Преглед

  • Пълен член
  • Цифри и данни
  • Препратки
  • Цитати
  • Метрика
  • Лицензиране
  • Препечатки и разрешения
  • PDF
  • EPUB

РЕЗЮМЕ

Метанът се генерира в предните черва на всички преживни животни от присъстващите микроорганизми. Диетичните манипулации се считат за най-ефективния и най-удобен начин за намаляване на емисиите на метан (и от своя страна загубата на енергия в животното) и увеличаване на ефективността на оползотворяване на азота. Този преглед изследва въздействието на диетата върху функцията на говежди рубец и очертава това, което е известно за микробиома на търбуха. Нашето разбиране за тази област се увеличи значително през последните години поради прилагането на технологии omics за определяне на микробния състав и функционалните модели в рубеца. Тази информация може да се комбинира с данни за храненето, физиологията на търбуха, екскрецията на азот и/или емисията на метан, за да се осигури изчерпателна представа за връзката между микробната активност на рубея, ефективността на използване на азота и емисията на метан, с краен изглед за развитието на нови и подобрени интервенционни стратегии.

микробиомът

Въведение

Глобален млечен сектор

В глобалната селскостопанска и хранително-вкусова промишленост работят над 1 милиард души, представляващи 1 на 3 от всички работници. 1 През 2013 г. най-големите производители на млечно мляко са САЩ, ЕС и Индия, с нива на глобално производство от 617 милиарда литра мляко. 2 Според, 3 ЕС се очаква да се превърне в един от водещите износители на мляко в света, като се очаква продажбите да нараснат до 19,2 милиона тона млечен еквивалент. От 2005 г. насам търсенето и предлагането на мляко са се увеличили съответно с 26%, съответно на 2,4% годишно, като следващият растеж от 25% се очаква през следващите 10 години. Според ФАО, общото потребление на месо в индустриалните страни нараства с 1,3% годишно през последните 10 години. Тъй като глобалното население трябва да се увеличи до 9,1 милиарда до 2050 г., производството на храни ще трябва да се увеличи със 70%, за да отговори на нуждите за адекватно хранене. 4

С увеличаването на производството на мляко и месо обаче се увеличава и парниковите газове (ПГ). В глобален мащаб се изчислява, че производството на животни допринася между 9% и 11% от общите антропогенни емисии на парникови газове 5 с приблизително 44% от емисиите на добитъка под формата на метан (CH4). 6 Измерването и смекчаването на емисиите на метан от добитъка има все по-голямо значение. Понастоящем се изследват редица стратегии за смекчаване на метана с цел намаляване на емисиите от преживни животни, включително по-добри фуражи и системи за хранене, т.е. диетични манипулации на микробиома на червея, подобрена генетика и цялостно здраве на животните (потенциално водещи до намалени размери на стадото при запазване на млечните добиви), използване на добавки, които намаляват емисиите на метан и имунизация срещу метаногени. 5

Микробиом от едър рогат добитък

Публикувано онлайн:

Фигура 1. Стомашно-чревния тракт на преживните животни (адаптирано от Depeters & George 2014).

Фигура 1. Стомашно-чревния тракт на преживните животни (адаптирано от Depeters & George 2014).

Чрез действието на своята микробиота преживните животни могат да използват компоненти, които човешкото тяло не може да разгради, а именно лигноцелулоза. Лигноцелулозата е най-разпространеният въглероден полимер на планетата, като червеят има централна роля в освобождаването на този огромен запас от енергия. В крайна сметка червеят използва лигноцелулоза за производство на продукти (т.е. мляко и месо), които след това са на разположение на хората за консумация като хранителен плътен източник на храна. Взаимодействието между гостоприемника и микробите в червея е синергично, тъй като гостоприемникът осигурява топлина, влага и храна, докато микроорганизмите произвеждат протеини и странични продукти от храносмилането, като гореспоменатите VFAs, за използване от гостоприемника. 13 Разграждането на микробите от гостоприемника също е описано в литературата, като микробите се използват за тяхното съдържание на протеини, липиди и нишесте. 14 Сложната екосистема на търбуха се състои от бактерии, археи, ресничести протозои, гъби, бактериофаги и вируси, които ще бъдат разгледани по-долу.

Румен бактерии

Бактериите са най-разпространените микроби в предната част на преживните животни, с приблизително 10 10 - 10 11 клетки/ml и над 200 вида. 16 Съставът на бактериите, намерени в червея, се диктува от редица фактори, включително предпочитание към определени субстрати (т.е. диета), енергийни нужди и устойчивост на определени метаболитни крайни продукти, които могат да бъдат токсични за някои видове. 17 В проучване на Hungate18, при което микробните популации на рубци са изследвани с помощта на културен подход, беше установено, че бактериалният състав на рубца е главно отрицателен по Грам, когато животните се хранят с високо фуражна диета, с повече Грам положителни бактерии, като напр. Лактобацилус, присъства при животни, хранени с високо зърнени храни, с нива на pH на преживните животни спадат след консумацията на лесно ферментирали въглехидрати 19.

