Effects of dietary energy levels on testis development and the expression of related genes in sheep

doi:10.11686/cyxb2023252

Abstract

Abstract:

We investigated the effect of dietary energy levels on testicular development in sheep during the pre-puberty stage. Forty-five 3-month-old merino lambs with similar body weight ［（24.27±0.63） kg］ were randomly divided into three groups； namely high （10.5 MJ·kg^-1）， medium （10.1 MJ·kg^-1） and low （9.7 MJ·kg^-1） energy level groups. After a feeding period of 104 days， 10 lambs were randomly selected from each group for slaughter， and their testicular size， total antioxidant levels in testicular tissue， glutathione peroxidase activity， and testosterone levels were measured. The transcript levels of genes related to energy metabolism and steroid hormone synthesis were detected by RT-qPCR. The results indicated that the diets with different energy levels did not significantly affect body weight （51.73±0.56 kg， 50.69±0.55 kg and 51.51±1.03 kg for high， medium and low energy level groups， respectively）， testicular weight （253.60±19.69 g， 274.60±14.17 g and 262.40±19.91 g， respectively）， total antioxidant level （10.59±1.13 U·mg^-1prot， 8.60±1.00 U·mg^-1prot and 7.86±1.73 U·mg^-1prot， respectively）， glutathione peroxidase activity （0.28±0.08 U·mg^-1prot， 0.14±0.03 U·mg^-1prot and 0.23±0.03 U·mg^-1prot， respectively）， or testosterone level （0.52±0.07 ng·mg^-1prot， 0.35±0.05 ng·mg^-1prot and 0.44±0.06 ng·mg^-1prot， respectively） in testicular tissue （P>0.05）. However， the transcript levels of the metabolism-related genes IGF-1R and IGF-1 and the steroidogenesis-related genes CYP19A1 and 3βHSD were significantly higher in the middle energy level group than in the other two groups （P<0.05）. In summary， dietary energy levels potentially affect testicular metabolic activity in sheep. Feeding lambs with a middle energy level diet during the pre-puberty stage promoted the expression of metabolism- and steroidogenesis-related genes， but did not significantly affect testicular development.

Key words: energy level, fertility, testicular development, puberty

Pei-di ZHAO, Ke YANG, Yu-qi JIANG, Ke-pan HUANG, Ming-yu MA, Kai-dong LI, Hui XU, Wan-hong LI. Effects of dietary energy levels on testis development and the expression of related genes in sheep[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2024, 33(6): 219-226.

