained results. Estimates of heritability and genetic correlations showed the suitability of bone ash data as a proxy trait for P efficiency breeding of poultry. The absolute amount of bone ash data appeared to be most promising for this purpose. Bone ash data are a very useful and easy to determine trait to estimate the relative bioavailability of P. However, investigations performed in this thesis showed the importance of a careful selection of methods. A standardised assay would be helpful to obtain meaningful and more comparable estimates of relative P bioavailability.

Phosphor (P) ist für Tiere und Menschen ein essenzielles Element, das für zahlreiche Stoffwechselvorgänge im Körper benötigt wird. Eine ausreichende Versorgung mit P ist unabdingbar, um Tiere gesund zu erhalten und um nährstoffreiche Lebensmittel zu erzeugen. Der Hauptbestandteil von Geflügelrationen sind pflanzliche Futtermittel. Diese enthalten P in einer Form, die nur teilweise für Geflügel nutzbar ist. Deshalb werden Geflügelrationen meist mit mineralischem P ergänzt. Dieser mineralische P wird aus Gesteinsphosphaten gewonnen, deren global vorhandene Ressourcen begrenzt sind. Zusätzlich ist auch eine übermäßige Versorgung der Tiere mit P zu vermeiden, da große Mengen an P-Ausscheidungen negative Auswirkungen auf die Umwelt durch die Anreicherung im Boden haben. Daher ist eine Versorgung der Tiere nahe an ihrem Bedarf notwendig, um ihre Gesundheit und die Umwelt zu schützen. Für eine Fütterung der Tiere nahe an ihrem P-Bedarf ist es notwendig, geeignete Verfahren für die Bestimmung des im Tier verfügbaren P anwenden zu können. Der Anteil an verfügbarem P variiert stark zwischen verschiedenen Futterbestandteilen und wird von Futterzusätzen und anderen Faktoren beeinflusst. Eine weit verbreitete Möglichkeit hierfür ist die Ermittlung der relativen Bioverfügbarkeit von P anhand von Knochenasche-Daten. Ermöglicht wird dieses Verfahren durch die große Menge an P, die in den Knochen eingelagert ist. Für die Verwendung von Knochenasche gibt es allerdings kein standardisiertes Vorgehen, was dazu führt, dass viele verschiedene Methoden in der Literatur beschrieben sind. Der Einfluss von verschiedenen Vorgehensweisen auf die Ergebnisse der Arbeiten, die die relative Bioverfügbarkeit von P untersuchen, ist unbekannt. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war es, die Eignung von Knochenasche-Daten für die Ermittlung des verfügbaren P bei Geflügel zu überprüfen. Der Schwerpunkt lag dabei auf methodischen Gesichtspunkten. Für diesen Zweck wurden verschiedene Versuche mit Broilern und Japanischen Wachteln durchgeführt. Diese beinhalteten verschiedene Aspekte der Verfügbarkeit von P bei Geflügel. Analysiert wurden die Auswirkungen von verschiedenen Futterzusätzen wie Phytasen, myo-Inositol und einem Kokzidiostatikum. Außerdem wurde eine quantitative genetische Auswertung durchgeführt. Die Gemeinsamkeit aller Versuche bestand darin, dass Tibiotarsus- (Tibia) oder Fußasche oder die Asche beider Knochenfraktionen für die Bestimmung der relativen Bioverfügbarkeit von P verwendet wurden. Anhand der Daten, die in den vier Manuskripten dieser Dissertation beschrieben wurden, wurden umfassende methodische Auswertungen durchgeführt. Die beiden Knochenasche-Fraktionen Tibia und Fuß wurden im Hinblick auf ihre Eignung als Merkmal für die Beurteilung der relativen P-Bioverfügbarkeit verglichen. Dabei wurde die Beziehung der beiden Knochenasche-Fraktionen zueinander ebenso betrachtet wie ihre Beziehung zu Merkmalen der quantitativen P-Bewertung. Auch der P-Gehalt in der Asche des jeweiligen Knochenfraktion wurde analysiert und verglichen. Dabei zeigte sich, dass Tibia und Fuß sich in allen untersuchten Aspekten sehr ähnlich verhielten. Eine Entscheidung zwischen der Verwendung von Tibia- und Fußasche kann nach aktuellem Kenntnisstand anhand der bevorzugten Probenahme getroffen werden. Der rechte und linke Fuß von Broilern wurden sowohl im Hinblick auf ihre Aschekonzentration als auch auf die absolute Aschemenge verglichen. Dabei konnten für beide Merkmale signifikante Unterschiede zwischen den beiden Füßen desselben Tieres festgestellt werden. Somit sollte nicht nur die Wahl des Körperteils, sondern auch die der Körperseite bei der Gewinnung von Probenmaterial für Aschedaten berücksichtigt werden. In der Literatur werden Aschedaten meist als Konzentration in Bezug auf die Trockenmasse der Tibia oder des Fußes angegeben. Es ist jedoch auch die Verwendung der absoluten Aschemenge möglich. Das Verhältnis der beiden Varianten mit Merkmalen der quantitativen P-Bewertung wurde mit Hilfe von Korrelationskoeffizienten und Regressionsanalysen verglichen. Dabei zeigte sich, dass die absolute Aschemenge mindestens ebenso gut geeignet ist wie die Aschekonzentration, jedoch den Vorteil der einfacheren Bestimmung hat. Anhand der Daten aus zwei der beschriebenen Versuche wurden mögliche Auswahlverfahren von Tieren für Knochenasche-Analysen simuliert. Häufig ist es nicht möglich, alle Tiere, die an einem Versuch beteiligt sind, für die Analyse von Knochenasche zu verwenden. Daher sollte der Einfluss von Anzahl und Auswahlverfahren der Tiere auf das Ergebnis von Versuchen, die die Bewertung von verfügbarem P als Ziel haben, ausgewertet werden. Die Ergebnisse zeigten, dass die Anzahl und Auswahlmethode der Tiere die Ergebnisse dieser Versuche beeinflussen können. Es war anhand der Daten jedoch nicht möglich, ein spezifisches Auswahlverfahren zu empfehlen. Die Berechnung von Heritabilitäten und genetischen Korrelationen zeigte die grundsätzliche Eignung von Knochenasche-Daten als Hilfsmerkmal für die Züchtung von Geflügel mit einer höheren P-Effizienz. Als besonders vielversprechend erwies sich dabei die absolute Menge an Fußasche. Knochenasche-Daten sind ein sehr nützliches und einfach zu ermittelndes Merkmal für die Ermittlung der relativen Bioverfügbarkeit von P. Die Untersuchungen, die im Rahmen dieser Dissertation durchgeführt wurden, zeigen jedoch die Bedeutung einer gewissenhaften Methodenauswahl. Ein standardisiertes Verfahren wäre hilfreich, um aussagekräftige und besser vergleichbare Schätzungen der relativen Bioverfügbarkeit von P zu erhalten.