Effects of castration, cold temperature, and dietary glycerol on gluconeogenesis and lipid metabolism, growth performance, and meat quality in Korean cattle

Abstract

Castration of bulls results in better beef and carcass quality through increased fat deposition. The deposition of intramuscular fat required incorporation of triglyceride in muscle, after the absorption of dietary fatty acids or de novo synthesis of fatty acid. Intramuscular adipose tissue uses a high proportion of glucose for fatty acid synthesis, either to supply a carbon source or to produce NADPH. Testosterone deficiency is associated with an increased in fat mass, reduced insulin sensitivity, and impaired glucose metabolism. Therefore, alteration of glucose and lipid metabolism following castration may affect beef quality. Performance of the cattle is influenced by the climatological factors, such as ambient temperature. Temperature stress occurs when the ambient temperature is higher or lower than that of the cattles thermo-neutral zone. Cold stress increases the metabolic rate and maintenance requirement of cattle, which may lead to reduced performance and productivity. Increasing the energy density in the diet is an effective strategy to maintain the productivity of stressed cattle. Glycerol, a by-product of biodiesel production can be used as a glucogenic precursor to improve energy status of cattle. It is preferable since fat source from animal or plant origin has some limitation to be used in the ruminant diet. The fat content in ruminant diet is not recommended to exceed 5% since it may inhibit rumen fermentation. Limited information is available about the effects of castration, cold temperature, and dietary glycerol on gluconeogenesis and lipid metabolism, growth performance, and meat quality in Korean cattle. Thus, this study was conducted to 1) examine effects of castration of bulls on transcriptional changes in the genes involved in gluconeogenesis and glycolysis pathways and 2) to investigate effects of dietary glycerol and cold temperature on growth performance, rumen characteristics, blood metabolites, carcass characteristics, meat quality and expression gluconeogenesis and lipid metabolism of in finishing Korean cattle steers. In study 1, castration increased the mRNA (3.6 fold; P < 0.01) and protein levels (1.4 fold; P < 0.05) of pyruvate carboxylase (PC) and mitochondrial phosphoenolpyruvate carboxykinase genes (PCK2; 1.7 fold; P < 0.05). Hepatic mRNA levels of genes encoding the glycolysis enzymes were not changed by castration. Castration increased mRNA levels of both lactate dehydrogenase A (LDHA; 1.5 fold; P < 0.05) and lactate dehydrogenase B (LDHB; 2.2 fold; P < 0.01) genes for lactate utilization. Castration increased mRNA levels of glycerol kinase (GK; 2.7 fold; P < 0.05) and glycerol-3-phosphate dehydrogenase 1 (GPD1; 1.5 fold; P < 0.05) genes for glycerol utilization. Castration also increased mRNA levels of propionyl-CoA carboxylase beta (PCCB; 3.5 fold; P < 0.01) and acyl-CoA synthetase short chain family member 3 (ACSS3; 1.3 fold; P = 0.06) genes for propionate incorporation.). Positive correlations were found between hepatic fructose 1,6-biphosphatase (FBP1), LDHA, propionyl-CoA carboxylase alpha, mitochondrial (PCCA), GK, and GPD1 gene expressions with backfat thickness. Hepatic gluconeogenic gene (PC, PCK2, LDHA, LDHB, and PCCB) expression levels were associated with marbling score (MS) and/or quality grade (QG). In study 2, the ambient temperature in December was lower (P < 0.001) than those in other months. Neither month nor glycerol supplementation (GS) affected (P > 0.05) ADG and feed efficiency. Cold weather affected (P < 0.001) the amount of concentrate intake and total feed intake, whereas GS decreased (P < 0.05) the concentrate intake. Cold weather increased (P < 0.05) ruminal pH and ammonia nitrogen (NH3-N) concentration. Cold weather decreased (P < 0.05) total volatile fatty acid (VFA) molar concentration, and the molar proportions of propionate and valerate, while it increased (P < 0.05) molar proportion of butyrate. Glycerol supplementation increased (P<0.05) the valerate molar concentration. Cold weather affected (P < 0.05) serum concentrations of glucose, cholesterol, and triglyceride. Glycerol supplementation increased (P < 0.05) MS and color lightness (CIE L*) of longissimus thoracis (LT), while GS decreased (P < 0.05) ultimate pH of beef. Glycerol supplementation increased flavor and overall acceptance (P < 0.05) of LT. Glycerol supplementation did not change mRNA levels of hepatic gluconeogenesis genes. However, it tended to upregulate (0.05 < P ≤ 0.10) fatty acid translocase (CD36), lipoprotein lipase (LPL), and fatty acid binding protein 4 (FABP4) genes in LT. These results indicate that cold condition did not affect growth performance of Korean cattle, although some changes in blood metabolites and ruminal parameters were observed. Diet with 3.15% GS of concentrate DM did not affect growth performance, ruminal VFA concentrations, and blood metabolites. However, GS increased MS and sensory traits. Glycerol supplementation could be used to improve beef quality during cold conditions without affecting performance. From this study, it can be concluded that beef quality can be improved by castration and dietary glycerol supplementation, which influence hepatic gluconeogenesis and lipid metabolism of Korean cattle.

