A bendő mikrobioma: döntő szempont a tej- és hústermelés, valamint a nitrogén-felhasználás hatékonyságának optimalizálásakor

Felülvizsgálat

Teljes cikk
Ábrák és adatok
Hivatkozások
Idézetek
Metrikák
Engedélyezés
Újranyomtatások és engedélyek
PDF
EPUB

ABSZTRAKT

A metánt minden kérődző állat előterében a jelenlévő mikroorganizmusok generálják. Az étrendi manipulációt tartják a leghatékonyabb és legkényelmesebb módszernek a metánkibocsátás (és az állat energiaveszteségének) csökkentésére és a nitrogén-felhasználás hatékonyságának növelésére. Ez az áttekintés megvizsgálja az étrend hatását a szarvasmarha bendő működésére, és felvázolja, hogy mi ismert a bendő mikrobiómájáról. Megértésünk erről a területről az utóbbi években jelentősen megnőtt, mivel az omics technológiákat alkalmazták a bendőben lévő mikrobiális összetétel és funkcionális minták meghatározására. Ez az információ kombinálható a táplálkozás, a bendő fiziológiájának, a nitrogén kiválasztásának és/vagy a metán kibocsátásának adataival, hogy átfogó betekintést nyújtson a bendő mikrobiális aktivitása, a nitrogén-felhasználás hatékonysága és a metán-kibocsátás kapcsolatába, végső kilátás nyílva új és továbbfejlesztett kifejlesztésére. beavatkozási stratégiák.

Bevezetés

Globális tejágazat

A globális agrár-élelmiszeripar több mint egymilliárd embert foglalkoztat, ami az összes munkavállaló 1/3-át képviseli. 1 2013-ban a legnagyobb tejtermelők az Egyesült Államok, az EU és India voltak, a világ termelési szintje 617 milliárd liter tej volt. 2 Szerint 3 az EU várhatóan a világ egyik vezető tejexportőrévé válik, és az értékesítés várhatóan 19,2 millió tonna tejegyenértékre nő. 2005 óta a tejkínálat és a kereslet 26% -kal, évi 2,4% -kal nőtt, az elkövetkező 10 évben további 25% -os növekedés várható. A FAO szerint az ipari országok összesített húsfogyasztása 1,3% -kal nőtt az elmúlt 10 évben. Mivel a globális népesség 2050-re 9,1 milliárdra nő, az élelmiszer-termelésnek 70% -kal kell növekednie a megfelelő táplálkozás iránti igény kielégítése érdekében. 4

A tej- és hústermelés növekedésével azonban növekszik az üvegházhatású gázok (ÜHG). Becslések szerint globális szinten az állattenyésztés az antropogén teljes üvegházhatásúgáz-kibocsátás 9–11% -át teszi ki 5, az állatállomány metán (CH4) formájában történő kibocsátásának körülbelül 44% -át teszi ki. 6 Az állatállomány metánkibocsátásának mérése és mérséklése egyre nagyobb jelentőséggel bír. Jelenleg számos metáncsökkentési stratégiát vizsgálnak a kérődzők kibocsátásának csökkentése érdekében, ideértve a jobb takarmányozást és az etetési rendszereket, azaz a bendő mikrobiomjának étrendi manipulálását, az állatok genetikájának és általános egészségi állapotának javítását (amely potenciálisan csökkentheti az állományméretet, miközben fenntartja a tejhozamot)., a metánkibocsátást csökkentő kiegészítők használata és a metanogének elleni immunizálás. 5.

A szarvasmarha bendő mikrobioma

Online közzététel:

1. ábra A kérődzők gyomor-bél traktusa (a Depeters & George 2014-ből adaptálva).

