Published September 20, 2017
| Version v1
Publication
Open
Illumina Sequencing Approach to Characterize Thiamine Metabolism Related Bacteria and the Impacts of Thiamine Supplementation on Ruminal Microbiota in Dairy Cows Fed High-Grain Diets
Creators
- 1. Gembloux Agro-Bio Tech
- 2. University of Liège
- 3. Chinese Academy of Agricultural Sciences
- 4. Beijing University of Agriculture
Description
The requirements of thiamine in adult ruminants are mainly met by ruminal bacterial synthesis, and thiamine deficiencies will occur when dairy cows overfed with high grain diet. However, there is limited knowledge with regard to the ruminal thiamine synthesis bacteria, and whether thiamine deficiency is related to the altered bacterial community by high grain diet is still unclear. To explore thiamine synthesis bacteria and the response of ruminal microbiota to high grain feeding and thiamine supplementation, six rumen-cannulated Holstein cows were randomly assigned into a replicated 3 × 3 Latin square design trial. Three treatments were control diet (CON, 20% dietary starch, DM basis), high grain diet (HG, 33.2% dietary starch, DM basis) and high grain diet supplemented with 180 mg thiamine/kg DMI (HG+T). On day 21 of each period, rumen content samples were collected at 3 h postfeeding. Ruminal thiamine concentration was detected by high performance liquid chromatography. The microbiota composition was determined using Illumina MiSeq sequencing of 16S rRNA gene. Cows receiving thiamine supplementation had greater ruminal pH value, acetate and thiamine content in the rumen. Principal coordinate analysis and similarity analysis indicated that HG feeding and thiamine supplementation caused a strong shift in bacterial composition and structure in the rumen. At the genus level, compared with CON group, the relative abundances of 19 genera were significantly changed by HG feeding. Thiamine supplementation increased the abundance of cellulolytic bacteria including Bacteroides, Ruminococcus 1, Pyramidobacter, Succinivibrio, and Ruminobacter, and their increases enhanced the fiber degradation and ruminal acetate production in HG+T group. Christensenellaceae R7, Lachnospira, Succiniclasticum, and Ruminococcaceae NK4A214 exhibited a negative response to thiamine supplementation. Moreover, correlation analysis revealed that ruminal thiamine concentration was positively correlated with Bacteroides, Ruminococcus 1, Ruminobacter, Pyramidobacter, and Fibrobacter. Taken together, we concluded that Bacteroides, Ruminococcus 1, Ruminobacter, Pyramidobacter, and Fibrobacter in rumen content may be associated with thiamine synthesis or thiamine is required for their growth and metabolism. In addition, thiamine supplementation can potentially improve rumen function, as indicated by greater numbers of cellulolytic bacteria within the rumen. These findings facilitate understanding of bacterial thiamine synthesis within rumen and thiamine's function in dairy cows.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
يتم تلبية متطلبات الثيامين في المجترات البالغة بشكل أساسي عن طريق التوليف البكتيري الرومي، وسيحدث نقص الثيامين عندما تفرط الأبقار الحلوب في اتباع نظام غذائي عالي الحبوب. ومع ذلك، هناك معرفة محدودة فيما يتعلق ببكتيريا تخليق الثيامين الرومية، وما إذا كان نقص الثيامين مرتبطًا بالمجتمع البكتيري المتغير عن طريق اتباع نظام غذائي عالي الحبوب لا يزال غير واضح. لاستكشاف بكتيريا تخليق الثيامين واستجابة الميكروبات الكريهة لتغذية الحبوب العالية ومكملات الثيامين، تم تعيين ستة أبقار هولشتاين ذات قنية الكرش بشكل عشوائي في تجربة تصميم مربع لاتيني 3 × 3 مكررة. كانت هناك ثلاثة علاجات هي نظام غذائي للتحكم (كون، 20 ٪ نشا غذائي، أساس مرض السكري)، ونظام غذائي عالي الحبوب (هرمون النمو، 33.2 ٪ نشا غذائي، أساس مرض السكري) ونظام غذائي عالي الحبوب مكمل بـ 180 ملغ ثيامين/كغ مؤشر السكري (HG+T). في اليوم 21 من كل فترة، تم جمع عينات محتوى الكرش في الساعة 3 بعد الرضاعة. تم الكشف عن تركيز الثيامين الرومي بواسطة الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء. تم تحديد تكوين الميكروبات باستخدام تسلسل Illumina MiSeq لجين 16S rRNA. كان لدى الأبقار التي تتلقى مكملات الثيامين قيمة درجة الحموضة الاجتياحية والأسيتات ومحتوى الثيامين في الكرش. أشار تحليل الإحداثيات الرئيسي وتحليل التشابه إلى أن تغذية الزئبق ومكملات الثيامين تسببت في تحول قوي في التركيب والبنية البكتيرية في الكرش. على مستوى الجنس، مقارنة بالمجموعة المخادعة، تم تغيير الوفرة النسبية لـ 19 جنسًا بشكل كبير من خلال تغذية HG. زادت مكملات الثيامين من وفرة البكتيريا المحللة للسليلوز بما في ذلك البكتيريا، والمكورات المعدنية 1، والبيراميدوباكتر، والسكسينيفيبريو، والرومينوباكتر، وعززت زياداتها من تحلل الألياف وإنتاج الأسيتات الرومينالية في مجموعة HG+T. أظهرت Christensenellaceae R7 و Lachnospira و Succiniclasticum و Ruminococcaceae NK4A214 استجابة سلبية لمكملات الثيامين. علاوة على ذلك، كشف تحليل الارتباط أن تركيز الثيامين الرومينال كان مرتبطًا بشكل إيجابي مع البكتيريا، والمكورات المجففة 1، والمكورات المجففة، والمكورات المجففة، والمكورات الهرمية، والمكورات الليفية. استنتجنا معًا أن البكتيريا و Ruminococcus 1 و Ruminobacter و Pyramidobacter و Fibrobacter في محتوى الكرش قد تكون مرتبطة بتخليق الثيامين أو الثيامين مطلوب لنموها واستقلابها. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لمكملات الثيامين أن تحسن وظيفة الكرش، كما يتضح من أعداد أكبر من البكتيريا المحللة للسليلوز داخل الكرش. تسهل هذه النتائج فهم تخليق الثيامين البكتيري ضمن وظيفة الكرش والثيامين في الأبقار الحلوب.Translated Description (French)
Les besoins en thiamine chez les ruminants adultes sont principalement satisfaits par la synthèse bactérienne ruminale, et des carences en thiamine se produiront lorsque les vaches laitières seront suralimentées avec un régime riche en céréales. Cependant, les connaissances sont limitées en ce qui concerne les bactéries rhinales de synthèse de la thiamine, et on ne sait toujours pas si la carence en thiamine est liée à la communauté bactérienne altérée par un régime riche en céréales. Pour explorer les bactéries de synthèse de la thiamine et la réponse du microbiote ruminal à l'alimentation à haute teneur en céréales et à la supplémentation en thiamine, six vaches Holstein canalisées dans le rumen ont été réparties au hasard dans un essai de conception carrée latine 3 × 3 répliqué. Trois traitements étaient le régime témoin (CON, 20% d'amidon alimentaire, base DM), le régime à haute teneur en céréales (HG, 33,2% d'amidon alimentaire, base DM) et le régime à haute teneur en céréales supplémenté avec 180 mg de thiamine/kg DMI (HG+T). Au jour 21 de chaque période, des échantillons de contenu en rumen ont été prélevés 3 h après l'alimentation. La concentration de thiamine ruminale a été détectée par chromatographie liquide à haute performance. La composition du microbiote a été déterminée en utilisant le séquençage MiSeq d'Illumina du gène de l'ARNr 16S. Les vaches recevant une supplémentation en thiamine avaient une valeur de pH ruminal, une teneur en acétate et en thiamine plus élevées dans le rumen. L'analyse des coordonnées principales et l'analyse de la similarité ont indiqué que l'alimentation au HG et la supplémentation en thiamine ont provoqué un fort changement dans la composition et la structure bactériennes dans le rumen. Au niveau du genre, par rapport au groupe CON, les abondances relatives de 19 genres ont été significativement modifiées par l'alimentation du HG. La supplémentation en thiamine a augmenté l'abondance des bactéries cellulolytiques, notamment Bacteroides, Ruminococcus 1, Pyramidobacter, Succinivibrio et Ruminobacter, et leurs augmentations ont augmenté la dégradation des fibres et la production d'acétate ruminal dans le groupe HG+T. Christensenellaceae R7, Lachnospira, Succiniclasticum et Ruminococcaceae NK4A214 ont montré une réponse négative à la supplémentation en thiamine. De plus, l'analyse de corrélation a révélé que la concentration de thiamine ruminale était positivement corrélée avec Bacteroides, Ruminococcus 1, Ruminobacter, Pyramidobacter et Fibrobacter. Ensemble, nous avons conclu que Bacteroides, Ruminococcus 1, Ruminobacter, Pyramidobacter et Fibrobacter dans la teneur en rumen peuvent être associés à la synthèse de la thiamine ou que la thiamine est nécessaire à leur croissance et à leur métabolisme. En outre, la supplémentation en thiamine peut potentiellement améliorer la fonction du rumen, comme l'indique un plus grand nombre de bactéries cellulolytiques dans le rumen. Ces résultats facilitent la compréhension de la synthèse bactérienne de la thiamine dans le rumen et de la fonction de la thiamine chez les vaches laitières.Translated Description (Spanish)
Los requisitos de tiamina en rumiantes adultos se cumplen principalmente mediante la síntesis bacteriana ruminal, y las deficiencias de tiamina se producirán cuando las vacas lecheras se sobrealimenten con una dieta alta en granos. Sin embargo, existe un conocimiento limitado con respecto a las bacterias de síntesis de tiamina ruminal, y aún no está claro si la deficiencia de tiamina está relacionada con la comunidad bacteriana alterada por la dieta alta en granos. Para explorar las bacterias de síntesis de tiamina y la respuesta de la microbiota ruminal a la alimentación con alto contenido de granos y la suplementación con tiamina, se asignaron aleatoriamente seis vacas Holstein canuladas en el rumen a un ensayo de diseño de cuadrados latinos 3 × 3 replicado. Tres tratamientos