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La race bovine Tarentaise, originaire des Alpes françaises, est une race mixte rustique de nouveau présente en Tunisie depuis les années 1990. Cette thèse avait pour objectif d’étudier l’adaptation de cette race au stress thermique, dans les conditions climatiques estivales du pays.Un premier dispositif devait permettre de quantifier l’effet du stress thermique sur les performances de production laitière (PL) de la race, en comparaison avec la race Holstein (à partir d’une base de données de 16 400 contrôles laitiers individuels issus de 21 exploitations du nord de la Tunisie) et de définir des relations entre la baisse de la PL estivale et certaines caractéristiques des bâtiments d’élevage (à partir d’une enquête menée dans 19 des 21 exploitations). Lorsque l’index température-humidité (THI) est passé d’une valeur moyenne de 53,7 l’hiver à 75,4 l’été, la PL des vaches Holstein et Tarentaise ont baissé respectivement de 0,93 et 0,15 kg/j. Les taux butyreux, protéique et d’urée dans le lait ont chuté de manière identique pour les deux races, alors que le comptage des cellules somatiques a augmenté pour les vaches Holstein (+352 000 /mL) et légèrement baissé pour les Tarentaise (-160 000 /mL). L’enquête a montré que les bâtiments fermés et les toitures métalliques amplifient l’impact du stress thermique et induisent une baisse de PL plus prononcée que les bâtiments ouverts (-1,13 vs -0,27 kg/j) et les autres types de toitures (-1,04 vs -0,15 kg/j).Un second dispositif expérimental, mis en place en ferme, devait permettre de quantifier les effets du stress thermique estival sur certains paramètres physiologiques des vaches Tarentaise, ainsi que la variation de PL quand ce stress est associé à une amélioration nutritionnelle de la ration estivale. Lorsque le THI est passé de 52,9 l’hiver à 77,4 l’été, comme attendu, les fréquences respiratoire et cardiaque, la température rectale et la teneur en cortisol du lait des vaches ont été plus élevées, mais avec une amplitude moins forte que lors d’essais réalisés avec des vaches Holstein. Par contre, la formule sanguine leucocytaire n’a pas été modifiée. Parallèlement, la distribution d’une ration estivale plus concentrée en énergie et protéines a permis de maintenir le niveau d’ingestion des vaches, un bilan énergétique toujours positif et même d’augmenter leur PL de 7,1 kg/j par rapport à la période hivernale.Les résultats obtenus dans cette thèse montrent que la race Tarentaise s’avère être bien adaptée aux conditions climatiques estivales de la Tunisie. De plus, il est possible de pallier les effets négatifs du stress thermique sur les performances de production laitière par une ration estivale mieux équilibrée et par une meilleure conception des bâtiments d’élevage. / In Tunisia, the Tarentaise cow, a dual-purpose rustic breed was imported from the northern region of the French Alps. The aim of this PhD work was to study the adaptation of Tarentaise breed to heat stress, in particular during summer climatic conditions of Tunisia.To achieve our goals, two different studies were conducted. The first study was carried out to quantify the effect of heat stress on milk yield and components of Tarentaise in comparison to Holstein cows (by means of a data base of 16,400 monthly individual records of production traits from 21 farms situated in the North of Tunisia), and then to describe the relationship between the variations of milk yield during summer and some characteristics of the barns (by means of a survey carried out on 19 of the 21 previous farms). When the temperature-humidity index (THI) increased from an average value of 53.7 in winter to 75.4 in summer, the Holstein and Tarentaise cows decreased their milk yield by 0.93 and 0.15 kg/d, respectively. Milk fat, protein, and urea contents decreased similarly in both breeds, while somatic cell count increased for Holstein (+352,000/mL) and decreased for Tarentaise cows (−160,000/mL). The survey showed that closed buildings amplified the impact of heat stress and led to a more pronounced decrease in milk yield between summer and winter than open buildings (−1.13 vs. −0.27 kg/d), as well as metallic roofs compared to the other roof types (−1.04 vs. −0.15 kg/d).The second study was implemented in a commercial farm to quantify the effects of summer heat stress on some physiological parameters of Tarentaise cows. At the same time, we studied changes in milk production when we provided to the cows a more balanced diet during heat stress conditions. As expected, when the THI increased on average from 52.9 during winter to 77.4 during summer, cows had higher respiratory rate, heart rate, rectal temperature, and milk cortisol content. Nevertheless, the range of variation was lower compared to Holstein cows from other studies. However, in our trial, the blood leucocytes count was not modified during summer. Simultaneously, during summer, the cows maintained their dry matter intake, were still in positive energy balance and increased their milk yield by 7.1 kg/d compared to winter, in response to a more concentrated energy and protein diet.Our results suggest that Tarentaise cows are well adapted to the Mediterranean climate of Tunisia. In addition, it is possible to alleviate the negative effects of heat stress with a more balanced diet during summer and a better design of barns for an adequate microenvironment.

