Long-term effects of disbudding: stress reactivity, behaviour and meat quality in young fattening cattle

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Long-term effects of disbudding:
stress reactivity, behaviour and
meat quality in young fattening
cattle

 Doctoral Thesis

 Author(s):
 Reiche, Anna-Maria

 Publication date:
 2020

 Permanent link:
 https://doi.org/10.3929/ethz-b-000440365

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DISS. ETH NO. 26550

 Long-term effects of disbudding: stress reactivity,
behaviour and meat quality in young fattening cattle

                      A thesis submitted to attain the degree of

                        DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH

                                 (Dr. sc. ETH Zurich)

                                    presented by

                                 Anna-Maria Reiche

   MSc « Sciences de l’Animal pour l’élevage de demain », Agrocampus Ouest Rennes

                   Staatsexamen Veterinärmedizin, LMU München

                                 born on 31.07.1988

                                 citizen of Germany

                        accepted on the recommendation of

                              Dr. E.M. Claudia Terlouw

                               Dr. Anet Spengler-Neff

                              Dr. Frigga Dohme-Meier

                              Prof. Dr. Susanne Ulbrich

                                        2020

Abstract
Disbudding, referring to the removal or destruction of the horn bud in young calves, usually using a hot
iron, is a common management practice in cattle farming. Associated short-term effects have been
well investigated and include physiological, behavioural and emotional stress reactions. Little is known
about possible long-term effects of horned versus disbudded cattle. There is evidence that horn status
influences the social rank and the quantity and quality of social interactions. Previous social and non-
social experiences during rearing may impact stress reactivity, which can be investigated from both
physiological and behavioural points of view. Physiological short-term stress reactions include an
increase in catecholamine and cortisol concentrations through activation of both the sympathetic
nervous system and the hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis. In case of prolonged experience of
adverse stimuli, a modified HPA axis reactivity comprising of an altered adrenal cortisol responses to
adrenocorticotropic hormone [ACTH] may occur. Behavioural stress reactivity can be evaluated by
challenging individuals to experimental, mainly fear-eliciting situations. Being highly variable between
individuals and stable across time and contexts, individual behavioural stress reactivity may also impact
reactions to pre-slaughter stress and, therefore, its influences on meat quality. The present study
investigated possible long-term effects of disbudding in fattening cattle by focusing on possible
differences between horned and disbudded cattle regarding to HPA axis reactivity, behaviour, pre-
slaughter stress just before slaughter and meat quality. We used 81 bulls (experiment 1 [E1]) and 71
heifers (experiment 2 [E2]) reared under different conditions: groups of i) exclusively horned cattle
(H+), ii) exclusively disbudded cattle (H-) and, additionally for E1, iii) mixed cattle (half horned, half
disbudded, M). At slaughter, half of the bulls of each rearing condition were slaughtered under one of
two slaughter conditions: with limited stress (LS) or with supplementary stress (SS) during the 30
minutes before slaughter. During rearing, we investigated the HPA axis reactivity and its repeatability
using repeated ACTH challenges (first challenge before disbudding, the second and third at 11 months)
and spontaneous (general activity and synchrony) and reactive (during novel object and food
competition tests (NOT and FCT, respectively)) behaviours. At slaughter, we studied physiological stress
reactivity and meat quality (physical, chemical and sensory traits). The repeatability of adrenal cortisol
responses was weak and moderate, when the physiological state between challenges varied or did not
change, respectively. Although standardizing the time of day of ACTH challenges improved the
repeatability, the readout remains questionable. Horned bulls of unmixed rearing groups showed
greater cortisol responses after disbudding than unmixed H- bulls. Compared to H- animals, horned
bulls and heifers showed greater general activity in the field (E1 and E2) and greater levels of agonistic
behaviour during FCT, due to higher levels of agonistic interactions with contact (E1) and without
contact (E2). During NOTs, H+ bulls of unmixed and mixed groups showed more exploration and less
locomotion, possibly indicating less fearfulness, than H- bulls, whereas the opposite effect was found
for heifers in E2. A supplementary stress at slaughter increased the physiological stress response,
especially in unmixed rearing groups, and decreased meat juiciness. In unmixed groups, horned bulls
had colder carcasses, shorter sarcomeres (also within mixed groups), and less tender meat than H-
bulls. Our study revealed several novel long-term effects of disbudding. Only if reared in unmixed
groups, horned and disbudded cattle differed in HPA axis reactivity and behaviour, pre-slaughter stress
levels and meat quality. Additionally, supplementary pre-slaughter stress just before slaughter affected
pre-slaughter stress levels and meat quality. Further research is needed to refine our understanding of
these results, improve the assessment parameters and extend these findings of the horn status to other
contexts, including, for example, dairy cows, on-farm experiments and human– animal relationships.

