Monitoring of the ruminal microbiome dynamics depending on the environment

Mgr. Martina Zapletalová, Ph.D.

Disertační práce

Anotace:

Komplexní mikrobiální ekosystém bachoru má významný vliv na zdraví a produktivitu přežvýkavců a některé fyziologické parametry, jako jsou výtěžnost a složení mléka, vysoce korelují se zastoupením různých bakteriálních druhů v bachoru. Cílem této studie bylo sledování dynamiky ruminálního mikrobiomu v závislosti na prostředí. Během in vivo experimentu jsme zkoumali účinek diety obohacené o isoflavony na mikrobiom v bachoru. Poměr Bacteroidetes/Firmicutes byl vyšší v bachorové tekutině dojnic, které dostávaly bazální dietu s isoflavonovým extraktem oproti dojnicím, které dostaly pouze bazální dietu. Nalezli jsme pozitivní korelaci bakteriálních řádů Burkholderiales a nezařazené Betaproteobacteria s koncentrací daidzeinu v bachorové tekutině a negativní korelaci mezi čeleděmi Ruminococcaceae, Erysipelotrichaceae a Eubacteriaceae a koncentrací daidzeinu v bachorové tekutině. Během desetidenní kultivace bachorové tekutiny jsme zaznamenali mnohem negativnější hodnoty redoxního potenciálu ve srovnání s přírodními podmínkami, stejně jako posun v mikrobiální populaci bioreaktoru. Poměr Bacteroidetes/Firmicutes se změnil z 3,2 na 1,2 a zastoupení Actinobacteria a Proteobacteria se zvýšilo, v případě Actinobacteria více než 40krát. Abychom zvýšili průměrné hodnoty redoxního potenciálu a stabilizovali mikrobiom v bioreaktoru během kultivace, navrhli jsme kultivaci s využitím provzdušňování a vyhodnotili účinek redoxního potenciálu a typu krmiva na mikrobiální ekosystém v bachorové tekutině kultivované v bioreaktoru. Pozorovali jsme vyšší bakteriální rozmanitost v bachorové tekutině získané od dojnice krmené krmivem na bázi koncentrátu než v bachorové tekutině získané od dojnice krmené pící a popsali jsme vliv krmiva na několik bakteriálních taxonů, jmenovitě Rumminococcus, Veillonellaceae, Succinivibrionaceae a Ruminobacter.

Abstract:

The complex microbial ecosystem of the rumen has a significant impact on the ruminant host’s health and productivity and some physiological parameters, such as milk yield and composition, are highly correlated with the abundance of various bacterial members of the rumen microbiome. The aim of this study was to monitor the ruminal microbiome dynamics depending on the environment. During the in vivo experiment we examined the effect of isoflavone enriched diet to the rumen microbiome. Bacteroidetes/Firmicutes ratio was higher in rumen fluid of cows which received the basal diet with isoflavone extract compared to cows which received the basal diet only. We found positive correlation between orders Burkholderiales and unclassified Betaproteobacteria and concentration of daidzein in rumen fluid, and negative correlation between families Ruminococcaceae, Erysipelotrichaceae, and Eubacteriaceae and concentration of daidzein in rumen fluid. During the ten days cultivation of rumen fluid we registered much more negative values of redox potential as compared to natural conditions, as well as shift in microbiome population of bioreactor. The Bacteroidetes/Firmicutes ratio changed from 3.2 to 1.2, and Actinobacteria and Proteobacteria representation increased with more than 40-fold rise in case of Actinobacteria. To increase mean values of redox potential and stabilise microbiome in the bioreactor during the cultivation we designed the cultivations with aeration and we evaluate the effect of redox potential and feeding type on microbial ecosystem in the rumen fluid cultivated in a bioreactor. We observed higher bacterial diversity in rumen fluid collected from cow fed concentrate-based diet than in rumen fluid collected from cow fed forage-based diet and we described the impact of diet to several bacterial taxa, namely, Rumminococcus, Veillonellaceae, Succinivibrionaceae, and Ruminobacter.

Keywords

Bachorová tekutina, Mikrobiom, Sekvenování nové generace, Bioreaktor, Redoxní potenciál, Isoflavony, Rumen fluid, Microbiome, Next generation sequencing, Bioreactor, Redox potential, Isoflavones

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 30. 8. 2018

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 15. 1. 2019
• Vedoucí: doc. Mgr. Tomáš Kašparovský, Ph.D.
• Oponent: doc. RNDr. Ivan Rychlík, Ph.D., doc. Mgr. Monika Vítězová, Ph.D.

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Biochemie (čtyřleté) / Biochemie