Evaluation du métabolisme protéique comme déterminant des variations individuelles d'efficience alimentaire chez le bovin en engraissement

Protein turnover is the rate of protein synthesis and degradation that does not result in a change in protein mass but serves to renew body proteins, which is vital for the maintenance and survival of animals. Nevertheless, this mechanism strongly impacts the energy expenditure of the animal as well as the metabolic use of nitrogen. Protein turnover has been suggested as a major determinant of inter-individual variation in feed efficiency (FE) in ruminants. The most efficient livestock will be those that adopt a strategy leading to low protein turnover but probably at the expense of their robustness. The aim of this study is to i) evaluate at the individual level the link between the rate of transfer of dietary N into gain [N use efficiency (NUE): retained N/intake N] and the ranking of animals according to different indices of FE, ii) study the effect of the ranking of residual feed intake (RFI) of animals on metabolism and protein turnover, body composition and energy expenditure and iii) analyze the molecular mechanisms involved in the observed differences in protein turnover. This study was carried out in Charolais bulls fed two contrasting fattening diets (high starch vs. high fiber) in two different studies. In the first study, protein efficiency was assessed through a plasma biomarker (δ15N) in 600 young cattle. In the second study FE was evaluated on 100 young cattle phenotyped with the same two contrasting diets after an initial FE test. The 32 most extreme animals (8 efficient vs 8 inefficient per diet) were selected to measure protein turnover using reference (urinary 3-methyl-histine excretion) or indirect (isotope turnover) methods. Nitrogen retention was determined in extreme animals from nitrogen balance data performed in digestibility stall (10 d) and from body composition determined at the beginning of the EA test and at slaughter. The energy expenditure was estimated from the oxygen consumption measured by Greenfeed® on the extreme animals. Finally, muscle and liver tissues collected at slaughter were analyzed by western-blot and enzymatic analyses to evaluate the molecular pathways involved in protein synthesis and degradation. With the use of plasma δ15N, a negative correlation was demonstrated between NUE and RFI values regardless of the diet used. The least efficient animals by RFI appeared to waste more dietary N than the most efficient animals regardless of diet used. This link was then confirmed with a sub-set of extreme animals on RFI when nitrogen retention was estimated from body composition data, but not from nitrogen balance. The improved NUE of efficient animals was accompanied by lower energy expenditure, smaller rumen size and higher carcass yield with a higher proportion of muscle in the carcass. However, numerical trends observed with both experimental set-ups suggest a stronger relationship between NUE and RFI in animals fed a high starch diet compared to a high fiber diet. Protein turnover could be at the origin of this diet-dependent relationship between RFI and NUE. Thus, the RFI-efficient animals showed a lower protein turnover, in terms of skeletal muscle protein breakdown, than the inefficient animals but only on the high starch diet. A contrasted, but probably also faster, absorption of glucogenic nutrients between the two diets seems to be responsible for a very different insulin response, a key signal of the activation state of the molecular pathways of protein synthesis and degradation. The results of this thesis support the hypothesis that protein metabolism is slowed down but more efficient in animals that are efficient in their residual feed intake when fed starch-rich diets.Le turnover protéique correspond au taux de synthèse et de dégradation protéique ne donnant pas lieu à un changement de masse protéique mais servant à renouveler les protéines corporelles, ce qui est vital pour l’entretien et la survie des animaux. Néanmoins, ce mécanisme impacte fortement les dépenses énergétiques de l’animal ainsi que l’utilisation métabolique de l’azote. Le turnover protéique a été suggéré comme étant un déterminant majeur des variations inter-individuelles de l’efficience alimentaire (EA) chez le ruminant. Les animaux de rente les plus efficients seront ceux qui adoptent une stratégie conduisant à un faible turnover protéique mais probablement en détriment de leur robustesse. Le travail de thèse vise à i) évaluer à l’échelle individuelle le lien existant entre le taux de transfert de l’azote alimentaire dans le gain [efficience d’utilisation de l’azote (EUA): N retenu/N ingéré] et le classement des animaux selon différents indices d’EA, ii) étudier l’effet du classement de l’ingéré résiduel (IR) des animaux sur le métabolisme et le turnover protéique, la composition corporelle et les dépenses énergétiques et iii) analyser les mécanismes moléculaires mis en jeu dans les différences de turnover protéique observées. Cette étude a été réalisée chez des taurillons Charolais alimentés avec deux régimes d’engraissement contrastés (riche en amidon vs riche en fibre) au cours de deux études différentes. Dans la première, l’EUA a été évaluée à travers un biomarqueur plasmatique (δ15N) sur 600 jeunes bovins. Dans la deuxième étude l’IR a été évalué sur 100 jeunes bovins phénotypés avec les deux mêmes régimes contrastés après un premier test d’EA. Les 32 animaux les plus extrêmes (8 efficients vs 8 inefficients par régime) ont été sélectionnés pour réaliser des mesures de turnover protéique avec des méthodes de référence (excrétion urinaire de 3-méthyl-histine) ou indirectes (turnover isotopique). La rétention d’azote a été mesurée chez les animaux extrêmes à partir des résultats de bilan d’azote réalisé en stalle de digestibilité (10 j) et à partir de la composition corporelle déterminée au début du test d’EA et à l’abattage. La dépense énergétique a été estimée d’après la consommation d’oxygène mesurée par Greenfeed® sur les animaux extrêmes. Enfin les tissus musculaires et hépatiques prélevés à l’abattoir ont été analysés par western-blot et analyses enzymatiques afin d’évaluer les voies moléculaires impliquées dans la synthèse et la dégradation protéique. Avec l’utilisation du δ15N plasmatique, une corrélation négative a été démontrée entre l’EUA et les valeurs d’IR quel que soit le régime utilisé. Les animaux les moins efficients selon l’IR semblent plus gaspiller l’azote alimentaire que les animaux les plus efficients quel que soit le régime alimentaire utilisé. Ce lien a été ensuite confirmé avec un sous-dispositif d’animaux extrêmes sur l’IR lorsque la rétention azotée a été estimée à partir des données de composition corporelle, mais pas en revanche à partir du bilan d’azote. La plus grande EUA des animaux efficients a été accompagnée d’une dépense énergétique plus faible, d’une taille du rumen plus petite et d’un rendement carcasse plus élevé avec une forte proportion de muscle dans la carcasse. Cependant, des tendances numériques observées avec les deux dispositifs expérimentaux suggèrent une plus forte relation entre l’EUA et l’IR chez des animaux nourris avec un régime riche en amidon comparé à un régime riche en fibre. Le turnover protéique pourrait être à l’origine de cette relation régime-dépendant entre l’IR et l’EUA. Ainsi, les animaux efficients selon l’IR ont présenté un turnover protéique plus faible, en termes de dégradation protéique du muscle squelettique, que les animaux inefficients mais seulement avec le régime riche en amidon. (...