doi: 10.15389/agrobiology.2021.2.356rus
УДК 636.2:577.121:579.6:577.2
Исследование выполнено при поддержке гранта РФФИ № 20-016-00168 «Исследование особенностей экспрессии генов метаболизма микробного сообщества рубца крупного рогатого скота под влиянием различных кормовых факторов».
ТАКСОНОМИЧЕСКИЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
МИКРОБИОТЫ РУБЦА У ДОЙНЫХ КОРОВ С ДИАГНОЗОМ КЕТОЗ
Г.Ю. ЛАПТЕВ, Е.А. ЙЫЛДЫРЫМ ✉, Т.П. ДУНЯШЕВ, Л.А. ИЛЬИНА,
Д.Г. ТЮРИНА, В.А. ФИЛИППОВА, Е.А. БРАЖНИК, Н.В. ТАРЛАВИН,
А.В. ДУБРОВИН, Н.И. НОВИКОВА
В последние годы в животноводческих хозяйствах Российской Федерации резкое увеличения уровня молочной продуктивности у крупного рогатого скота за счет введения в рацион высоких количеств крахмала при одновременном снижении доли некрахмалистых полисахаридов отрицательно сказалось на многих функциях животных, с чем связан, в частности, рост распространенности метаболических заболеваний. Одно из подобных расстройств — кетоз, заболевание, которое отмечается у 23-80 % высокопродуктивных коров в послеотельный период. Отрицательный энергетический баланс у дойных коров в период лактации нарушает координацию липидного обмена между жировой тканью, печенью, кишечником и молочными железами, что приводит к кетозу. Микробное сообщество рубца играет значительную роль в энергетическом гомеостазе хозяина, его метаболической и физиологической адаптации к периодам недостатка энергии. Однако исследования, касающиеся состава микробного сообщества и реализуемых микроорганизмами метаболических путей при кетозе молочных коров, немногочисленны. В настоящем сообщении мы описали изменения микробного пейзажа и реализуемых микроорганизмами метаболических путей в рубце молочных коров при кетозе. Целью работы было сравнение состава и метаболического потенциала рубцовой микробиоты у двух дойных коров черно-пестрой голштинизированной породы 3-й лактации (клинически здоровой и кетозной) с применением NGS-секвенирования и количественной ПЦР с обратной транскрипцией. Была также проведена биоинформатическая реконструкция с прогнозированием функционального потенциала метагеномного сообщества. В микробиоте рубце коровы с кетозом повышалась доля таксонов, ассоциированных с нарушением энергетического баланса, в частности связанном с глюконеогенезом, повышением синтеза лактата, усилением патогенеза. Так, в 1,2 раза (при р ≤ 0,05) снижалась представленность бактерий филума Bacteroidetes, включавшего роды, связанные с образованием пропионата и сукцината — главных источников глюкозы для глюконеогенеза и высокоценных для коров янтарной и уксусной кислот. В рубце кетозного животного мы обнаружили повышение (р ≤ 0,05) доли родов Odoribacter и Frischella, среди которых встречаются патогены, а также представленности патогенного вида Bacteroides fragilis. У коровы, больной кетозом, произошло полное исчезновение из состава микробиоты рубца неатрибутируемых бактерий из рода Gp15. Выявлена достоверная разница (р ≤ 0,001) в экспрессии гена ldh-L L-лактатдегидрогеназы между животными: уровень экспрессии генов, ассоциированных с синтезом этого фермента, у коровы с кетозом был в 128±17,9 раза выше, чем у клинически здорового животного. С применением программного комплекса PICRUSt2 и MetaCyс было показано, что у коровы с диагнозом кетоз предсказанный потенциал функциональной активности микробиоты усилен в отношении 12 метаболических путей (р ≤ 0,05). В частности, повышен прогнозируемый метаболический потенциал, связанный с осуществлением гетероферментативного молочнокислого брожения, усилением деградации гекситолов, синтезом О-антигенов, используемых патогенными формами для избегания фагоцитоза и противостояния литическому действию системы комплемента.
Ключевые слова: кетоз, микробиом рубца, жвачные, NGS-секвенирование, PICRUSt2, MetaCyс, экспрессия генов, метаболические пути.
G.Yu. Laptev, E.A. Yildirim ✉, T.P. Dunyashev, L.A. Ilina, D.G. Tyurina,
V.A. Filippova, E.A. Brazhnik, N.V. Tarlavin, A.V. Dubrovin, N.I. Novikova
In recent years, in the livestock farms of the Russian Federation, a sharp increase in the level of milk productivity in cattle due to the introduction of high amounts of starch into the diet while reducing the proportion of non-starchy polysaccharides negatively affected many functional characteristics of the animal organism, which led, inter alia, to an increase in the prevalence of metabolic diseases. One of these disorders is ketosis which occurs in 23-80 % of highly productive cows in the post-calving period. A negative energy balance in dairy cows during lactation leads to a violation of the coordination of lipid metabolism between adipose tissue, liver, intestines and mammary glands, which leads to ketosis. The microbial community of the rumen plays a significant role in the energy homeostasis of the host, its metabolic and physiological adaptation to periods of lack of energy. In the present research, we describe the pattern of changes of microbial community structure and ongoing microbial metabolic pathways in the rumen of dairy cows with ketosis. The aim of the study was to study the influence of the incidence of ketosis in cows on the composition and metabolic potential of the rumen microbiome using NGS sequencing and quantitative PCR with reverse transcription. The proportion of ketosis in the rumen of the cow increased taxa associated with impaired energy balance, in particular, gluconeogenesis, increased synthesis of lactate, intensification of the pathogenesis process. The abundance of phylum Bacteroidetes decreased 1.2 times (at p ≤ 0.05). This phylum includes bacteria related to the formation of propionate and succinate, the main sources of glucose for the gluconeogenesis process and highly valuable for cows succinic and acetic acids. In the rumen of the animal with ketosis, we found an increase (p ≤ 0.05) in the proportion of the genera Odoribacter and Frischella among which there are pathogens, as well as the presence of the pathogenic species Bacteroides fragilis. In the cow with ketosis, non-attributable bacteria from the genus Gp15 completely disappeared from the rumen microbiota. The reconstruction and forecasting of the functional content of the metagenomic community was also carried out using a software package. A significant difference (p ≤ 0.001) was revealed in the expression level of the Ldh-L lactate dehydrogenase gene between animals: the expression level of genes associated with the synthesis of this enzyme in the cow with ketosis was 128±17.9 times higher than in the clinically healthy animal. Using the PICRUSt2 and MetaCyс software package, it was shown that the level of the predicted functional potential with respect to 12 metabolic pathways of the rumen microbiome was increased (p ≤ 0.05) in the cow with ketosis. In particular, there was an increase in the level of predicted metabolic capabilities of the microbiome associated with the implementation of heteroenzymatic lactic acid fermentation, an increase in the possibility of hexitol degradation, the synthesis of O antigens used by pathogenic forms to avoid phagocytosis and to resist the lytic effect of the complement system, etc.
Keywords: ketosis, rumen microbiome, ruminant, NGS sequencing, PICRUSt2, MetaCys, gene expression, metabolic pathways.
ООО «БИОТРОФ+», |
Поступила в редакцию |
