Variations de l’efficience d’utilisation des acides aminés d’intérêt en fonction des apports en énergie chez la vache laitière

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Variations de l’efficience d’utilisation des acides aminés

d’intérêt en fonction des apports en énergie chez la

vache laitière

Cleo Omphalius

To cite this version:

Cleo Omphalius. Variations de l’efficience d’utilisation des acides aminés d’intérêt en fonction des apports en énergie chez la vache laitière. Science des productions animales. Agrocampus Ouest, 2019. Français. �NNT : 2019NSARB325�. �tel-03145790�

T

HESE DE DOCTORAT DE

AGROCAMPUS

OUEST

C

U

B

L

ECOLE DOCTORALE N°600

Ecole doctorale Ecologie, Géosciences, Agronomie et Alimentation

Spécialité : Biologie et Physiologie animale

Par

Cléo OMPHALIUS

Variations de l’efficience d’utilisation des acides aminés en fonction

de l’énergie disponible chez la vache laitière.

Thèse présentée et soutenue à Rennes, le 13 novembre 2019

Unité de recherche : Agrocampus Ouest, INRA UMR 1348 Physiologie, Environnement et Génétique pour l’Animal et les Systèmes d’Elevage (PEGASE)

Thèse N° : B 325 – 2019 – 18

Rapporteurs avant soutenance :

Didier REMOND Directeur de recherche / HDR – INRA UNH Nathalie TROTTIER Professeure – Université du Michigan (USA)

Composition du Jury :

Président : Lucile MONTAGNE Professeure – INRA UMR PEGASE / Agrocampus Ouest Examinateurs : Pierre NOZIERE Directeur de recherche – INRA UMR Herbivore

Philippe SCHMIDELY Professeur – AgroParis Tech

Dir. de thèse : Sophie LEMOSQUET Chargée de recherche / HDR - INRA UMR PEGASE Co-dir. de thèse : Hélène LAPIERRE Professeure – Agriculture et Agroalimentaire Canada

Invité(s) :

Lahlou BAHLOUL Expert Nutrition Ruminants / PhD – ADISSEO SAS

Remerciements

Et voilà, vient le moment d’écrire les remerciements après ces trois ans de thèse. L’occasion de repenser à tous ces moments, ces hauts, ces bas, ces belles rencontres et tous les bons souvenirs que je vais en garder.

J’ai eu la chance de réaliser une thèse CIFRE, souhait de ma part pour continuer, après ma première expérience professionnelle, à évoluer dans le monde de la recherche en entreprise privée. Une thèse de ce type, c’est donc une doctorante, des encadrants et une entreprise. La complémentarité de ce double (triple) encadrement a parfois été complexe (un travail engageant ne peut aller sans quelques irritants) mais pour autant très riche.

Sophie, merci pour ton encadrement au quotidien. Merci de m’avoir inculqué le raisonnement scientifique : écrire une biblio, raisonner un protocole, valoriser ses recherches … Tu as toujours traqué les moindres erreurs de calcul (il y en a eues), de raisonnement ou de concept afin de me faire progresser. J’en retiens une belle expérience humaine qui m’a permis de grandir.

Hélène, je pense que je ne te remercierai jamais assez pour tout ce que tu as fait pour moi, aussi bien professionnellement que personnellement. Nos échanges autour de mon travail de thèse ont toujours été constructifs (surtout avec un thé et un carré de chocolat dans ton bureau), ta pédagogie et ta bienveillance m’ont permis d’avancer en prenant confiance en moi. Tes qualités humaines m’ont aussi fait passer de très agréables séjours outre-atlantiques. Vraiment, merci pour tout !

Lahlou, merci pour la confiance que tu m’as accordée pour gérer ce projet de thèse. Merci également de m’avoir accueillie à Commentry de temps à autre pour me plonger dans la vie de l’entreprise. Merci à l’entreprise Adisseo d’avoir financé ce projet.

Je voudrais aussi remercier les membres de mon jury qui ont acceptés d’évaluer mon travail. Merci à Didier Rémond et à Nathalie Trottier pour votre lecture approfondie du manuscrit en tant que rapporteur. Merci également à Pierre Nozière et Philippe Schmidely pour votre qualité d’examinateur le jour J. Merci à vous pour ces discussions qui ont continué, jusqu’au bout, d’enrichir ma thèse.

Merci aux membres de mes comités de thèse pour les orientations choisies pour cette thèse à chaque comité. Catherine, Eric, Gonzalo, Jean-Yves D. et Patrick, merci pour votre bienveillance à chaque comité qui me reboostait pour continuer d’avancer en prenant du recul sur le travail accompli, merci pour vos conseils qui me donnaient de nouvelles idées pour orienter mon travail.

Merci aussi aux membres de mes comités de pilotage. David R., Eric, Gonzalo et Robert, merci pour toutes les discussions constructives que l’on a eues autour du projet EfficAAsLait.

Merci à Jaap van Milgen et Florence Gondret pour votre accueil au sein de votre unité et à Catherine Hurtaud et David Renaudeau pour mon intégration dans l’équipe Alinut.

Je voudrais également remercier toutes les personnes qui ont participé à l’essai réalisé au cours de cette thèse car, sans eux, mon travail n’aurait pas été aussi intéressant ! Merci au Docteur Pascal et à Rémy pour les poses des fistules et des cathéters. Merci à toute l’équipe « physio » de Méjusseaume : Adeline, Adrien, Daniel, Jean-Luc et Jean-Yves T.. Maryvonne, merci pour ton aide dans le traitement « en frais » des échantillons. Merci à Jacques et à Philippe pour votre accueil à l’IEPL. Philippe, merci d’avoir enfilé la blouse pour les opé et lors des prélèvements en plus de ta casquette de responsable d’installation. Daniel, j’espère que tu garderas d’aussi bons souvenirs que moi de ta dernière expé de bilan mammaire ! Merci pour ton professionnalisme pour mener à bien un tel essai. Adeline, pour ta part, j’espère que tu garderas d’aussi bons souvenirs que moi de ta première expé de bilan mammaire ! Merci pour ton aide dans les prélèvements, « miss pipi » et « gratouilleuse d’oreilles », nos vaches étaient heureuses avec toi à leurs côtés !

Une fois l’essai terminé, tous les échantillons sont arrivés au laboratoire. Je voudrais donc remercier toutes les personnes qui ont participé aux dosages. Merci Colette et Maryline qui en ont réalisés un grand nombre sur cet essai. Merci également à Cécile, Nicole, Sabrina, Thibaut pour la qualité de leur travail. Maryline, je pense qu’au-delà du travail, nous avons partagé de bons moments de discussion (je continuerai de jalouser ton poulailler !). Colette, haaaa, Colette... merci pour les dosages bien évidemment mais surtout merci pour tout le reste : ton aide pour comprendre les méthodologies, ta patience à m’expliquer, à me ré expliquer, à me ré ré expliquer le principe des hydrolyses, ta pédagogie en métrologie (fidèle ou juste ?!). Merci également pour ton sourire, ton dynamisme et surtout merci d’avoir toujours été l’oreille attentive dans les bons comme dans les mauvais moments et de m’avoir toujours soutenue.

Une thèse, c’est un marathon personnel, mais c’est aussi une sacrée aventure collective qui m’aura fait rencontrer des personnes merveilleuses.

Je tenais à remercier tous les collègues de Commentry (Amine, Aurélie, Caroline, Cécile, Damien, Dolores, Erik, Estelle, Friedrich, Lamya, Mickael, Pierre, Samuel, Stefan, Thierry, Vincent, Yves …) pour leur accueil et leur sympathie à chacune de mes visites au CERN.

En plus de ces traversées de la France, j’ai également eu la chance pendant ma thèse de passer six mois au Québec. Cela restera sans doute mon plus beau souvenir. Merci aux québécois de Sherbrooke, Candido, Christiane, Daniel, Danielle, Jocelyne, Linda, Mario, Roger, Steeve pour votre gentillesse et votre bienveillance au pays des Calinours ! Si ces séjours ont été aussi agréables, c’est également grâce à Hélène et toute sa famille. Hélène et Normand, Laurence et Dominic, Jérémie et Catherine, Catherine et Phil, merci de m’avoir accueillie dans votre famille comme si j’en faisais partie. Je regrette les crêpes du dimanche matin, les monts Orford, Ham, Gosford (et j’en passe) gravis avec le sourire (et parfois sous le neige), les parties de spikeball, le « grand tour » de vélo et les entrainements de crossfit du matin, les glaces molles de Chocolat Favoris et d’une façon plus générale tous les bons moments que nous avons pu passer ensemble … J’avais pleuré en quittant le sol français en mai 2018 mais je ne pensais pas utiliser autant de mouchoirs au moment de repartir de chez vous six mois plus tard. Je ne vous remercierai jamais assez !