La recherche sur la fonction de lactation est indispensable pour la filière laitière. La glande mammaire est un organe composé de cellules épithéliales, de cellules myoépithéliales, de fibroblastes, d’adipocytes et de cellules endothéliales. L’identification et l’évolution en dynamique des populations cellulaires dans la glande mammaire bovine au cours la lactation reste encore à ce jour méconnues. Les objectifs de cette thèse ont été 1) l’obtention d’un panel des biomarqueurs pour identifier les différentes cellules dans la glande mammaire bovine et 2) le suivi de leur évolution au cours d’un cycle de lactation. Les biomarqueurs de surface (CD49f, EpCAM, CD24 et CD10) ont permis de phénotyper deux lignées mammaires bovines. Nous avons également utilisé ces biomarqueurs pour phénotyper les cellules dans la glande mammaire bovine au cours d’un cycle de lactation.Dans cet objectif, des biopsies ont été prélevées sur 5 vaches laitières primipares à quatre étapes durant la lactation. Après la digestion des biopsies, les cellules obtenues ont été marquées et phénotypées par cytométrie en flux. L’analyse des résultats montre des corrélations positives entre les populations cellulaires CD49f+ et CD49f+/CD24- avec la production laitière. Nous avons mis en évidence une population cellulaire CD49f-/EpCAM- qui augmente au cours de la lactation. Ces résultats suggèrent qu’à partir de l’utilisation de biomarqueurs il est possible d’identifier et phénotyper l’évolution de différentes cellules pendant la lactation dans la glande mammaire bovine. / Research of lactation function of the bovine mammary gland remains essential in dairy farming. The mammary gland is an organ composed of epithelial cells, myoepithelial cells, fibroblasts, adipose cells and endothelial cells. The identification and evolution of cell populations in the bovine mammary gland during lactation is currently unknown. The objectives of this thesis were 1) to obtain a panel of biomarkers capable of identifying different cells within the mammary gland 2) to follow the evolution of these cells throughout a lactation cycle. The cell surface biomarkers (CD49f, CD24, CD10 and EpCAM) allowed us to phenotype two bovine mammary cell lines. We also used these cell biomarkers to phenotype cell populations during lactation.For this objective mammary gland explants were obtained by biopsies taken on 5 primiparous lactating cows at four different times during lactation. After the biopsies were digested, the cells obtained were phenotyped by flow cytometry. Analysis of the results revealed a positive correlation between the CD49f+ and CD49f+/CD24- cell populations and milk yield. We also found evidence that one cell population (CD49f-EpCAM-) was increased during lactation. In general these results suggest that biomarker expression can be utilized to identify the phenotype and the evolution of different cell types during lactation in the bovine mammary gland.

Le méthane (CH4) est un puissant gaz à effet de serre produit lors de la fermentation microbienne anaérobie des aliments dans le rumen. L’un des enjeux majeurs pour le secteur de l’élevage est de trouver des stratégies (alimentaires, génétique) pour réduire les émissions de CH4 tout en maintenant les performances animales. Les techniques de mesure de ces émissions sont coûteuses et difficilement utilisables à grande échelle sur le terrain, d’où la nécessité de trouver des alternatives de mesure ou biomarqueurs pour prédire ces émissions. Les acides gras (AG) du lait ont déjà été identifiés comme indicateurs intéressants de la méthanogenèse chez la vache laitière, mais il convient d’améliorer la précision des équations de prédiction du CH4 existantes ainsi que d'élargir leur domaine d'application à tous types de rations. L'objectif de mon travail de thèse a été de confirmer la pertinence des AG du lait comme indicateurs périphériques de la méthanogénèse chez la vache laitière avec diverses conditions nutritionnelles. Deux bases de données regroupant des données individuelles (issues d’une collaboration scientifique internationale) et moyennes (issues de la littérature) de CH4, de composition en AG du lait et d’autres performances et caractéristiques de l’animal, ainsi que des données de composition chimique des rations, ont été créées. Parallèlement, l’acquisition in vivo de données en conditions expérimentales contrôlées pour des rations mal connues ont permis d’incrémenter la base de données individuelles. Des équations de prédiction des émissions de CH4 [en g/jour, g/kg de matière sèche ingérée (MSI), et g/kg de lait] ont été développées à partir de certains AG du lait, utilisés seuls ou combinés à d’autres variables d’ingestion et de performances laitières, représentant alors des modèles complexes. Des relations entre les émissions de CH4 et la teneur de différents AG du lait (C10:0, iso C17:0 + trans-9 C16:1, iso C16:0, cis-11 C18:1, cis-15 C18:1, cis-9,cis-12 C18:2, et trans-11,cis-15 C18 :2) ont été mises en évidence, confirmant des voies métaboliques communes dans le rumen entre méthanogenèse et métabolisme lipidique. Les équations sont également liées aux types de régimes à partir desquels elles ont été développées. Les équations simples (AG du lait uniquement) sont moins précises que les complexes (erreurs résiduelles de prédiction, respectivement, de 58.6 g/jour, 2.8 g/kg MSI et 3.7 g/kg lait vs. 42.8 g/jour, 2.5 g/kg MSI et 3.3 g/kg lait). Une différence minimum de 16% de CH4 entre stratégies de réduction pourra être mise en évidence par la meilleure équation de prédiction développée. Des équations basées sur des AG bien déterminés par les méthodes infrarouges devront être testées pour évaluer, en routine et à grande échelle, de nouvelles stratégies de réduction des émissions de CH4 entérique chez la vache laitière. / Methane (CH4) is a potent greenhouse gas coming from the anaerobic microbial fermentation of the diet in the rumen. One of the main current challenge for the dairy sector is to find CH4 mitigation strategies (diets or genetics) without altering animal performance. Enteric methane measurement methods are costly and very difficult to apply on a large scale on field. Thus, there is a need to develop alternative measurement methods, such as equations based on proxies to predict CH4 emissions. Milk fatty acids (FA) have been identified as potential predictors of the methanogenesis in dairy cattle, but the prediction ability of extant published CH4 equations must be improved, and their domain of applicability must be enlarged to a wide range of diets. The objective of this PhD thesis was to confirm the potential of milk FA as proxies to predict enteric CH4 emissions in dairy cows fed a wide range of diets. Two databases (based on individual and mean data, respectively) were built thanks to an international collaboration, and gathered data on CH4, milk FA composition, dairy performances, diet and animal characteristics. Two in vivo experiments were conducted with the aim to study the effect of dietary strategies poorly documented, on methanogenesis and milk FA. The data from these experiments were included in the created database. Firstly, simple CH4 prediction equations were developed [g/d, g/kg of DMI (DMI), and g/kg of milk] based only on milk FA, and secondly other variables related to cow intake or characteristics, and dairy performance were added and constituted complex equations. Relationships between CH4 and several milk FA (C10:0, iso C17:0 + trans-9 C16:1, iso C16:0, cis-11 C18:1, cis-15 C18:1, cis-9,cis-12 C18:2, and trans-11,cis-15 C18 :2) were found, confirming common rumen metabolic pathways between methanogenesis and lipid metabolism. Equations were also closely related to the diets included in the database used for their development. Simple equations were less accurate than complex ones (prediction error of 58.6 g/d, 2.8 g/kg DMI and 3.7 g/kg milk vs 42.8 g/d, 2.5 g/kg DMI and 3.3 g/kg milk, respectively). A minimum difference of 16% in CH4 emissions between mitigating strategies can be evidenced with the best prediction equation developed in this PhD. Methane prediction equations based on milk FA well determined by infrared spectrometry methods need to be developed in order to be used on a routine basis and on a large scale. These prediction equations would allow studying the effect of novel mitigation strategies of enteric CH4 emissions in dairy cows.