A kérődzők mikrobiotájuk révén olyan összetevőket használhatnak fel, amelyeket az emberi test nem képes lebontani, nevezetesen a lignocellulózt. A lignocellulóz a bolygó legelterjedtebb szénpolimerje, a bendőnek központi szerepe van ennek a hatalmas energiatárolónak a felszabadításában. A bendő végső soron a lignocellulóz felhasználásával olyan termékeket (azaz tejet és húst) készít, amelyek azután az emberek számára elérhetőek, mint tápanyag sűrű táplálékforrások. A gazda és a bendőben található mikrobák közötti kölcsönhatás szinergikus, mivel a gazda hőt, nedvességet és ételt biztosít, míg a mikroorganizmusok fehérjét és emésztési melléktermékeket, például a fent említett VFA-kat termelnek a gazda felhasználására. 13 A mikrobák gazda általi lebontását az irodalom is leírta, a mikrobákat fehérje-, lipid- és keményítõtartalmukhoz használták fel. 14 A komplex bendő-ökoszisztéma baktériumokból, archaea-ból, ciliáns protozoákból, gombákból, bakteriofágokból és vírusokból áll, amelyekről az alábbiakban lesz szó.

Bendő baktériumok

A kérődző állatok előterében a baktériumok a leggyakoribb mikrobák, körülbelül 10 10 - 10 11 sejt/ml és több mint 200 faj. 16 A bendőben található baktériumok összetételét számos tényező diktálja, beleértve bizonyos szubsztrátok (azaz étrend) előnyben részesítését, az energiaigényt és bizonyos anyagcsere-végtermékekkel szembeni ellenállást, amelyek toxikusak lehetnek egyes fajokra. 17 A Hungate 18 tanulmányában, amelyben a bendő mikrobiális populációit tenyésztésalapú megközelítéssel tanulmányozták, megállapították, hogy a bendő baktérium-összetétele főleg Gram-negatív, ha az állatokat magas takarmányú étrenddel táplálják, több Gram-pozitív baktériummal, mint pl. Lactobacillus, magas gabonatartalmú étrenddel etetett állatokban van jelen, a kérő pH-szintje könnyen erjedő szénhidrátok fogyasztása után csökken. 19.

A bendő mikrobiológiai elemzése szempontjából kritikus fontosságúvá vált a molekuláris technikák alkalmazása. Ilyen technikák felhasználhatók a jelenlévő populáció összetételének meghatározására (például a konzervált 16S rRNS gén felhasználásával a baktériumok összetételének meghatározására), a funkcióik előrejelzésére vagy a megcélzott mikrobák felsorolására egy komplex ökoszisztémában tenyésztés nélkül. 20 Ez fontos, mivel becslések szerint a bendő mikrobiotájának csak 20% -a tenyészthető standard technikával. 21 Mivel a 16S rRNS gén szekvenálását először a bendő mikrobiális ökoszisztémáinak tanulmányozására használták, az alacsony bőségű fajok kiterjedt lefedése lehetővé tette a ritka mikrobaközösségek elemzését. A szekvenálás is ezt mutatta Prevotella, Butyrivibrio és Ruminococcus voltak a bendőben a legdominánsabb baktériumok, és ezt a közösségszerkezetet befolyásolják a gazdaszervezet étrendjének változásai. 22 Különösen kimutatták, hogy az étrend összetettsége kedvez a mikrobiális sokféleségnek.

A kérődzők magas takarmány-étrendje miatt, különösen azok, akik füves étrendet kapnak, a cellulóz emésztők fontos részét képezik az állat létfontosságú tápanyagokkal történő ellátásának. Ezek a baktériumok lebontják a cellulózot és a hemicellulózt, a növényi rostok fő alkotóelemeit. 23 A cellulóz lebontásának képessége nagymértékben függ a takarmány típusától, a termés érettségétől és a cellulolitikus baktériumközösségek hozzáférhetőségétől. 17 A növényi rost mátrixa összetett, β-1, 4 kapcsolt glükózmaradékból áll a cellulózhoz és β-1, 4 kapcsolt xilózból áll a hemicellulózhoz, és ennek lebontásához számos hidrolitikus enzim koordinációjára van szükség. 23 Bár sok cellulózbontó baktérium létezik, Fibrobacter szukcinogének és Ruminococcus albus a legkívánatosabb cellulóz lebontók. A cellulóz emésztési képessége sokkal magasabb, mint más cellulolitikus baktériumoké23, ami valószínűleg annak tudható be, hogy számos génnel rendelkeznek, amelyek a rost lebontásában szerepet játszó enzimeket kódolják. A cellulolitikus baktériumok fermentációs végtermékei közé tartozik az acetát, a butirát, a propionát és a CO2. Hidrogén, etanol, borostyánkősav, hangyasav és tejsav is képződik, de más baktériumok gyorsan használják őket. 24.