Използването на молекулярни техники стана критично важно за анализа на микробиологията на рубца. Такива техники могат да се използват за определяне на състава на присъстващата популация (като се използва, например, консервираният 16S рРНК ген за определяне на бактериалния състав), да се предскажат техните функционалности или да се изброят целеви микроби в сложна екосистема, без да е необходимо култивиране. 20 Това е важно, тъй като се изчислява, че само 20% от микробиотата на червея може да бъде култивирано със стандартни техники. 21 Тъй като секвенирането на гена 16S rRNA за първи път се използва за изследване на микробни екосистеми на рубея, широкото покритие на видове с ниско изобилие дава възможност за анализ на редки микробни съобщества. Последователността също показа това Превотела, Бутиривибрио и Руминокок са били най-доминиращите бактерии в червея и тази структура на общността се влияе от промените в диетата на гостоприемника. 22 По-специално е показано, че сложността на диетата благоприятства увеличеното микробно разнообразие.

Поради високата фуражна диета на преживните животни, особено тези, които получават диети на основата на трева, целулозните разградители са важна част от снабдяването на животното с жизненоважни хранителни вещества. Тези бактерии разграждат целулозата и хемицелулозата, основните компоненти на растителните влакна. 23 Способността за разграждане на целулозата силно зависи от вида фураж, зрелостта на културите и достъпността на целулолитичните бактериални съобщества. 17 Матрицата от растителни влакна е сложна, съставена от β-1, 4 свързани остатъци от глюкоза за целулоза и β-1, 4 свързана ксилоза за хемицелулоза, изискваща координацията на редица хидролитични ензими, за да я разгради. 23 Въпреки че има много бактерии, разграждащи целулозата, Fibrobacter сукциногени и Ruminococcus albus са най-желаните разградители на целулозата. Способността им да усвояват целулозата е много по-висока от тази на други целулолитични бактерии, 23 което вероятно се дължи на факта, че те притежават редица гени, кодиращи ензими, участващи в разграждането на фибрите. Крайните продукти на ферментацията на целулолитичните бактерии включват ацетат, бутират, пропионат и CO2. Водород, етанол, янтарна киселина, мравчена киселина и млечна киселина също се образуват, но бързо се използват от други бактерии. 24

Нишестето също е важен елемент от диетата на преживните животни, особено за високопродуктивните млечни крави. Диетите с високо съдържание на зърнени храни водят до увеличаване на количеството нишесте в рубеца. Streptococcus bovis, амилолитична бактерия, обикновено присъства в малък брой при крави, хранени с високо фуражни диети, или крави, приспособени към зърнена диета с течение на времето, и в голямо количество в неадаптирани крави, които консумират диети с високо съдържание на зърнени храни. 25 S. bovis има по-ниско рН, оптимално за растеж от много други бактерии, и голямото му изобилие след консумация на високозърнести диети се дължи на внезапното повишаване на нивата на глюкоза в червея и загубата на протозои поради по-киселата среда, създадена от диети с високо зърно . По-конкретно, млечната киселина се произвежда от нишесте и тъй като млечната киселина не се метаболизира от животното, тя вместо това се абсорбира през стената на търбуха, което води до повишаване на млечната киселина в кръвта и понижено рН на кръвта. Ако диетата на животното се промени твърде бързо, има и натрупване на VFA, открити в червея, които имат вредно въздействие върху микробиотата и животното гостоприемник. Тези тежки и внезапни промени водят до намаляване на рН на рубея и увеличаване на S. bovis и Лактобацилус видове. 26

Метаногенни археи

Ciliate протозои

Ciliate протозои се намират в диапазона от 10 4 - 10 6 клетки/ml в течността на рубца и са отговорни за 30 до 40% от общото храносмилане. 16 Те също са относително активни в липидната хидролиза и могат да произвеждат водород чрез техните хидрозоми. 45 Ентодиний родът е най-доминиращият протозой в диетите с високо съдържание на зърнени храни. Този род бързо разгражда нишестето, поглъща го и го превръща в йодофилен полимер за съхранение. 16 Разграждането настъпва чрез комбинация от ензими за отстраняване, амилаза и глюкозидаза. Може да са необходими повече изследвания, за да се определи тяхната непосредствена роля в метаногенезата и следователно да се създаде по-добро разбиране на стойността на манипулирането на тази популация като средство за намаляване на емисиите на метан при преживните животни.

