사료의 영양소 수준과 유전적 잠재력의 상호작용 효과가 거세한우의 성장, 혈장 대사물질, 도체 특성 및 반추위 미생물 군집에 미치는 영향 = Interactive Effects of Dietary Nutrient Level and Genetic Potential on Growth Performance, Plasma Metabolites, Carcass Characteristics, and Rumen Microbiota in Hanwoo Steers

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 배합사료의 영양수준과 유전능력 및 그 상호작용이 거세한우의 성장, 혈장 대사물질, 도체 특성 및 반추위 미생물 군집에 미치는 영향을 조사하기 위해 생후 7개월령의 한우 송아지 157두를 공시하여 거세 및 유전능력을 분석하고, 사료 및 환경에 대한 적응 기간을 거친 후 생후 8개월령부터 26까지 사양실험을 수행하였다.

연구 1. 배합사료 영양수준이 거세한우의 성장 특성, 혈장 대사·호르몬 지표, 도체 특성 및 반추위 미생물 군집에 미치는 영향

본 연구는 배합사료의 영양수준 강화가 거세한우의 성장 특성, 혈장 대사물질, 도체 형질 및 반추위 미생물 군집에 미치는 영향을 규명하고자 수행되었다. 연구 결과, 영양수준 상향(처리구)은 전 기간 체중에는 유의적인 영향을 미치지 않았으나, 비육 후기(22-26개월령)의 일당증체량을 유의하게 증가시키고 사료요구율을 낮추어(p < 0.05) 실질적인 성장 효율을 개선하는 효과를 보였다. 혈액 대사물질 분석에서 처리구는 대조구에 비해 혈중 NEFA 농도가 낮고 Triglyceride 농도는 높게 유지되어(p < 0.05), 체지방 분해는 억제되고 지방 합성은 활성화되는 긍정적인 에너지 균형 상태임이 확인되었다. 반추위 발효 특성에서는 처리구의 프로피온산 생성 비율이 증가하고 NH3-N 농도는 감소하였으며(p < 0.05), 미생물 군집 분석(ALDEx2) 결과 처리구에서는 당질 및 단백질 대사에 관여하는 Succinivibrio와 Prevotella가 정(+)의 효과 크기를 보이며 우점한 반면, 대조구에서는 섬유소 분해성 Lachnospiraceae 계열이 부(-)의 효과 크기를 나타내며 우세한 경향을 보였다. 이러한 미생물 군집의 구조적 천이는 반추위 내 에너지-단백질 대사의 동조화를 촉진하고 대사적 스트레스를 완화함으로써 비육 후기 성장 효율 향상에 기여한 것으로 판단된다. 비록 도체 형질에서는 통계적인 유의차가 관찰되지 않았으나 육량 A등급 및 육질 1++ 등급 출현율이 개선되는 경향을 보였다. 결론적으로, 배합사료의 영양수준 강화는 반추위 발효 환경과 대사 효율을 개선하여 비육 성적을 높이는 유효한 전략임이 입증되었으며, 향후 최종 도체 성적의 확실한 차별화를 위해서는 개체별 유전능력과 미생물 조절을 통합적으로 고려한 정밀 사양 체계의 도입이 필요할 것으로 사료된다.

