Impact of housing environment and rearing condition on the immune system and welfare of laying hens

In recent years, consumers’ interest in modern farm animal husbandry and, above all, criticism of intensive production systems that can impair animal welfare, have increased sharply. From hatch, chickens are confronted by a wide range of environmental and social stressors that may confound homeostasis and impair their health and welfare. Not being able to deal with the environment can lead to an activation of the stress system, resulting in a release of neuroendocrine signals like glucocorticoids. These have the potential to modify the immune system and alter species-specific behavior with possible detrimental impacts on animals’ health and welfare. In this context, early-life conditions play a special role as they were shown to have long-term consequences for physiology and behavior in the later life. High stocking densities which activate the hypothalamic-pituitary-adrenal-axis are said to be one of the largest welfare concerns in the poultry industry. Previous research has primarily focused on the effects of stocking density on broilers and adult laying hens, but few studies have focused explicitly on layer pullets, and none of them investigated long-term effects on the immune system. The understanding of short- and long-term consequences of environmental conditions during rearing on the immune system and behavior of layer pullets is essential for shaping an environment that avoids allostatic overload, thus promoting animal health and welfare. This doctoral thesis aimed to identify and evaluate potential immunomodulating factors in the housing environment of chickens. In order to achieve this, it summarizes and reviews important aspects of housing environments for the immune system in chickens. Furthermore, an existing flow cytometric method for the enumeration of leukocytes and discrimination of lymphocyte subsets in blood was adapted to lymphatic tissues. Moreover, short- and longterm consequences of stocking density during rearing on the immune system, stress hormone level and behavior in layer pullets were evaluated. The results are described in detail in three peer-reviewed manuscripts published in international journals. The literature analysis identified several housing conditions as immunomodulating factors. Light management was marked as an effective tool to modulate the immune response in chickens, as long light phases were demonstrated to lower adaptive cellular and humoral immune responses while certain light colors, especially of shorter wavelengths, promote some immune functions. Moreover, particularly high ammonia and hydrogen sulfide concentrations pose a threat to chickens’ health by dampening the adaptive immune response and promoting inflammation. However, the interaction between housing environment and management is complex. Depending on the type of housing form, chickens are confronted with different social and environmental challenges, which in turn can have an impact on the immune and stress system. An understanding of immunosuppressive risk factors is essential for successful poultry management aiming to optimize health, welfare and economic efficiency. To broaden the assessment of immune status for scientific purposes, new staining- and gating strategies for avian lymphatic tissues were adapted to an existing flow cytometric method for blood. The adaptation process showed that the application of already established protocols to other tissues is possible, but has to be examined carefully as tissue-specific effects or cell-preparative procedures might lead to differences in possible combinations of antibody-fluorochrome conjugates. The results of the experimental study within this doctoral thesis demonstrate for the first time that stocking density during rearing has not only short- but also long-term impacts on the immune system in laying hens. Pullets reared at high stocking densities showed stress-related alterations in immune cell numbers and higher incidences of feather pecking that manifest in the laying period. This highlights the significance of early-life conditions for immunocompetence throughout the whole production cycle. Of particular interest is that the number of gamma-delta T cells was lower in the high-density group, which has not been investigated in any stress-related studies with chickens before. The present doctoral thesis provides a significant contribution to the improvement of health and welfare in poultry farming and forms a basis for further research about long-lasting consequences of rearing conditions on the immune system, especially in laying hens.