Figures/Tables 6

References 31

1	Guan Y， Malecki I A， Hawken P， et al. Under-nutrition reduces spermatogenic efficiency and sperm velocity， and increases sperm DNA damage in sexually mature male sheep. Animal Reproduction Science， 2014， 149（3/4）： 163-172.
2	Lino B F. The output of spermatozoa in rams Ⅱ. Relationship to scrotal circumference， testis weight， and the number of spermatozoa in different parts of the urogenital tract. Australian Journal of Biological Sciences， 1972， 25（2）： 359-366.
3	Cameron A W N， Murphy P M， Oldham C M. Nutrition of rams and output of spermatozoa. Proceedings of the Australian Society of Animal Production， 1988， 17： 162-165.
4	Mekoya A， Oosting S J， Fernandez-Rivera S， et al. Effect of supplementation of Sesbania sesban on reproductive performance of sheep. Livestock Science， 2009， 121（1）： 117-125.
5	Lin W M， Liu W D， Fu Y B， et al. Effects of breeding environment on reproductive performance of southern Xinjiang Duolang Ram. Animals Breeding and Feed， 2020（6）： 44-46.
	林为民，刘卫东，付云宝，等. 养殖环境对南疆多浪公羊繁殖性能的影响. 养殖与饲料， 2020（6）： 44-46.
6	Sun H X， Zhang Y J， Dun W T， et al. Effect of nutrition and gene interaction on reproductive performance of sheep. Hebei Provincial Association of Animal Science and Veterinary Medicine. Proceedings of “innovation driven， ecological breeding， transformation and development ”. Shijiazhuang： Beimu Publishing Co.， Ltd， 2014： 57-59.
	孙洪新，张英杰，敦伟涛，等. 营养与基因相互作用对绵羊繁殖性能的影响.河北省畜牧兽医学会.“创新驱动、生态养殖、转型发展”论文集. 石家庄：北牧出版有限公司， 2014： 57-59.
7	Li W L. Effects of nutrition on reproductive performance of male animals. Feed China， 1991（4）： 23-25.
	李文立. 营养对公畜繁殖性能的影响. 饲料广角， 1991（4）： 23-25.
8	Wang Z. Energy restriction and compensation on production performance and reproduction performance. Nanjing： Nanjing Agricultural University， 2017.
	王震. 能量限饲和补偿对湖羊生产性能和繁殖性能的影响. 南京：南京农业大学， 2017.
9	Wang X Q. Factors affecting goat reproductive performance. Sichuan Animal & Veterinary Sciences， 2009， 36（11）： 37-38.
	王小强. 影响山羊繁殖性能的因素. 四川畜牧兽医， 2009， 36（11）： 37-38.
10	Martin G B， Blache D， Miller D W， et al. Interactions between nutrition and reproduction in the management of the mature male ruminant. Animal， 2010， 4（7）： 1214-1226.
11	Fui M N T， Dupuis P， Grossmann M. Lowered testosterone in male obesity： mechanisms， morbidity and management. Asian Journal of Andrology， 2014， 16（2）： 223-231.
12	Zhai L L， Zhao J， Bai Y L， et al. Relationship between oxidative stress and reproductive dysfunction caused by obesity. Chinese Journal of School Health， 2010， 31（11）： 1299-1300， 1303.
	翟玲玲，赵剑，白英龙，等. 膳食诱导肥胖小鼠生殖功能变化及其与氧化应激的关系. 中国学校卫生， 2010， 31（11）： 1299-1300， 1303.
13	Wang Y， Chen F， Ye L， et al. Steroidogenesis in leydig cells： effects of aging and environmental factors. Reproduction， 2017， 154（4）： 111-122.
14	Ochi H， Takeyama T， Yanagisawa Y. Increased energy investment in testes following territory acquisition in a maternal mouthbrooding cichlid. Ichthyological Research， 2009（56）： 227-231.
15	National Research Council （US） Subcommittee on Sheep Nutrition. Nutrient requirements of sheep. Washington， D.C： National Academies Press， 1985.
16	Mao C Q. Effects of different energy levels on fattening performance of F₁ weaned lambs of hybrid between Alpine Merino and South African mutton Merino. Lanzhou： Gansu Agricultural University， 2020.
	毛彩琴. 不同能量水平对高×南 F₁代断奶羔羊育肥性能的影响. 兰州：甘肃农业大学， 2020.
17	Liu J M. Study on the fatty acid composition and antioxidant activity of cauda epididymis of Hu sheep with different fertility. Lanzhou： Lanzhou University， 2023.
	刘佳美. 不同繁殖力湖羊附睾尾脂肪酸组成及抗氧化性能的研究. 兰州：兰州大学， 2023.
18	Livak K J， Schmittgen T D. Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2^-ΔΔCT method. Methods， 2001， 25（4）： 402-408.
19	Fu D H， Liu J B， Mao C Q， et al. Effects of different energy levels on fattening performance of F₁ weaned lambs of hybrid between Alpine Merino and South African mutton Merino. Chinese Agricultural Science Bulletin， 2021， 37（16）： 138-143.
	付德海，刘建斌，毛彩琴，等. 不同能量水平对高×南F₁代断奶羔羊育肥性能的影响. 中国农学通报， 2021， 37（16）： 138-143.
20	Song N M， Sang J L， Xu H. Research progress on molecular structure and biological function of proliferating cell nuclear antigen （PCNA）. Progress in Natural Science， 2006（10）： 1201-1209.
	宋楠萌，桑建利，徐恒. 增殖细胞核抗原（PCNA）的分子结构及其生物学功能研究进展. 自然科学进展， 2006（10）： 1201-1209.
21	Yao T. Effects and mechanism of antioxidant capacity on testis development of Hu sheep. Lanzhou： Lanzhou University， 2023.
	姚婷. 湖羊睾丸组织抗氧化能力对其发育程度影响及机制研究. 兰州：兰州大学， 2023.
22	Li C H， Hao L L， Yu H， et al. Research on the tissue expression patterns of IGF-1 and IGF-1R in pigs. Chinese Journal of Veterinary Science， 2013， 33（10）： 1568-1572.
	李常红，郝林琳，于浩，等. 猪IGF-1及其受体基因部分组织表达规律的研究. 中国兽医学报， 2013， 33（10）： 1568-1572.
23	Pas M F W T， Vissche A H， Greef K H D. Molecular genetic and physiologic background of the growth hormone-IGF-I axis in relation to breeding for growth rate and leanness in pigs. Domestic Animal Endocrinology， 2004， 27（3）： 287-301.
24	Baker J， Zhou J， Bondy C， et al. Effects of an IGF-1 gene null mutation on mouse reproduction. Molecular Endocrinology， 1996， 10（7）： 903-918.
25	Liao P， Wang H， Hemmerlin A， et al. Past achievements， current status and future perspectives of studies on 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA synthase （HMGS） in the mevalonate （MVA） pathway. Plant Cell Reports， 2014， 33（7）： 1005-1022.
26	Jung H J， Suh Y. Regulation of IGF-1 signaling by microRNAs. Frontiers in Genetics， 2015， 5（472）： 472.
27	Cecilia P， Converso D P， Paula M， et al. A mitochondrial kinase complex is essential to mediate an ERK1/2-dependent phosphorylation of a key regulatory protein in steroid biosynthesis. PLoS One， 2008， 3（1）： e1443.
28	Zeng S Y， Cheng R L， Wang Z， et al. Progress on steroidogenic acute regulatory protein on reproductive regulation. Progress in Veterinary Medicine， 2023， 44（7）： 97-101.
	曾思雨，程蕊娈，王重，等. 类固醇激素合成急性调节蛋白对生殖调控作用的研究进展. 动物医学进展， 2023， 44（7）： 97-101.
29	Zhou Z N， Ao Y， Luo J H， et al. Expression of CYP19A1， STS genes in different tissues of Qianbei Ma goat. Genomics and Applied Biology， 2020， 39（11）： 5045-5051.
	周志楠，敖叶，骆金红，等. CYP19A1， STS基因在黔北麻羊不同组织中的表达. 基因组学与应用生物学， 2020， 39（11）： 5045-5051.
30	Li W H， Li F D， Weng X X， et al. Effects of ALA on mice TM3 leydig cell viability and relative gene expression. Journal of Jilin Agricultural University， 2019， 41（1）： 102-107.
	李万宏，李发弟，翁秀秀，等. α-亚麻酸对TM3细胞活性及相关基因表达的影响. 吉林农业大学学报， 2019， 41（1）： 102-107.
31	Cao B Y， Li J， Wang J C， et al. The mechanism of IGF-1 on regulating testosterone secretion in cultured goat leydig cells. Chinese Journal of Veterinary Science， 1998（3）： 68-71.
	曹斌云，李键，王建辰，等. IGF-1对山羊睾丸间质细胞分泌睾酮的调节机理. 中国兽医学报， 1998（3）： 68-71.

