doi: 10.15389/agrobiology.2020.4.697rus
УДК 636.294:579.62:577.2
Исследование выполнено при поддержке гранта РНФ для реализации научного проекта № 17-76-20026 «Микробиоценоз рубца Rangifer tarandus Арктических регионов России как фундаментальная основа получения перспективных биотехнологий для сельскохозяйственных животных».
СЕЗОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ МИКРОБИОМА РУБЦА У СЕВЕРНОГО
ОЛЕНЯ (Rangifer tarandus) В УСЛОВИЯХ РОССИЙСКОЙ АРКТИКИ
Л.А. ИЛЬИНА1, В.А. ФИЛИППОВА1, К.А. ЛАЙШЕВ2,
Е.А. ЙЫЛДЫРЫМ1, Т.П. ДУНЯШЕВ1, Е.А. БРАЖНИК1,
А.В. ДУБРОВИН1, Д.В. СОБОЛЕВ1, Д.Г. ТЮРИНА1,
Н.И. НОВИКОВА1, Г.Ю. ЛАПТЕВ1, А.А. ЮЖАКОВ2,
Т.М. РОМАНЕНКО3, Ю.П. ВЫЛКО3
Северный олень (Rangifer tarandus) — крупное голарктическое травоядное животное, особенности условий обитания которого, в том числе низкие температур и скудные рационы, обусловили эволюционное развитие уникальной рубцовой микробиоты, необходимой для эффективного усвоения арктической флоры. В зимний период большую долю кормовых растений северного оленя составляют лишайники, богатые вторичными метаболитами, которые могут влиять на представителей микробного консорциума пищеварительного тракта. Ранее сообщалось о токсическом действии некоторых метаболитов лишайников (например, усниновой кислоты) на ряд микроорганизмов (Clostridiales, Enterococcus, Staphylococcus aureus, Escherichia coli и др.), а также на жвачных животных (лосей). Однако о влиянии потребления лишайников на микробиом рубца северных оленей мало что известно. Нами с применением молекулярно-биологического анализа впервые были исследованы сезонные закономерности формирования микробных сообществ рубца северных оленей R. tarandus, обитающих в условиях Российской Арктики. Цель исследования — сравнение состава бактериального сообщества рубца северных оленей в летне-осенний и зимне-весенний периоды с использованием метода NGS-секвенирования. При анализе микробных сообществ оценивали биоразнообразие, таксономическую структуру, а также взаимозависимость этих показателей с особенностями питания северного оленя в связи со сменой сезона. Образцы содержимого рубца отбирали в летне-осенний и зимне-весенний периоды в 2017-2018 годах у 20 особей ненецкой породы (4-8-месячные телята и взрослые животные в возрасте 3-6 лет, n = 3 для каждой возрастной группы) в Ненецком автономном округе (АО). Сезонные, но не половозрастные различия оказались основным фактором влияния на бактериальное сообщество рубца северных оленей, что, по всей видимости, обусловлено неодинаковым составом пастбищного рациона. В летне-осенний период отмечено достоверное повышение показателей α-биоразнообразия микробиома рубца по сравнению с зимне-весенним по числу OTUs (Operational Taxonomic Units), индексам Chao1 и Шеннона. Сопоставление β-разнообразия микробиоты рубца северных оленей продемонстрировало наличие выраженной кластеризации образцов по сезонам года. Несмотря на то, что в зимний период рацион северных оленей был представлен преимущественно лишайниками, которые не являются типичным кормом для других жвачных (крупного рогатого скот, овец и др.), было интересно отметить, что в целом полученный микробиомный профиль соответствовал современным представлениям о микробиоте рубца жвачных животных. Тем не менее в разные сезонные периоды отмечены значимые изменения представленности ряда таксонов, наиболее четкие из которых были детектированы для микроорганизмов, ассоциированных с процессами ферментации полисахаридов корма. Так, в зимне-весеннийсезон выявлено достоверное увеличение обилия микроорганизмов, разлагающих полисахариды лишайников, в том числе гемицеллюлозу (Butyrivibrio, Ruminococcus) и лихенин (Succiniclasticum, Paraprevotellaceae, Prevotella). В летние-осенний период отмечается достоверное увеличение доли целлюлозолитических бактерий Clostridium, Blautia, Clostridiales, Christensenellaceae, Mogibacteriaceae, Prevotellaceae. Кроме того, показано, что в летний период в рубце северного оленя развивается группа микроорганизмов, которые относятся к возбудителям инфекций (Erysipelotrichaceae, Coriobacteriaceae, Mycoplasmataceae, Rickettsiales). В целом полученные результаты позволяют сделать вывод о достаточно четкой ассоциации микробиома рубца северного оленя с особенностями питания в разные сезоны, определяющей адаптацию животных к экологическим условиям.