연구 2. 유전능력이 거세한우의 사양성적, 혈장 대사·호르몬 농도, 도체 특성 및 반추위 미생물 군집에 미치는 영향

본 연구는 유전능력(육질형 vs 육량형)의 차이가 거세한우의 사양성적, 혈액 대사물질, 도체 특성 및 반추위 미생물 군집에 미치는 영향을 구명하고자 수행되었다. 육량형 그룹은 육질형 그룹에 비해 전 기간 체중 및 일당증체량이 유의하게 높았으며, 사료요구율은 낮게 나타나(p < 0.05) 더 우수한 성장 효율을 보였다. 반면 조사료 섭취량은 육질형 그룹에서 더 높게 나타났다. 육량형 그룹은 특정 시기(생후 8, 21개월령)에 혈장 NEFA 및 triglyceride 농도가 높게 나타난 반면, 육질형 그룹은 생후 21개월령의 혈중 인슐린 농도가 유의하게 높아 유전능력에 따른 대사적 차이를 확인하였다. 육량형 그룹이 도체중과 등심단면적에서 유의적으로 높은 성적을 보였고 육량 A등급 출현율이 우세했던 반면, 육질형 그룹은 육질 1+ 등급 이상 출현율이 더 높게 나타났다. 반추위 미생물 군집 분석에서는 발효 지표와 종 다양성의 차이는 없었으나 군집 조성의 뚜렷한 차이가 관찰되었다. 육질형 그룹은 메탄 생성균인 Euryarchaeota와 Christensenellaceae R-7 group, Prevotellaceae UCG-003 등의 풍부도가 높았던 반면, 육량형 그룹은 Ruminococcus gauvreauii group이 우점하는 특성을 보였다. 따라서, 두 그룹 간 성장 효율의 차이는 단순한 섭취량의 차이를 넘어, 미생물 군집의 미세 조정과 대사적 조절이 복합적으로 작용한 결과로 해석된다. 특히 육질형 그룹에서 확인된 Euryarchaeota의 우점은 에너지 손실 가능성을 시사하며, 인슐린 분비 특성과 맞물려 성장 효율 저하의 잠재적 원인으로 판단된다. 따라서 향후 한우 산업의 생산성 극대화를 위해서는 이러한 유전능력별 대사 생리 및 미생물학적 특성을 반영한 정밀 사양 관리 프로그램의 도입이 필요할 것으로 생각된다.
연구 3. 배합사료 영양수준과 유전능력이 거세한우의 성장, 혈장 대사·호르몬, 도체 특성 및 반추위 미생물 군집에 미치는 영향

본 연구는 배합사료의 영양수준(관행 vs 영양강화)과 유전능력(육질형 vs 육량형) 및 이들의 상호작용이 거세한우의 생산성, 대사 생리 및 반추위 발효 생태계에 미치는 영향을 통합적으로 구명하고자 수행되었다. 육량형 유전능력을 가진 개체에게 영양강화 사료를 급여한 그룹(TY)은 비육 후기(22 - 26개월령) 일당증체량이 가장 높고 사료요구율은 가장 낮게 나타났다(p < 0.05). 특히 비육 전기(13 - 21개월령)의 일당증체량, 사료요구율에서 상호작용 효과가 확인되어, 육량형 개체는 고영양 공급 시 성장 잠재력이 극대화되는 반면 육질형 개체의 반응은 제한적이 었다. 대사적으로 육질형-영양강화(TQ) 그룹은 21개월령에 높은 혈중 인슐린 농도를 보여 에너지를 지방 축적으로 우선 배분하는 특성을 보였으며, TY 그룹은 비육 후기 낮은 NEFA 농도를 유지하여 에너지 균형이 개선되었다. 도체 형질에서 도체중과 등심단면적은 유전능력의 주효과가 지배적이었으나, 등지방두께에서는 상호작용 효과가 관찰되었다. 반추위 미생물 분석 결과, TY 그룹에서는 Prevotella와 Ruminococcus gauvreauii group 등 프로피온산 생성균이 우점하고 Christensenellaceae R-7 group은 감소하는 뚜렷한 군집 재편이 발생하였으며, 이는 반추위 내 프로피온산 농도 증가와 직접적으로 연관되었다. 종합해 볼 때, 거세한우의 생산성은 단순한 영양 공급이나 유전적 소질 하나에 의해 결정되는 것이 아니라 두 요인의 상호작용에 기인한다. 따라서 육량형에게는 성장 잠재력을 뒷받침할 충분한 영양 공급을, 육질형에게는 대사적 특성을 고려한 관리 전략을 적용하는 유전능력 기반 정밀 사양 체계의 도입이 필수적인 것으로 판단된다.

