4 research outputs found
Measurement of fecal glucocorticoid metabolites and evaluation of udder characteristics to estimate stress after sudden dry-off in dairy cows with different milk yields
Sudden dry-off is an established management practice in the dairy industry.
But milk yield has been increasing continuously during the last decades. There
is no information whether the dry-off procedure, which often results in
swollen and firm udders, causes stress, particularly in high-producing dairy
cows. Therefore, we evaluated the effect of a sudden dry-off on extramammary
udder pressure and the concentration of fecal glucocorticoid metabolites
(i.e., 11,17-dioxoandrostane, 11,17-DOA) as an indirect stress parameter.
Measurements were carried out within the last week before dry-off and until 9d
after dry-off considering 3 groups of milk yield (i.e., low: <15 kg/d, medium:
15-20 kg/d, and high: >20 kg/d). Udder pressure increased in all yield groups
after dry-off, peaked at d 2 after dry-off and decreased afterwards. Pressures
were highest in high-yielding cows and lowest in low-yielding cows. But only
in high-yielding cows was udder pressure after dry-off higher than before dry-
off. Baseline 11,17-DOA concentrations depended on milk yield. They were
highest in low-yielding (121.7 ± 33.3 ng/g) and lowest in high-yielding cows
(71.1 ± 30.0 ng/g). After dry-off, 11,17-DOA increased in all yield groups and
peaked at d 3. Whereas in medium- and high-yielding cows 11,17-DOA levels
differed significantly from their respective baseline during the whole 9-d
measuring period, low-yielding cows showed elevated 11,17-DOA levels only on d
3 after dry-off. However, especially the increase in 11,17-DOA after dry-off
between the 3 yield groups was considerably different. Mean 11,17-DOA increase
from baseline to d 3 was highest in high-yielding cows (129.1%) and
considerably lower in low-yielding cows (40.1%). The highest fecal 11,17-DOA
concentrations were measured on d 3 after dry-off, indicating that the stress
was most intense on d 2, which is due to an 18-h time lag; at about the same
time, udder pressure peaked. Our results showed a negligible effect of a
sudden dry-off on low-yielding cows. High-yielding cows, however, faced high
extramammary pressures and increased glucocorticoid production. Considering
animal welfare aspects, a review of the current dry-off strategies might be
warranted
Bestimmung von Stress verursacht durch das Trockenstellen bei MilchkĂĽhen und dessen Zusammenhang mit der Milchleistung und dem Euterdruck
An abrupt cessation of milking at the time of dry-off is a most common and a
well-proven management procedure that was already established at the beginning
of the 20th century. But whereas cows even in the 1970s rarely produced more
than 9 kg milk per day at the time of dry-off, in recent years milk yield
exceeding 30 kg and more is not uncommon. In addition to an increased udder
firmness and udder swelling after an abrupt cessation of milking, cows
frequently show certain behavioral changes, e.g., reduced feed intake and
increased vocalization. These behavioral changes might be an indicator for
stress, pain and discomfort. Considering these evidences, I hypothesized that
there is a relationship between milk yield at the time of dry-off, udder
pressure and elevated stress levels after dry-off. Thus, the overall objective
of this thesis was, to evaluate stress caused by drying-off dairy cows and to
relate milk yield at dry-off, udder pressure and stress levels after dry-off.
While udder pressure has been measured for multiple reasons, the equipment
used in previous studies was cumbersome and had diverse technical limitations.
Manual palpation, however, might be subjective. A new device, a dynamometer,
developed to measure fruit crisp, facilitates an objective, non-invasive
measurement of udder pressure. While these dynamometers have been already
validated for the measurement of fruit crisp, there is a dearth of information
about their applicability to measure udder pressure. Therefore, the objective
of the first study of my thesis was to validate a dynamometer (Penefel DFT 14)
for the measurement of udder pressure in dairy cows. Two experiments were
conducted in order to establish a measuring procedure that guarantees an
excellent inter-investigator repeatability. In both experiments udder pressure
was measured multiple times (n = 2838) by two independent investigators.
According to operation procedures implemented for the measurement of fruit
crisp, an initial protocol utilized in experiment 1 was developed. The basic
handling of the device was determined, the penetration depth was roughly
defined, and a general definition of the measuring location was given.
