Published July 20, 2021 | Version v1
Publication Open

Feeding Systems and Host Breeds Influence Ruminal Fermentation, Methane Production, Microbial Diversity and Metagenomic Gene Abundance

Creators

  • 1. Seoul National University
  • 2. Konkuk University
  • 3. National Institute of Agricultural Science and Technology

Description

Our previous research revealed the advantages of separate feeding (SF) systems compared to total mixed ration (TMR) in terms of ruminal methane (CH 4 ) production. The purpose of this experiment was to confirm the advantage of SF as a nutritional strategy for CH 4 mitigation, and to determine the effects of different feeding systems (TMR and SF) on the rumen microbiome and associated metagenome of two different breeds and on CH 4 emissions. We randomly allocated four Holstein (305 ± 29 kg) and four Hanwoo steers (292 ± 24 kg) to two groups; the steers were fed a commercial concentrate with tall fescue (75:25) as TMR or SF, in a crossover design (two successive 22-day periods). Neither feeding systems nor cattle breeds had an effect on the total tract digestibility of nutrients. The TMR feeding system and Hanwoo steers generated significantly more CH 4 ( P < 0.05) and had a higher yield [g/d and g/kg dry matter intake (DMI)] compared to the SF system and Holstein steers. A larger rumen acetate:propionate ratio was observed for the TMR than the SF diet ( P < 0.05), and for Hanwoo than Holstein steers ( P < 0.001), clearly reflecting a shift in the ruminal H 2 sink toward CH 4 production. The linear discriminant analysis (LDA) effect size (LEfSe) revealed a greater abundance (α < 0.05 and LDA > 2.0) of operational taxonomic units (OTUs) related to methanogenesis for Hanwoo steers compared to Holstein steers. Kendall's correlation analysis revealed wide variation of microbial co-occurrence patterns between feeding systems, indicating differential H 2 thermodynamics in the rumen. A metagenome analysis of rumen microbes revealed the presence of 430 differentially expressed genes, among which 17 and 27 genes exhibited positive and negative associations with CH 4 production, respectively ( P < 0.001). A strong interaction between feeding system and breed was observed for microbial and metagenomic abundance. Overall, these results suggest that the TMR feeding system produces more CH 4 , and that Hanwoo cattle are higher CH 4 emitters than SF diet and Holstein cattle, respectively. Interestingly, host-associated microbial interactions differed within each breed depending on the feeding system, which indicated that breed-specific feeding systems should be taken into account for farm management.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