Амеба

Амебите могат да представляват важен резервоар за бактерии в околната среда, но тяхната роля в рубеца е неясна. Във вегетативния цикъл (размножаване чрез бинарно делене) амебите, подобни на ресничестите протозои, оцеляват чрез поглъщане на бактерии чрез фагоцитоза. 51 Докато са необходими по-нататъшни изследвания, за да се установи ролята на амебата в червея, е известно, че някои бактерии могат да оцелеят във фагоцитоза от протозои и да живеят като ендосимбионти. 52 Например, Campylobacter jejuni е доказано, че нахлува Acanthamoeba polyphaga и може да се възпроизвежда във вакуоли. 53 C. jejuni и В. плод може да има големи ефекти върху плодовитостта на кравите, имунитета и цялостното здраве. 54 Амеба следователно може да бъде важна за здравето на рубея и общото говедо.

Гъби

Руменните гъбички (10 3 - 10 6 зооспори/ml) са анаеробни, попадащи в клас Neocallimastigomycetes, състоящ се от 6 предварително признати рода (Anaeromyces, Caecomyces, Cyllamyces, Neocallimastix, Orpinomyces и Piromyces) с 21 известни вида и, използвайки молекулярни техники, 2 наскоро открити рода Oontomyces 55 и Buwchfawromyces. 56 Откритието им изисква преоценка на централната догма в микробиологията, че всички гъби са аеробни. 21 Предполага се, че тези гъби са еволюирали чрез хоризонтален трансфер на гени от бактерии. 57 Анаеробните гъби могат да повлияят на останалата част от микробната общност, тъй като те произвеждат H2 по време на първоначалното разграждане на растителната тъкан и този H2 може да се използва като гориво за механизмите на разграждане на други съобщества. Гъбите колонизират растителните клетъчни стени и представляват приблизително 8–12% от общата микробна биомаса в търбуха, но тази цифра варира в широки граници в зависимост от диетата. 21 Работата както с течната, така и с твърдата фаза на съдържанието на рубци е важна за откриването на гъбични видове, тъй като докато повечето свързани с растителни влакна гъби се задържат в твърдата фаза, течната фаза може да съдържа по-малки частици, към които гъбите може да са се прикрепили.

Въпреки че бактериите са най-изявените микроорганизми в рубеца, гъбите са най-добрите разградители. Те произвеждат високи нива на целулази и хемицелулази, както и притежават способността да разграждат ксилана поради производството на ксиланази. 58 Гъбите изглежда инициират процеса на разграждане на фуражите, което показва, че анаеробните гъби могат да бъдат ключови за ефективността на използването на фуражите и растежа и производството на животни в пасищни преживни животни. 59 Както беше споменато, се смята, че анаеробните гъби са еволюирали чрез хоризонтален генен трансфер от бактерии и са единствените известни гъби, които задържат целулозоми, които са свързани с клетъчната стена мултиензимни комплекси. 57 Метагеномичните подходи могат да покажат степента на хоризонтален трансфер на гени и откъде тези гени са били прехвърлени. Разграждайки въглехидратите, гъбите произвеждат метаболити, използвани за хранителни цели от гостоприемника. 59 Те имат много характеристики, които ги правят уникални в сравнение с гъбичките, открити извън рубея, включително полифлагелатни зооспори (причината, поради която гъбите от търбух първоначално са били объркани с ресничести протозои), хидрогенозоми, целулозоми и широки ензимни спектри. 60

Бактериофаг

Техники за анализ на микробиома на рубца

Подходи, зависими от културата

Стомашно-чревният тракт на преживните животни има широк спектър от крайници, което затруднява възпроизвеждането на условия за оптимален растеж. Докато специфични микроби могат да растат и могат да бъдат характеризирани, голям процент са необратими инвитро и не може да се отглежда на лабораторни среди. Културно-зависимите техники разчитат на различни селективни и обогатяващи културни условия, за да възпроизведат естествената среда на микробите. Култивирането на анаероби е доста трудно поради необходимостта от изключване на кислорода, бавния растеж на микробите и сложността на други изисквания за растеж (Rufener et al.). 65 са използвали непрекъсната културна система, за да възпроизведат средата на рубея. Тази техника, заедно с подобни техники, е била използвана за изброяване и идентифициране на микроби от рубци.

Creevey et al. 67 са оценили няколко колекции от култури и бази данни и са установили, че членовете на вида Firmicutes и семейство Lachnospiraceae са най-често култивираните бактерии от червея. Бактериодетите представляват само малък брой, като идентифицираните щамове принадлежат само на 2 рода. Беше направено заключението, че въпреки че колекциите от култури са идентифицирали всички основни таксономични групи, за които е широко известно, че са ключови играчи във функцията на червея, те не представляват пълното разнообразие на микробиома на червея. Както беше посочено по-рано Krause et al., 21 изчислява, че само 20% от микробиотата на червея може да се култивира със стандартни техники, а в последно време McCabe et al., 68 предполага, че култивируемите микроби в червея представляват по-малко от 1% от общо микробни видове.

Независими от културата подходи