Enfin, j’ai passé la plupart de mon temps à Saint-Gilles, il va sans dire que je remercie toutes les personnes que j’ai côtoyées au quotidien. Je ne peux pas toutes les citer mais je souhaite toutes les remercier. Un grand merci à tous les docteurs, doctorants et jeunes pour avoir traversé ensemble des hauts et des bas, des déceptions et des joies, pour avoir partagé des bureaux et parfois simplement des pauses café. Alice, Amélie, Clémence, David, Elise D., Elise V., Florence, Hauteclaire, Hieu, Katia, Linh Chi, Luc, Lucile, Mathilde, Moshen, Nicolas, Pierre, Raphaël, Sophie, merci d’avoir toujours été là !

Pour finir (parce qu’il faut toujours garder le meilleur pour la fin), une thèse est une expérience de dépassement de soi accompagnée par des gens autour de soi ! Pour cela, je souhaiterais remercier mes proches qui, tout au long de ces trois ans, ont répondu présents et m’ont écoutée parler, sans toujours tout comprendre (!!!) mais toujours avec beaucoup de bienveillance.

Merci à ma famille, et plus particulièrement à mes parents, pour votre soutien dans tous mes projets, même celui un peu fou de reprendre des études (promis, maintenant j’arrête !). Merci pour votre écoute, vos conseils et vos petits mots réconfortants à chaque instant. Papa, en emménageant à Rennes, il y a 3 ans, tu m’avais glissé dans un livre « Il est temps de vivre la vie que tu t’es imaginée », Henry James. Je continue de la vivre comme je l’imagine ! Maman, j’ai arrêté de compter les citations quotidiennes pour accompagner mes derniers mois de thèse mais je garde toujours en marque page « Quand tu as envie d’abandonner, pense à la raison qui t’a fait commencer ». Merci à vous d’avoir fait de moi ce que je suis aujourd’hui.

Enfin, je voudrais remercier celui sans qui j’aurai sans doute moins bien vécu tout ça, celui qui a dû sécher, bien plus d’une fois, des larmes au retour du travail, celui qui a réussi malgré tout à me donner le sourire, celui qui m’a laissé travailler comme je le souhaitais sans jamais juger, celui qui m’a emmenée faire des ballades pour changer d’air quand il le fallait. Merci pour ton encouragement dans mes moments de doutes. Merci pour ton réconfort dans mes moments difficiles. Merci tout simplement d’être là et de me supporter.

Table des matières

Introduction ... 1

Bibliographie ... 6

1. Digestion et métabolisme de l’azote et des acides aminés chez la vache laitière ... 6

1.1. De l’azote ingéré à l’excrétion d’azote sous forme protéique, non protéique et uréique ... 6

1.1.1. La dégradation de l’azote ingéré ... 6

1.1.2. La composition et la contribution des protéines parvenant au duodénum ... 7

1.1.3. L’absorption intestinale des acides aminés pour la synthèse de différentes protéines ... 8

1.1.4. Les excès de substrats et la production d’urée ... 10

1.1.5. L’importance du renouvellement protéique ... 10

1.2. L’absorption des acides aminés pour constituer des protéines ... 10

1.3. Effets de l’alimentation sur les protéines exportées ... 12

1.3.1. Mesures des protéines exportées ... 12

1.3.2. Variations des différentes protéines exportées ... 13

1.3.3. Effets des apports en protéines métabolisables sur la synthèse de protéines du lait ... 14

1.3.4. Effets des apports en énergie nette sur la synthèse de protéines du lait ... 17

1.3.5. Effets de l’équilibre des apports en protéines métabolisables et en énergie nette ... 18

1.3.6. Les recommandations d’apports en énergie nette, en protéines métabolisables et en acides aminés dans le système INRA (2018) ... 19

2. Les différentes expressions de l’efficience des protéines métabolisables ... 21

2.1. L’efficience d’utilisation des protéines métabolisables : un ratio d’exportations et d’apports ... 21

2.2. Des points communs et des différences dans la prédiction de l’efficience d’utilisation des protéines métabolisables entre les systèmes d’alimentation ... 21

2.3. Effets de l’alimentation sur l’efficience d’utilisation des protéines métabolisables ... 24

3. Les variations d’efficiences peuvent s’expliquer par des modifications du métabolisme des acides aminés ... 25

3.1. L’étude des flux de nutriments : application aux acides aminés ... 25

3.1.1. Déclinaison des flux nets par organe ... 26

3.1.2. Justesse et fidélité des mesures de flux nets ... 28

3.2. D’autres indicateurs du métabolisme des acides aminés ... 33

3.3. Utilisation des acides aminés par les différents tissus ou organes ... 34

3.3.1. Utilisation par les tissus drainés par la veine porte ... 34

3.3.2. Utilisation par le foie ... 35

4. Conclusion, questions et stratégies de recherche ... 41

4.1. Principales conclusions de la revue bibliographique ... 41

4.2. Questions de recherche ... 42 4.3. Stratégies de recherche ... 43 Article 1 ... 44 Résumé ... 44 Abstract ... 46 Introduction ... 47

Materials and Methods ... 48

Results ... 52 Discussion ... 55 Conclusions ... 60 Acknowledgements ... 61 References ... 61 Article 2 ... 62 Résumé ... 62 Abstract ... 64 Introduction ... 65

Materials and Methods ... 66

Results ... 70 Discussion ... 75 Conclusions ... 80 Acknowledgements ... 80 References ... 80 Article 3 ... 81 Résumé ... 81 Abstract ... 83 Introduction ... 83

Materials and Methods ... 84

Results ... 88

Discussion ... 92

Conclusions ... 96

Discussion générale ... 98

1. Description des essais et variations des apports en énergie nette, en protéines métabolisables et en acides aminés ... 100

2. Des utilisations différentes des acides aminés dans les protéines exportées ... 103

2.1. Variations des matières protéiques du lait avec les apports en énergie nette, en protéines métabolisables et en acides aminés ... 104

2.1.1. Une additivité des effets des apports en énergie nette et en protéines métabolisables ... 105

2.1.2. Des mécanismes mammaires différents pour expliquer ces augmentations ... 105

2.2. Variations du catabolisme des acides aminés ... 108

2.2.1. Au niveau mammaire... 108

2.2.2. Au niveau hépatique ... 111

2.2.3. Une coordination des tissus dans le catabolisme corporel des acides aminés ... 111

3. Variations d’efficiences d’utilisation des protéines métabolisables ... 112

3.1. Pré-requis des calculs : les variations de toutes les exportations protéiques ... 112

3.2. Conséquences sur les variations de l’efficience d’utilisation des protéines métabolisables ... 113

3.3. Intérêts et perspectives de raisonner en acides aminés individuels ... 115

3.3.1. Des variations d’efficiences des acides aminés individuels selon les acides aminés différentes des variations d’efficiences des protéines métabolisables ... 115

3.3.2. Amélioration de la prédiction de l’efficience des protéines métabolisables par la prise en compte des acides aminés individuels ... 117

Conclusion ... 119 Annexes ... 123 Annexe 1 ... I Annexe 2 ... III Annexe 3 ... V Annexe 4 ... VII Annexe 5 ...IX

Abréviations

AA Acide Aminé

AADI Acide Aminé Digestible dans l’Intestin

AAI Acide Aminé Indispensable

AANI Acide Aminé Non Indispensable

Ala Alanine

AlaDI Alanine Digestible dans l'Intestin

Arg Arginine

ArgDI Arginine Digestible dans l'Intestin

Asp Acide Aspartique

AspDI Acide Aspartique Digestible dans l'Intestin

Asx Asn + Asp

AsxDI AsnDI + AspDI

ATP Adénosine Tri-Phosphate

CNCPS Cornell Net Carbohydrate and Protein System en anglais

CO2 Dioxyde de carbone

CORP réserves CORPorelles

CROIS accrétion protéique liée à la CROISsance

Cys Cystine

CysDI Cystine Digestible dans l'Intestin

DIAAS Digestible Indispensable Amino Acid Score en anglais DPX Débit Plasmatique alimentant le tissu ou organe X

dr digestibilité intestinale réelle des protéines alimentaires DSX Débit Sanguin alimentant le tissu ou organe X