كشف بحثنا السابق عن مزايا أنظمة التغذية المنفصلة (SF) مقارنة بإجمالي الحصص المختلطة (TMR) من حيث إنتاج الميثان المجتر (CH 4 ). كان الغرض من هذه التجربة هو تأكيد ميزة SF كاستراتيجية غذائية للتخفيف من CH 4، وتحديد آثار أنظمة التغذية المختلفة (TMR و SF) على ميكروبيوم الكرش وما يرتبط به من ميتاجينوم من سلالتين مختلفتين وعلى انبعاثات CH 4. لقد خصصنا عشوائيًا أربع عجلات هولشتاين (305 ± 29 كجم) وأربع عجلات هانوو (292 ± 24 كجم) لمجموعتين ؛ تم تغذية العجلات بتركيز تجاري مع لفافة طويلة (75:25) مثل TMR أو SF، في تصميم متقاطع (فترتان متتاليتان من 22 يومًا). لم يكن لأنظمة التغذية ولا سلالات الماشية تأثير على الهضم الكلي للمغذيات. أنتج نظام تغذية TMR و Hanwoo steers المزيد من CH 4 ( P < 0.05) وكان له عائد أعلى [g/d و g/kg تناول المادة الجافة (DMI)] مقارنة بنظام SF و Holstein steers. لوحظت نسبة أسيتات الكرش:بروبيونات أكبر بالنسبة لـ TMR من نظام SF الغذائي ( P < 0.05)، وبالنسبة لـ Hanwoo من موجهات هولشتاين ( P < 0.001)، مما يعكس بوضوح تحولًا في حوض H 2 الكرش نحو إنتاج CH 4. كشف تحليل التمييز الخطي (LDA) حجم التأثير (LEfSe) عن وفرة أكبر (α < 0.05 و LDA > 2.0) من وحدات التصنيف التشغيلية (OTUs) المتعلقة بتوليد الميثان لتوجيهات هانوو مقارنة بتوجيهات هولشتاين. كشف تحليل الارتباط الذي أجراه كيندال عن تباين واسع في أنماط التواجد المشترك الميكروبية بين أنظمة التغذية، مما يشير إلى الديناميكا الحرارية H 2 التفاضلية في الكرش. كشف تحليل ميتاجينوم لميكروبات الكرش عن وجود 430 جينة معبر عنها بشكل تفاضلي، من بينها 17 و 27 جينة أظهرت ارتباطات إيجابية وسلبية مع إنتاج CH 4، على التوالي ( P < 0.001). ولوحظ وجود تفاعل قوي بين نظام التغذية والسلالة للوفرة الميكروبية والميتاجينية. بشكل عام، تشير هذه النتائج إلى أن نظام تغذية TMR ينتج المزيد من CH 4 ، وأن ماشية هانوو لديها انبعاثات CH 4 أعلى من نظام SF الغذائي وماشية هولشتاين، على التوالي. ومن المثير للاهتمام أن التفاعلات الميكروبية المرتبطة بالمضيف اختلفت داخل كل سلالة اعتمادًا على نظام التغذية، مما يشير إلى أنه يجب أخذ أنظمة التغذية الخاصة بالسلالة في الاعتبار لإدارة المزارع.

Translated Description (French)

Nos recherches antérieures ont révélé les avantages des systèmes d'alimentation séparée (SF) par rapport à la ration mixte totale (TMR) en termes de production de méthane ruminal (CH 4 ). Le but de cette expérience était de confirmer l'avantage de la SF en tant que stratégie nutritionnelle pour l'atténuation du CH 4, et de déterminer les effets de différents systèmes d'alimentation (TMR et SF) sur le microbiome du rumen et le métagénome associé de deux races différentes et sur les émissions de CH 4. Nous avons réparti au hasard quatre bouvillons Holstein (305 ± 29 kg) et quatre bouvillons Hanwoo (292 ± 24 kg) dans deux groupes ; les bouvillons ont reçu un concentré commercial avec de la fétuque haute (75:25) en tant que TMR ou SF, dans une conception croisée (deux périodes successives de 22 jours). Ni les systèmes d'alimentation ni les races bovines n'ont eu d'effet sur la digestibilité totale des nutriments dans le tractus. Le système d'alimentation TMR et les bouvillons Hanwoo ont généré significativement plus de CH 4 ( P < 0,05) et ont eu un rendement plus élevé [g/j et g/kg d'apport en matière sèche (DMI)] par rapport au système SF et aux bouvillons Holstein. Un rapport acétate :propionate de rumen plus important a été observé pour le TMR que le régime SF ( P < 0,05), et pour les bœufs Hanwoo que Holstein ( P < 0,001), reflétant clairement un déplacement du puits de H 2 ruminal vers la production de CH 4. L'ampleur de l'effet de l'analyse discriminante linéaire (LEfSe) a révélé une plus grande abondance (α < 0,05 et LDA > 2,0) d'unités taxonomiques opérationnelles (OTU) liées à la méthanogenèse pour les bouvillons Hanwoo par rapport aux bouvillons Holstein. L'analyse de corrélation de Kendall a révélé une grande variation des modèles de co-occurrence microbienne entre les systèmes d'alimentation, indiquant une thermodynamique différentielle du H 2 dans le rumen. Une analyse du métagénome des microbes du rumen a révélé la présence de 430 gènes exprimés de manière différentielle, parmi lesquels 17 et 27 gènes présentaient des associations positives et négatives avec la production de CH 4, respectivement ( P < 0,001). Une forte interaction entre le système d'alimentation et la race a été observée pour l'abondance microbienne et métagénomique. Dans l'ensemble, ces résultats suggèrent que le système d'alimentation TMR produit plus de CH 4 et que les bovins Hanwoo émettent plus de CH 4 que les bovins SF Diet et Holstein, respectivement. Il est intéressant de noter que les interactions microbiennes associées à l'hôte différaient au sein de chaque race en fonction du système d'alimentation, ce qui indiquait que les systèmes d'alimentation spécifiques à la race devaient être pris en compte pour la gestion de la ferme.