Following this protocol, the agreement between investigators was mediocre and
repeatability was not sufficient (i.e., r = 0.80, P < 0.001). Therefore, it
was improved and experiment 2 was conducted. This protocol featured the usage
of a spacer to define the penetration depth more precisely and the marking of
the measuring point. In this experiment there was no disagreement between
investigators (P > 0.05) and the coefficient of correlation exceeded the one
calculated for experiment 1 clearly (i.e., r = 0.94, P < 0.001). Experiment 1
and 2 demonstrated that udder pressure measurements with a sufficient inter-
investigator repeatability could be achieved with an exact measuring protocol.
A third experiment was conducted in order to quantify the effects of location
within a given quarter and between quarters on udder pressure. Therefore,
udder pressure was measured in 6 different locations – at the upper, middle,
lower third of the left hind quarter (n = 198) and in the middle of each
quarter at the same level (n = 56). Udder pressure differed significantly
between the three locations within the left hind quarter. Between quarters
udder pressure was lower in the front than in the hind quarters (P < 0.05).
Based on these results, it was recommended to carry out udder pressure
measurements at the same quarter and at the same level in order to achieve
comparable results. In the last experiment, the change of udder pressure
before to after milking and its relationship to milk yield was investigated.
Measurements were carried out 1 h ± 30 min before and directly after the
evening milking. Udder pressure decreased after milking in 91.5% of the
udders. In average, pressures after milking were 36.5% lower than before. The
predictive value of udder pressure, however was limited (i.e., correlation
udder pressure change – milk yield r = 0.42, P < 0.001). Nevertheless, this
experiment showed the importance of measuring udder pressure every day at the
same time before or after milking in order to allow an objective comparison of
values. The first study provided evidence that the dynamometer provides
reliable results, given that a standardized protocol is followed in order to
minimize confounding. The second study determined the relationship between
milk yield, udder pressure and stress levels before dry-off and in the early
dry period. While the dynamometer presented an adequate method to measure
udder pressure, the evaluation of stress in dairy cows was challenging. The
blood cortisol concentration is a common, albeit highly sensitive indicator of
stress that is not usable to determine chronic stress levels.
11,17-dioxoandrostane, a fecal cortisol metabolite is less susceptible to
acute stress and provides a reliable alternative for the measurement of
chronic stress. Therefore, the objectives of the second study were 1) to
quantify changes of udder pressure and fecal 11,17-dioxoandrostane
concentrations after a sudden dry-off, 2) to determine the effect of milk
yield prior to dry-off on udder pressure and the fecal 11,17-dioxoandrostane
concentration, and 3) to evaluate the relationship between udder pressure and
fecal 11,17-dioxoandrostane concentration in the early dry period. Seventy-six
healthy, late-lactating Holstein-Friesian dairy cows were enrolled in the
study 7 days before dry-off. They were grouped based on their average daily
milk yield in low (
20 kg/d, n = 25) yielding. Udder pressure was measured daily at the same time
utilizing the Penefel DFT 14. Fecal samples were collected twice within the
last week before dry-off and 2, 3, 5, 7 and 9 days after dry-off. An 11-oxo-
etiocholanolone enzyme immunoassay was carried out to determine the
11,17-dioxoandrostane concentration. For all cows, an effect of yield group (P
= 0.001) and day (P < 0.001) on udder pressure could be proven. Udder pressure
increased in all yield groups (P < 0.001) after dry-off, peaked on the second
day after dry-off and declined afterwards. Considering different yield groups,
udder pressure after dry-off was highest in high yielding cows. Values
differed between high and low yielding and between medium and low yielding
cows for 9 and 7 days after dry-off, respectively (P < 0.05). Milk leakage was
recorded as one factor associated with udder pressure. While a total of 27
cows (33.8%) had milk leakage after dry-off, cows with high udder pressure
were more likely to show milk leakage than cows with low pressure values (P =
0.021). After dry-off, 11,17-dioxoandrostane concentrations were effected by
day (P = 0.005) and udder pressure (P = 0.05). They increased after dry-off in
medium and high yielding cows, peaked on day 3 after dry-off and remained at
an elevated level afterwards (P < 0.05). In low yielding cows, however, only
the 11,17-dioxoandrostane concentration on the third day after dry-off was
higher than the baseline (P = 0.005). While 11,17-dioxoandrostane
concentrations after dry-off did not differ between yield groups (P > 0.05),
the increase of 11,17-dioxoandrostane compared to the baseline diverged
clearly (P < 0.05). It was highest in high yielding cows (P < 0.001). The
increase in low yielding cows, however, was negligible. Interestingly, udder
pressure and 11,17-dioxoandrostane concentrations after dry-off showed a
similar profile, but a time lag of 1 day. Former studies evaluated a time lag
of 8 to 16 h between an increase in blood cortisol coinciding with the
triggering stressor and an elevated concentration of fecal
11,17-dioxoandrostane. Therefore, a causal relationship between udder pressure
and 11,17-dioxoandrostane concentration could be suspected. This hypothesis is
furthermore supported by the fact that high yielding cows had the highest
udder pressure values and the highest increase in 11,17-dioxoandrostane.