Problemstellung: Die frühzeitige Erkennung von Störungen vor ihrer klinischen Manifestation ist das Grundanliegen der Prophylaxe. Da besonders die Krankheiten des Fettmobilisationsyndroms fütterungs- und damit stoffwechselbedingt sind, besitzt deren frühzeitige Feststellung durch Stoffwechselkontrollen im peripartalen Zeitraum herausragende Bedeutung. Ziel dieser Analyse war es, Erfahrungen für Indikationen, Durchführung und Ergebnisse mehrjähriger Stoffwechselkontrollen in kleinen und mittelgroßen Betrieben auszuwerten und zu dokumentieren. Dazu wurden die von einer tierärztlichen Gemeinschaftspraxis im Emsland betreuten Betriebe anamnestisch charakterisiert, die Indikationen für Untersuchungen, die Kontrollzeiträume in Laktations- und Jahreszeitverlauf sowie in der jährlichen Abfolge erfasst, die Art und Häufigkeit der untersuchten Parameter sowie ihre klinische Bedeutung insgesamt, betriebsweise sowie z.T. für einzelne Kühe bei Mehrfachkontrollen analysiert. Erfasst wurden auch die von den Landwirten eingeleiteten Maßnahmen sowie die Ergebnisse bezüglich des Gesundheitszustands der Kühe. Versuchsanordnung: Die Anamnesen von 53 Betrieben wurden per Fragebögen erhoben. Aus 60 Betrieben flossen 840 Proben aus 122 Einsendungen mit 793 Blutserumproben und 47 Harnproben von Oktober 2006 bis März 2011 in diese Untersuchung ein. Die Kühe wurden nach Laktationsstadium in die Gruppen ante partum (a. p.), 1. Woche (Wo) post partum (p. p.), 2 - 8 Wo p. p, 9 - 14 Wo p. p, mehr als 100 Tage p. p. und Färsen eingeteilt. Die Parameterauswahl trafen die behandelnden Hoftierärzte mit den Landwirten. Untersucht wurden im Blutserum in absteigender Zahl: Freie Fettsäuren (FFS), ß-Hydroxybutyrat (BHB), Se, Harnstoff, Cu, Ca, anorganisches Phosphat (Pi), Bilirubin, CK, Cholesterol, GLDH, GGT, ß-Carotin, Fe, AST, Total-Protein, Albumin, Na, K, Cl, Mg, Glucose, Gallensäuren, Zn, AP, Kreatinin, Mn, Coeruloplasmin sowie die Trolox Äquivalente Antioxidative Kapazität (TEAC). Harnparameter sind selten untersucht worden. Die Betriebe sind fast ausschließlich Milcherzeugerbetriebe und hatten zwischen 24 und 270 Kühe überwiegend der Rasse Deutsche Holsteins mit einer mittleren Milchleistung von 8718 kg pro Jahr. Ergebnisse: Die häufigsten Merzungsgründe waren schlechte Fruchtbarkeit, Klauen- und Gliedmaßen- sowie Eutererkrankungen. Die Gründe für die Stoffwechselkontrollen waren die Abfrage des aktuellen Stoffwechselstatus sowie das vermehrte Auftreten von Fruchtbarkeitsproblemen, Festliegern, Ketosen und Euterproblemen. Maßnahmen nach der Stoffwechselauswertung waren überwiegend Futterumstellungen sowie die Substitution von Mineralstoffen. Die Einsendungsschwerpunkte lagen jeweils im ersten Jahresquartal. Die mittlere Probenan-zahl/Einsendung sank im Untersuchungszeitraum von 9,7 auf 5,1 ab. Im Durchschnitt wurden 9,9 Parameter/Einsendung untersucht. Bei annähernd 80 % der Einsendungen gaben 40 % bis 70 % der Parameter einen Hinweis auf eine Gesundheitsgefährdung des Bestandes. Im Laktationsverlauf hatten die FFS a. p. mit 56,7 % die häufigsten Abweichungen. Nach der Kalbung bis 8 Wo p. p. sanken sie auf 36 % bis 38 % und im weiteren Verlauf auf < 11 % ab. Die BHB-Abweichungen waren gegensätzlich und lagen in der gesamten Laktation über 68 %. Die FFS-, BHB- sowie Bilirubin-Medianwerte stiegen in der 1. Wo p. p auf 438 μmol/l, 0,86 mmol/l sowie 4,3 μmol/l und sanken dann kontinuierlich im Laktationsverlauf wieder ab. Die Cholesterol-Medianwerte sanken in der 1. Wo p. p. auf 2,16 mmol/l ab und stiegen im Laktationsverlauf bis auf 3,93 mmol/l an. 40 % bis 50 % der Kühe hatten in der Mittel- und Spätlaktation einen Harnstoffüberschuss. Ca und Pi hatten in der 1. Wo p. p. den typischen Konzentrationsabfall auf 2,27 bzw. 1,88 mmol/l, gefolgt von einem kontinuierlichem Anstieg in der Laktation. Hypocalzämien traten zu 13,2 % in der 1. Wo p. p. auf, Hyperphosphatämien überwiegen a. p. mit 24,9 % und in der 1. Wo p. p. mit 22,4 %. Die