Translated Description (Spanish)

Nuestra investigación anterior reveló las ventajas de los sistemas de alimentación separada (SF) en comparación con la ración mixta total (TMR) en términos de producción de metano ruminal (CH 4 ). El propósito de este experimento fue confirmar la ventaja de SF como una estrategia nutricional para la mitigación de CH 4 y determinar los efectos de diferentes sistemas de alimentación (TMR y SF) en el microbioma del rumen y el metagenoma asociado de dos razas diferentes y en las emisiones de CH 4. Asignamos aleatoriamente cuatro bueyes Holstein (305 ± 29 kg) y cuatro bueyes Hanwoo (292 ± 24 kg) a dos grupos; los bueyes fueron alimentados con un concentrado comercial con festuca alta (75:25) como TMR o SF, en un diseño cruzado (dos períodos sucesivos de 22 días). Ni los sistemas de alimentación ni las razas de ganado tuvieron un efecto en la digestibilidad total de los nutrientes en el tracto. El sistema de alimentación TMR y los novillos de Hanwoo generaron significativamente más CH 4 ( P < 0.05) y tuvieron un mayor rendimiento [g/d y g/kg de ingesta de materia seca (DMI)] en comparación con el sistema SF y los novillos de Holstein. Se observó una mayor proporción de acetato:propionato en el rumen para la TMR que para la dieta SF ( P & lt; 0.05), y para Hanwoo que para los novillos Holstein ( P & lt; 0.001), lo que refleja claramente un cambio en el sumidero de H 2 ruminal hacia la producción de CH 4. El tamaño del efecto del análisis discriminante lineal (LDA) (LEfSe) reveló una mayor abundancia (α < 0.05 y LDA > 2.0) de unidades taxonómicas operativas (OTU) relacionadas con la metanogénesis para los novillos de Hanwoo en comparación con los novillos de Holstein. El análisis de correlación de Kendall reveló una amplia variación de los patrones de co-ocurrencia microbiana entre los sistemas de alimentación, lo que indica una termodinámica diferencial de H2 en el rumen. Un análisis del metagenoma de los microbios del rumen reveló la presencia de 430 genes expresados diferencialmente, entre los cuales 17 y 27 genes exhibieron asociaciones positivas y negativas con la producción de CH 4, respectivamente ( P & lt; 0.001). Se observó una fuerte interacción entre el sistema de alimentación y la raza para la abundancia microbiana y metagenómica. En general, estos resultados sugieren que el sistema de alimentación TMR produce más CH 4 y que el ganado Hanwoo emite más CH 4 que la dieta SF y el ganado Holstein, respectivamente. Curiosamente, las interacciones microbianas asociadas al huésped diferían dentro de cada raza dependiendo del sistema de alimentación, lo que indicaba que los sistemas de alimentación específicos de la raza debían tenerse en cuenta para el manejo de la granja.

