Analysis of physiological parameters and expression profile of gene associated with heat stress and feed efficiency in Nelore and Caracu cattle

O aumento da temperatura ambiental leva ao estresse térmico em animais, alterando características fisiológicas e genéticas do animal. Assim, os objetivos do presente estudo foram: (1) avaliar as condições fisiológicas e a expressão relativa dos genes HSPD1 (heat shock protein family D (Hsp60) member 1), HSPA1A (heat shock protein family A (Hsp70) member 1A), HSP90AA1 (heat shock protein 90 alpha family class A member 1) em animais Nelore (Bos taurus indicus) e Caracu (Bos taurus taurus) submetidos ao estresse térmico; (2) buscar diferenças no perfil de expressão dos genes ATP1A1 (ATPase Na+/K+ transporting subunit alpha 1), NR3C1 (nuclear receptor subfamily 3 group C member 1), POMC (proopiomelanocortin), NPY (neuropeptide Y) e LEP (leptin) considerando a eficiência alimentar e a exposição ao calor, (3) identificar animais que apresentem alta eficiência alimentar e termotolerância e (4) avaliar o impacto do estresse térmico sobre a temperatura interna utilizando a meta-análise. Foram avaliados 78 novilhos das raças Nelore e Caracu. O teste de eficiência alimentar foi realizado durante 60 dias utilizando cochos eletrônicos. Ao final do teste os animais foram sorteados aleatoriamente e submetidos ao ambiente de estresse térmico e termoneutro. As características fisiológicas avaliadas incluíram temperaturas retais (TR) e de superfície (TS), frequências cardíacas (FC) e respiratórias (FR), níveis de cortisol sérico e o índice de tolerância ao calor (ITC). Amostras de sangue foram colhidas para análise de cortisol e posterior análise de expressão gênica. A temperatura ambiental variou entre 28 a 39°C, enquanto a umidade relativa foi de 30 a 65% durante o estudo. As características fisiológicas TR, TS, FR, ITC e cortisol sérico foram superiores em animais da raça Caracu. A expressão gênica relativa dos genes HSPD1 e HSP90AA1 foi diferente entre as raças Nelore e Caracu. O gene ATP1A1 apresentou menor nível de expressão nos animais em ambiente termoneutro em comparação ao ambiente de estresse térmico. A interação entre raça e consumo e ganho residual influenciou o nível de expressão dos genes NPY e LEP. A análise de agrupamento não hierárquica, dividiu a população em dois grupos. O grupo 1 foi formado por animais com menor tolerância ao calor e maior eficiência alimentar, enquanto o grupo 2 compreendeu animais com maior tolerância ao calor e menor eficiência alimentar. Conclui-se que a raça Caracu, é menos adaptada ao estresse térmico quando comparada a raça Nelore, diante dos parâmetros fisiológicos e o padrão de expressão dos genes avaliados. As condições climáticas associadas a eficiência alimentar podem influenciar os padrões de expressão dos genes ATP1A1 e NPY. Existe variabilidade fenotípica dentro e entre as raças Caracu e Nelore para as características de eficiência alimentar e termotolerância. O estudo meta-analítico apresentou elevada heterogeneidade das temperaturas retal e vaginal entre os rebanhos avaliados e demonstrou eficácia no uso destas medidas para avaliar o estresse térmico em bovinos. Auxiliando, portanto, na busca de estratégias que minimizem o efeito do estresse térmico sobre a produção animal.An increase in environmental temperature can lead to heat stress in animals, altering the physiological and genetic characteristics of the animal. Within this context, the objectives of the present study were: 1) to evaluate the physiological conditions and relative expression of the HSPD1 (heat shock protein family D [Hsp60] member 1), HSPA1A (heat shock protein family A [Hsp70] member 1A), and HSP90AA1 (heat shock protein 90 alpha family class A member 1) genes in Nelore (Bos taurus indicus) and Caracu (Bos taurus taurus) animals exposed to heat stress; 2) to identify differences in the expression profile of the ATP1A1 (ATPase Na+/K+ transporting subunit alpha 1), NR3C1 (nuclear receptor subfamily 3 group C member 1), POMC (proopiomelanocortin), NPY (neuropeptide Y) and LEP (leptin) genes according to feed efficiency and exposure to heat; 3) to identify animals that have high feed efficiency and are heat tolerant, and 4) to evaluate the impact of heat stress on internal body temperature using a meta-analysis. Seventy-eight Nelore and Caracu steers were evaluated. The feed efficiency test was carried out for 60 days using the automatic feeding systems. At the end of the test, the animals were randomly allocated to the heat stress and thermoneutral environment. The physiological traits of the animals included rectal temperature (RT), skin temperature (ST), heart rate (HR), respiratory frequency (RF), serum cortisol levels and heat tolerance index (HTI). Blood samples were collected for cortisol measurement and subsequent gene expression analysis. The environmental temperature ranged from 28 to 39°C and relative humidity from 30 to 65% during the study. The RT, ST, RF, HTI and serum cortisol were higher in Caracu animals. Relative expression of the HSPD1 and HSP90AA1 genes differed between Nelore and Caracu animals. The expression level of the ATP1A1 gene was higher in animals of the thermoneutral environment compared to those of the heat stress environment. The interaction between breed and residual intake and gain influenced the expression level of the NPY and LEP genes. Non-hierarchical clustering divided the population into two groups. Group 1 was formed by animals with lower heat tolerance and higher feed efficiency, while group 2 comprised animals with greater heat tolerance and lower feed efficiency. In conclusion, the physiological parameters and expression pattern of genes evaluated showed that the Caracu breed is less adapted to heat stress than Nelore animals. Climate conditions associated with feed efficiency can impact on the expression patterns of the ATP1A1 and NPY genes. Phenotypic variability exists within and between the Caracu and Nelore breeds when feed efficiency and heat tolerance traits are analyzed. The meta-analytical study showed high heterogeneity of rectal and vaginal temperatures among the herds evaluated and demonstrated effectiveness in their use to assess heat stress in cattle. Therefore, these traits assist in the investigation of strategies that minimize the effect of heat stress in livestock