EffPM Efficience d'utilisation des protéines métabolisables

EffPM_LAIT_INRA2007

Efficience d'utilisation des protéines métabolisables pour la synthèse de protéines du lait selon INRA 2007

ENL Energie Nette de Lactation

ENTR besoins d'ENTRetien (selon INRA, 2007)

FAO Organisation des Nations Unies pour l’Alimentation et l’Agriculture

FGM Flux net de la Glande Mammaire

FHEP Flux net HEPatique

FRGM taux d'extraction de la Glande Mammaire

FRHEP taux d'extraction HEPatique

FTS Flux net des Tissus Splanchniques

Fx Flux net d’un tissu ou organe X

GC-MS Gas Chromatography-Mass Spectrometry en anglais

GEST accrétion protéique liée à la GESTation

Gln Glutamine

GlnDI Glutamine Digestible dans l'Intestin

Glu Glutamate

GluDI Glutamate Digestible dans l'Intestin

Glx Gln + Glu

GlxDI GlnDI + GluDI

Gly Glycine

GlyDI Glycine Digestible dans l'Intestin

Hct Hématocrite

His Histidine

HisDI Histidine Digestible dans l'Intestin

HPLC High Performance Liquid Chromatography en anglais

Ile Isoleucine

IleDI Isoleucine Digestible dans l'Intestin

INRA Institut National de Recherches Agronomiques

Km clairance mammaire

Lys Lysine

LysDI Lysine Digestible dans l'Intestin

MAT Matières Azotées Totales

Met Méthionine

MetDI Méthionine Digestible dans l'Intestin

MOF Matière Organique Fermentée

MOND Matière Organique Non Digestible

MS Matière Sèche

MSI Matière Sèche Ingérée

N azote

NDF Neutral Detergent Fiber en anglais (fibres non digestibles en français)

NH3 Ammoniac

NRC National Research Council

Orn Ornithine

pAH para-AminoHippurate

PDIA Protéines Digestibles dans l’Intestin d’origine Alimentaire PDIM Protéines Digestibles dans l’Intestin d’origine Microbienne

PEF Protéines Endogènes Fécales

PEGASE Physiologie, Environnement et Génétique pour l'Animal et les Systèmes d'Élevage

PHA Protéines liées aux PHAnères

Phe Phénylalanine

PheDI Phénylalanine Digestible dans l'Intestin PIA Protéines dans l’Intestin d’origine Alimentaire PIM Protéines dans l’Intestin d’origine Microbienne

PL Production Laitière

PM Protéines Métabolisables

Pro Proline

ProDI Proline Digestible dans l'Intestin

PV Poids vif

PVVeau Poids Vif du Veau à la naissance

ratio U : O ratio des prélèvements nets mammaires (Uptake en anglais) et des exportations nettes dans le lait (Output en anglais)

Ser Serine

SerDI Serine Digestible dans l'Intestin

SG Semaine de Gestation

TDVP Tissus Drainés par la Veine Porte

Thr Thréonine

ThrDI Thréonine Digestible dans l'Intestin

TP Taux Protéique du lait

Trp Tryptophane

TrpDI Tryptophane Digestible dans l'Intestin

Tyr Tyrosine

TyrDI Tyrosine Digestible dans l'Intestin

UFL Unité Fourragère Lait

UMR Unité Mixte de Recherche

UPLC Ultra Performance Liquid Chromatography en anglais

Val Valine

Liste des figures

Vis-à-vis page

Figure 1. Relation entre la teneur en matière organique fermentée dans le rumen et la synthèse

de matières azotées microbiennes. 6

Figure 2. Schéma simplifié de l’utilisation digestive de l’azote ingéré. 7

Figure 3. Variation de la proportion de protéines digestibles dans l’intestin d’origine

microbienne en fonction de l’apport en protéines métabolisables. 8

Figure 4. Flux des différentes protéines exportées. 9

Figure 5. Variation des différentes productions protéiques au cours du temps. 9

Figure 6. Partition de l’origine de l’urée et recyclage. 10

Figure 7. Représentation schématique de l’utilisation des acides aminés au sein d’un tissu ou

d’un organe. 10

Figure 8. Réponses des exportations des matières protéiques du lait en fonction des apports en

protéines métabolisables. 14

Figure 9. Réponse de l’efficience d’utilisation des protéines métabolisables en fonction des

variations marginales d’apports en protéines métabolisables. 14

Figure 10. Réponses marginales du taux protéique et des matières protéiques du lait aux

teneurs en Lysine et Méthionine digestibles dans l’intestin. 15

Figure 11. Représentation du tonneau de Liebig (1850) pour illustrer le concept d’acide aminé

limitant. 15

Figure 12. Réponses marginales du taux protéique du lait aux variations des teneurs en Lysine

et Méthionine digestibles dans l’intestin combinées. 15

Figure 13. Modèle de prédiction des matières protéiques du lait par les apports en protéines métabolisables et en énergie nette seuls ou par les apports en protéines métabolisables, en

énergie nette, en Lysine et Méthionine digestibles dans l’intestin. ₁₅

Figure 14. Loi de réponse des matières protéiques du lait aux variations de la teneur en

Histidine digestible dans l’intestin. 16

Figure 15. Loi de réponse des matières protéiques du lait aux variations de la teneur en Leucine

digestible dans l’intestin. 16

Figure 16. Variations des réponses zootechniques aux variations du ratio des apports en

protéines métabolisables et en énergie nette. 18

Figure 17. Vascularisation de la mamelle. 26

Figure 18. Représentation schématique du double approvisionnement du foie par la veine

porte et l’artère hépatique. 27

Figure 20. Représentation schématique d’une sonde débimétrique à ultrasons. 32 Figure 21. Variations d’apports en énergie nette en fonction de la matière sèche ingérée dans

les essais du travail de thèse. 100

Figure 22. Variations des apports en énergie nette et en protéines métabolisables dans les

essais du travail de thèse. 100

Figures 23. Variations des apports en acides aminés digestibles dans l’intestin en fonction de

l’apport en protéines métabolisables dans les essais du travail de thèse. 102

Figure 24. Variations des exportations des matières protéiques du lait en fonction des apports en Lysine, Méthionine et Histidine digestibles dans l’intestin selon les deux niveaux d’apports

en énergie nette. ₁₀₄

Figure 25. Variations des exportations des matières protéiques du lait en fonction des apports

en énergie nette selon les deux niveaux d’apports en Lysine, Méthionine et Histidine. 104 Figure 26. Variations du débit plasmatique mammaire (L/h) des essais du travail de thèse. 105

Figure 27. Variations des prélèvements mammaires des acides aminés du groupe 1 et du groupe 2 en fonction des apports en Lysine, Méthionine et Histidine digestibles dans l’intestin

selon les deux niveaux d’apports en énergie nette. ₁₀₆

Figure 28. Variations des prélèvements mammaires de Lysine, Méthionine et Histidine en fonction des apports en Lysine, Méthionine et Histidine digestibles dans l’intestin selon les deux

niveaux d’apports en énergie nette. ₁₀₇

Figure 29. Variations des prélèvements mammaires des acides aminés du groupe 1 et du groupe 2 en fonction des apports en énergie nette selon les deux niveaux d’apports en Lysine,

Méthionine et Histidine. ₁₀₇

Figure 30. Représentation graphique du ratio des prélèvements mammaires des acides aminés du groupe 1 par rapport à leurs exportations dans les protéines du lait des essais du travail de

thèse. ₁₀₉

Figure 31. Variations du ratio des prélèvements mammaires des acides aminés à chaîne ramifiée (Isoleucine, Leucine et Valine) par rapport à leurs exportations dans les protéines du

lait en fonction des apports en Lysine, Méthionine et Histidine digestibles dans l’intestin. ₁₀₉

Figure 32. Variations du ratio des prélèvements mammaires des acides aminés du groupe 2 par rapport à leurs exportations dans les protéines du lait en fonction des apports en énergie nette

selon les deux niveaux d’apports en Lysine, Méthionine et Histidine. ₁₁₀

Figure 33. Variations du ratio des prélèvements mammaires des acides aminés non indispensables par rapport à leurs exportations dans les protéines du lait en fonction des

apports en énergie nette selon les deux niveaux d’apports en Lysine, Méthionine et Histidine. ₁₁₀

Figure 34. Figure 7 complétée pour prendre en compte la synthèse d’acides aminés non

Figure 35. Proportion des matières protéiques du lait, des protéines endogènes fécales et des protéines liées aux phanères des exportations de protéines métabolisables, de Thréonine et de