Files

pdf.pdf

Files (5.6 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:54d999b2f83062ec0742b46ab785e849
5.6 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تؤثر أنظمة التغذية والسلالات المضيفة على التخمير الجرثومي وإنتاج الميثان والتنوع الميكروبي ووفرة الجينات الميتاجينية
Translated title (French)
Les systèmes d'alimentation et les races hôtes influencent la fermentation ruminale, la production de méthane, la diversité microbienne et l'abondance des gènes métagénomiques
Translated title (Spanish)
Los sistemas de alimentación y las razas huésped influyen en la fermentación ruminal, la producción de metano, la diversidad microbiana y la abundancia de genes metagenómicos

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3184165396
DOI
10.3389/fmicb.2021.701081

Is supplement to
https://openalex.org/W4308580437 (Other)
https://openalex.org/W3183879694 (Other)
https://openalex.org/W2768012836 (Other)
https://openalex.org/W2765335012 (Other)
https://openalex.org/W2613076581 (Other)
https://openalex.org/W2557561693 (Other)
https://openalex.org/W2521900271 (Other)
https://openalex.org/W2280309940 (Other)
https://openalex.org/W2094473128 (Other)
https://openalex.org/W1492418928 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
India

References

  • https://openalex.org/W1057466098
  • https://openalex.org/W1545687714
  • https://openalex.org/W1625201071
  • https://openalex.org/W1787409531
  • https://openalex.org/W1820784529
  • https://openalex.org/W1965879436
  • https://openalex.org/W1966001213
  • https://openalex.org/W1990590570
  • https://openalex.org/W1990931393
  • https://openalex.org/W1993726249
  • https://openalex.org/W2001307702
  • https://openalex.org/W2011254399
  • https://openalex.org/W2011554700
  • https://openalex.org/W2026935866
  • https://openalex.org/W2027489316
  • https://openalex.org/W2027496130
  • https://openalex.org/W2037882347
  • https://openalex.org/W2038813014
  • https://openalex.org/W2039764894
  • https://openalex.org/W2041286990
  • https://openalex.org/W2046141792
  • https://openalex.org/W2049309467
  • https://openalex.org/W2060144673
  • https://openalex.org/W2064623540
  • https://openalex.org/W2065462087
  • https://openalex.org/W2081591270
  • https://openalex.org/W2088328926
  • https://openalex.org/W2091942135
  • https://openalex.org/W2092696502
  • https://openalex.org/W2096433336
  • https://openalex.org/W2100415806
  • https://openalex.org/W2100494098
  • https://openalex.org/W2103161395
  • https://openalex.org/W2107726661
  • https://openalex.org/W2108161004
  • https://openalex.org/W2110300022
  • https://openalex.org/W2112071632
  • https://openalex.org/W2120459847
  • https://openalex.org/W2120997495
  • https://openalex.org/W2123373906
  • https://openalex.org/W2132432029
  • https://openalex.org/W2133856765
  • https://openalex.org/W2140970335
  • https://openalex.org/W2156558626
  • https://openalex.org/W2164748414
  • https://openalex.org/W2167194504
  • https://openalex.org/W2167847947
  • https://openalex.org/W2173605139
  • https://openalex.org/W22601308
  • https://openalex.org/W2275915069
  • https://openalex.org/W2345991090
  • https://openalex.org/W2346423776
  • https://openalex.org/W2534284271
  • https://openalex.org/W2546628863
  • https://openalex.org/W2575397500
  • https://openalex.org/W2590751229
  • https://openalex.org/W2607145928
  • https://openalex.org/W2721374904
  • https://openalex.org/W2767973768
  • https://openalex.org/W2783429427
  • https://openalex.org/W2791566942
  • https://openalex.org/W2886263563
  • https://openalex.org/W2890772153
  • https://openalex.org/W2892444866
  • https://openalex.org/W2898031575
  • https://openalex.org/W2962636975
  • https://openalex.org/W3022660914
  • https://openalex.org/W3120033106
  • https://openalex.org/W3129135751
  • https://openalex.org/W3136886165
  • https://openalex.org/W4294216483
  • https://openalex.org/W85196187