연구 4. 도체 등급(육질 및 육량 등급)에 따른 반추위 발효특성 및 미생물 군집 변화

본 연구는 동일한 사양 조건에서 비육된 거세한우의 최종 도체 등급(육질 등급: 1++, 1+, 1; 육량 등급: A, B)에 따라 반추위 발효 성상과 미생물 군집 구조에 차이가 존재하는지를 규명하기 위해 후향적 분석을 수행하였다. 분석 결과, 육질 등급 및 육량 등급 간 반추위 pH, NH3-N, VFA 농도 및 미생물 다양성 지수에는 통계적으로 유의미한 차이가 없었으며, 이는 장기간의 동일 사료 급여가 반추위 환경을 거시적인 생태적 평형 상태로 수렴시켰음을 시사한다. 미생물 군집 분석에서 육질 등급 간 주요 문(phylum)의 분포는 유사하였으나, 1++ 등급에서 Thermodesulfobacteriota가, 1+ 등급에서 UCG-002가 유의하게 높게 나타나는 미세한 차이가 관찰되었다. 육량 등급의 경우, A등급 개체군에서 Chloroflexota, Methanobacteriota 및 Spirochaetota의 풍부도가 유의적으로 높았으며(p < 0.05), 속(Genus) 수준에서는 Flexilinea가 우점하는 경향을 보였다. 특히 Heatmap 분석을 통해 A등급 개체들은 숙주 유전 형질과 연관된 Christensenellaceae 계열이나 전분 분해 관련 Rikenellaceae 계열이 군집화되는 패턴을 보인 반면, B등급은 섬유소 분해균인 Ruminococcus가 우세한 경향을 나타냈다. 종합해 볼 때, 고품질 육질과 고수율 육량의 달성은 반추위 미생물 생태계의 구조적 재편보다는, 생성된 발효 산물을 체조직으로 전환하는 숙주의 대사 효율과 유전적 잠재력에 의해 주도적으로 결정되는 것으로 판단된다. 다만, 특정 기능성 미생물의 군집화 패턴은 숙주의 유전적 특성이 미생물 정착에 미세한 영향을 미치고 있음을 방증하며, 이는 한우의 생산성이 숙주와 미생물 간의 상호작용을 통한 Hologenome적 관점에서 해석되어야 함을 시사한다. 향후 연구에서는 숙주의 전사체와 미생물 대사체를 연계한 다층적 분석을 통해 숙주-미생물 간의 기능적 동조화 기전을 규명할 필요가 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study investigated the effects of concentrate diet nutritional level, genetic potential, and their interaction on growth performance, plasma metabolite concentrations, carcass characteristics, and the rumen microbiome in Hanwoo steers. A total of 157 Hanwoo male calves (7 months old) were castrated and classified into two genetic potential groups, and then fed experimental diets from 8 to 26 months of age after an adaptation period to the diet and housing environment.

Experiment 1. Effects of concentrate diet nutritional levels on growth performance, plasma metabolite concentrations, carcass characteristics, rumen fermentation, and rumen microbiota in Hanwoo steers

This study investigated the effects of enhanced concentrate diet nutritional levels on growth performance, plasma metabolite concentrations, carcass characteristics, rumen fermentation, and the rumen microbiome in Hanwoo steers. Feeding the enhanced-nutrient diet (treatment group) did not significantly affect body weight throughout the experimental period; however, it increased average daily gain (ADG) and decreased feed conversion ratio (FCR) during the late fattening period (22–26 months of age; p < 0.05), suggesting improved growth efficiency. The treatment group showed lower non-esterified fatty acid (NEFA) and higher triglyceride concentrations than the control group (p < 0.05), indicating a more favorable energy status. In rumen fermentation, the treatment group showed higher propionate and lower NH3-N concentrations than the control group (p < 0.05). Differential abundance analysis using ALDEx2 indicated enrichment of Succinivibrio and Prevotella in the treatment group relative to the control group (enriched in the treatment group), whereas fibrolytic Lachnospiraceae were relatively enriched in the control group (enriched in the contorl group). These microbial differences may have contributed to improved growth efficiency by enhancing the synchronization of energy and nitrogen metabolism. Carcass characteristics did not differ between groups; however, the appearance rates of yield grade A and quality grade 1++ tended to be higher in the treatment group.