CK-Mediane betrugen in der 1. Wo p. p. 175,6 U/l; a.p. sowie ab 1. Wo p. p. waren sie > 100 U/I. Ähnlich verhielten sich die CK-Abweichungen mit 60,4 % a. p. und 73,6 % bis 90,9 % ab der 2. Wo p. p. Die CK-Aktivitäten der Färsen sind zu 100 % > 100 U/I. Cu-Mangelzustände wurden bei 12,5 % a. p. und 14,8 % der Kühe in der Spätlaktation beobachtet. Färsen zeigten mit 21,3 % am häufigsten Cu-Unterversorgungen. A. p. bestand zu 20,6 % Se-Unterversorgungen, p. p. hingegen zu 30,1 bis 37% eine Se-Überversorgung. ß-Carotin-Mangelzustände betrugen a. p. 50 % und p. p. 47,1 – 77,8 %. Die TEAC zeigte bei keinen Kontrollen einen Antioxidantienmangel an. Bei den meisten Parametern waren z.T. signifikante Unterschiede zwischen den einzelnen Untersuchungsjahren festzustellen. Bei den FFS und ß-Carotin bestand ein ansteigender Trend an Abweichungen, ein sinkender Trend bei Pi- Abweichungen. In den sechs Kontrolljahren konnte bei 80 % der Betriebe eine Verbesserung der Stoffwechselsituation dokumentiert werden. Bei den Parametern Ca, Pi, Harnstoff, Cholesterol, BHB, Bilirubin, CK und Cu stieg die Zahl physiologischer Werte im Einsendungsverlauf an; nur bei FFS und Se war eine Abnahme zu verzeichnen. Schlussfolgerungen: In kleinen und mittelgroßen Betrieben lieferten systematische Stoffwechselanalysen im peripartalen Zeitraum frühzeitig kausale Hinweise für die häufigsten Krankheiten und Merzungsursachen. Als informative Parameter bewährten sich Indikatoren des Energiestoffwechsels FSS, BHB und Bilirubin, weiterhin Harnstoff, das Se sowie das ß-Carotin. Die systematischen Analysen trugen im Analysenzeitraum zu Verbesserungen in den Betrieben bei. In kleineren Betrieben haben peripartale Einzeltieranalysen besonderen Informationswert über den Herdenzustand.

The aim of the present study was to investigate, firstly, whether the substitution of dietary starch by rumen-protected fat results in visible changes in the protein metabolism by increasing the urea flux and decreasing of AA levels in blood plasma as indicators for a change of AA oxidation, secondly, whether the fat-fed cows use predominantly long chain FA in the processes of milk fat synthesis or as an energy source in oxidation processes, and thirdly, whether the ratio of glucogenic to lipogenic nutrients could affect the supply of glucose in the metabolism of dairy cows. Two experiments were conducted. In either experiments, about 1.8 kg of starch in the ration of the control group were substituted by about 0.7 kg fat as protected fat (Ca salts of palm, soybean and sunflower oils in addition to protected soybeans) in the ration of the fat group. The first experiment was carried out on 32 multiparous high yielding dairy cows (16 Holstein-Friesian cows in each group) during the first 100 d of lactation. The second experiment was carried out in four periods in a cross-over design. Two cows were used in each period during the 6th to the 10th lactation weeks. The cows were infused intravenously with D-[U-13C6]-Glucose. The substitution of starch by protected fat tended to increase the milk production and milk lactose output and to decrease the microbial protein synthesis in the rumen and plasma glucose level. Also, the levels of ß-HBA and NEFA in plasma, the milk urea content and the total urea-flux were increased (P<0.05). Milk protein content but not yield and plasma levels of insulin, Met, Ser and His decreased (P<0.05) but the branched chain amino acids in plasma increased (P<0.05). The oxidation rate of FA was lower in comparison to other sub`strates. In the second experiment, the enrichment of milk fat and blood CO2 by 13C decreased but the recovery of 13C in milk lactose increased (P<0.065) due to high fat intake. The results indicate that the substitution of starch by protected fat can save glucose in the intermediary metabolism for lactose synthesis in the mammary gland and the cows used fatty acids predominantly for milk fat synthesis and not for oxidation.