Méthionine. ₁₁₂

Figure 36. Variations de l’efficience d’utilisation des protéines métabolisables, de Lysine, Méthionine et Histidine combinées, des autres acides aminés indispensables que Lysine, Méthionine et Histidine et de quelques acides aminés indispensables individuels en fonction

des traitements des trois essais. 116

Figure 37. Corrélations de l’efficience d’utilisation des protéines métabolisables et de

l’efficience maximale, ou de l’efficience de Lysine, Méthionine, Histidine ou Valine. 117

Figure 38. Droites de régression de l’efficience d’utilisation de trois acides aminés

indispensables (Lysine, Méthionine et Histidine) en fonction de leurs apports exprimés en g/j ou

Liste des tableaux

Vis-à-vis page Tableau 1. Profils en acides aminés des protéines microbiennes, endogènes au duodénum et

alimentaires issues de certaines matières premières. 8

Tableau 2. Composition en acides aminés des protéines exportées. 11

Tableau 3. Exportations des acides aminés dans les différentes fractions protéiques. 12

Tableau 4. Comparaison des écarts-types des concentrations artérielles de certains acides aminés mesurées par chromatographie gazeuse ou par chromatographie liquide basse pression associée

à une colonne échangeuse de cations. 29

Tableau 5. Limites de répétabilité et de reproductibilité des concentrations veineuses

plasmatiques en acides aminés par UPLC-MS. 30

Tableau 6. Comparaison des taux de récupération au niveau de la veine porte des différents

acides aminés. 34

Tableau 7. Tableau récapitulatif des stratégies expérimentales et des mesures réalisées dans les

différents essais. 43

Tableau 8. Tableau récapitulatif des caractéristiques des vaches laitières utilisées dans les

différents essais et de leurs productions moyennes une semaine avant le début des essais. 100 Tableau 9. Bilan énergétique et protéique estimés en considérant les performances des animaux. 101 Tableau 10. Variations des apports en acides aminés indispensables, de leurs exportations

protéiques et conséquences sur leur catabolisme et leur efficience. 111

Tableau 11. Variations des apports en protéines métabolisables, des exportations protéiques et

conséquences sur l’efficience d’utilisation des protéines métabolisables. 112

Tableau 12. Modèles de prédiction de l’efficience d’utilisation des protéines métabolisables en fonction de la matière sèche ingérée, de l’apport en énergie nette et des apports en protéines métabolisables ou des apports en Lysine, Méthionine et Histidine exprimés en % des protéines

métabolisables, en g/kg de MS ou en g/Mcal. 118

Tableau 13. Modèles de prédiction de l’efficience d’utilisation de Lysine, Méthionine et Histidine

1

Introduction

Des enjeux environnementaux et économiques forts

La production d’animaux d’élevage fait face à de nombreux défis. La recherche en nutrition de ces animaux doit donc trouver des solutions à ces défis. Elle doit ainsi répondre à un enjeu environnemental par la réduction des rejets dans l’environnement. L’azote (N) est en particulier visé pour ses multiples impacts négatifs (Smith et al., 2000) sur le réchauffement climatique par les émissions de protoxyde d’azote (gaz à effet de serre), sur la qualité de l’air par les émissions d’ammoniac (NH3) et sur la qualité de l’eau par les émissions de nitrates et, d’une façon

plus générale, sur la biodiversité des écosystèmes et la santé humaine (Castillo et al., 2000, Sutton et al., 2011). En 2012, en France, les exploitations laitières étaient à l'origine de près du tiers des émissions totales de NH3 provenant

d'activités anthropiques (Peyraud et al., 2012).Une vache laitière de 650 kg excréterait 116 kg N/an (Smith et al., 2000) dont 12 % environ seraient perdus sous forme de NH3 : l’élevage laitier est ainsi l’un des principaux secteurs

polluant de l’élevage. L’augmentation de l’autonomie protéique de l’élevage de vaches laitières en particulier en limitant les importations de soja étranger est également un enjeu important, d’ordre économique. Cela permettrait de limiter les dépenses du poste "alimentation" qui, d’après une étude menée sur 478 élevages laitiers entre 2016 et 2018 (Elyps, 2018), représentent près des trois quarts des charges opérationnelles (frais vétérinaires, d’élevage et d’alimentation) des exploitations. La recherche en nutrition des ruminants vise à améliorer les recommandations nutritionnelles à destination de ces animaux en tenant compte de ces enjeux. Cela passe par l’actualisation des systèmes d’alimentation comme en témoignent les éditions successives des systèmes d’alimentation des ruminants français (INRA, 1978 ; INRA, 1988 ; INRA, 2007 revu en 2010 ; INRA, 2018) ou nord-américains [NRC 1989 ; NRC 2001 ; révision en cours ; CNCPS (Fox et al., 1992, Fox et al., 2004, Tylutki et al., 2008, Van Amburgh et al., 2015)]. Pour prendre en compte ces enjeux, ces systèmes progressent dans l’établissement de différents modèles de réponses des animaux à l’alimentation azotée et énergétique en proposant des lois de réponses plus précises ou portant sur de nouveaux critères.

Répondre à ces enjeux par une meilleure connaissance de l’efficience azotée

Répondre aux enjeux environnementaux et économiques passe, à l’échelle de l’animal, par l’amélioration de l’efficience d’utilisation azotée pour la production de lait, c’est-à-dire du ratio entre l’azote excrété dans le lait et l’azote ingéré. Un excès d’apport azoté dans l’alimentation entraîne une augmentation des rejets azotés notamment sous forme d’urée dans l’environnement tandis que la non couverture des besoins azotés provoque une baisse des performances laitières des animaux (volume de lait et production de protéines du lait) ayant des conséquences économiques sur l’exploitation agricole (Sauvant et al., 2015). Chez les ruminants, du fait d’une digestion complexe liée à la présence de micro-organismes dans le rumen, l’efficience azotée dépend à la fois de l’équilibre entre la quantité d’azote soluble et la quantité d’énergie disponible dans le rumen (Edouard et al., 2016)

2 et de l’utilisation métabolique des protéines métabolisables (PM ou PDI pour « protéines digestibles dans l’intestin » dans le système INRA). Premièrement, un bon équilibre entre l’azote et l’énergie dans le rumen est essentiel pour favoriser la synthèse de protéines microbiennes. Il a ainsi été montré qu’un excès des apports azotés par rapport aux apports d’énergie dans le rumen conduisait à des excès importants de NH3 absorbé au niveau de la

paroi du rumen et transformé par le foie en urée (Edouard et al., 2016), réduisant l’efficience d’utilisation azotée (Vérité et al., 2000). A contrario, un déficit en azote dégradable favorisait le recyclage de l’urée dans le rumen, ce qui augmentait l’efficience d’utilisation azotée en réduisant l’azote uréique excrété dans les urines (Kebreab et al., 2001, Reynolds et al., 2008), plus que la production de protéines du lait. Deuxièmement, pour maintenir la production, la diminution de l’apport azoté doit être compensée par une augmentation de l’efficience d’utilisation azotée, impliquant donc de trouver la meilleure adéquation entre les nutriments apportés et ceux nécessaires au bon fonctionnement de l’animal. Chez les ruminants, l’utilisation de l’azote ingéré dépend aussi du devenir métabolique des PM, c’est-à-dire la somme des protéines microbiennes et des protéines alimentaires ayant échappé aux dégradations ruminales. Ainsi, chez les ruminants, le métabolisme post-absorptif est raisonné, non pas en terme d’azote ou de protéines ingérées mais en terme de PM. Ces PM sont hydrolysées en acides aminés (AA) qui sont absorbés. Les AA sont à leur tour utilisés pour synthétiser les différentes protéines et leurs excès sont catabolisés en urée. À l’échelle de l’animal, il est maintenant connu que l’efficience d’utilisation de ces PM (c’est-à-dire le ratio entre la quantité de protéines exportées et les apports en PM) augmente en diminuant les apports en PM (Metcalf et al., 2008, Daniel et al., 2016, INRA, 2018) ou en équilibrant les apports en AA des rations (Haque et al., 2012a, Lee et al., 2012b, Haque et al., 2015). Il a ainsi été montré que certains AA indispensables (AAI), déficitaires dans les matières premières utilisées pour formuler les rations des vaches laitières, comme la lysine (Lys) et la méthionine (Met) (Schwab et al., 1976, Rulquin et al., 1993, Pisulewski et al., 1999), pourraient limiter l’exportation des protéines, en particulier des matières protéiques du lait (Haque et al., 2012a, Lee et al., 2012b, Haque et al., 2015). Sur un plan économique, une étude réalisée par Lorial entre 2012 et 2013 a montré que, pour un élevage de 65 vaches laitières produisant environ 28 kg/j de lait, réduire l’apport en matières azotées totales (MAT) de la ration de 14,5 à 14,0 % en supplémentant en Lys et en Met permettait de réduire de 2500 à 9000 €/an le budget alloué à l’alimentation sans baisse sensible de la production de lait et tout en réduisant les rejets azotés (Thiaucourt et al., 2015). De plus, d’autres AA comme l’histidine (His) ou la leucine (Leu) (Ørskov et al., 1986, Huhtanen et al., 2002, Rulquin et al., 2006a, Lee et al., 2012a) présentent une faible concentration dans les protéines microbiennes (une des sources d’AA pour l’animal) par rapport à leur concentration dans les protéines du lait, et pourraient donc aussi limiter la synthèse protéique. Ces AA, en particulier Lys, Met et His, sont souvent considérés comme des AA limitants dans les rations des vaches laitières.