Overall, the second study showed that an abrupt cessation of milking causes an
increase in udder pressure and fecal stress hormone concentration. While high
yielding cows showed higher udder pressure and a greater increase in their
stress levels after dry-off, the effect of a sudden dry-off on low yielding
cows was negligible. The effect of a sudden dry-off on udder pressure and
stress levels in high yielding cows was clearly demonstrated in the second
study of this thesis, the relevance of these data for the dairy husbandry and
animal welfare, however, remained unclear. In order to prove the importance of
this research results, especially for German dairy farms and to substantiate
the relevance of this thesis a third experiment was conducted. The objectives
of this third study were 1) to evaluate current dry-off strategies on German
dairy farms using a questionnaire, 2) to quantify behavior indicative of
stress after dry-off, and 3) to compare dry-off strategies used on commercial
dairy farms to recommendations given in the current literature. A
questionnaire was developed and distributed among participants in a continuing
education event organized by a German cattle breeding organization. Two
hundred questionnaires were distributed and data from 91 farms (35 to 1,000
lactating cows) with an average milk yield of 8,949 kg 305-day lactation were
analyzed. Farmers participating in the survey mentioned that cows were dried
off approximately 7 weeks before the calculated calving date. Only 9.9% of the
farms had a dry period length of 5 weeks or less. A continuous milking regime
without dry period was not established on any farm participating in the
survey. The majority (73.0%) of the farmers performed a sudden dry-off without
any previous preparation. Only 11.8% and 15.0% of the farms attempted to lower
milk yield prior to dry-off by reducing the milking frequency and adjusting
the feed ration, respectively. Most farmers (94.1%) transferred cows after
last milking to a separate dry cow pen. At the same time the feed ration was
mostly (76.5%) changed to a low energy density roughage mix. Only 7.1% of the
farmers reduced the feed quantity instead of changing the ration. A blanked
antibiotic dry cow treatment was carried out on 79.6% of the farms, whereas
64.9% of all antibiotic dry cow treatments were conducted without preceding
bacteriological examination. A selective dry cow treatment was not mentioned
by any farmer. Milk yield was an important factor considering the dry-off
management. Most farmers (77.4%) preponed the dry-off date, if milk yield fell
below an individual threshold, an altered dry-off procedure in high yielding
dairy cows, however, was rare (9.7%). Besides milk yield, udder health was the
most important factor to adjust the dry-off procedure. Reasons to forgo the
dry-off were clinical (78.9%) and subclinical mastitis (16.7%). All
participating farmers monitored their dry cows, 92.1% by evaluating the
general health status of the cow. Only 29.2% of the participating farmers,
however, regularly touched the udder and checked for udder pain. The last
section of the questionnaire covered questions about behavioral changes
associated with stress after dry-off. Each farmer participating in the study
reported at least one stress related behavior like reduced feed intake and
increased vocalization. Regarding the overall hypothesis of my thesis, the
results of the three studies demonstrated that the sudden dry-off is a
stressful management procedure in high yielding dairy cows. Considering
increasing milk yield, this finding is relevant as the sudden dry-off
currently is one of the most common dry-off procedures. Therefore, a re-
evaluation of present dry-off methods especially in high yielding cows is
indicated. Strategies to reduce udder pressure and stress caused by an abrupt
cessation of milking are necessary and further research is warranted in this
field.Das abrupte Trockenstellen ist eine allgemein etablierte und allseits bewährte
Methode, welche bereits seit Beginn des 20. Jahrhunderts Anwendung findet.