Die Methan (CH4) Produktion der Milchkühe wird durch eine Vielzahl von umwelt- und wirtsspezifischen Faktoren beeinflusst, wobei Trockensubstanzaufnahme und Rationszusammensetzung die größte Auswirkung haben. Der größte Teil des CH4 wird von Archaeen im Pansen produziert. Auch die kurzkettige Fettsäure (SCFA) Acetat wird im Pansen durch mikrobielle Fermentation gebildet und kann vom Wirtstier zur Milchfettsynthese im Euter verwendet werden. Die Acetatbildung im Pansen korreliert mit der CH4 Produktion. Allerdings kann Milchfett auch aus nicht veresterten Fettsäuren (NEFA) und Triacylgylcerolen endogenen Ursprungs synthetisiert werden, insbesondere aus mobilisiertem Körperfett. In dieser Studie wurde die Hypothese überprüft, dass eine Verdrängung des zur Milchfettbildung genutzten Acetats durch eine höhere Körperfettmobilisation in der Frühlaktation die ruminale Acetatproduktion senkt und damit die Bildung von CH4 verringert. Ein weiteres Ziel war zu untersuchen, ob der Anstieg der CH4 Produktion im Laktationsverlauf mit einer Veränderung des Mikrobioms assoziiert ist, und ob sich Kühe mit hoher oder niedriger CH4 Emission in ihrer Bakterien- und Archaeen-Zusammensetzung unterscheiden. 20 Holstein Kühe wurden in ihrer ersten Laktation untersucht; ihre Futteraufnahme und Rationszusammensetzung wurde analysiert. Im Verlauf des Versuchs wurden mehrfach Blut- und Pansensaftproben gewonnen. Die Plasma-NEFA-Konzentrationen wurden photometrisch, die Pansen-SCFA-Konzentrationen mittels Gaschromatographie analysiert. Während des Beobachtungszeitraums wurde an 4 Zeitpunkten die individuelle CH4 Produktion in Respirationskammern erfasst. In einer Untergruppe von 9 Kühen wurden Pansensaftproben von 3 Zeitpunkten während der Laktation einer DNA-Extraktion unterzogen und bakterielle und archaeale 16S rRNA Amplicons wurden sequenziert. Die Bakterien- und Archaeenpopulation im Pansensaft wurden beschrieben und Pansenmikrobiom der CH4 Ausbeute gegenübergestellt. Statistische Auswertungen wurden mit repeated measurements ANOVA und Tukey Tests, sowie mit der Pearsons‘ Korrelation für ausgewählte Parameter durchgeführt. Mikrobielle Daten wurden mit multivariaten Analysen (PERMANOVA) weiterverarbeitet und Bray-Curtis-Unähnlichkeiten ermittelt. Die gesamte CH4 Produktion stieg signifikant von durchschnittlich 208 l/Tag in der Trockenperiode auf 516 l/Tag in der Spätlaktation an. Der Grad der Körperfettmobilisation, ausgedrückt als Plasma NEFA Konzentration, und die CH4 Ausbeute waren in der Frühlaktation negativ korreliert (p = 0,002). Kühe mit hoher Fettmobilisation (NEFA > 580 μmol/l) neigten nur vor der Geburt, aber nicht während der Laktation zu höheren Pansenacetat Konzentrationen als Tiere mit niedriger Mobilisation (NEFA < 580 μmol/l). Trotz einer möglichst gleichbleibenden Rationszusammensetzung während der Laktation änderte sich das Mikrobiom mit der Zeit signifikant, was sich in einer Abnahme des Artenreichtums und der Biodiversität zeigte. In der Spätlaktation, als die CH4 Ausbeute am höchsten war, gab es keinen Unterschied in der bakteriellen oder archealen Populationsstruktur zwischen den drei Kühen mit der schwächsten und den dreien mit der stärksten CH4 Ausbeute. Parallel zum Anstieg der CH4 Produktion von 434,3 l/Tag auf 540,5 l/Tag veränderte sich das Verhältnis von (Acetat + Butyrat) / Propionat im Pansensaft mit dem Fortschreiten der Laktation von 3,5 auf 4,4. Dennoch war kein Zusammenhang zwischen der Konzentration der ruminalen SCFA und der CH4 Ausbeute festzustellen. Der Stoffwechselzustand des Tieres, insbesondere der Grad der Körperfettmobilisierung bei negativer Energiebilanz, nahm Einfluss auf die CH4-Ausbeute. Die Zusammensetzung des Mikrobioms im Pansen und dessen Stoffwechselnetzwerk veränderte sich mit der Zeit. Es war jedoch in dieser Studie nicht möglich, einzelne Mikroorganismen als Prädiktor für die CH4-Emission von Milchkühen zu identifizieren. Vielmehr scheinen Verschiebungen der mikrobiellen Gemeinschaften insgesamt für die Veränderung der CH4 Ausbeute verantwortlich zu sein.:1 Introduction 1 2 Background 2 2.1 Greenhouse Gases 2 2.2 Dairy cows and their importance to food production 3 2.3 Rumen functions 5 2.3.1 Anatomy and Physiology 5 2.3.2 Rumen microbes 7 2.3.2.1 Bacteria 8 2.3.2.2 Archaea 11 2.3.3 Short-chain fatty acids 12 2.3.4 Methane formation 15 2.4 Interrelationship between methane and host animal physiology 15 2.4.1 Physiologic aspects affecting methane formation 15 2.5 Effects of feed composition and feed contents on methane production 16 2.5.1 Relationship of ruminal short-chain fatty acids and methane production 17 2.5.2 Milk fatty acids to estimate methane emission 19 2.6 Description of methods 20 2.6.1 Methane Measurement 20 2.6.2 Sampling of rumen contents 21 2.6.3 Methods to identify microbes 22 2.7 Objective and realization of the studies 23 3 Publications 26 3.1 First Publication 26 3.1.1 Supplement first Publication 40 3.2 Second Publication 42 3.2.1 Supplement second Publication 56 4 Discussion 60 4.1 Assessment of experimental design 60 4.1.1 Animals 60 4.1.2 Feed 61 4.1.3 Rumen fluid 61 4.1.4 Blood and milk metabolites 62 4.2 Assessment of results 62 4.2.1 Variance of methane emissions 62 4.2.2 Rumen short-chain fatty acids and methane 65 4.2.3 Acetate in the cows’ metabolism and methane production 66 4.2.4 Fat mobilization in early lactation 67 4.2.5 NEFA in the context of metabolism 68 4.2.6 Rumen microbes 69 4.2.6.1 Microbial community change over time 70 4.2.6.2 Community differences between individuals 71 4.2.6.3 Relationship between microbes and methane production levels 72 4.2.7 Further considerations 74 5 Conclusions 75 6 Summary 77 7 Zusammenfassung 79 8 References 81 / Methane (CH4) production in dairy cows is influenced by a variety of environmental and host-specific factors, among which dry matter intake and ration composition have the greatest impact. The major part of CH4 is produced in the rumen by Archaea. The short-chain fatty acid (SCFA) acetate is also produced in the rumen by microbial fermentation and can be used by the host to synthesize milk fat in the mammary gland. The production of acetate is correlated with ruminal CH4 production. Milk fat can also be synthesized from non-esterified fatty acids (NEFA) and triacylglycerol that originate from endogenous fat stores of dairy cows, especially during times of fat mobilization. This study checked the hypothesis that a higher fat mobilization during early lactation decreases ruminal acetate production by replacing acetate for milk fat synthesis and, thus, decreases synthesis of CH4. Another aim