Augmenter les apports en énergie nette de lactation (ENL) (Hanigan et al., 1998a, Rius et al., 2010b) ou

modifier la nature de l’énergie apportée (Cantalapiedra-Hijar et al., 2014a, Nichols, 2019) peut augmenter les exportations protéiques sans modifier l’apport en PM et par conséquence augmenter l’efficience d’utilisation des PM. La compilation de données (Daniel et al., 2016, Moraes et al., 2018) issues d’essais modulant les apports en PM, en ENL ou en AAI, en particulier en Lys et Met, permettent d’affiner les modèles de prédiction des réponses

3 des animaux aux apports nutritionnels et de les intégrer aux actualisations des systèmes d’alimentation (Sauvant et al., 2015, Lapierre et al., 2016). Dans le système d’alimentation INRA (2018), la synthèse des matières protéiques du lait dépend des facteurs nutritionnels (niveaux d’ENL, niveaux de PM et concentrations en Lys et Met des rations),

de la quantité ingérée et de facteurs intrinsèques à l’animal (poids vif, parité, etc.). Ces lois de réponses ne dépendent pas de l’apport d’His, alors que cet AA peut être limitant vu sa faible concentration dans les protéines microbiennes. Dans les systèmes d’alimentation basés sur une approche proportionnelle des recommandations, celles en AA sont exprimées en % de l’apport en PM (% PDI dans INRA, 2018) bien que l’on sache que leur utilisation est également dépendante du niveau d’énergie. Cela pourrait impliquer de développer un système d’alimentation pour ruminants dans lequel les recommandations en AA seraient faites en fonction de l’apport en énergie (g/Mcal) et non plus en % de l’apport en PM, comme cela est déjà utilisé chez le porc (INRAporc) ou dans des systèmes d’alimentation étrangers pour ruminants (CNCPS, Van Amburgh et al., 2015).

Le manque de connaissances sur le devenir métabolique des acides aminés

L’efficience d’utilisation des PM est conditionnée par le devenir métabolique des AA issus de l’hydrolyse de ces protéines et donc par la répartition entre leurs utilisations dans les différentes protéines exportées par l’animal et leur catabolisme en urée. L’étude du métabolisme mammaire des AA (Mepham, 1982, Hanigan et al., 1994, Lemosquet et al., 2010a) peut aider à comprendre les variations de quantités de matières protéiques exportées dans le lait et donc une partie des variations d’efficiences d’utilisation des PM. En effet, les variations des prélèvements mammaires des AA nous renseignent sur l’utilisation de ces AA pour assurer la synthèse protéique mammaire et sur le catabolisme de certains AA au niveau de la glande mammaire (Raggio et al., 2006a, Lemosquet et al., 2010a, Lapierre et al., 2012). Néanmoins, ces modifications du métabolisme mammaire ne peuvent pas complètement expliquer les variations d’efficiences d’utilisation des PM. En effet, l’animal exporte d’autres protéines que les protéines du lait, en particulier des protéines endogènes sécrétées dans le système digestif et excrétées dans les fèces, et il peut « stocker » des protéines dans ses réserves corporelles, on parle alors d’accrétion protéique (cas des vaches primipares, encore en croissance par exemple). Les variations de production d’urée lors du catabolisme des AA dépendent des variations de toutes ces protéines exportées ou fixées au regard des apports de PM. Le calcul d’efficience des PM proposé dans le système INRA (2018) considère désormais toutes les exportations protéiques (non uniquement l’exportation des matières protéiques du lait) et les variations des réserves corporelles. Ce calcul, s’il était appliqué aux AAI, permettrait de mieux approcher leur catabolisme au travers de l’inefficience. Peu d’études se sont attachées à décrire les variations d’efficiences d’utilisation d’AAI individuels alors que ce sont les nutriments absorbés et utilisés par l’animal (Doepel et al., 2004, Haque et al., 2015). Dans ces travaux, les efficiences rapportées ne prenaient pas en compte l’ensemble des protéines exportées et l’inefficience des AAI ne pouvait donc pas être approximée à leur catabolisme. Par ailleurs, plusieurs tissus et organes catabolisent les AA (tube digestif, foie, tissus périphériques dont la mamelle). Si le foie assure la majeure partie (voire la totalité) du catabolisme de certains AAI tels que l’His ou la Met par exemple, la mamelle est aussi capable de cataboliser, certains AAI comme la Lys ou la Leu (Mepham, 1982) et il a été montré que les tissus drainés

4 par la veine porte pouvaient cataboliser des quantités importantes d’AA, surtout des AA non indispensables (AANI) tels que l’aspartate (Asp) et le glutamate (Glu) (Wolff et al., 1972, Windmueller et al., 1974, Ball, 2002) mais aussi des AAI tels que la Leu (Lapierre et al., 2002). Pour mieux comprendre les changements d’utilisation des AA selon les situations nutritionnelles, il semble nécessaire d’une part de prendre en compte les variations des différentes protéines exportées et d’autre part d’étudier plus finement le catabolisme des AA dans les différents tissus et organes.

Bien que l’on connaisse plutôt bien les variations des matières protéiques du lait et celles de l’efficience d’utilisation des PM en réponse aux principaux facteurs nutritionnels que sont les apports en PM et en ENL (INRA,

2018), peu d’études se sont attachées à analyser comment s’expliquaient les augmentations des matières protéiques du lait et d’efficience d’utilisation des PM ou des AAI en réponse à l’augmentation de l’apport d’ENL au

travers de l’étude du métabolisme mammaire et splanchnique des AA. Seul, l’effet de nutriments énergétiques spécifiques (amidon, Cantalapiedra-Hijar et al., 2014b et 2015 ; glucose intestinal ou acide propionique ruminal, méta-analyse de Lemosquet et al., 2010a) a été analysé et ce principalement sur le métabolisme mammaire. De plus, alors qu’au niveau zootechnique, il y a un débat pour savoir s’il existe ou non une interaction entre l’apport de PM et l’apport d’ENL sur l’augmentation des matières protéiques du lait (Brun-Lafleur et al., 2010 vs. Daniel et

al., 2016), très peu d’essais ont étudié ces interactions au niveau du métabolisme et les quelques études sur le sujet se sont limitées au métabolisme mammaire (Rulquin et al., 1982, Vanhatalo et al., 2003a, Raggio et al., 2006a). Il est important de savoir s’il s’agit des mêmes mécanismes ou de mécanismes différents additifs à l’origine des augmentations des matières protéiques. Enfin, si l’analyse du métabolisme mammaire en réponse à l’apport de chacun des 3 AAI (Lys, Met et His) communément les plus déficitaires dans les rations des vaches laitières, a déjà fait l’objet de quelques essais (Guinard et al., 1995, Bequette et al., 2000, Rulquin et al., 2000, Lapierre et al., 2009), à ma connaissance, aucun essai de métabolisme n’avait, au démarrage de ma thèse, analysé l’effet de l’apport simultané de ces 3 AAI en interaction avec l’apport d’ENL.

La question principale traitée dans ma thèse était donc la suivante :

Comment varie le métabolisme des AA, et donc leur efficience, en réponse à des variations d’apports d’énergie, d’AA totaux ou des 3 AAI considérés comme les plus limitants ?

Il s’agissait d’étudier plus précisément comment les apports d’AA (totaux ou spécifiques) interagissent avec l’apport d’énergie sur le métabolisme des AA. On ne sait pas, en réponse à l’apport d’énergie, quels sont les AA dont le métabolisme est modifié, permettant d’augmenter la synthèse de protéines et de diminuer leur catabolisme sous forme d’urée. Pour cela, plusieurs sous-questions ont été posées :

1. Comment s’expliquent les variations d’exportations des matières protéiques du lait par des modifications du

métabolisme mammaire des AA dans ces situations nutritionnelles ?

