Διατροφογενωμική αξιολόγηση της επίδρασης βιοενεργών συστατικών φυτικής και μυκητιακής προέλευσης επί της κυτταροπροστασίας αυγοπαραγωγών ορνίθων και της ποιότητας των αυγών

Abstract

The persistence of laying hen productivity and egg quality is closely linked to ovarian and hepatic function, as these critical tissues are involved in reproductive and metabolic processes. The aim of the present doctoral thesis was the nutrigenomic evaluation of the inclusion effect of plant and fungal source bioactive compounds on laying hen cytoprotection and egg quality traits. For this purpose, three experimental studies were conducted. In the first (1st) experimental study, the dietary inclusion level effect of a carvacrol-based phytogenic premix (PP) was evaluated in laying hens. Depending on PP inclusion level (i.e., 0, 500, 750, 1,000, and 1,500 mg/kg diet) in the basal diet, 385 laying hens Hy-Line Brown, 20-wk-old were assigned into 5 treatments: CON, P500, P750, P1000, and P1500, with 7 replicates of 11 hens. In the second (2nd) experimental study, the effect of dietary inclusion level of an olive polyphenol-based phytogenic blend (PB) was investigated. Layers (n = 385; 21-week-old; Hy-Line Brown) were allotted to 5 treatments with 7 replicates of 11 hens each. Treatments were control (CON) without PB or supplementation with PB at 250 (PB250), 750 (PB750), 1000 (PB1000) and 1500 mg/kg diet (PB1500), respectively. In the third (3rd) experimental study, the dietary inclusion level effect of Pleurotus ostreatus spent mushroom substrate (SMS) was evaluated in laying hens. A total of 196 Hy-Line Brown hens, 51-weeks of age, were assigned to 4 treatments with 7 replicates of 7 hens each, receiving isocaloric, isonitrogenous and isofibrous diets containing 0 (S0), 25 (S25), 50 (S50), or 100 (S100) g SMS/kg. Across the three studies, laying performance, egg quality traits and oxidative status and the relative expression of genes related to key cellular homeostasis pathways was evaluated. In particular, critical genes related to detoxification, (aryl hydrocarbon receptor; AhR pathway), adaptive antioxidant defense, (nuclear factor erythroid 2–related factor 2; Nrf2 pathway) and inflammatory response, (nuclear factor kappa B; NF-κB pathway), were assessed. In the first two studies, lasting 12 weeks, molecular evaluation was performed in the ovary and liver, whereas in the third study, lasting 7 weeks, it was performed in the ovary. Furthermore, in the third (3rd) study the total tract apparent nutrient digestibility was also determined. In the first study, PP inclusion significantly increased overall laying rate (P < 0.001) and egg mass (P = 0.008) in the P1000 treatment compared with the control treatment. Moreover, PP inclusion improved (P < 0.01) albumen height and Haugh unit. Regarding egg oxidative status, yolk malondialdehyde (MDA) and albumen protein carbonyl concentration were reduced (P < 0.01), mainly in the P750 and P1000 treatments. According to the nutrigenomic analysis in the ovary and liver, PP inclusion decreased (P ≤ 0.05) the relative expression of the AhR and NF-κB pathway genes, while increased the expression of the majority of genes involved in the Nrf2 pathway compared with the control treatment. The most pronounced differences were observed in the P1000 treatment. In the second study, PB inclusion improved overall laying rate, egg mass and FCR, with optimal (P ≤ 0.001) performance notable in the PB750 compared to CON. Regarding egg oxidative status, yolk MDA and albumen protein carbonyl concentrations were significantly reduced in eggs (P ≤ 0.05), with the lowest values recorded mainly in the PB750 and PB1000 treatments. The nutrigenomic analysis revealed that PB inclusion resulted (P ≤ 0.05) in consistent beneficial modulation of the AhR/Nrf2/NF-κB pathway-related genes assessed at the ovary and the liver of laying hens. In the third study, dietary inclusion of Pleurotus ostreatus SMS significantly improved (P ≤ 0.05) overall laying rate and egg mass, with optimal performance notable in the S100 compared to S0, and enhanced ether extract digestibility (P < 0.01). Egg oxidative stability was significantly improved (P ≤ 0.001) by SMS inclusion, as reflected by reduced yolk MDA and egg-white protein carbonyl levels in the eggs, with the lowest values consistently observed in the S100 treatment. The nutrigenomic analyses revealed that dietary SMS inclusion beneficially modulated (P ≤ 0.05) most of the ovary-expressed genes related to detoxification, antioxidant defense and inflammatory response with the most pronounced differences observed in the S100 treatment compared with the control treatment. In conclusion, the plant- and fungal-derived bioactive compounds evaluated in the present thesis beneficially affected laying hen productive performance, egg quality and egg oxidative status. At the molecular level, the nutrigenomic analysis revealed a consistent pattern of homeostatic response, characterized by reduced expression of genes related to detoxification and inflammatory response, together with enhanced expression of cytoprotective genes in the ovary and liver. Overall, the nutrigenomic approach of the present doctoral thesis contributed to the generation of new knowledge regarding the molecular mechanisms through which dietary bioactive compounds affect critical cellular homeostasis signaling pathways and, consequently, laying hen productive performance and egg quality.

