INNOVATIVATE APPROACHES TO HEAT-STRESS RESILIENCE IN HOLSTEIN CATTLE: BIG DATA ANALYTICS, GENETIC INSIGHTS, AN THE ROLE OF NUTRITIONAL SUPPLEMENTS

The aim of this doctoral thesis was to evaluate mitigation strategies against the negative effects of exposure to high temperature and humidity in dairy cows, and to investigate the role of the epigenetic component as a factor of adaptation to these conditions. Climate change increasingly intersects negatively with agriculture and animal production. In particular, heat stress produces undesired effects in dairy cows, which—because of their metabolic demands—are highly susceptible to this stressor: losses in both the quantity and quality of milk, together with an overall decline in animal health and welfare, are direct consequences. This thesis combined nutritional, epigenetic and big-data approaches. First, the effectiveness of a dietary supplement composed of electrolytes and antioxidants was tested in cows under acute heat stress by comparing a treated group and a control group balanced for herd size, parity and days in milk. Generalized additive mixed models (GAMMs) were used to analyze behavioral data, and milk samples were analyzed chemically and rheologically on a fortnightly basis; the milk microbiome was also characterized. The second trial investigated the prenatal (in utero) period by comparing the productive lifetime performance of two groups of cows from a single herd selected according to month of birth, making it likely that the first group experienced in utero heat stress while the second did not. Linear mixed models were fitted to test for differences between the two groups in milk production at specific times of the year. The third study comprised a statistical analysis of a national dataset spanning four years of production records from Holstein Friesian and Brown Swiss cows. Linear mixed models tested differences between lactations that experienced at least one heat-stress peak—defined as temperature-humidity index (THI) ≥ 72 for at least four consecutive hours—and lactations that did not. A further analysis restricted to heat-stressed lactations examined breed-specific responses of major milk components and production across increasing THI values. The main findings were: Dietary supplementation under heat stress mitigated the effects of elevated temperature, producing cows that were behaviorally less stressed, with higher milk yield and improved technological properties of the milk for processing. Differences in the prenatal (in utero) period did not result in clear productive differences over the animals’ productive lives. Heat peaks during lactation affected both milk quantity and quality. Holstein Friesian cows showed a greater capacity to recover from heat stress, whereas Brown Swiss cows tended to be more adversely affected by the stressor during late lactation, particularly regarding milk quality.

Il cambiamento climatico è un tema che sempre più si va ad intersecare negativamente con l’agricoltura e le produzioni animali. In particolar modo, lo stress termico porta ad effetti indesiderati nelle vacche da latte, che a causa dei loro processi metabolici sono altamente suscettibili a tale stressore: Perdita in termini di produzione quanti qualitativa ne sono la diretta conseguenza, insieme ad un generale peggioramento del benessere e salute degli animali. L’obiettivo di questa tesi di dottorato è stato provare strategie di mitigazione degli effetti negativi dell’esposizione ad elevate temperature ed umidità degli animali, nonché quella di investigare la componente epigenetica come fattore di adattamento a tale condizione. Una ulteriore analisi è stata condotta con approcci statistici su big data per andare a confermare l’effetto dei picchi di calore sulle lattazioni in vacche di razza Holstein Friesian e Brown Swiss, nonché a testare la risposta razza-specifica. Come prima prova è stata testata l’efficacia di un integratore alimentare a base di elettroliti e antiossidanti sulle performances di vacche sotto acuto stress da calore, confrontando un gruppo trattato e un gruppo controllo, equi in consistenza di capi, ordine di parto e giorni in lattazione. Sono state condotte analisi GAMM su dati comportamentali e bisettimanalmente sono stati analizzati campioni di latte dal punto di vista chimico e reologico. Anche il microbioma è stato analizzato. Seconda prova è stata effettuata considerando il periodo di prima vita uterina in vacche da latte sulla base delle loro performances durante la vita produttiva per valutare un eventuale adattamento epigenetico allo stress subito in utero. Due gruppi di vacche sono stati scelti da un unico allevamento in base al loro mese di nascita, rendendo probabile uno stress da caldo in vita uterina per il primo gruppo ed escludendolo per il secondo. Analisi statistiche con modelli lineari misti sono state condotte per verificare la differenza fra i due gruppi in termini di produzione di latte in determinati momenti dell’anno. La terza prova ha visto una analisi statistica di un dataset nazionale con dati di quattro anni sulle performances produttive di vacche di razza Holstein Friesian e Brown Swiss. Modelli lineari misti hanno testato la differenza tra lattazioni che almeno una volta hanno subito un picco di calore, considerato come THI maggiore o uguale a 72 per almeno quattro ore consecutive con lattazioni che non ne hanno subito. È stato poi condotto uno studio esclusivamente sulle lattazioni positive allo stress da calore per verificare la risposta razza-specifica delle principali componenti chimiche e produzione lungo valori di THI crescente. I risultati ottenuti da queste prove hanno dimostrato che: l’integrazione alimentare in condizioni di stress da calore può mitigare gli effetti dell’aumento termico in termini di vacche comportamentalmente meno stressate, produzione maggiore e migliore attitudine casearia del latte; la differenza di periodo di prima vita intrauterina degli animali non porta ad evidenti differenze produttive nella vita delle vacche; i picchi di calore durante la lattazione hanno un effetto sulla qualità e la quantità del latte prodotto dagli animali. Le vacche Holstein Friesian hanno un più facile recupero da tale stress, mentre le vacche Brown Swiss tendono a soffrire più lo stressore nella fase finale della lattazione, soprattutto in termini qualitativi della produzione.