原料 Ingredients	高能量组 High energy group （A）	中能量组 Middle energy group （B）	低能量组 Low energy group （C）
玉米秸秆 Corn stalk （%）	20.00	20.00	20.00
玉米 Corn （%）	35.00	35.00	35.00
糖蜜 Molasses （%）	4.00	4.00	4.00
棉粕 Cotton meal （%）	2.00	4.50	7.00
豆粕 Soybean meal （%）	7.00	7.00	7.00
膨化大豆 Extruded soybean （%）	8.00	3.50	0.00
过瘤胃脂肪粉 Rumen protected fat powder （%）	1.50	0.75	0.00
玉米胚芽粕 Corn germ meal （%）	10.50	9.00	9.00
玉米皮 Corn hull （%）	9.00	13.25	15.00
石粉 Limestone powder （%）	1.20	1.20	1.20
氯化钠 Sodium chloride （%）	0.70	0.70	0.70
膨化尿素 Extruded urea （%）	0.60	0.60	0.60
预混料 Premix¹ （%）	0.50	0.50	0.50
合计 Total （%）	100.00	100.00	100.00
粗蛋白 Crude protein （%）	14.62	14.61	14.63
淀粉 Starch （%）	24.33	24.05	24.32
粗纤维 Crude fiber （%）	10.12	10.38	10.60
钙 Calcium （%）	0.60	0.60	0.60
磷 Phosphorus （%）	0.30	0.30	0.31
代谢能 Metabolic energy （MJ·kg^-1）	10.50	10.10	9.70