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Zusammenfassung
Das Enthornen von Kälbern ist ein weitverbreiteter Routine-Eingriff in der Rinderhaltung, der sich auf
das Entfernen oder Zerstören der Hornanlage, meist durch einen heissen Brennstab, bezieht.
Kurzzeitfolgen der Enthornung sind häufig untersucht worden und beinhalten sowohl physiologische,
verhaltensassoziierte als auch emotionale Reaktionen. Über mögliche Langzeitfolgen der Enthornung
und somit potenzielle Unterschiede zwischen be- und enthornten Rindern ist bisher nur wenig bekannt.
Es gibt Hinweise, dass der Hornstatus den sozialen Rang und die Quantität und Qualität sozialer
Interaktionen beeinflusst. Frühe soziale und nicht-soziale Erfahrungen während der Aufzucht können
spätere Stressreaktionen beeinflussen. Letztere können auf physiologischer Ebene und auf Ebene des
Verhaltens untersucht werden. Kurzfristige physiologische Stressreaktionen beinhalten zum Beispiel
den Anstieg von Catecholamin- und Cortisolkonzentrationen, der durch die Aktivierung des
sympathischen Nervensystems und der Hypothalamus-Hypophysen-Nebennieren-Axe (HHN)
verursacht wird, während das Erleben länger andauernder aversiver Stimuli die Reaktivität der HHN-
Axe, z.B. die durch Adrenocorticotropin (ACTH) ausgelöste adrenale Cortisol-Freisetzung, verändern
kann. Die Evaluation der verhaltensbezogenen Stressreaktivität erfolgt, während ein Individuum mit
experimentellen, meist angstauslösenden Situationen konfrontiert ist. Die individuelle Stressreaktivität
unterscheidet sich stark zwischen Individuen und ist im Zeitverlauf und in verschiedenen Situationen
stabil. Daher beeinflusst sie auch die Reaktionen auf Stress vor der Schlachtung, und somit deren
Auswirkungen auf die Fleischqualität. In der vorliegenden Studie wurden mögliche Langzeit-Effekte der
Enthornung bei Mastrindern, bzw. potenzielle Unterschiede zwischen be- und enthornten Rindern
hinsichtlich HHN-Reaktivität, Verhalten, Stress kurz vor der Schlachtung und Fleischqualität untersucht.
Einundachtzig Bullen (Experiment 1 (E1)) und 71 Färsen (Experiment 2 (E2)) wurden in verschiedenen
Haltungsgruppen gemästet, nämlich in Gruppen mit i) ausschliesslich behornten Tieren (H+), ii)
ausschliesslich enthornten Tieren (H-) und in E1 zusätzlich iii) in gemischten Gruppen (Hälfte der Tiere
ent- bzw. behornt; M). Die Hälfte der Bullen jeder Haltungsgruppe wurde unter einem von zwei
Schlachtprotokollen geschlachtet: mit limiertem Stress (LS) oder mit zusätzlichem Stress während 30
min vor der Schlachtung (SS). Während der Mastperiode wurden die HHN-Reaktivität sowie deren
Messwiederholbarkeit durch wiederholte ACTH-Tests (erster Test vor der Enthornung, zweiter und
dritter im Alter von 11 Monaten) untersucht, sowie Beobachtungen spontanen (generelle Aktivität und
Synchronisation) und reaktiven Verhaltens (während Novel-Object-Tests (NOT) und in einer
Futterkonkurrenz-Situation (FCT)) durchgeführt. Bei der Schlachtung wurden physiologische
Stressreaktionen sowie physikalische, chemische und sensorische Aspekte der Fleischqualität
untersucht. Die Wiederholbarkeit der adrenalen Cortisol-Freisetzung war schwach bis moderat, wenn
der physiologische Zustand zwischen den ACTH-Tests sich veränderte bzw. gleich blieb. Die
Standardisierung der Tageszeit von ACTH-Tests verbesserte die Wiederholbarkeit. Behornte Bullen
ungemischter Haltungsgruppen setzten nach der Enthornung auf ACTH-Injektionen hin mehr Cortisol
frei als H- Bullen. Behornte Bullen und Färsen zeigten eine höhere generelle spontane Aktivität und
mehr agonistische Interaktionen während FCTs als enthornte, aufgrund mehr agonistischer
Interaktionen mit Körperkontakt (E1) bzw. ohne Körperkontakt (E2). In NOTs zeigten behornte Bullen
ungemischter und gemischter Gruppen mehr Explorationsverhalten und bewegten sich weniger fort,
möglicherweise Ausdruck weniger Ängstlichkeit, während bei Färsen der Effekt umgekehrt war.
Zusätzlicher Stress am Schlachthof erhöhte die physiologischen Stressniveaus, vor allem in
ungemischten Haltungsgruppen, und verringerte die Saftigkeit des Fleisches. Das Fleisch der H+ Bullen
ungemischter Gruppen wurde als weniger zart bewertet als das der H- Bullen. Mehrere Langzeit-
Konsequenzen der Enthornung wurden in dieser Studie beobachtet: Be- und enthornte Rinder
ungemischter, nicht aber gemischter Gruppen unterschieden sich in HHN-Reaktivität, Verhalten,
Stresslevels vor der Schlachtung und Fleischqualität. Zusätzlicher Stress kurz vor der Schlachtung
beeinflusste Stresslevels vor der Schlachtung und Fleischqualität. Für ein besseres Verständnis dieser

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Ergebnisse und zur Erweiterung der Kenntnisse über Effekte des Hornstatus bedarf es adäquater
Kenngrössen zur Erfassung von Stress sowie weitere Studien, die den Hornstatus zum Beispiel an
Milchkühen, in Feldversuchen oder hinsichtlich der Mensch-Tier-Beziehung untersuchen.

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