Variation and estimation of nitrogen utilization efficiency in a crossbred pig population

Abstract

Efficient utilization of dietary nitrogen (N) in pork production is of increasing concern. Previous studies revealed that a genetic basis for N utilization efficiency (NUE) might exist, but to assess the potential of breeding for improved NUE, the between-animal variation of a large number of animals needs to be known. The standard method to determine N retention (NR) in balance trails is laborious and not feasible for the required numbers of animals. However, correlations between protein utilization and blood urea nitrogen (BUN) concentration have been shown to exist and body protein turnover is subject to hormonal control. Hence, the objective of the present thesis was to quantify NR of growing pigs at two different growth stages by N balance and to determine the impact of body protein turnover on NUE. In addition, equations for the estimation of NR were established, using performance data and blood metabolite concentrations, which were applied to evaluate the variation in NUE of a F1 crossbred population. Over a period of 2.5 years, a total of 508 crossbred pigs (German Landrace x Pietrain) from 20 different boars was investigated from the 11th week of life until slaughter. The pigs were housed individually throughout the experimental period and a two-phase fattening was performed. All animals received the same diet for ad libitum intake which was formulated to contain 90% of the recommended lysine concentration so that marginal lysine supply was the limiting factor for protein retention and pigs were allowed to express their full genetic potential of NUE. In both fattening phases, daily feed intake was recorded for each animal in a five-day sampling period (SP), and blood samples were taken from the jugular vein at around 13:00 h on three consecutive days for determination of BUN, cortisol, and insulin-like growth factor 1 (IGF-I) concentration. Additionally, in both SP, N balance was performed in the same experimental barn on a randomly selected subsample of 56 barrows. The barrows were housed in metabolism crates for six days, two days for adaption and four days for quantitative collection of feces and urine. Simultaneously, their body protein turnover was determined using the end-product method after a single oral dose of 15N-labeled glycine. Based on the N balance results, models for estimation of NR were obtained by multiple regression of performance data and blood metabolite concentrations. The significance of the variables was validated using a bootstrapping method to avoid overfitting the models to the observed data. The goodness of fit of the equations was assessed using the coefficient of determination and the root mean square error. The N balance results revealed a high protein retention potential of the animals, which did not differ on average between the two SP. However, large differences in NR were observed between individuals and NR was strongly correlated with N and lysine intake. NUE was also at a high level and varied considerably between individuals. The mean NUE was significantly higher in SP1 than in SP2 and a moderate correlation was observed between NR and NUE. The mean body protein turnover did not differ between the SP and no correlation with NUE was observed. In estimating NR, the model with the best goodness of fit included the variables initial body weight, average daily gain, average daily feed intake, N intake, BUN, cortisol, and IGF-I concentration. This model was used to estimate NR for all animals and subsequently calculate their NUE. Describing NR as a linear function of lysine intake across both SP showed an average marginal efficiency of lysine utilization for protein retention of 67%. Despite a wide variation in NUE within the offspring of the same boars, significant differences were found between the offspring groups of the boars. Under the prevailing circumstances of marginal lysine supply, the NR of fattening pigs could be estimated from performance data and blood metabolite concentrations with satisfying accuracy. This provides a fast and reliable alternative to performing N balance studies, reducing the experimental effort considerably in studies with large numbers of animals. Although lysine supply was the limiting factor for protein retention, only about 70% of the variation in NR could be explained by the level of lysine intake. The remaining part of the variation was likely caused by differences in the intermediary lysine utilization or differences in the lysine content of the retained body protein between individuals. About 50% of the variation in NUE could be explained by differences in the level of NR, implying that pigs with higher protein retention potential utilized dietary N more efficiently. However, this was not accompanied by differences in body protein turnover. Phenotyping of the F1 crossbred population revealed a large variation between individuals and a significant boar effect, indicating the possibility of improving NUE through breeding measures.