5 Le calcul d’efficience d’utilisation des PM proposé dans le système INRA (2018), qui considère désormais toutes les exportations protéiques et non seulement l’exportation des matières protéiques du lait, permet d’appréhender le catabolisme corporel des AA au travers de l’inefficience. Ce calcul d’efficience pour estimer le catabolisme semble particulièrement pertinent s’il est appliqué aux AAI pour analyser leur métabolisme. L’étude des variations d’efficiences d’utilisation des AA et non des PM semblait important puisqu’il avait déjà été montré des différences d’utilisation entre les AA (Doepel et al., 2004, Arriola Apelo et al., 2014) mais aucune étude n’avait, à ma connaissance, appliquée aux AAI le calcul d’efficience d’utilisation des PM en considérant l’ensemble des exportations protéiques pour étudier leur variation dans des situations nutritionnelles faisant varier les apports en énergie et en AA. Cela soulevait une autre sous-question :

3. Comment varie l’efficience corporelle des PM mais également celle des AAI en réponse à ces variations

d’apports ?

Observer des variations différentes d’efficiences d’utilisation selon les AA pourrait impliquer de revoir la prédiction de l’efficience des PM qui actuellement dépend uniquement des apports en Lys et Met (INRA, 2018) sans considérer les efficiences de ces deux AA. Cette prédiction pourrait aussi intégrer l’effet d’autres AAI.

Ma thèse s’est basée sur des expérimentations permettant de produire les connaissances manquantes pour commencer à répondre à ces questions. Trois essais portaient sur l’étude des métabolismes mammaire et splanchnique des AA en réponse aux apports de ces AA en interaction avec le niveau d’apports d’énergie. Diverses stratégies ont été utilisées pour créer, dans chaque essai, deux niveaux d’apports en énergie et deux niveaux d’apports en AA (totaux ou uniquement de Lys, Met et His). Ainsi selon les essais, l’apport d’énergie a été modulé par l’alimentation dans l’essai E0621 (via les quantités d’aliments distribuées) et dans l’essai E1721 (via la composition des concentrés) ou par des perfusions duodénales d’un nutriment énergétique spécifique, le glucose, dans l’essai HEPI. L’apport de tous les AA (AA totaux) était augmenté dans les essais E0621 et HEPI, via des changements d’alimentation ou via des perfusions d’AA dans le duodénum (selon un profil en AA identique à celui des caséines du lait). Dans l’essai E1721, les apports des trois AA les plus limitants dans les rations, Lys, Met et His, étaient augmentés (via des perfusions duodénales).

Figure 1 : Relation entre la teneur en matière organique fermentée dans le rumen (en g/kg MS) et la synthèse de matières azotées (MA) microbiennes (g/kgMS), proposée par INRA (2018).

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Bibliographie

1. Digestion et métabolisme de l’azote et des acides aminés chez la vache

laitière

1.1. De l’azote ingéré à l’excrétion d’azote sous forme protéique, non protéique et uréique

1.1.1. La dégradation de l’azote ingéré

Chez les ruminants, du fait de l’organisation particulière de leur estomac en plusieurs compartiments dans lesquels ont lieu des digestions chimiques mais également microbiennes, il est difficile de prédire les nutriments absorbés par le tube digestif. En effet, la présence des micro-organismes dans le rumen permet l’utilisation de la matière azotée et ce en deux étapes distinctes : la protéolyse et la protéosynthèse (Drogoul et al., 2012). Lors de la première étape, la protéolyse, l’azote apporté par l’alimentation sous forme de protéines est hydrolysé en peptides par les protéases microbiennes. Les peptides sont ensuite dégradés en chaînes carbonées plus courtes puis en AA qui subissent alors une désamination à l’origine de NH3 et de chaînes carbonées simples (Jouany et al., 1995).

L’azote alimentaire peut également se présenter sous forme non protéique (peptides, acides nucléiques, urée, nitrates…), plus rapidement disponible pour les micro-organismes. Cette forme azotée non protéique, complétement dégradée dans le rumen, est aussi à l’origine d’une production de NH3. La seconde étape, la

protéosynthèse, consiste en l’incorporation par les micro-organismes des produits issus de la protéolyse (peptides, AA libres et NH3) permettant la synthèse de novo de nouvelles protéines, appelées protéines microbiennes. Une

partie du NH3 excédentaire traverse la paroi du tube digestif, transite par la veine porte et est métabolisée en urée

via le cycle de l’ornithine (Orn) au niveau du foie. La contribution de NH3 à la synthèse d’urée (contenant un atome

d’azote issu du NH3 et un atome d’azote issu de l’acide aspartique), est une forme d’azote excrétée par l’animal qui

peut représenter une part d’inefficience de l’azote. La digestion microbienne de la fraction protéique de la matière azotée puis la synthèse de protéines microbiennes (à partir d’azote soluble comme des AA issus de la dégradation), nécessitent un apport d’énergie sous forme d’adénosine tri-phosphate (ATP) par dégradation des matières organiques fermentées (MOF) de la ration : la production de matières azotées microbiennes est d’ailleurs fortement corrélée à la concentration de MOF comme le montre la Figure 1. En plus de la matière azotée issue de la synthèse microbienne, parviennent au duodénum de la matière azotée « alimentaire » qui arrive sans avoir été dégradée dans le rumen (protéines by pass) (Vérité et al., 1987) et de la matière azotée endogène provenant de diverses sources, notamment les mucoprotéines, la salive, les cellules épithéliales et les sécrétions d'enzymes dans

Figure 2 : Schéma simplifié de l’utilisation digestive de l’azote (N) ingéré chez la vache laitière, d’après INRA (1978). Le bilan azoté est réalisé à partir des données compilées de Bannink et Van Vuhren (1999) et Djikstra et al. (2013) ; les pourcentages représentent la part de chaque excrétion azotée par rapport à l’azote ingéré pour une vache produisant 26 kg/j de lait en ingérant 19 kg/j d’une ration à 16 % de matières azotées totales.

Figure 3 : Variation de la proportion (%) de protéines digestibles dans l’intestin d’origine microbienne (PDIM) en fonction de l’apport en protéines métabolisables (en g/kg de MS) chez la vache laitière (d’après la méta-analyse de Lemosquet et al., 2016).

7 l'abomasum (Tamminga et al., 1995). Les trois fractions présentées ci-dessus ont deux devenirs distincts : une part est hydrolysée dans l’intestin grêle et est à l’origine des AA qui sont absorbés par les villosités intestinales et utilisés pour la synthèse de protéines par l’animal ; l’autre part, non absorbée, est rejetée de l’animal sous forme d’azote fécal qui comprend ainsi une part microbienne, alimentaire et endogène. La Figure 2 présente la digestion complexe de l’azote ingéré, les flux azotés qui en découlent et leur part respective de l’azote ingéré pour une vache produisant 26 kg/j de lait en ingérant 19 kg/j d’une ration à 16 % de MAT (d’après Bannink et Van Vuhren, 1999 et Djikstra et al., 2013). L’azote urinaire représente la part la plus importante de l’azote excrété (environ 38 % de l’azote ingéré), l’azote fécal issu des fractions microbienne, alimentaire et endogène non absorbées représente environ 35 %, et l’azote exporté sous forme de protéines du lait 27 %.

1.1.2. La composition et la contribution des protéines parvenant au duodénum

Tel que mentionné précédemment, il transite au duodénum trois types de protéines, d’origine microbienne, alimentaire ou endogène, qui ne présentent pas les mêmes digestibilités. Il est admis que la digestibilité intestinale (dr) des protéines microbiennes (PIM) et endogènes est de 80 % alors qu’elle est variable selon les matières premières pour les protéines alimentaires (PIA). De l’azote non protéique (NH3, acides nucléiques, urée…) non

utilisé ou produit par les micro-organismes du rumen et non absorbé à travers la paroi du rumen peut également se retrouver au niveau du duodénum. Pour le NH3, cette part, peu souvent estimée, doit être très faible. Pour les

acides nucléiques, entre 20 à 30 g de N/j issus de ces bases seraient excrétés dans l’urine contre environ 100 à 250 g de N/j sous forme d’urée issue du catabolisme des AA et du NH3 excédentaire dans le rumen. Les matières azotées

présentent des proportions d’AA différentes : les matières azotées alimentaires sont exclusivement composées d’AA et les matières azotées microbiennes sont composées à 80 % d’AA (azote protéique) et à 20 % d’azote non protéique, principalement des acides nucléiques. De fortes variations de la proportion d’AA dans les matières azotées endogènes sont reportées dans la littérature : de 30 % (Guilloteau et al., 1986) à 94 % (Larsen et al., 2000) : une valeur moyenne fixée à 50 % d’AA est retenue dans les systèmes d’alimentation (NRC, 2001, INRA, 2018). Ces considérations sont à prendre en compte pour connaître le flux de PM (ou d’AA totaux) digestibles dans l’intestin (PDI pour le système INRA) qui représente la somme des protéines digestibles d’origine alimentaire (PDIA) et d’origine microbienne (PDIM).