A keményítő a kérődzők étrendjének is fontos alkotóeleme, különösen a rendkívül produktív tejelő tehenek esetében. A magas gabonaszerű étrend a bendőben lévő keményítő mennyiségének növekedését eredményezi. Streptococcus bovis, egy amilolitikus baktérium normál esetben alacsony mennyiségben van jelen magas takarmányú étrenddel etetett tehenekben vagy egy ideig gabonadíszhez igazított tehenekben, és nagy mennyiségben nem alkalmazkodó tehenekben, amelyek magas gabonatartalmú étrendet fogyasztanak. 25 S. bovis alacsonyabb pH-értékű a növekedéshez, mint sok más baktériumnál, és a magas gabonaszerű étrend fogyasztását követő magas bősége a bendő glükózszintjének hirtelen növekedésének és a protozoonok elvesztésének tudható be a magas gabonatartalmú étrendek okozta savasabb környezet miatt . Pontosabban, a tejsavat keményítőből állítják elő, és mivel a tejsavat az állat nem metabolizálja, ehelyett a bendő falán keresztül felszívódik, ami a tejsav növekedését eredményezi a vérben és a vér pH-értékének csökkenését. Ha az állat étrendjét túl gyorsan megváltoztatják, akkor a bendőben található VFA-k is felhalmozódnak, ami káros hatással van a mikrobiotára és a gazdaállatra. Ezek a súlyos és hirtelen változások a bendő pH-értékének csökkenéséhez és növekedéséhez vezetnek S. bovis és Lactobacillus faj. 26.

Methanogén archeák

Ciliate protozoa

A hasított protozoák a bendőfolyadékban 10 4–10 6 sejt/ml tartományban találhatók, és felelősek a rost teljes emésztésének 30–40% -áért. 16 Viszonylag aktívak a lipid hidrolízisében is, és hidrogént képesek előállítani keresztül hidroszómaik. 45 A Entodinium a nemzetség a legmagasabb domináns protozoon a magas szemű étrendben. Ez a nemzetség gyorsan lebontja a keményítőt, elnyeli azt és jodofil tároló polimerré alakítja. A lebontás a szétválasztás, az amiláz és a glükozidáz enzimek kombinációjával történik. További kutatásokra lehet szükség annak érdekében, hogy meghatározzák azonnali szerepüket a metanogenezisben, és ezáltal jobban megértsék e populáció manipulálásának értékét, mint a kérődzők metán-kibocsátásának csökkentésére szolgáló eszközt.

Amőba

Az amőbák a baktériumok fontos tározóját jelenthetik a környezetben, de szerepük a bendőben nem világos. A vegetatív ciklusban (szaporodás bináris hasadással) az amőba, hasonlóan a csillós protozoonokhoz, a baktériumok fagocitózis útján történő bevitelével marad fenn. 51 Míg további kutatások szükségesek az amőba bendőben játszott szerepének megállapításához, ismert, hogy egyes baktériumok protozoonok révén képesek túlélni a fagocitózist, és endoszimbiontként élnek. 52 Például, Campylobacter jejuni bebizonyosodott, hogy betolakodik Acanthamoeba polyphaga és képes replikálódni vakuolákban. 53 C. jejuni és C. magzat nagy hatással lehet a tehén termékenységére, immunitására és általános egészségi állapotára. 54 Az amőba tehát fontos lehet a bendőben és a szarvasmarha általános egészségében.