Die effiziente Verwertung des Futter-Stickstoffs (N) wird in der Schweineerzeugung zunehmend bedeutender. Frühere Studien haben gezeigt, dass eine genetische Grundlage der N-Nutzungseffizienz (NNE) zu bestehen scheint, aber um das Potential von Züchtungsmaßnahmen zur Verbesserung der NNE beurteilen zu können, muss die individuelle Variation einer ausreichend großen Tierzahl erfasst werden. Die Standardmethode zur Bestimmung des N-Ansatz (NA) ist aufwändig und kaum mit den benötigten Tierzahlen durchführbar. Allerdings wurden signifikante Korrelationen zwischen der Proteinverwertung und der Blutharnstoff-Konzentration (BHK) nachgewiesen und der Körperproteinumsatz unterliegt hormonellen Einflüssen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, den NA von Mastschweinen in zwei verschiedenen Wachstumsabschnitten durch N-Bilanzierung zu quantifizieren und den Einfluss des Körperproteinumsatzes auf die NNE zu bestimmen. Darüber hinaus wurden Gleichungen für die Schätzung des NA anhand von Leistungsdaten und Blutmetabolit-Konzentrationen aufgestellt, welche im Anschluss zur Beschreibung der Variation der NNE einer F1-Kreuzungspopulation verwendet wurden. Über einen Zeitraum von 2,5 Jahren wurden insgesamt 508 Kreuzungstiere (Deutsche Landrasse x Pietrain), die von 20 verschiedenen Ebern abstammten, von der 11. Lebenswoche bis zur Schlachtung untersucht. Die Schweine waren während des gesamten Versuchszeitraums in Einzelhaltung untergebracht und es wurde eine zweiphasige Mast durchgeführt. Allen Tieren wurde das gleiche Futter zur ad libitum Aufnahme vorgelegt, welches lediglich 90% der empfohlenen Lysinkonzentration enthielt, so dass die marginale Lysinversorgung der begrenzende Faktor für den Proteinansatz war und die Schweine ihr volles genetisches Potenzial der effizienten N-Nutzung entfalten konnten. In beiden Mastphasen wurde in einem jeweils fünftägigem Probenahmezeitraum (PZ) die tägliche Futteraufnahme der Tiere erfasst, und an drei aufeinanderfolgenden Tagen gegen 13:00 Uhr Blutproben aus der Jugularvene entnommen, um die BHK und die Konzentrationen von Cortisol und dem insulinähnlichen Wachstumsfaktor 1 (IGF-I) zu bestimmen. In beiden PZ wurde in demselben Versuchsstall zusätzlich eine N-Bilanz an einer zufällig ausgewählten Stichprobe von 56 Börgen durchgeführt. Diese wurden für eine zweitägige Eingewöhnungsphase und die darauffolgende viertägige quantitative Kot- und Harnsammlung in Stoffwechselkäfigen gehalten. Zeitgleich wurde deren Körperproteinumsatz mittels Endprodukt-Methode nach einmaliger, oraler Verabreichung von 15N-markiertem Glycin bestimmt. Auf der Grundlage der N-Bilanzergebnisse wurden durch multiple Regression der Leistungsdaten und der Blutmetabolit-Konzentrationen Modelle zur Schätzung des NA erstellt. Die Signifikanz der Modellvariablen wurde durch ein Bootstrapping-Verfahren überprüft, um eine Überanpassung der Modelle an die beobachteten Daten zu vermeiden. Die Anpassungsgüte der abgeleiteten Gleichungen wurde anhand des Bestimmtheitsmaßes und der Wurzel der mittleren Fehlerquadratsumme bewertet. Die Ergebnisse der N-Bilanz offenbarten ein hohes N-Ansatzvermögen der Tiere, welches sich im Mittel nicht zwischen den beiden PZ unterschied. Zwischen den Individuen wurden jedoch große Unterschiede im NA beobachtet und dieser war stark mit der N- und Lysinaufnahme korreliert. Auch die NNE war auf einem hohen Niveau und variierte stark zwischen den Einzeltieren. Die mittlere NNE war in PZ1 signifikant höher als in PZ2 und es wurde eine mäßige Korrelation zwischen dem NA und der NNE beobachtet. Der mittlere Körperproteinumsatz unterschied sich nicht zwischen den PZ und es konnte keine Korrelation mit der NNE festgestellt werden. Das Modell für die Schätzung des NA mit der besten Anpassungsgüte beinhaltete die Variablen Einstallgewicht, Lebendmassezunahme, Futteraufnahme, N-Aufnahme, BHK, Cortisol und IGF-I-Konzentration. Mit diesem Modell wurde der NA für alle Tiere geschätzt und im Anschluss die NNE berechnet. Die Beschreibung des NA als lineare Funktion der Lysinaufnahme zeigte im Mittel beider PZ eine durchschnittliche marginale Effizienz der Lysinverwertung für den Proteinansatz von 67%. Trotz großer Unterschiede in der NNE innerhalb der Nachkommen der jeweiligen Eber konnten signifikante Unterschiede zwischen den Nachkommengruppen der Eber festgestellt werden. Unter den vorliegenden Bedingungen einer marginalen Lysinversorgung konnte der NA von Mastschweinen anhand von Leistungsdaten und Blutmetabolit-Konzentrationen mit zufriedenstellender Genauigkeit geschätzt werden. Dies stellt eine schnelle und zuverlässige Alternative zur Durchführung von N-Bilanzstudien dar und reduziert damit den Versuchsaufwand erheblich, insbesondere bei der Beprobung großer Tierzahlen. Obwohl die Lysinversorgung der begrenzende Faktor für den Proteinansatz war, konnten nur etwa 70% der Variation des NA durch die Höhe der Lysinaufnahme erklärt werden. Der verbleibende Teil der Variation wurde wahrscheinlich durch Unterschiede in der intermediären Lysinverwertung oder Unterschiede im Lysingehalt des angesetzten Körperproteins zwischen den Individuen verursacht. Etwa 50% der Variation in der NNE konnten durch Unterschiede in der Höhe des NA erklärt werden, was darauf hindeutet, dass Schweine mit einem höheren Proteinansatzpotenzial den mit dem Futter aufgenommenen N effizienter verwerteten. Dies ging jedoch nicht mit Unterschieden im Körperproteinumsatz einher. Die Phänotypisierung der F1-Kreuzungspopulation offenbarte eine große Variation zwischen den Individuen und einen signifikanten Eber-Effekt, was die Möglichkeit aufzeigt, die NNE durch züchterische Maßnahmen verbessern zu können.