Während das Tagesgemelk zum Zeitpunkt des Trockenstellens jedoch noch in den
70er Jahren selten 9 kg ĂĽberstieg, sind heute Milchleistungen von 30 kg und
mehr keine Seltenheit. Als Folge zeigen KĂĽhe heute nach einem abrupten
Trockenstellen nicht nur eine vermehrte Euterschwellung und gesteigerte
Euterfestigkeit, sondern auch Verhaltensänderungen wie verminderte Fresslust
und vermehrt Lautäußerungen. Diese Verhaltensänderungen sind als Ausdruck von
Stress, Schmerz und Unbehagen bekannt. Daher lag die Vermutung nahe, dass es
einen Zusammenhang zwischen hoher Milchleistung zum Zeitpunkt des
Trockenstellens, hohem Euterdruck nach dem Trockenstellen und einem erhöhten
Stresslevel gibt. Deshalb war es das Ziel dieser Doktorarbeit, den durch das
abrupte Trockenstellen möglicherweise verursachten Stress bei Milchkühen zu
quantifizieren und diesen Stress mit der Milchleistung vor dem Trockenstellen
sowie dem Euterdruck nach dem Trockenstellen in Beziehung zu setzten. Zur
Beantwortung dieser Fragestellung war jedoch eine objektive Methode den
Euterdruck zu messen essentiell. Zwar wurde der Euterdruck bereits in der
Vergangenheit im Rahmen von Studien gemessen, das benutze Equipment war jedoch
unhandlich und unterlag diversen technischen Einschränkungen. Im Gegensatz
dazu ist die manuelle Palpation ein eher subjektives Verfahren. Ein neues
Gerät, ein sogenanntes Dynamometer, welches ursprünglich für die Bestimmung
des Reifegrades von Früchten entwickelt wurde, ermöglicht objektive, nicht
invasive Messungen von Festigkeiten. Während Dynamometer bereits für die
Messung der Fruchtreife und -festigkeit validiert sind, fehlen jedoch
Informationen zu ihrer Anwendbarkeit bei der Euterdruckmessung. Daher war es
das Ziel der ersten Studie, ein Dynamometer (Penefel DFT 14) zur Messung des
Euterdrucks bei MilchkĂĽhen zu validieren. Im ersten Schritt wurde dazu eine
Messmethode entwickelt, die bestmögliche Wiederholbarkeit zwischen 2
Untersuchern garantiert. HierfĂĽr wurden 2 Experimente durchgefĂĽhrt. Bei beiden
Experimenten wurde der Euterdruck mehrmals (n = 2838) jeweils von 2
unabhängigen Untersuchern gemessen. Das ursprüngliche Protokoll, welches im
ersten Experiment zum Einsatz kam, wurde in Anlehnung an die
Arbeitsanweisungen zur Messung der Fruchtreife entwickelt. Der generelle
Umgang mit dem Messgerät wurde erklärt, die Eindringtiefe der Messspitze grob
definiert und die Messlokalisation bestimmt. Entsprechend dieses Protokolls
war die Übereinstimmung zwischen den Untersuchern eher mäßig und die
Wiederholbarkeit nicht ausreichend (r = 0,80; P < 0,001). Aus diesem Grund
wurde das Messprotokoll ĂĽberarbeitet und das zweite Experiment unter
BerĂĽcksichtigung des verbesserten Protokolls durchgefĂĽhrt. Dieses umfasste das
Anbringen eines Abstandshalters um die Eindringtiefe der Messspitze präziser
zu definieren sowie die Kennzeichnung der Messlokalisation. Mit diesem
Protokoll konnte kein Unterschied zwischen den Untersuchern festgestellt
werden (P > 0,05). Der Korrelationskoeffizient ĂĽberstieg den fĂĽr das erste
Experiment berechneten deutlich (r = 0,94; P < 0,001). Die Experimente 1 und 2
haben gezeigt, dass Euterdruck unter BerĂĽcksichtigung eines exakten
Messprotokolls mit einer ausreichenden Wiederholbarkeit gemessen werden kann.