PDI = PDIA + PDIM = [∑ (PIA × dr × 0,01)] + (PIM × 0,8 × 0,8).

Où PDI est la teneur en protéines digestibles dans l’intestin en g/kg de matière sèche (MS), PIA est la teneur en protéines d’origine alimentaire en g/kg de MS, dr est la digestibilité intestinale des PIA en %, PIM est la teneur en protéines d’origine microbienne en g/kg de MS.

Le profil en AA des protéines microbiennes a été décrit dans la méta-analyse de Le Hénaff (1991). Ce profil s’appuie sur la composition en AA des bactéries associées de la phase liquide. Néanmoins, 10 à 30 % des protéines d’origine microbienne proviennent de protozoaires (Sylvester et al., 2005) et les bactéries associées à la phase

Tableau 1 : Profils en acides aminés (AA) des protéines microbiennes selon Le Hénaff (1991) et Sok et al. (2017), endogènes au duodénum et alimentaires issues de certaines matières premières (identifiées par le code INRA 2018).

Protéines microbiennes Protéines endogènes au duodénum Protéines alimentaires Le Hénaff (1991) Sok et al. (2017) Herbe (FV0770) Orge (CC0010) Maïs grain (CC0020)

Corn gluten meal (CS0190) Ensilage de maïs (FE4720) Tourteau de soja (CX0240) Luzerne déshydratée (CD0040) PDI, g/kg MS 85 86 94 470 62 227 107 AADI (% 16 AA) Arg 4,90 4,72 5,16 4,93 4,70 4,70 4,10 4,49 5,60 4,80 His 1,80 1,88 3,77 2,30 2,10 2,30 2,10 1,90 2,40 2,00 Ile 5,90 5,71 4,88 5,30 4,90 4,70 4,00 5,37 4,80 5,20 Leu 7,70 7,93 5,02 8,60 6,80 8,60 12,30 8,89 7,10 7,50 Lys 8,00 8,1 7,67 7,00 6,60 5,90 2,90 7,03 6,90 6,80 Met 2,50 2,29 1,53 2,04 1,90 2,00 2,10 2,17 1,60 1,80 Phe 5,30 5,43 4,88 5,26 5,20 5,10 5,90 5,08 5,20 5,50 Thr 5,80 5,34 6,83 5,21 5,00 4,80 3,90 5,27 4,40 5,20 Val 6,20 5,71 6,42 5,88 6,70 6,60 5,80 5,79 6,30 7,70 Ala 7,80 6,47 5,86 6,94 6,50 6,90 7,40 7,15 6,00 6,70 Asx 12,1 11,99 9,62 10,77 9,80 9,50 7,90 10,52 10,90 11,30 Glx 13,3 13,02 13,11 13,00 16,20 15,30 18,20 13,72 16,50 12,70 Gly 5,70 5,22 6,69 6,88 5,90 5,60 4,10 6,67 5,50 6,30 Pro 3,70 3,74 6,56 4,27 6,00 6,10 7,70 4,42 4,70 4,50 Ser 4,60 4,43 6,83 4,66 4,60 4,90 4,90 4,65 4,90 4,90 Tyr 4,70 5,71 5,16 4,11 4,00 4,10 4,30 4,12 4,00 4,20

8 solide seraient plus abondantes que celles associées à la phase liquide (Reynal et al., 2005). C’est pourquoi, dans leur méta-analyse, Sok et al. (2017) ont proposé que ces trois fractions (bactéries associées à la phase liquide, bactéries associées à la phase solide et protozoaires) contribuent de manière inégale au flux microbien : 33,4, 50,1 et 16,5 % respectivement. La prise en compte des différents types de micro-organismes présents dans le rumen (Sok et al., 2017), et non simplement des bactéries associées à la phase liquide (Le Hénaff, 1991), modifie le profil en AA microbiens en augmentant par exemple fortement la proportion de Lys. En effet, la Lys représente 10,78 % de la composition des protozoaires tandis qu’elle ne représente que 7,72 % de celle des bactéries associées à la phase liquide (Jensen et al., 2006 repris par Sok et al., 2017). Des études ont montré que des régimes alimentaires (Hvelplund, 1986, Martin et al., 1996, Mabjeesh et al., 1997) affectaient certaines concentrations en AA dans les micro-organismes, par exemple l’incorporation d’orge à un régime à base de foin diminuait la concentration en Leu et augmentait celle de Glu (Martin et al., 1996). Néanmoins le manque d’informations sur les régimes testés n’a pas permis de généraliser l’effet des régimes sur les profils en AA des micro-organismes par méta-analyses (Sok et al., 2017). Les profils microbiens de Le Hénaff (1991) et Sok et al. (2017) sont comparés aux profils alimentaires de certaines matières premières couramment utilisées dans les rations des vaches laitières (Tableau 1). On remarque en particulier la faible concentration d’His dans les protéines microbiennes (1,8 % PDI pour les protéines microbiennes vs. 2,1 % PDI en moyenne pour les matières premières du Tableau 1). De plus, les concentrations en Lys et Met sont, quelles que soient les matières premières, plus faibles dans les protéines alimentaires que dans les protéines microbiennes. Cela est d’autant plus vrai pour le gluten de maïs (Corn Gluten Meal) dont la concentration en Lys est extrêmement faible ; le taux d’incorporation de cette matière première doit donc être limitée pour ne pas créer une ration trop carencée en Lys.

A partir de la base de données « AADIg » (Lemosquet et al., 2016) développée pour prédire les flux d’AA digestibles au duodénum (AADI) dans INRA (2018), les flux de PM (microbiennes plus alimentaires, INRA, 2018) de 243 traitements alimentaires ont été décrits. La Figure 3 (page précédente), faite à partir de cette base de données, illustre la diminution de la proportion de PDIM dans les PM de 70 % à 30 % avec l’augmentation de la quantité de PM de 70 à 130 g/kg de MS. En moyenne, les trois fractions (microbienne, alimentaire et endogène) représentent respectivement 35 à 66 % (Clark et al., 1992), 29 à 45 % (Tamminga et al., 1979) et 14 à 20% (Ouellet et al., 2002, Ouellet et al., 2005, Ouellet et al., 2007, Valkeners et al., 2008) du flux total de protéines au duodénum. Les produits terminaux de la digestion, qui vont ensuite être absorbés après hydrolyse, ont donc une composition en AA différente de celle des aliments ingérés du fait de la synthèse de protéines microbiennes qui représente une part importante de l’apport en PM.

1.1.3. L’absorption intestinale des acides aminés pour la synthèse de différentes protéines

D’origine microbienne ou alimentaire (ou endogène), les AA sont absorbés au niveau des villosités de l’intestin et partent dans la circulation porte sanguine pour être distribués à l’ensemble des tissus et organes

Figure 4 : Flux des différentes protéines exportées considérées dans le calcul d’efficience d’INRA (2018).

Figure 5 : Variation des différentes productions protéiques prédites par le système INRA (2018) au cours du temps pour une vache multipare (PL au pic = 40 kg/j et TP moyen = 32 g/kg) nourrie à volonté avec une même ration tout au long de sa lactation.