Ключевые слова: Rangifer tarandus, северный олень, рубец, микробиом, сезонность, NGS-секвенирование, Российская Арктика.
L.A. Ilina1, V.A. Filippova1, K.A. Layshev2, E.A. Yildirim1,
T.P. Dunyashev1, E.A. Brazhnik1, A.V. Dubrovin1, D.V. Sobolev1,
D.G. Tiurina1, N.I. Novikova1, G.Yu. Laptev1, A.A. Yuzhakov2,
T.M. Romanenko3, Yu.P. Vylko3
Reindeer (Rangifer tarandus) is a large Holarctic herbivore animal, the habitat of which, including its existence at low temperatures and poor diets, has led to the evolutionary development of their unique rumen microbiota, which is necessary for the efficient assimilation of the Arctic flora. In winter, lichens rich in secondary metabolites which can influence the representatives of the microbial consortium of the digestive tract, make up a large proportion of reindeer fodder plants. The toxic effects of certain lichen metabolites (e.g., usnic acid) on a number of microorganisms (Clostridiales, Enterococcus, Staphylococcus aureus, Escherichia coli, etc.) as well as ruminants (elk) were previously reported. However, little is known about the effect of lichen consumption on the reindeer rumen microbiome. Using molecular analysis, we were the first to study the seasonal patterns of the formation of the microbial communities of the rumen of the reindeer Rangifer tarandus, living in the Russian Arctic. The purpose of the study was to compare the composition of the bacterial community of the reindeer rumen in the summer-autumn and winter-spring periods using the method of NGS-sequencing. In the analysis of microbial communities, biodiversity, taxonomic structure, and the relationship of these indicators with the characteristics of reindeer nutrition in connection with seasonal changes were evaluated. Samples of the rumen content were collected in the summer-autumn and winter-spring periods in 2017-2018 from 20 Nenets reindeer (calves 4-8 months old and adult animals 3-6 years old, n = 3 per each age group) in the Nenets Autonomous District (AD). Seasonal differences, in contrast to gender and age, turned out to be the main factor influencing the reindeer rumen bacterial community, which, most likely, is due to differences in the composition of the pasture diet. In the summer-autumn period, a significant increase in the α-biodiversity of the rumen microbiome was noted compared to the winter-spring time for the number of OTUs, Chao1 and Shannon indices. A comparison of the β-diversity of the reindeer rumen microbiota composition has demonstrated the presence of pronounced cluster formation for samples collected in different seasons of the year. Despite the fact that in the winter period the diet of reindeer was mainly represented by lichens which are not typical food for other ruminants (such as cattle, sheep, etc.), it was interesting to note that, on the whole, the obtained microbiome profiles correspond to modern ideas about the ruminant rumen microbiota. Nevertheless, during different seasonal periods, significant changes in the representation of a number of taxa were noted, the clearest of which were detected for microorganisms associated with feed polysaccharide fermentation. So, in the winter-spring season, a significant increase in microorganisms that decompose polysaccharides of lichens, including hemicellulose (Butyrivibrio, Ruminococcus), and lichenin (Succiniclasticum, Paraprevotellaceae,and Prevotella). In the summer-autumn period, a significant increase in the proportion of cellulolytic bacteria (Clostridium, Blautia, Clostridiales, Christensenellaceae Mogibacteriaceae,and Prevotellaceae) is noted. In addition, it has been shown that in the summer period a whole spectrum of microorganisms that belong to bacterial pathogens, including Erysipelotrichaceae, Coriobacteriaceae, Mycoplasmataceae,and Rickettsiales, proliferate in the reindeer rumen. On the whole, the results obtained allow us to conclude that the reindeer rumen microbiome is quite clearly associated with nutritional characteristics during various seasonal periods, which determine adaptation to environmental conditions.
Keywords: Rangifer tarandus, reindeer, rumen, microbiome, seasonal changes, NGS, Russian Arctic.
1ООО «БИОТРОФ+», |
Поступила в редакцию |