Gombák

A bendőgombák (10 3–10 6 zoospora/ml) anaerobok, a Neocallimastigomycetes osztályba tartoznak, amely 6 korábban elismert nemzetségből áll (Anaeromyces, Caecomyces, Cyllamyces, Neocallimastix, Orpinomyces és Piromyces) 21 ismert fajjal, és molekuláris technikák alkalmazásával 2 nemrégiben felfedezett nemzetség Oontomyces 55 és Buwchfawromyces. 56 Felfedezésük megkövetelte a mikrobiológián belüli központi dogma újbóli értékelését, miszerint minden gomba aerob volt. Felvetődött, hogy ezek a gombák a baktériumokból származó gének horizontális átvitelével fejlődtek ki. 57 Az anaerob gombák befolyásolhatják a mikrobiális közösség többi részét, mivel H2-t termelnek a növényi szövet kezdeti lebontása során, és ez a H2 üzemanyagként használható más közösségek lebontási mechanizmusaihoz. A gombák kolonizálják a növény sejtfalait, és a bendőben a teljes mikrobiális biomassza körülbelül 8–12% -át teszik ki, de ez a szám étrendtől függően nagyban változik. 21 A bendőtartalom folyékony és szilárd fázisával egyaránt fontos a gombafajok kimutatása, mivel míg a legtöbb növényi rosttal társult gomba a szilárd fázisban marad, a folyékony fázis kisebb részecskéket tartalmazhat, amelyekhez a gombák kapcsolódhatnak.

Bár a bendőben a baktériumok a legkiemelkedőbb mikroorganizmusok, a gombák a legjobban lebomlanak. Magas szintű cellulázokat és hemicellulázokat termelnek, valamint képesek lebontani a xilánt a xilanázok termelése miatt. Úgy tűnik, hogy a gombák elindítják a takarmány lebontási folyamatát, jelezve, hogy az anaerob gombák kulcsfontosságúak lehetnek a takarmány-felhasználás hatékonyságában, valamint az állatok növekedésében és legelővel táplált kérődzőkben történő termelésében. 59 Mint említettük, az anaerob gombákról úgy gondolják, hogy a baktériumokból származó vízszintes géntranszfer révén fejlődtek ki, és az egyetlen ismert gombák, amelyek megtartják a celluloszómákat, amelyek a sejtfalhoz kapcsolódó multienzim komplexek. A metagenomikus megközelítések képesek lehetnek jelezni a horizontális géntranszfer mértékét és azt, hogy honnan kerültek át ezek a gének. A szénhidrátok lebontásával a gombák metabolitokat termelnek, amelyeket táplálkozási célokra használ a gazdaszervezet. 59 Számos olyan tulajdonságuk van, amelyek egyedivé teszik őket a bendőn kívül található gombákhoz képest, beleértve a poliflagellátos zoospórákat (az oka annak, hogy a bendőgombákat eredetileg tévesen ciliáris protozoonáknak tévesztették), a hidrogénoszómákat, a celluloszómákat és a széles enzimatikus spektrumot. 60

Bakteriofág

A bendő mikrobiom elemzésének technikái

Kultúrától függő megközelítések

A kérődző állatok gyomor-bél traktusában a végtagok széles skálája található, ami megnehezíti az optimális növekedés feltételeinek megismétlését. Míg a specifikus mikrobák növekedhetnek és jellemezhetők, nagy százalékuk kulturálhatatlan in vitro és nem termeszthető laboratóriumi táptalajon. A kultúrától függő technikák különféle szelektív és dúsító tenyésztési feltételekre támaszkodnak a mikrobák természetes környezetének megismétlése érdekében. Az anaerobok tenyésztése meglehetősen nehéz az oxigén kizárásának szükségessége, a mikrobák lassú növekedése és egyéb növekedési követelmények összetettsége miatt (Rufener et al.). 65 folyamatos tenyésztési rendszert használt a bendő környezetének replikálásához. Ezt a technikát, hasonló technikákkal együtt, használták a bendő mikrobák felsorolására és azonosítására.

Creevey és mtsai. 67 számos kultúragyűjteményt és adatbázist értékelt, és megállapította, hogy a bendőből a Firmicutes és a Lachnospiraceae család tagjai voltak a leggyakrabban tenyésztett baktériumok. A bakteriodióták csak kis számot képviseltek, az azonosított törzsek csak 2 nemzetséghez tartoztak. Arra a következtetésre jutottak, hogy bár a kultúragyűjtemények meghatározták az összes fő taxonómiai csoportot, amelyekről széles körben ismert, hogy a bendő működésének kulcsszereplői, ezek nem képviselik a bendő mikrobiomjának teljes változatosságát. Amint azt korábban Krause és munkatársai elmondták, 21 szerint a bendő mikrobiotájának csak 20% -a tenyészthető szokásos technikákkal, és újabban McCabe és mtsai. 68 azt sugallták, hogy a bendőben tenyészthető mikrobák a összes mikrobiális faj.