9 utilisateurs, dont les tissus splanchniques regroupant les tissus drainés par la veine porte (c’est-à-dire le tube digestif, le tissu adipeux associé aux tissus mésentériques, la rate et le pancréas) et le foie, et les tissus périphériques (incluant la glande mammaire, les muscles, le tissu adipeux, la peau, etc …). Les AA sont utilisés pour la synthèse des différentes protéines (Figure 4) selon des séquences précises de codage génétique qui donnent aux protéines leur spécificité et leur fonctionnalité. Ces différentes synthèses permettent à l’animal d’assurer des fonctions de production comme la synthèse et l’exportation des matières protéiques du lait, de croissance chez les vaches laitières primipares (synthèse et accrétion de protéines musculaires), de gestation (synthèse et accrétion de protéines du conceptus) et des fonctions dites « non-productives » (Sauvant et al., 2016), telles que l’excrétion de protéines endogènes fécales non réabsorbées et la production de protéines liées aux phanères. Des protéines endogènes sont sécrétées tout le long de la lumière du tube digestif et incluent principalement la salive et des sécrétions d’enzymes digestives (pancréatiques, gastriques et biliaires), de mucus et des desquamations des parois du tube digestif (Tamminga et al., 1995). Les protéines endogènes fécales représentent ces sécrétions endogènes qui ne sont pas digérées et qui sont finalement excrétées dans les fèces. À noter que le terme « fécal » de ces pertes endogènes est un peu restrictif. En effet, comme le soulignaient Lapierre et al. (2016) dans leur revue, ce terme inclut en réalité une portion de protéines endogènes qui sort de l’iléon mais qui est fermenté dans le gros intestin et n’apparaît pas dans les fèces : cette portion n’en constitue pas moins un besoin pour la vache, d’où son inclusion dans l’estimation des pertes endogènes « fécales ». La sécrétion de ces protéines est influencée par des facteurs alimentaires qui sont détaillés dans la partie 2. Les protéines liées aux phanères sont issues des desquamations de la peau, de la pousse et de la perte de poils.

Selon le modèle de prédiction proposé par l’INRA (2018), pour une vache multipare mangeant environ 22 kg/j d’une ration à 96 g de PDI/kg de MS et ayant une production égale à 40 kg/j de lait au pic de lactation, la production de matières protéiques du lait représente la majeure partie des protéines exportées (environ 75 %). Les protéines endogènes fécales représentent en moyenne 23 % des protéines exportées tandis que l’exportation de protéines liées aux phanères représente moins de 1 % des exportations et ne varie pas au cours du temps. Ces différentes fonctions productives et « non-productives » varient au cours de la lactation d’une vache laitière multipare comme cela est présenté sur la Figure 5 basée sur des estimations faites à partir du système INRA (2018). Ainsi dans cet exemple, chez une vache de taille adulte sans variation de masse musculaire (accrétion protéique liée à la croissance nulle, Figure 5), les matières protéiques du lait représentent une proportion des protéines totales exportées (matières protéiques du lait + protéines endogènes fécales + protéines liées aux phanères) plus forte au pic de lactation (83 %) qu’en fin de lactation (71 %). Inversement, les protéines endogènes fécales ont une proportion de plus en plus importante dans les protéines exportées du début à la fin de la lactation (de 18 à 28 % des exportations totales).

Figure 6 : Partition de l’origine de l’urée (ammoniacale ou issue du catabolisme des acides aminés) et recyclage dans l’ensemble des tissus drainés par la veine porte.

Figure 7 : Représentation schématique (d’après Raggio 2006) de l’utilisation des acides aminés (AA) au sein d’un tissu ou d’un organe. Sans modification du poids du tissu ou organe étudié, l’utilisation totale (UT) des AA se définit de la façon suivante : UT = synthèse + oxydation = absorption + dégradation.

10

1.1.4. Les excès de substrats et la production d’urée

Certains AA absorbés en excès au niveau intestinal et non utilisés pour les synthèses protéiques, sont détoxifiés en urée par le foie. L’urée peut donc provenir de l’absorption excessive de NH3 au niveau ruminal lors de

la protéolyse, non utilisée lors de la protéosynthèse microbienne (cf. § 1.1.1) et de l’excès d’AA absorbés et catabolisés dans le foie (Figure 6). Quelle qu’en soit son origine, l’urée est excrétée dans les urines ou recyclée tout au long du tube digestif (plus particulièrement le rumen et le gros intestin), incluant le recyclage par la salive. Sous l’action d’une uréase microbienne, l’urée ré-incorporée dans le tube digestif est dégradée en NH3 qui peut de

nouveau être utilisé pour la synthèse de protéines microbiennes en particulier lorsque l’apport alimentaire azoté est faible. Le recyclage représente environ 67 % de l’urée produite au niveau corporel (Lapierre et al., 2005).

1.1.5. L’importance du renouvellement protéique

Dans tous les tissus ou organes, il existe un renouvellement protéique permanent, c’est-à-dire une succession de cycles de synthèses et de dégradations protéiques (Figure 7). Ce renouvellement étant imparfait, une part de l’azote est excrétée sous forme d’azote urinaire endogène. Cette perte d’azote minimale a été estimée de façon empirique chez des animaux recevant des régimes très pauvres en azote (Swanson, 1977), ce qui est incompatible avec des objectifs de production. La production d’azote urinaire endogène comprend l’endogène urinaire uréique, provenant du catabolisme minimal des AA, et d’autres composés azotés tels que la 3-méthyl-histidine, les dérivés de bases puriques, la créatine, la créatinine et l'acide hippurique (Dijkstra et al., 2013) et s’ajoute donc aux exportations azotées. Lorsqu’il n’y a pas d’accrétion protéique dans un tissu, le taux de synthèse et de dégradation protéique sont équivalents et la synthèse protéique, sur une base nette, ne requière pas d’AA. Une vache laitière adulte, qui maintient son poids vif et qui produit environ 29 kg/j de lait, synthétise environ 3,5 kg/j de protéines, en dégrade environ 2,5 kg/j et en exporte environ 900 g/j sous forme de matières protéiques du lait (Raggio et al., 2006b). Au niveau de la glande mammaire des ruminants laitiers, la synthèse protéique totale représenterait environ 130 %/j des matières protéiques du lait (Hanigan et al., 2009) et environ 30 % des protéines seraient dégradés en AA (Raggio et al., 2006a).

1.2. L’absorption des acides aminés pour constituer des protéines

Les protéines étant des chaînes peptidiques d’AA suivant une séquence génétique précise, les AA qui les constituent sont classés en deux grandes catégories. Les AA que l’animal est incapable de synthétiser lui-même (Black et al., 1952) sont des AAI. Ces AA doivent donc être apportés par l’alimentation comme l’isoleucine (Ile), la Leu, la Lys, la Met, la phénylalanine (Phe), la thréonine (Thr), le tryptophane (Trp) et la valine (Val). A contrario, les ruminants sont capables de synthétiser certains AA à partir d’atomes d’azote et de carbone : ce sont des AA non

Tableau 2 : Exemple de compositions en acides aminés (AA) des protéines exportées, en g/kg de protéines vraies d’AA anhydres.

Item

Protéines du lait en excluant les protéines

sanguines

Protéines du lait en incluant les protéines

sanguines Protéines endogènes fécales1 Protéines liées aux phanères1 Azote endogène urinaire1 Arg 34,9 ± 0,6 36,8 ± 0,6 59,0 96,1 82,0 His 27,0 ± 0,7 27,9 ± 0,7 35,4 17,5 30,4 Ile 56,8 ± 0,9 58,2 ± 0,9 53,9 29,6 36,9 Leu 101,7 ± 1,0 105,6 ± 1,0 91,9 69,3 82,7 Lys 81,1 ± 2,1 83,8 ± 2,1 76,2 56,4 79,0 Met 31,2 ± 0,6 31,8 ± 0,6 17,3 14,0 23,7 Phe 53,7 ± 1,2 55,5 ± 1,2 52,8 36,1 44,1 Thr 46,0 ± 0,6 48,3 ± 0,6 73,6 40,1 48,4 Trp 15,1 ± 0,3 16,2 ± 0,3 17,9 7,3 10,5 Val 71,0 ± 0,6 73,2 ± 0,6 70,1 46,6 51,3 Ala 31,6 ± 0,4 33,4 ± 0,4 63,2 91,7 85,9 Asn 44,2 ± 0,7 45,2 ± 0,7 Asp 34,8 ± 0,6 36,6 ± 0,6 Asx 75,7 83,9 96,1 Cys 7,2 ± 0,3 8,5 ± 0,3 33,1 27,0 17,4 Gln 96,9 ± 0,7 98,5 ± 0,7 Glu 124,0 ± 0,9 126,8 ± 0,9 Glx 156,7 146,9 157,6 Gly 19,5 ± 0,4 21,1 ± 0,4 84,5 210,8 144,6 Pro 106,7 ± 2,2 108,9 ± 2,2 84,3 123,5 98,0 Ser 61,8 ± 0,5 64,6 ± 0,5 77,2 64,5 57,3 Tyr 55,5 ± 1,5 57,2 ± 1,5 46,5 26,2 30,8