Ein drittes Experiment wurde durchgefĂĽhrt um den Einfluss der Messlokalisation
innerhalb eines Viertels und zwischen verschiedenen Vierteln auf den
Euterdruck zu bestimmen. Dazu wurde der Euterdruck in 6 verschiedenen
Lokalisationen am Euter gemessen. Zum einen wurde im oberen, mittleren und
unteren Drittel des linken Hinterviertels gemessen (n = 198), zum anderen in
der Mitte jedes der vier Viertel jeweils auf gleicher Höhe. Im Ergebnis
differierte der Euterdruck innerhalb des linken Hinterviertels deutlich (P <
0,05). Zudem zeigten sich Druckunterschiede zwischen den Vorder- und
Hintervierteln (P < 0,05). Basierend auf diesen Ergebnissen sollten
Euterdruckmessungen fĂĽr eine optimale Wiederholbarkeit immer am selben Viertel
und auf derselben Höhe durchgeführt werden. Im letzten Experiment wurde der
Zusammenhang zwischen Euterdruckänderung von vor zu nach dem Melken im
Vergleich zur Gemelksmenge untersucht. Die Messungen wurden jeweils 1 h ± 30
min vor sowie direkt nach dem abendlichen Melken durchgefĂĽhrt. Im Ergebnis
sank der Euterdruck nach dem Melken bei 91,5% der Tiere und fiel im Mittel um
36,5%. Der Vorhersagewert des Euterdrucks fĂĽr die jeweilige Gemelksmenge ist
jedoch begrenzt (r = 0,42; P < 0,001). Nichtsdestotrotz unterstreicht dieses
Experiment die Bedeutung des Messzeitpunktes im Vergleich zur Melkzeit. FĂĽr
einen objektiven Vergleich von Druckwerten sollte der Euterdruck täglich
annähernd zur gleichen Zeit gemessen werden. Insgesamt zeigt die erste Studie,
dass eine verlässliche Messung des Euterdrucks mittels eines Dynamometers
möglich ist. Voraussetzung dafür ist jedoch die Einhaltung eines
standardisierten Messprotokolls. Während für die Messung des Euterdrucks somit
eine adäquate Methode zur Verfügung stand, war die Quantifizierung von Stress
bei KĂĽhen eine Herausforderung. Zwar ist die Messung der Kortisolkonzentration
im Blut ein etabliertes, jedoch auch hoch sensibles Verfahren, sodass dieser
Parameter für die Bestimmung chronischer Stresszustände nur bedingt geeignet
ist. 11,17-Dioxoandrostan hingegen ist ein im Kot verzögert ausgeschiedener
Kortisolmetabolit, der weniger empfindlich auf akute Stresszustände reagiert
und daher eine zuverlässige Alternative zur Messung bei chronischen
Stresszuständen bietet. Entsprechend dem Ansatz dieser Doktorarbeit einen
Zusammenhang zwischen Euterdruck und Stress nach dem Trockenstellen
nachzuweisen, war es das Ziel der zweiten Studie 1) Ă„nderungen des Euterdrucks
sowie der 11,17-Dioxoandrostankonzentration im Kot nach dem Trockenstellen zu
quantifizieren, 2) den Einfluss der Milchleistung vor dem Trockenstellen auf
den Euterdruck sowie die 11,17-Dioxoandrostankonzentration zu bestimmen und 3)
den Zusammenhang zwischen Euterdruck und 11,17-Dioxoandrostan-konzentration in
der frĂĽhen Trockenstehphase zu untersuchen. Sechsundsiebzig klinisch gesunde,
spätlaktierende Holsteinrinder wurden jeweils 7 Tage vor ihrem geplanten
Trockenstelltermin in die Studie aufgenommen und entsprechend ihrer
Milchleistung in 3 Gruppen unterteilt. Die durchschnittliche Milchleistung
niedrigleistender Tiere lag bei unter 15 kg/d (n = 25), mittelleistender Tiere
zwischen 15 und 20 kg/d (n = 26) und hochleistender Tiere bei ĂĽber 20 kg/d (n