fueron dieta de control (CON, 20% de almidón dietético, base DM), dieta alta en granos (HG, 33.2% de almidón dietético, base DM) y dieta alta en granos suplementada con 180 mg de tiamina/kg de DMI (HG+T). El día 21 de cada período, se recolectaron muestras de contenido de rumen a las 3 h posteriores a la alimentación. La concentración de tiamina ruminal se detectó mediante cromatografía líquida de alto rendimiento. La composición de la microbiota se determinó utilizando la secuenciación Illumina MiSeq del gen ARNr 16S. Las vacas que recibieron suplementos de tiamina tuvieron un mayor valor de pH ruminal, acetato y contenido de tiamina en el rumen. El análisis de coordenadas principales y el análisis de similitud indicaron que la alimentación con HG y la suplementación con tiamina causaron un fuerte cambio en la composición y estructura bacteriana en el rumen. A nivel de género, en comparación CON el grupo con, las abundancias relativas de 19 géneros cambiaron significativamente por la alimentación con HG. La suplementación con tiamina aumentó la abundancia de bacterias celulolíticas, incluidas Bacteroides, Ruminococcus 1, Pyramidobacter, Succinivibrio y Ruminobacter, y sus aumentos mejoraron la degradación de la fibra y la producción de acetato ruminal en el grupo HG+T. Christensenellaceae R7, Lachnospira, Succiniclasticum y Ruminococcaceae NK4A214 mostraron una respuesta negativa a la suplementación con tiamina. Además, el análisis de correlación reveló que la concentración de tiamina ruminal se correlacionó positivamente con Bacteroides, Ruminococcus 1, Ruminobacter, Pyramidobacter y Fibrobacter. En conjunto, concluimos que Bacteroides, Ruminococcus 1, Ruminobacter, Pyramidobacter y Fibrobacter en el contenido del rumen pueden estar asociados con la síntesis de tiamina o se requiere tiamina para su crecimiento y metabolismo. Además, la suplementación con tiamina puede mejorar potencialmente la función del rumen, como lo indica un mayor número de bacterias celulolíticas dentro del rumen. Estos hallazgos facilitan la comprensión de la síntesis bacteriana de tiamina dentro del rumen y la función de la tiamina en las vacas lecheras.Files
pdf.pdf
Files
(762.2 kB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:4291068425aba3d4c28abdc52137f00e
|
762.2 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- نهج تسلسل إيلومينا لتوصيف البكتيريا المرتبطة باستقلاب الثيامين وتأثير مكملات الثيامين على الكائنات الحية الدقيقة الرومية في الحمية الغذائية عالية الحبوب لأبقار الألبان
- Translated title (French)
- Approche de séquençage Illumina pour caractériser les bactéries liées au métabolisme de la thiamine et les impacts de la supplémentation en thiamine sur le microbiote ruminal chez les vaches laitières nourries avec des régimes riches en céréales
- Translated title (Spanish)
- Enfoque de secuenciación de Illumina para caracterizar las bacterias relacionadas con el metabolismo de la tiamina y los impactos de la suplementación con tiamina en la microbiota ruminal en vacas lecheras alimentadas con dietas de alto grano
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2755988488
- DOI
- 10.3389/fmicb.2017.01818
References
- https://openalex.org/W102148799
- https://openalex.org/W138162360
- https://openalex.org/W1511813551
- https://openalex.org/W1818431666
- https://openalex.org/W1875075593
- https://openalex.org/W1912453604
- https://openalex.org/W1969971683
- https://openalex.org/W2001307702
- https://openalex.org/W2003412530
- https://openalex.org/W2010748592
- https://openalex.org/W2034611055
- https://openalex.org/W2049338857
- https://openalex.org/W2055888548
- https://openalex.org/W2072970694
- https://openalex.org/W2078770291
- https://openalex.org/W2080160120
- https://openalex.org/W2089212356
- https://openalex.org/W2091922579
- https://openalex.org/W2094806584
- https://openalex.org/W2101120467
- https://openalex.org/W2118805758
- https://openalex.org/W2128601422
- https://openalex.org/W2136879569
- https://openalex.org/W2142774973
- https://openalex.org/W2145194492
- https://openalex.org/W2145664556
- https://openalex.org/W2154640047
- https://openalex.org/W2162655836
- https://openalex.org/W2165740748
- https://openalex.org/W2168340379
- https://openalex.org/W2168359818
- https://openalex.org/W2298633920
- https://openalex.org/W2299969293
- https://openalex.org/W2301562958
- https://openalex.org/W2338511635
- https://openalex.org/W2406837040
- https://openalex.org/W2431477246
- https://openalex.org/W2466817418
- https://openalex.org/W2468717551
- https://openalex.org/W2511701529
- https://openalex.org/W2515726048
- https://openalex.org/W2612431006
- https://openalex.org/W4239570617