of this study was to test the hypothesis that increases in CH4 yield over the course of lactation are associated with changes in rumen microbial community profile, and that high and low CH4 emitting cows differ in their bacterial and archaeal community structure. A herd of 20 Holstein cows was studied during the course of their first lactation; feed intake and diet composition was monitored. Blood and rumen fluid were repeatedly sampled throughout the trial. Plasma NEFA concentrations were analyzed by photometrical analysis, and rumen SCFA concentrations by gas chromatography. Individual CH4 production was measured in respiration chambers at four times during the observation period. In a subgroup of 9 cows, rumen fluid samples from 3 timepoints during lactation were subjected to DNA extraction and bacterial and archaeal 16S rRNA amplicons were sequenced. The bacterial and archaeal community structures in the rumen fluid were described, and the rumen microbiome composition linked to CH4 yield. Statistical analysis was conducted using repeated measurement ANOVA and Tukey tests, as well as Pearsons’ correlation for selected parameters. Microbial data was further treated with multivariate analyses (PERMANOVA) and Bray-Curtis dissimilarities were determined. Total CH4 production increased significantly over time from an average 208 L/day during the dry period to 516 L/day in late lactation. The level of fat mobilization, expressed as blood plasma NEFA concentrations, and CH4 yield showed an inverse relationship in early lactation (p = 0.002). High mobilizing cows (NEFA > 580 μmol/L) tended to show higher ruminal acetate concentrations than low mobilizing cows (NEFA < 580 μmol/L) only before parturition and not during lactation. Despite a diet composition that was kept as constant as possible throughout the lactation, the microbial community changed significantly over time as indicated by a decrease in species richness and species evenness. However, in late lactation when CH4 yield was highest, no difference in bacterial or archaeal community structure could be detected between the three highest CH4 yielding cows and the three lowest CH4 yielding cows. The ratio of (acetate + butyrate) / propionate in rumen fluid changed significantly with progressing lactation from 3.5 to 4.4, accompanied by an increase in CH4 production from 434.3 L/d to 540.5 L/d. However, no correlation between the concentration of ruminal SCFA and CH4 yield was found. The metabolic state of the animal, especially the degree of fat mobilization during times of negative energy balance, had an impact on CH4 yield. Also, the microbial community composition in the rumen and its metabolic network is adaptable and changes over time. However, in this study individual microorganisms could not be identified to serve as predictor for CH4 emission from dairy cows at the moment. Rather, shifts in the microbial communities as a whole appear to be responsible for the changes in CH4 yield.:1 Introduction 1 2 Background 2 2.1 Greenhouse Gases 2 2.2 Dairy cows and their importance to food production 3 2.3 Rumen functions 5 2.3.1 Anatomy and Physiology 5 2.3.2 Rumen microbes 7 2.3.2.1 Bacteria 8 2.3.2.2 Archaea 11 2.3.3 Short-chain fatty acids 12 2.3.4 Methane formation 15 2.4 Interrelationship between methane and host animal physiology 15 2.4.1 Physiologic aspects affecting methane formation 15 2.5 Effects of feed composition and feed contents on methane production 16 2.5.1 Relationship of ruminal short-chain fatty acids and methane production 17 2.5.2 Milk fatty acids to estimate methane emission 19 2.6 Description of methods 20 2.6.1 Methane Measurement 20 2.6.2 Sampling of rumen contents 21 2.6.3 Methods to identify microbes 22 2.7 Objective and realization of the studies 23 3 Publications 26 3.1 First Publication 26 3.1.1 Supplement first Publication 40 3.2 Second Publication 42 3.2.1 Supplement second Publication 56 4 Discussion 60 4.1 Assessment of experimental design 60 4.1.1 Animals 60 4.1.2 Feed 61 4.1.3 Rumen fluid 61 4.1.4 Blood and milk metabolites 62 4.2 Assessment of results 62 4.2.1 Variance of methane emissions 62 4.2.2 Rumen short-chain fatty acids and methane 65 4.2.3 Acetate in the cows’ metabolism and methane production 66 4.2.4 Fat mobilization in early lactation 67 4.2.5 NEFA in the context of metabolism 68 4.2.6 Rumen microbes 69 4.2.6.1 Microbial community change over time 70 4.2.6.2 Community differences between individuals 71 4.2.6.3 Relationship between microbes and methane production levels 72 4.2.7 Further considerations 74 5 Conclusions 75 6 Summary 77 7 Zusammenfassung 79 8 References 81

The North West Province (NWP) identified dairy farming as a priority as it has the potential, not only for job creation, but also as a sustainable source of high quality protein for rural communities. With the correct type of management systems, small-scale dairy farms have the potential to be economically feasible. For the purposes of this study, a small-scale dairy farm was defined as a farm which produced less than 500 litres of milk a day irrespective of the number of cows or size of the farm. The study area was Central North West Province and the study was a longitudinal observational study conducted with 15 small-scale dairy farmers from 2002-2006. Nutrition was found to be a major constraint to the production capacity of dairy cows studied. It was found that farmers were deficient in the knowledge, skills and experience required to develop an affordable and balanced feeding system based on locally available ingredients. Dairy rations were given to prevent malnutrition or starvation, rather than to increase production. It was also shown that feeding of the cattle on the farms investigated, was influenced more by availability and affordability of locally obtained feed ingredients than by planning nutrition to increase milk production. Available statistics show that there are approximately 257 000 dairy cattle in NWP, with the greatest numbers in the Central Region (175 235) and smaller numbers in the Western (59 852) and Eastern (21 873) Regions. These cattle produced approximately 230.4 million litres of milk annually (12.5% of national production) with an estimated value of R304.1 million at R1.32/l, excluding value-added products in the form of cheese, yoghurt, milk powder, and others in 2002. The method used was a longitudinal study conducted from 2002 to 2006 in three phases. In the first phase, situational analysis using participatory rural appraisal (PRA) and observation was used to outline the extent of the constraints and start