= 25). Der Euterdruck wurde täglich zur gleichen Zeit und mit Hilfe des
Penefels DFT 14 gemessen. Kotproben zur Bestimmung des 11,17-Dioxoandrostan
wurden zweimal direkt vor dem Trockenstellen sowie an den Tagen 2, 3, 5, 7 und
9 nach dem Trockenstellen genommen. Ein 11-Oxo-Etiocholanolone-
Enzymimmunoassay wurde zur Bestimmung der 11,17-Dioxoandrostan-konzentration
durchgefĂĽhrt. Sowohl die Milchleistungsgruppe (P = 0,001) als auch der Tag
nach dem Trockenstellen (P < 0,001) hatten einen Einfluss auf die Höhe des
Euterdrucks. Dieser stieg in allen drei Gruppen direkt nach dem Trockenstellen
an (P < 0,001), erreichte seinen Maximalwert am Tag 2 nach dem Trockenstellen
und sank im Anschluss kontinuierlich ab. Die höchsten Druckwerte wurden bei
hochleistenden Tieren nachgewiesen. So unterschieden sich hoch- und
niedrigleistende Tiere bis zum 9. Tag, mittel- und niedrigleistende Tiere bis
zum 7. Tag nach dem Trockenstellen (P < 0,05). Milchtröpfeln wurde als ein mit
dem Euterdruck in Verbindung stehender Parameter bei 27 Tieren (33,8%) nach
dem Trockenstellen festgestellt. Die Wahrscheinlichkeit fĂĽr dessen Auftreten
war jedoch bei hochleistenden Tieren deutlich höher als bei niedrigleistenden
(P = 0,021). Nach dem Trockenstellen wurde sowohl ein Einfluss des
Versuchstages (P = 0,005) als auch des Euterdrucks (P = 0,05) auf die
11,17-Dioxoandrostankonzentration nachgewiesen. Diese stieg bei hoch- wie auch
mittelleistenden Tieren nach dem Trockenstellen an und erreichte einen
Maximalwert an Tag 3 nach dem Trockenstellen. Im Anschluss blieben die Werte
auf einem annähernd konstant hohen Level (P < 0,05). Bei niedrigleistenden
Tieren ĂĽberstieg die 11,17-Dioxoandrostankonzentration nur an Tag 3 nach dem
Trockenstellen den Basalwert (P = 0,005). Während sich nach dem Trockenstellen
die absoluten 11,17-Dioxoandrostankonzentrationen nicht zwischen den
Leistungsgruppen unterschieden, zeigten sich deutliche Divergenzen bei den
Kurvenanstiegen im Vergleich zu den Basalwerten (P < 0,05). Bei den
mittelleistenden Tieren konnte ebenso wie bei den hochleistenden Tieren nach
dem Trockenstellen ein deutlicher Anstieg verzeichnet werden (P < 0,001). Der
Anstieg bei niedrigleistenden Tieren war hingegen vernachlässigbar gering.
Interessanterweise zeigten Euterdruck und 11,17-Dioxoandrostankonzentration,
abgesehen von einer zeitlichen Verschiebung um einen Tag, einen ähnlichen
Kurvenverlauf auf. Vorhergehende Studien haben nachgewiesen, dass zwischen
auslösendem Stressor und Anstieg der Konzentration von Kortisol im Blut nur
wenige Sekunden, bis zum Nachweis erhöhter 11,17-Dioxoandrostankonzentrationen
im Kot jedoch mindesten 8 – 16 h vergehen. Daher lag die Vermutung nahe, dass
der Anstieg des Euterdrucks Auslöser für die Erhöhung der
11,17-Dioxoanstrostanwerte war. Diese Annahme wurde zudem vom Sachverhalt
gestützt, dass hochleistende Tiere sowohl die höchsten Euterdruckwerte als
auch den größten Anstieg an 11,17-Dioxoandrostan aufwiesen. Im Ergebnis
beweist diese zweite Studie, dass der Effekt eines abrupten Trockenstellens
bei niedrigleistenden Tieren zwar vernachlässigbar ist, es bei hochleistenden
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