Interrelations between feed, host and rumen microbiota in dairy cows

Die schnelle Anpassung des Pansenmikrobioms an eine neue Ration gehort zu den Schlusselmerkmalen der Uberlebensstrategie der Wiederkauer. Verschiedene Studien haben die Redundanz und Elastizitat des Pansenmikrobioms beschrieben wodurch die Fermentation und Nahrstoffextraktion aus einer breiten Palette von Futtermitteln ermoglicht wird. Des Weiteren wurde der starke Einfluss des Wirtsindividuums auf das Pansenmikrobiom beschrieben und festgestellt, dass viele Fragestellungen bezuglich der zeitlichen, raumlichen und mikrobiellen Dynamik weitestgehend ungeklart sind. Ziel der vorliegenden Arbeit war es deshalb die verschiedenen Faktoren zu untersuchen welche das Pansenmikrobiom beeinflussen und die Zusammenhange naher zu beleuchten. Dazu wurden drei Studien durchgefuhrt, die jeweils einen anderen Aspekt im Wirt-Mikrobiom Zusammenspiel betrachten: die Anpassung an eine neue Ration, der Einfluss von anti-ketogenen Futterzusatzstoffen und den Zusammenhang von phanotypischen Merkmalen des Wirtes mit dem Pansenmikrobiom. Die Pansenmikrobiomproben aus allen drei Studien wurden mittels einer DNA-fingerprinting (single-strand conformation polymorphism, SSCP) und einer „Next-Generation Sequencing“ Methode (16S rRNA Gen Amplikon Sequenzierung mittels der Illumina MiSeq Plattform) untersucht. Fur die erste Untersuchung wurde das Pansenmikrobiom an drei verschiedenen Stellen beprobt (Flussigkeit, Futterpartikel und Epithel). Dies wurde im Rahmen eines Versuches durchgefuhrt, in dem die Umstellung von einer Kraftfutter- und Silage-basierten Futterung (Stallhaltung) auf Weide und deren Einfluss auf den Metabolismus der Milchkuh im Fokus stand. Um den Einfluss von anti-ketogenen Futterzusatzstoffen auf das Pansenmikrobiom zu untersuchen wurden Proben in einem Versuch gesammelt, in dem der Einfluss von Monensin und atherischen Olen auf die Leistung, Tiergesundheit und Pansenfermentation der Milchkuh im Transitzeitraum betrachtet wurde. Fur die dritte Studie wurde ein umfangreicher Datensatz bestehend aus Daten zu Leistung, Fressverhalten, Pansenmikrobiom und -fermentation, Metabolismus und Immunsystem von 36 gesunden Milchkuhen im fruhen Zeitraum ihrer Laktation ausgewertet. Die erste Studie bestatigte das Konzept des „Kern- und variablen Mikrobioms“ („core and variable microbiome“) und dass dieses fur alle drei beprobten Lokalisationen gilt. Des Weiteren zeigten die beiden ersten Studien, dass die groste veranderliche Wirkung von der Futterzusammensetzung ausgeht. Der erste Versuch zeigte auch, dass der Ubergang von einer Kraftfutter- und Silage-basierten Futterung hin zur Weide das Mikrobiom an allen drei Lokalisationen im Pansen in ahnlichem Umfang verandert. Dies stellt ein besonders interessantes Resultat dar, da bisher angenommen wurde, dass das wandstandige Mikrobiom Futtereinflussen nur wenig unterworfen ist. Die Daten lassen auch vermuten, dass der benotigte Zeitraum zur Anpassung des Pansenmikrobioms an eine neue Ration nicht nur von der Anpassung der einzelnen Mikrobenspezies an das neue Substrat abhangig ist, sondern auch von Veranderungen im Verhalten und Metabolismus des Wirtes. In der zweiten Studie konnte gezeigt werden, dass der Futterzusatzstoff Monensin das „Kernmikrobiom“ des Pansens verandert und dass die fehlende Wirkung von atherischen Olen hochstwahrscheinlich auf eine Gewohnung und Anpassung des Pansenmikrobioms zuruckzufuhren ist. Des Weiteren werden verschiedene Aspekte zur Wirkweise von Monensin und den betroffenen Prokaryoten diskutiert. Das Konzept des „variablen oder individuellen Mikrobioms“ wurde in der ersten Studie statistisch untermauert. In der finalen Studie wurde dann der Hypothese nachgegangen ob dieses „individuelle Mikrobiom“ auf Unterschiede im Fressverhalten der Tiere zuruckzufuhren ist. Dies konnte nicht bestatigt werden. Jedoch konnten viele zuvor beschriebene Zusammenhange zwischen der Abundanz von bestimmten Prokaryoten und Leistungsmerkmalen bestatigt werden. In allen drei Studien werden verschiedene methodische Aspekte im Detail diskutiert, Probleme und Schlusselfaktoren identifiziert und illustriert, dass bei der Interpretation und dem Vergleich von Mikrobiom Sequenzierdaten verschiedene Punkte zu berucksichtigen sind. Eine wichtige Beobachtung, welche in den verschiedenen hier dargelegten Studien gemacht wurde ist, dass phylogenetisch nah verwandte Prokaryotenspezies nicht zwingend ahnliche funktionale Merkmale aufweisen. Dieser Aspekt wurde bisher nur wenig erforscht und diskutiert und zeigt die Notwendigkeit einer funktionellen Charakterisierung neben der taxonomischen Klassifizierung auf. Zusammenfassend wird festgestellt, dass zukunftige Studien sich die in den letzten 1-2 Jahren auf dem Markt angekommenen modernen Sequenziermethoden zu Nutze machen sollten um das Pansenmikrobiom besser und genauer zu charakterisieren. Dies sollte im Zusammenhang mit einer genauen Erfassung von phanotypischen Merkmalen des Wirtes erfolgen. Weiterhin sollten bisher ungenugend erforschte Aspekte naher beleuchtet werden, wie z.B. der Zusammenhang zwischen dem Pansenmikrobiom und dem Stoffwechsel des Wirtes, die Rolle der wenig abundanten Spezies und des Pansenwand-assoziierten Mikrobiom, die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Pansenmikroorganismen und die Rolle des Darmmikrobioms.