to design appropriate interventions. Feeds used by the farmers for feeding dairy cows – both supplements and roughage - were tested and evaluated. In the second phase, three different feeding systems were designed from the data obtained from PRA, in consultation with small-scale dairy farmers, established commercial dairy farmers, state veterinary and agriculture staff, feed manufacturers and distributors and the commodity organization (MPO) to optimize the nutrition of the dairy cows. The third phase was field testing of interventions and observations of the implementation by farmers. It was found during the PRA phase that the majority (n=9) of farmers had been in dairy farming for not more than five years, five farmers had six to ten years in dairy farming and only one farmer had 11 to 15 years in dairy farming. Dairy farming is a very highly skilled operation and farmers need to have experience and knowledge to succeed. Five years is insufficient. Therefore capacity building and training were instituted over the period 2002 to 2005. Also, 60% (n=9) of the farmers were not affiliated to any agricultural organisation, so membership of the Milk Producers Organisation was facilitated for all farmers in the study. It was also found that the cattle were not identified and neither production nor financial records were kept. Testing and evaluation of feed used showed that it was of poor quality, deficient in protein, energy and minerals and no effort was made to balance the ration. In the second phase, three feeding systems were developed form data obtained and observations during phase one. These were A: a semi-intensive farm based ration using available crops, pastures and crop residues with minimal rations purchased; B: an intensive, zero-grazing dairy system using a total mixed ration (TMR) for farmers with smallholdings of less than 5 hectares per cow and C: Traditional, extensive or dual purpose system where the calf drank from the cow until weaning and milking was done only once a day, for farmers with more than 5 ha grazing available per cow. The last was a low-input/low output system and was implemented by a majority (n=8) of the farmers. System B was chosen by two farmers and not adopted by any of the two farmers in the long run. System A was adopted by three farmers. Four farmers left dairy farming for various reasons during the study. By July 2006, the farmers had changed to commercially formulated rations or licks and the body condition score of the cows had improved. Milk production per cow did not increase, but this may have been due to the increased price of meat and the fact that a majority of the farmers were using a dual purpose system and selling calves at weaning for a very good price. It was concluded that extension officers should get extra training in dairy if there are dairy farmers in their areas as this is a very specialist type of extension. They should also work closely with veterinary services including veterinarians, animal health technicians and the health inspectors. Further research should be done to optimise the traditional model as this is relatively profitable, has a lower risk and is less labour intensive. It is probably a good way to increase food security, particularly in families when only one or two members have an income from a pension or part-time employment. The prices realised from informal sales of milk and calves can give a stable income. The “community farms” should be economically evaluated in terms of each beneficiary being able to get a “living wage” out of the projected profits of the farm. The MPO and other stakeholders should give very specific training to new dairy farmers, based on the models that were used in this study. It is essential that framers be taught to “look forward” and get a pro-active attitude. They must also understand that quality, balanced rations are the key to success – poor rations are expensive rations, because they result in unhealthy cows and poor production. Finally, ongoing and effective monitoring and evaluation of extension is an effective instrument for project sustainability – farmers must be involved and participate in their own evaluation - extension is not all about paper work it is about measuring performance and good service delivery. / Dissertation (MSc (Veterinary Science))--University of Pretoria, 2007. / Paraclinical Sciences / unrestricted

L’endométrite est une maladie affectant les performances en reproduction chez la vache laitière. Elle est définie par la présence d’inflammation excessive au niveau de l’utérus durant la période post-partum. Le traitement antibiotique sous forme d’infusion intra-utérine est l’une des approches curatives les plus utilisées et améliore les performances de reproduction subséquentes. Considérant les enjeux modernes en lien avec l’antibiorésistance et la réduction de l’utilisation d’antibiotiques en productions animales, il est justifiable de remettre en question l’utilisation d’une méthode diagnostique de l’endométrite basée uniquement sur la présence d’inflammation en vue de déterminer si un traitement antibiotique doit être utilisé. En ce sens, l’objectif principal de ce projet de recherche était de valider l’exactitude des résultats de milieux de culture bactériologique utilisés à la ferme (Tri-plate et Petrifilm) en se basant sur ceux obtenus en laboratoire diagnostique. Un objectif secondaire était de vérifier la concordance entre les résultats bactériens de laboratoire et ceux cytologiques. Pour ce faire, une étude observationnelle transversale a été réalisée au sein de deux troupeaux laitiers commerciaux faisant partie de la clientèle de la Clinique ambulatoire bovine de la Faculté de médecine vétérinaire de l’Université de Montréal. Un total de 189 vaches en période post-partum (30 à 43 jours de lactation) ont été enrôlées de façon systématique afin de recueillir 2 échantillons utérins à partir de cytobrosses lors d’un même examen. La première cytobrosse était utilisée pour inoculer directement le milieu de culture Tri-plate et ensuite être envoyée au laboratoire du Service diagnostic de la FMV de l’Université de Montréal pour culture bactérienne aérobique. La seconde cytobrosse était utilisée pour l’analyse cytologique (proportion de cellules polymorphonucléaires; PMNL), puis était diluée dans 1 ml de solution saline pour inoculer le milieu Petrifilm. Après une période d’incubation de 24h, le décompte de colonies était fait pour chaque milieu de culture. À partir de ces données, les analyses statistiques ont été complétées dans le but d’optimiser la sommation de sensibilité