In den letzten Jahren stieg das Interesse der Gesellschaft an der modernen Nutztierhaltung und vor allem die Kritik an intensiven Produktionssystemen, die das Wohlergehen der Tiere beeinträchtigen können, stark an. Bereits zu Beginn ihres Lebens sind Hühner einer Vielzahl von umweltbedingten und sozialen Stressoren ausgesetzt, die ihr physiologisches Gleichgewicht dureinander bringen und damit ihre Gesundheit und ihr Wohlbefinden beeinträchtigen können. Kann sich der Organismus nicht an die äußeren Umstände anpassen, werden Stresssysteme aktiviert und neuroendokrine Signale, wie Glucocorticoide, freigesetzt. Diese haben das Potenzial nicht nur das Immunsystem, sondern auch artspezifisches Verhalten zu beeinflussen, was direkte Folgen für die Tiergesundheit und das Tierwohl haben kann. In diesem Zusammenhang spielen Umweltbedingungen in der frühen Lebensphase eine besondere Rolle, da sie weitreichende Konsequenzen für die Physiologie und das Verhalten im späteren Leben nach sich ziehen können. Hohe Besatzdichten gelten als eines der größten Tierwohlprobleme in der Geflügelindustrie, die die Hypothalamus-Hypophysen-Nebennieren-Achse aktivieren. Vergangene Studien über Auswirkungen der Besatzdichte konzentrierten sich in erster Linie auf Masthähnchen und ausgewachsene Legehennen und nur wenige richteten ihren Fokus auf Junghennen, wobei keine dieser Studien auch langfristige Effekte der Besatzdichte auf das Immunsystem untersuchten. Um eine Haltungsumwelt für Legehennen zu schaffen, die eine allostatische Überlastung vermeidet und damit die Gesundheit und das Wohlbefinden fördern kann, sind Erkenntnisse über kurz- und langfristige Einflüsse der Haltungsbedingungen während der Aufzucht auf das Immunsystem und das Verhalten essentiell. Ziel dieser Doktorarbeit war es daher potenzielle immunmodulierende Faktoren in der Haltungsumwelt von Hühnern zu identifizieren und zu bewerten. Hierfür wurde der Einfluss von unterschiedlichen Haltungsfaktoren auf das Immunsystem von Hühnern in einem Übersichtsartikel zusammengefasst. Darüber hinaus wurde ein bestehendes durchflusszytometrisches Verfahren zur Bestimmung der Leukozytenzahl und der Differenzierung von Lymphozytensubpopulationen im Blut an lymphatisches Gewebe angepasst. Außerdem wurden kurz- und langfristige Auswirkungen der Besatzdichte während der Aufzucht auf das Immunsystem, die Stresshormonkonzentration und das Verhalten bei Legehennen untersucht. Die Ergebnisse wurden in drei referierten wissenschaftlichen Publikationen zusammengefasst. Die Literaturanalyse identifizierte einige Haltungsbedingungen als immunmodulierende Faktoren. Das Lichtmanagement konnte als wirksames Mittel zur Modulation der Immunantwort bei Hühnern dargelegt werden, da lange Lichtphasen die adaptive zelluläre und humorale Immunantwort drosseln, während bestimmte Lichtfarben, insbesondere von kürzeren Wellenlängen, einige Immunfunktionen fördern. Darüber hinaus stellen besonders hohe Ammoniak- und Schwefelwasserstoffkonzentrationen eine Gefahr für die Gesundheit der Hühner dar, da sie die adaptive Immunantwort schwächen und Entzündungen fördern können. Die Wechselbeziehungen zwischen der Haltungsumwelt und dem Management ist dabei von essentieller Bedeutung. Je nach Art der Haltungsform sind Hühner mit unterschiedlichen sozialen und umweltbedingten Herausforderungen konfrontiert, die ihrerseits wiederum Auswirkungen auf das Immun- und Stresssystem haben können. Die Identifikation immunsuppressiver Risikofaktoren ist für eine erfolgreiche Geflügelhaltung unerlässlich, um Gesundheit, Wohlbefinden und wirtschaftliche Effizienz zu optimieren. Um die Beurteilung des Immunstatus für Forschungszwecke zu erweitern, wurden Färbe- und Gating-Strategien für aviäre lymphatische Organe zur durchflusszytometrischen Messung an ein bereits bestehendes Verfahren für Blut angepasst. Der Anpassungsprozess zeigte, dass die Anwendbarkeit bereits etablierter Protokolle für andere Organe grundsätzlich möglich ist, jedoch sorgfältig geprüft werden sollte, da unter anderem gewebespezifische sowie zellpräparative Effekte mögliche Kombinationen von Antikörper-Fluorochrom-Konjugaten beeinflussen können. Die Ergebnisse der experimentellen Studie im Rahmen dieser Doktorarbeit zeigte als erste Studie überhaupt, dass die Besatzdichte während der Aufzucht nicht nur kurzfristigesondern auch langfristige Auswirkungen auf das Immunsystem von Legehennen hat. Junghennen, die bei hohen Besatzdichten aufgezogen wurden, zeigten stressbedingte Veränderungen in der Anzahl der Immunzellen und eine höhere Inzidenz von Federpicken, die sich in der Legeperiode manifestierten. Dies unterstreicht die Bedeutung der frühen Lebensbedingungen für die Immunkompetenz während des gesamten Produktionszyklus. Besonders interessant ist dabei, dass die Anzahl an gamma-delta T Zellen Bei den Tieren aus der hohen Besatzdichte niedriger ist, was noch in keiner Stress-assoziierten Studie mit Hühnern zuvor untersucht worden ist.