수소의 거세는 지방침착을 증가시켜 좋은 육질과 도체성적을 나타낸다. 근내지방의 침착은 지방산섭취 및 흡수나 지방산 신생합성 이후 근육내 트리글리세라이드의 결합을 필요로 한다. 탄소원의 공급, NADPH 생산 또는 지방산 합성을 위해 근내지방조직은 높은 비율로 포도당을 이용한다. 테스토스테론 결핍은 지방질량의 증가, 인슐린 감수성 저하, 포도당 대사 약화와 연관이 있다. 따라서 거세 이후 나타나는 포도당과 지질대사의 변화는 소고기 품질에 영향을 미칠 것이다. 소의 성장능력은 주위 온도 같은 기후적인 요소에 영향을 받는다. 온도스트레스는 소의 열중립대보다 주위 온도가 높거나 낮을 때 발생한다. 저온스트레스는 소의 대사율과 유지요구량을 증가시키는데 이것은 성장능력과 생산성을 감소시킨다. 사료내 에너지밀도를 높여주는 것은 온도스트레스를 받은 소에게 있어 생산성을 유지시킬 수 있는 효과적인 방법이다. 바이오디젤 생산과정의 부산물인 글리세롤은 소의 에너지 상태를 향상시키기 위한 당 생성의 전구체로 이용될 수 있다. 동물성, 식물성 지방공급원은 반추동물의 사료로 이용되기에 한계가 있기 때문에 글리세롤이 선호된다. 사료내 조지방 함량은 5%를 넘지 않는 것이 권장되는데 이는 반추동물의 반추위내 발효를 저해할 수 있기 때문이다. 한우에서 당신생과 지질대사, 성장능력, 육질등에 대한 거세, 저온, 사료내 글리세롤 첨가 효과의 정보는 제한적이다. 따라서, 본 연구는 1) 한우 수소의 거세가 당 신생합성 및 해당 과정과 관련 있는 유전자들의 전사에 미치는 영향, 2) 글리세롤의 섭취와 주위 온도가 비육 후기 한우 거세우의 성장률, 반추위 성상, 혈 중 대사물질, 도체 특성, 육질과 당 신생합성 및 지질 대사에 미치는 영향을 알아보고자 수행되었다. 첫 번째 연구에서, 거세는 pyruvate carboxylase (PC) 의 mRNA 발현량 (3.6배; P < 0.01) 단백질 수준 (1.4 fold; P < 0.05)을 증가시켰으며mitochondrial phosphoenolpyruvate carboxykinase genes (PCK2)의 단백질 수준을 (1.7 fold; P < 0.05) 증가시켰다. 해당과정의 효소들을 지정하는 유전자들의 간 내 mRNA 발현량은 거세에 의해 변하지 않았지만 젖당 이용에 필요한 lactate dehydrogenase A (LDHA; 1.5 배; P < 0.05) 와 lactate dehydrogenase B (LDHB; 2.2 배; P < 0.01) 유잔자의 발현량은 증가하였다. 더하여, 거세는 글리세롤 이용과 관련 있는 glycerol kinase (GK; 2.7 배; P < 0.05) 와 glycerol-3-phosphate dehydrogenase 1 (GPD1; 1.5 배; P < 0.05) 유전자의 mRNA 수준을 증가시켰으며, 또한 프로피온산 결합에 이용되는 propionyl-CoA carboxylase beta (PCCB; 3.5 fold; P < 0.01) 와 acyl-CoA synthetase short chain family member 3 (ACSS3; 1.3 fold; P = 0.06) 유전자의 발현도 증가시켰다. 두 번째 연구에서 12월의 외기 온도가 가장 낮았다 (P < 0.001). 날짜 (월 단위)와 글리세롤 첨가는 평균 일당 증체와 사료 효율에 영향을 미치지는 않았다 (P > 0.05). 추운 날씨는 농후 사료 섭취량과 총 사료 섭취량에 영향을 미쳤지만 (P < 0.001), 글리세롤 첨가는 농후 사료 섭취량을 감소시켰다 (P < 0.05). 추운 기간 동안 반추위 pH와 암모니아 질소 (NH3-N) 농도, 뷰티르산의 몰 농도 비율은 유의적으로 높았지만 (P < 0.05), 총 휘발성 지방산 (volatile fatty acid, VFA)의 농도와 프로피온산, 발레르산의 몰 농도 비율은 낮았다 (P < 0.05). 글리세롤 첨가는 유의적으로 발레르산의 몰 농도를 증가시켰다(P<0.05). 추운 날씨는 혈 중 글루코스, 콜레스테롤, 트리글리세리드, 비에스테르형 (non-esterified fatty acid, NEFA) 지방산의 농도에 영향을 미쳤다 (P < 0.05). 글리세롤 첨가는 등심의 마블링 스코어와 육색 밝기를 증가시켰지만 (P < 0.05), 최종 도달 pH는 감소시켰다 (P < 0.05). 더하여, 글리세롤 첨가는 관능적 특성인 풍미와 전반적인 기호 또한 증가시켰다 (P < 0.05). 글리세롤의 첨가는 간 내 당 신생 합성 관련 유전자들의 발현량에 영향을 미치지는 않았지만, 등심 조직 내 fatty acid translocase (CD36), lipoprotein lipase (LPL), and fatty acid binding protein 4 (FABP4) 유전자들의 mRNA는 증가하는 경향을 보였다 (0.05 < P ≤ 0.10). 위 결과들로 미루어보아, 추운 환경으로 인해 한우 거세우의 몇가지 혈 중 대사 물질과 반추위 성상에 변화가 일어나지만 성장에는 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있다. 더하여, 사료 내 3.15%의 글리세롤의 첨가는 성장률과 반추위 VFA 농도, 혈 중 대사 물질에 영향을 미치지 않으면서 마블링 스코어와 관능적 기호도는 증가시키므로 저온 기간 동안 성장률에 대한 악영향없이 소고기의 품질을 향상시킬 수 있는 방법으로 판단된다. 본 연구를 통해, 수소의 거세와 사료 내 글리세롤 첨가는 한우의 간에서 일어나는 당 신생합성 및 지질대사에 영향을 미쳐 소고기의 품질을 향상시킬 수 있을 것이라고 결론내려진다.