Η διατήρηση της παραγωγικότητας των ορνίθων και της ποιότητας των αυγών συνδέεται στενά με τη λειτουργική κατάσταση κρίσιμων ιστών, όπως η ωοθήκη και το ήπαρ, οι οποίοι συμμετέχουν σε αναπαραγωγικές και μεταβολικές διεργασίες. Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η διατροφογενωμική αξιολόγηση της επίδρασης βιοενεργών συστατικών φυτικής και μυκητιακής προέλευσης επί της κυτταροπροστασίας αυγοπαραγωγών ορνίθων και της ποιότητας των αυγών. Για τον σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν τρεις πειραματικές διατροφικές μελέτες. Στην 1η πειραματική μελέτη αξιολογήθηκε η επίδραση της προσθήκης προμίγματος φυτογενών συστατικών με βάση την καρβακρόλη (ΠΦΣΚ) στο σιτηρέσιο αυγοπαραγωγών ορνίθων. Με βάση το επίπεδο προσθήκης ΠΦΣΚ (0, 500, 750, 1.000 και 1.500 mg/kg) στο σιτηρέσιο, 385 ωοτόκες όρνιθες Hy-Line Brown, ηλικίας 20 εβδομάδων, κατανεμήθηκαν σε 5 επεμβάσεις: CON, P500, P750, P1000 και P1500, με 7 επαναλήψεις 11 των ορνίθων, η καθεμιά. Στη 2η πειραματική μελέτη διερευνήθηκε η επίδραση της προσθήκης προμίγματος φυτογενών συστατικών με βάση τις πολυφαινόλες ελιάς. Με βάση το επίπεδο προσθήκης ΠΦΣΠΕ (0, 250, 750, 1.000 και 1.500 mg/kg) στο σιτηρέσιο, 385 ωοτόκες όρνιθες Hy-Line Brown, ηλικίας 21 εβδομάδων, κατανεμήθηκαν σε 5 επεμβάσεις: CON, PB250, PB750, PB1000 και PB1500, με 7 επαναλήψεις 11 των ορνίθων, η καθεμιά. Στην 3η πειραματική μελέτη αξιολογήθηκε η επίδραση της ενσωμάτωσης εξαντλημένου υποστρώματος μανιταροκαλλιέργειας (EYM) από Pleurotus ostreatus. Με βάση το επίπεδο ενσωμάτωσης ΕΥΜ (0, 25, 50 και 100 g/kg) στο σιτηρέσιο, 196 ωοτόκες όρνιθες Hy-Line Brown, ηλικίας 51 εβδομάδων, κατανεμήθηκαν σε 4 επεμβάσεις: S0, S25, S50 και S100, με 7 επαναλήψεις των 7 ορνίθων, η καθεμιά. Στις τρεις μελέτες, προσδιορίστηκαν οι ζωοτεχνικές αποδόσεις, τα ποιοτικά χαρακτηριστικά και η οξειδωτική κατάσταση των αυγών, καθώς και η σχετική έκφραση γονιδίων που σχετίζονται με κρίσιμα μονοπάτια κυτταρικής ομοιόστασης. Συγκεκριμένα, αξιολογήθηκαν επιλεγμένα γονίδια των μοριακών μονοπατιών που σχετίζονται με την αποτοξίνωση (aryl hydrocarbon receptor-AhR), αντιοξειδωτική άμυνα (nuclear factor erythroid 2–related factor 2 -Nrf2) και φλεγμονώδη απόκριση (nuclear factor kappa B-NF-κB). Στις δύο πρώτες μελέτες (διάρκειας 12 εβδομάδες) η μοριακή αξιολόγηση πραγματοποιήθηκε στην ωοθήκη και στο ήπαρ, ενώ στην τρίτη πειραματική μελέτη (διάρκειας 7 εβδομάδες) πραγματοποιήθηκε στην ωοθήκη. Επιπρόσθετα, στην 3η μελέτη προσδιορίστηκε και η πεπτικότητα των θρεπτικών συστατικών. Στην 1η μελέτη, η προσθήκη του ΠΦΣΚ αύξησε σημαντικά το ποσοστό ωοτοκίας (ΠΩ) (P < 0,001) και τη μάζα αυγού (ΜΑ) (P = 0,008) στην επέμβαση P1000 σε σύγκριση με την επέμβαση του μάρτυρα συνολικά για όλη τη διάρκεια του πειράματος. Επίσης, η προσθήκη του ΠΦΣΚ βελτίωσε σημαντικά το ύψος του λευκού και τον δείκτη Haugh (P < 0,01) των αυγών, ενώ σε ό,τι αφορά την οξειδωτική κατάσταση των αυγών, η συγκέντρωση MDA στη λέκιθο και η συγκέντρωση των πρωτεϊνικών καρβονυλίων στο λευκό μειώθηκε σημαντικά (P < 0,01), κυρίως στις