et spécificité (Se+Sp) des deux milieux de culture en fonction des résultats du laboratoire de référence. Pour le milieu Tri-plate, le seuil de ˃ 90 colonies a permis d’obtenir la Se+Sp maximale, soit 167,7. Pour le milieu Petrifilm, le seuil de ˃100 colonies a donné la Se+Sp maximale, soit 129. En ce qui concerne la concordance entre le diagnostic cytologique et bactériologique, les résultats de notre projet montrent que 64,3% des vaches positives au niveau cytologique (˃6% PMNL) se sont avérées négatives à la culture bactérienne, démontrant un manque de concordance. En conclusion, les résultats de notre étude supportent la faisabilité et le potentiel de la culture bactérienne d’échantillons de l’endomètre à la ferme. Notre projet met également en évidence que l’utilisation d’un dépistage cytologique de l’endométrite afin d’utiliser un traitement antibiotique puisse causer un manque d’optimisation dans l’efficacité des traitements. Il semble donc pertinent que d’autres projets soient complétés afin d’approfondir le dépistage bactériologique de l’endométrite et d’analyser le potentiel diagnostique de celui-ci. / Endometritis is a disease affecting reproductive performance in dairy cows. It is defined by the presence of excessive inflammation in the uterine body during the postpartum period. From a curative point of view, the use of antibiotic treatment in the form of intrauterine infusion is one of the most widely used methods which has a beneficial effect on subsequent reproductive performance in positive cases of endometritis. Considering the modern issues concerning the use of antibiotics in animal production, the use of a diagnostic method based on the presence of inflammation in order to administer antibiotic treatment is questionable. In that sense, the main objective of this research project was to validate the accuracy of the results of bacteriological culture medium used on the farm (Tri-plate and Petrifilm) based on the ones from diagnosis laboratory. A secondary objective was to verify the concordance between the bacterial and cytological results. To do this, a cross-sectional observational study was set up within two commercial dairy herds followed by the bovine outpatient clinic of the Faculty of Veterinary Medicine of the Université de Montréal. A total of 189 cows in the postpartum period (30 to 43 days in milk) were systematically enrolled in order to collect 2 uterine samples from cytobrush during the same examination. The first cytobrush was used to directly inoculate the Tri-plate medium and then be sent to the reference laboratory (Diagnostic service of the FVM of the Université de Montréal) for aerobic bacterial analysis. The second cytobrush was initially used to make a microscopic smear for cytological analysis (polymorphonuclear cell proportion (PMNL)) and subsequently diluted in 1 ml of saline to inoculate the Petrifilm medium. After an incubation period of 24 hours, the colony count was made for each culture medium. From these data, statistical analyses were completed in order to optimize the summation of sensitivity and specificity (Se + Sp) of the two culture medium according to the results of the reference laboratory. For the Tri-plate medium, the cutoff of ˃ 90 colonies resulted in the maximum Se + Sp, which was 167.7. For the Petrifilm medium, the threshold of ˃100 colonies gave the maximum Se + Sp, which was 129. Regarding the concordance between the cytological and bacterial diagnosis, the results of our project show that 64.3% of cows positive for cytological criteria (˃6% PMNL) were found to be negative from a bacterial point of view. In conclusion, this study shows that Tri-plate and Petrifilm medium used on-farms were best to reproduce the results obtained by laboratory analysis using 90 and 100 colony threshold respectively. Our results also support a lack of agreement between cytological and bacterial diagnosis. It therefore seems relevant that other projects are completed in order to deepen the bacterial screening for endometritis and to analyze its diagnostic potential.

Avec la mise en place de la nouvelle limite maximale de 400 000 cellules somatiques par millilitres de lait (c/mL) au réservoir, le mois d’août 2012 a marqué une étape importante en termes de qualité du lait pour les producteurs de bovins laitiers du Canada. L’objectif de cette étude consistait en l’établissement d’un modèle de prédiction de la violation de cette limite au réservoir à l’aide des données individuelles et mensuelles de comptages en cellules somatiques (CCS) obtenues au contrôle laitier des mois précédents. Une banque de donnée DSA comprenant 924 troupeaux de laitiers québécois, en 2008, a été utilisée pour construire un modèle de régression logistique, adapté pour les mesures répétées, de la probabilité d’excéder 400 000 c/mL au réservoir. Le modèle final comprend 6 variables : le pointage linéaire moyen au test précédent, la proportion de CCS > 500 000 c/mL au test précédent, la production annuelle moyenne de lait par vache par jour, le nombre de jours en lait moyen (JEL) au test précédent ainsi que les proportions de vaches saines et de vaches infectées de manière chronique au test précédant. Le modèle montre une excellente discrimination entre les troupeaux qui excèdent ou n’excèdent pas la limite lors d’un test et pourrait être aisément utilisé comme outil supplémentaire de gestion de la santé mammaire à la ferme. / August 2012 represents an in important step in terms of milk quality for the Canadian bovine dairy producers because the upper tolerance limit for bulk tank somatic cell count (BTSCC) was lowered to 400 000 somatic cells per millilitre (c/mL). The objective of this study was to develop a predictive model of exceeding the BTSCC limit based on monthly individuals somatic cell count (SCC) measures obtained in the previous months. A database including DHI data from the year 2008 of 924 dairy herds in Québec, Canada was used. A logistic regression model for repeated measures was constructed. The final model included 6 variables related to monthly individual cow somatic cell count: mean individual linear score at the previous test, proportion of cows over 500 000 cells/mL at the previous test, mean herd annual daily milk production per cow, average days in milk at the previous test, proportion of healthy cows at previous test, proportion of chronic cows at previous test. The model has excellent discrimination between herd that exceeded and herd that did not exceed 400 000 cells/mL and can be use to advise dairy producers of impending risks of exceeding the BTSCC limit.