Experiment 2. Effects of genetic potential on growth performance, plasma metabolites concnetrations, carcass characteristics, and rumen microbiota in Hanwoo steers

This study investigated how genetic potential (yield type vs. quality type) influences growth performance, plasma metabolite concentrations, carcass characteristics, and the rumen microbiota in Hanwoo steers. The yield type group showed higher body weight and average daily gain (ADG) and a lower feed conversion ratio (FCR) than the quality type group (p < 0.05), whereas roughage intake was numerically higher in the quality type group. The yield type group exhibited higher plasma non-esterified fatty acid (NEFA) and triglyceride concentrations at specific ages, while the quality type group showed a higher insulin concentration at 21 months of age (p < 0.05). Carcass weight and rib eye area were greater in the yield type group (p < 0.05), whereas the quality type group showed a numerically higher appearance rate of quality grade 1+ or higher. Although rumen fermentation parameters did not differ between groups, the rumen microbiota composition differed; the quality type group was enriched in Euryarchaeota, Christensenellaceae R-7 group, and Prevotellaceae UCG-003, whereas the yield type group was relatively enriched in the Ruminococcus gauvreauii group. The higher abundance of Euryarchaeota in the quality type group may be associated with greater methane-related energy loss, which, together with insulin-related metabolic differences, may partly explain the lower growth efficiency in the quality type group.

Experiment 3. Effects of Concentrate Diet Nutritional Levels and Genetic Potential on Growth Performance, Plasma Metabolite Concentrations, Carcass Characteristics, and Rumen Microbiota in Hanwoo Steers

This study investigated the interaction effects of concentrate diet nutrient level (control vs. treatment) and genetic potential (quality type vs. yield type) on growth performance, plasma metabolite concentrations, carcass characteristics, and the rumen microbiome in Hanwoo steers. The TY group (treatment diet × yield type) showed the highest average daily gain (ADG) and the lowest feed conversion ratio (FCR) during the late fattening period (22–26 months of age; p < 0.05). A significant interaction was also detected for growth traits(ADG, FCR) during the early fattening period (13–21 months of age; p < 0.05), indicating that yield type animals expressed greater growth potential under enhanced nutrient supply, whereas responses of quality type animals were more limited. Metabolically, the TQ group (treatment diet × quality type) showed a higher insulin concentration at 21 months of age, suggesting preferential energy partitioning toward fat deposition, whereas the TY group maintained a lower plasma non-esterified fatty acid (NEFA) concentration during the late fattening period. For carcass traits, an interaction effect was observed for backfat thickness, while the main effects of genetic potential were more evident for carcass weight and rib eye area. Rumen microbiome analysis indicated a distinct community shift in the TY group, which was enriched in propionate-associated taxa (e.g., Prevotella and the Ruminococcus gauvreauii group) and showed a lower abundance of the Christensenellaceae R-7 group; these changes were consistent with the increased ruminal propionate concentration. Overall, growth performance was influenced by the interaction between concentrate diet nutrient level and genetic potential, supporting the need for genetic potential-based precision feeding strategies.

Experiment 4. Changes in Rumen Fermentation Characteristics and Rumen Microbiota by Carcass Quality and Yield Grades