επεμβάσεις P750 και P1000. Σύμφωνα με τη διατροφογενωμική ανάλυση στην ωοθήκη και το ήπαρ, παρατηρήθηκε μείωση (P ≤ 0,05) της σχετικής έκφρασης των περισσότερων γονιδίων που εμπλέκονται στα μονοπάτια AhR και NF-κB, ενώ αυξήθηκε η έκφραση των γονιδίων που εμπλέκονται στο Nrf2, σε σχέση με τον μάρτυρα και οι περισσότερες διαφορές εντοπίστηκαν στην επέμβαση P1000. Στη 2η μελέτη, η προσθήκη του ΠΦΣΠΕ βελτίωσε σημαντικά το ΠΩ, τη ΜΑ και τον συντελεστή εκμετάλλευσης της τροφής (ΣΕΤ) για το σύνολο της πειραματικής περιόδου (P ≤ 0,001), με τις επεμβάσεις PB750 και PB1000 να εμφανίζουν σημαντικά καλύτερες τιμές σε σύγκριση με την επέμβαση του μάρτυρα. Σε επίπεδο οξειδωτικής κατάστασης των αυγών, η συγκέντρωση MDA στη λέκιθο και η συγκέντρωση των πρωτεϊνικών καρβονυλίων στο λευκό μειώθηκε σημαντικά (P ≤ 0,05) με τις χαμηλότερες τιμές να καταγράφονται κυρίως στις επεμβάσεις PB750 και PB1000. Σύμφωνα με τη διατροφογενωμική ανάλυση της 2ης μελέτης, η προσθήκη του ΠΦΣΠΕ επέδρασε ευεργετικά (P ≤ 0,05) επί της σχετικής έκφρασης της πλειοψηφίας των γονιδίων των μονοπατιών AhR, Nrf2 και NF-κB στην ωοθήκη και στο ήπαρ. Στην 3η μελέτη, η ενσωμάτωση ΕΥΜ από Pleurotus ostreatus βελτίωσε σημαντικά το ΠΩ (P = 0,018) και τη ΜΑ (P = 0,009), με την επέμβαση S100 να εμφανίζει τις υψηλότερες τιμές σε σύγκριση με την επέμβαση του μάρτυρα. Σε ό,τι αφορά την οξειδωτική κατάσταση των αυγών, η ενσωμάτωση ΕΥΜ μείωσε (P < 0,001) τη συγκέντρωση MDA στη λέκιθο και αντίστοιχα, η συγκέντρωση των πρωτεϊνικών καρβονυλίων στο λευκό μειώθηκε σημαντικά (P ≤ 0,001), με τις χαμηλότερες τιμές να καταγράφονται κυρίως στις επεμβάσεις S50 και S100. Σε επίπεδο πεπτικότητας, η ενσωμάτωση ΕΥΜ αύξησε σημαντικά την ολική φαινομένη πεπτικότητα των λιπαρών ουσιών (P = 0,002), σε όλες τις επεμβάσεις ενσωμάτωσης, σε σχέση με τον μάρτυρα. Οι μοριακές αναλύσεις έδειξαν ότι η ενσωμάτωση ΕΥΜ, επηρέασε την πλειονότητα των γονιδίων που αξιολογήθηκαν στις ωοθήκες και σχετίζονται με την αποτοξίνωση, την αντιοξειδωτική άμυνα και τη φλεγμονώδη απόκριση προς κατεύθυνση θετική για την ομοιόσταση των ορνίθων, με τις διαφορές να παρατηρούνται κυρίως στην S100 σε σύγκριση με τον μάρτυρα. Συμπερασματικά, τα βιοενεργά συστατικά φυτικής και μυκητιακής προέλευσης που διερευνήθηκαν είχαν θετική επίδραση επί των ζωοτεχνικών αποδόσεων των ορνίθων, της ποιότητας και της οξειδωτικής κατάστασης των παραγόμενων αυγών. Σε μοριακό επίπεδο, τα διατροφογενωμικά δεδομένα ανέδειξαν ένα κοινό πρότυπο ομοιοστατικής απόκρισης, το οποίο περιλάμβανε μείωση της σχετικής έκφρασης γονιδίων που σχετίζονται με την αποτοξινωτική και τη φλεγμονώδη απόκριση, με παράλληλη ενίσχυση της έκφρασης κυτταροπροστατευτικών γονιδίων στην ωοθήκη και το ήπαρ. Εν κατακλείδι, η διατροφογενωμική προσέγγιση της παρούσας διατριβής συνέβαλε στην παραγωγή νέας γνώσης σχετικά με τους μοριακούς μηχανισμούς μέσω των οποίων τα βιοενεργά συστατικά της τροφής επηρεάζουν κρίσιμα μονοπάτια σηματοδότησης της κυτταρικής ομοιόστασης και, κατ’ επέκταση, τις παραγωγικές αποδόσεις των ορνίθων και την ποιότητα των αυγών.