原料 Ingredients	高能量组 High energy group （A）	中能量组 Middle energy group （B）	低能量组 Low energy group （C）
玉米秸秆 Corn stalk （%）	20.00	20.00	20.00
玉米 Corn （%）	35.00	35.00	35.00
糖蜜 Molasses （%）	4.00	4.00	4.00
棉粕 Cotton meal （%）	2.00	4.50	7.00
豆粕 Soybean meal （%）	7.00	7.00	7.00
膨化大豆 Extruded soybean （%）	8.00	3.50	0.00
过瘤胃脂肪粉 Rumen protected fat powder （%）	1.50	0.75	0.00
玉米胚芽粕 Corn germ meal （%）	10.50	9.00	9.00
玉米皮 Corn hull （%）	9.00	13.25	15.00
石粉 Limestone powder （%）	1.20	1.20	1.20
氯化钠 Sodium chloride （%）	0.70	0.70	0.70
膨化尿素 Extruded urea （%）	0.60	0.60	0.60
预混料 Premix¹ （%）	0.50	0.50	0.50
合计 Total （%）	100.00	100.00	100.00
粗蛋白 Crude protein （%）	14.62	14.61	14.63
淀粉 Starch （%）	24.33	24.05	24.32
粗纤维 Crude fiber （%）	10.12	10.38	10.60
钙 Calcium （%）	0.60	0.60	0.60
磷 Phosphorus （%）	0.30	0.30	0.31
代谢能 Metabolic energy （MJ·kg^-1）	10.50	10.10	9.70

基因Gene	上游引物Forward primer （5'-3'）	下游引物Reverse primer （5'-3'）
IGF-1	GCGCAATGGAATAAAGTCCTCAAAA	TAGAAGAGATGCGAGGAGGATG
IGF-1R	GAGGATCAGCGGGAATGTGT	TGGGCAGAGCAATCATCAGG
HMGCR	AGCGTGCGTAGAGCGAAAGT	ACAAAGAGGCCGTGCATTCG
PCNA	GTGATTCCACCACCATGTTC	TGAGACGAGTCCATGCTCTG
CYP19A1	GTTGTGCCTATTGCCAGCAT	AACCTGCAGTGGGAAATGAG
StAR	CCCAGCTGCGTGGATTTATC	CTCTCCTTCTTCCAGCCCTC
3βHSD	GAATCGGCATGGTTCTGTCC	CCGTAGATGTACATGGGCCT
HPRT1	CGACTGGCTCGAGATGTGAT	TCACCTGTTGACTGGTCGTT
RPS18	CACTGAGGACGAGGTGGAAC	CTGTGGGCCCGAATCTTCTT
RPLP2	AGCGCCAAGGACATCAAAAAG	TGGCCAGCTTGCCGATAC

基因Gene	上游引物Forward primer （5'-3'）	下游引物Reverse primer （5'-3'）
IGF-1	GCGCAATGGAATAAAGTCCTCAAAA	TAGAAGAGATGCGAGGAGGATG
IGF-1R	GAGGATCAGCGGGAATGTGT	TGGGCAGAGCAATCATCAGG
HMGCR	AGCGTGCGTAGAGCGAAAGT	ACAAAGAGGCCGTGCATTCG
PCNA	GTGATTCCACCACCATGTTC	TGAGACGAGTCCATGCTCTG
CYP19A1	GTTGTGCCTATTGCCAGCAT	AACCTGCAGTGGGAAATGAG
StAR	CCCAGCTGCGTGGATTTATC	CTCTCCTTCTTCCAGCCCTC
3βHSD	GAATCGGCATGGTTCTGTCC	CCGTAGATGTACATGGGCCT
HPRT1	CGACTGGCTCGAGATGTGAT	TCACCTGTTGACTGGTCGTT
RPS18	CACTGAGGACGAGGTGGAAC	CTGTGGGCCCGAATCTTCTT
RPLP2	AGCGCCAAGGACATCAAAAAG	TGGCCAGCTTGCCGATAC

项目 Items	高能量组 High energy group （A）	中能量组 Middle energy group （B）	低能量组 Low energy group （C）	P值 P-value
体重Body weight （kg）	51.73±0.56	50.69±0.55	51.51±1.03	0.591
左侧睾丸长径Left long aix of testis （mm）	83.03±3.37	84.86±1.94	80.77±2.59	0.547
左侧睾丸短径Left short aix of testis （mm）	61.00±2.27	61.86±1.22	60.75±1.59	0.888
右侧睾丸长径Right long aix of testis （mm）	79.76±3.04	82.79±2.82	84.05±2.95	0.585
右侧睾丸短径Right short aix of testis （mm）	60.05±2.29	61.56±1.53	59.57±1.62	0.716
两侧睾丸重量Testes weight of both sides （g）	253.60±19.69	274.60±14.17	262.40±19.91	0.716
睾丸系数Testicular index （g·kg^-1）	4.91±0.38	5.43±0.30	5.05±0.30	0.513