A retrospective analysis was conducted to determine whether rumen fermentation characteristics and the rumen microbiota differed by carcass grades in Hanwoo steers raised under the same feeding conditions. Steers were classified as quality grades 1++, 1+, and 1 and yield grades A and B. No statistically significant differences were detected in rumen pH, NH3-N, volatile fatty acid (VFA) concentrations, or alpha-diversity indices across quality or yield grades, suggesting that long-term feeding of the same diet leads to convergence toward a relatively stable rumen ecosystem. Although the overall phylum-level composition was broadly similar among steers classified as quality grades 1++, 1+, and 1, subtle differences were observed; Thermodesulfobacteriota was numerically higher in steers classified as quality grade 1++, and UCG-002 was numerically higher in steers classified as quality grade 1+. Among steers classified as yield grades A and B, Chloroflexota, Methanobacteriota, and Spirochaetota were higher in those classified as yield grade A (p < 0.05), and Flexilinea tended to be more abundant at the genus level. Heatmap analysis further indicated that steers classified as yield grade A clustered with Christensenellaceae- and Rikenellaceae-associated patterns, whereas those classified as yield grade B were more closely associated with Ruminococcus. Therefore, achieving high meat quality and yield appears to be driven primarily by host metabolic efficiency and genetic potential rather than by broad-scale restructuring of the rumen microbiota; nevertheless, grade-associated microbial clustering patterns suggest subtle host genetic influences on microbial assembly, supporting interpretation from a hologenomic perspective. Future studies integrating host transcriptomics with microbial metabolomics will be required to clarify functional synchronization mechanisms between the host and the microbiota.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 연구사 3
• 1. 국내 한우산업의 현황 3
• 2. 국내 유전체 선발의 현황 6
• 3. 출하 월령 7
• 4. 반추위 미생물 군집 8
• 1) 반추위 미생물에 의한 주요 영양소 대사 기전 9
• 2) 육질 및 육량 특성에 영향을 미치는 반추위 미생물 군집 14
• (1) 육질 특성(근내지방)에 영향을 미치는 반추위 미생물 군집 14
• (2) 성장 효율 및 육량 특성에 영향을 미치는 반추위 미생물 군집 15
• 5. 선행 연구의 한계와 본 연구의 차별성 17
• 1) 환경 제어 조건에서의 다요인(영양·유전·미생물) 통합 분석 및 장기 추적 데이터 미흡 17
• 2) 2x2 요인 설계(영양수준 X 유전능력)를 통한 에너지 분배 기전 구명의 필요성 17
• 3) 26개월 단기 비육 모델의 생물학적 검증 및 학문적 기여 18
• Ⅲ. 사료의 영양소 수준과 유전적 잠재력의 상호작용 효과가 거세한우의 성장, 혈장 대사물질, 도체 특성 및 반추위 미생물 군집에 미치는 영향 19
• 1. 서론 19
• 2. 재료 및 방법 21
• 가. 시험장소 및 공시동물 21
• 나. 실험설계, 사양관리 및 시험사료 21
• 다. 조사항목 22
• 1) 시험축 유전능력 평가 22
• 2) 성장특성, 혈장 대사물질 농도 및 호르몬 농도 23
• 3) 도체 특성 조사 24
• 4) 반추위액 채취, pH, NH3-N 및 휘발성지방산 25
• 5) DNA 추출 및 16S rRNA 유전자 시퀀싱 26
• 6) 통계분석 27
• 3. 결과 및 고찰 28
• 연구 1. 배합사료의 영양수준이 거세한우의 성장 특성, 혈장 대사·호르몬 지표, 도체 특성 및 반추위 미생물 군집에 미치는 영향 28
• 1) 성장 특성 28
• 2) 혈장 대사물질 30
• 3) 혈장 호르몬 농도 37
• 4) 도체 특성 38
• 5) 반추위 발효 특성 및 미생물 군집 40
• 6) 요약 및 결론 52
• 연구 2. 유전능력이 거세한우의 사양성적, 혈중 대사·호르몬 지표, 도체 특성 및 반추위 미생물 군집에 미치는 영향 54
• 1) 성장 특성 54
• 2) 혈장 대사물질 56
• 3) 혈장 호르몬 농도 62
• 4) 도체 특성 64
• 5) 반추위 발효 특성 및 미생물 군집 66
• 6) 요약 및 결론 79
• 연구 3. 배합사료 영양수준과 유전능력이 거세한우의 성장, 혈장 대사·호르몬, 도체 특성 및 반추위 미생물 군집에 미치는 영향 82
• 1) 성장 특성 82
• 2) 혈장 대사물질 87
• 3) 혈장 호르몬 농도 99
• 4) 도체 특성 101
• 5) 반추위 발효 특성 및 미생물 군집 106
• 6) 요약 및 결론 124
• 연구 4. 도체 등급(육질 및 육량 등급)에 따른 반추위 발효특성 및 미생물 군집 비교 128
• 1) 육질 등급에 따른 반추위 발효 특성 및 미생물 군집 비교 128
• 2) 육량 등급에 따른 반추위 발효 특성 및 미생물 군집 비교 139
• 3) 요약 및 결론 150
• Ⅳ. 종합 결론 152
• Ⅴ. 참고문헌 154
• Ⅵ. 부록 190
• Abstract 200