Изучение кишечных микробных профилей Equus ferus caballus методом NGS-секвенирования

Изучение кишечных микробных профилей Equus ferus caballus методом NGS-секвенирования

Автор: Алексеева Е.И., Дубровин А.В., Лаптев Г.Ю., Йылдырым Е.А., Ильина Л.А., Бражник Е.А., Филиппова В.А., Новикова Н.И., Тюрина Д.Г., Дуняшев Т.П., Тарлавин Н.В.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Микробиомы

Статья в выпуске: 4 т.55, 2020 года.

Бесплатный доступ

Симбиотический микробиом желудочно-кишечного тракта животных играет жизненно важную роль в переваривании и усвоении питательных веществ кормов, становлении иммунитета, устойчивости к заболеваниям, расщеплении токсинов. Нарушения микробного сообщества кишечника могут становиться причиной метаболических расстройств, таких как ацидоз, снижение переваримости компонентов рациона (прежде всего клетчатки), болезней копыт и т.д. Пищеварительная система Equus ferus caballus имеет ряд уникальных особенностей по сравнению с другими млекопитающими. В настоящей работе впервые в России было показано разнообразие состава микробиома кишечника лошадей с применением метода 16S-метагеномики. В составе микрофлоры выявлено значительное количество микроорганизмов, связанных с процессами переваривания кормов, прежде всего клетчатки, а также ряд микроорганизмов, которые могут сопутствовать возникновению различных заболеваний - колик, ацидозов, ламинитов. Целью исследования была оценка структуры микробиомов содержимого прямой кишки лошадей (с учетом их возраста, пола, породы и рациона) с применением высокопроизводительного секвенирования. Эксперимент проводили в летний период 2017 года в Крестьянско-фермерском хозяйстве «Маланичевых» (пос. Гришкино, Ленинградская обл., Тосненский р-н) на лошадях, специализированных для верховой езды и ипподромных испытаний. Отбирали пробы объемом 10-50 г (в 3 повторностях) из прямой кишки трех жеребцов ганноверской породы (возраст 3 года), кобылы (6 лет) и жеребца (7 лет) тракененской породы. За 5 сут до отбора проб кобыла ожеребилась. Рационы жеребцов и кобылы различались. Рацион жеребцов включал траву (20 кг), сено (9 кг), морковь (1 кг), овес (3 кг), поваренную соль (29 г). Рацион кобыл состоял из травы (26 кг), моркови (1 кг), плющеного овса (2,5 кг), поваренной соли (27 г). Тотальную ДНК из образцов выделяли с использованием набора Genomic DNA Purification Kit («Fermentas Inc.», Литва). Амплификацию для последующего проведения NGS-секвенирования проводили на ДНК-амплификаторе Verity («Life Technologies, Inc.», США) с помощью эубактериальных праймеров (IDT) 343F (5'-CTCCTACGGRRSGCAGCAG-3') и 806R (5'-GGACTACNVGGGTWTCTAAT-3'), фланкирующих участок V1V3 гена 16S рРНК. Метагеномное секвенирование осуществляли на приборе MiSeq («Illumina, Inc.», США). Таксономическую принадлежность микроорганизмов до рода определяли с применением программы RDP Classifier (https://rdp.cme.msu.edu/classifier/classifier.jsp). У исследованных особей E. ferus caballus были выявлены довольно сходные микробиомные профили кишечника вне зависимости от типа питания, физиологического статуса, возраста, пола и породы. Высокие значения экологических индексов Шеннона и Симпсона свидетельствовали о биоразнообразии содержимого кишечника лошадей. В составе содержимого прямой кишки обнаружили 25 филумов микроорганизмов. Доминирующими филумами оказались Firmicutes (содержание колебалось от 32±1,9 до 40±3,8 %) и Bacteroidetes (от 34±2,1 до 40±4,7 %). В составе микрофлоры детектировали значительное количество микроорганизмов, связанных с процессами переваривания кормов, прежде всего клетчатки. Так, доля бактерий, синтезирующих целлюлазы, достигала значительных величин: Bacteroidales - до 23,8±1,30 %, Lachnospiraceae - до 14,7±2,80 %, Ruminococcaceae - до 10,2±3,30 %, Clostridiaceae - до 6,6±0,6 %. Присутствовали микроорганизмы, которых выявляют при ряде заболеваний - при коликах, ацидозах, ламинитах. Например, во всех образцах содержимого прямой кишки были обнаружены нежелательные представители отряда Lactobacillales , такие как Streptococcusequinus и Str. bovis , которых связывают с возникновением ацидозов и ламинитов лошадей. Выявлены бактерии рода Treponema (от 2,2±0,22 до 6,5±0,40 %), которые ассоциированы с возникновением периодонтита у лошадей. Обнаружены энтеробактерии родов Enterobacter , Serratia , Escherichia , среди которых нередко встречаются возбудители гастроэнтеритов. Дальнейшее изучение профилей кишечной микробиоты будет способствовать совершенствованию методов диагностики и лечения заболеваний у лошадей.

Еще

Кишечный микробиом, ngs-секвенирование, биотроф, молекулярно-биологические методы

Короткий адрес: https://sciup.org/142226326

IDR: 142226326   |   DOI: 10.15389/agrobiology.2020.4.671rus

Список литературы Изучение кишечных микробных профилей Equus ferus caballus методом NGS-секвенирования

  • Al Jassim R.A.M., Andrews F.M. The bacterial community of the horse gastrointestinal tract and its relation to fermentative acidosis, laminitis, colic, and stomach ulcers. Veterinary Clinics of North America: Equine Practice, 2009, 25(2): 199-215 ( ). DOI: 10.1016/j.cveq.2009.04.005
  • Fink-Gremmels J. The role of mycotoxins in the health and performance of dairy cows. The Veterinary Journal, 2008, 176(1): 84-92 ( ). DOI: 10.1016/j.tvjl.2007.12.034
  • Bäverud V., Gustafsson A., Franklin A., Lindholm A., Gunnarsson A. Clostridium difficile associated with acute colitis in mature horses treated with antibiotics. Equine Veterinary Journal, 1997, 29(4): 279-284 ( ). DOI: 10.1111/j.2042-3306.1997.tb03124.x
  • Chapman A.M. Acute diarrhea in hospitalized horses. Veterinary Clinics of North America: Equine Practice, 2009, 25(2): 363-380 ( ). DOI: 10.1016/j.cveq.2009.05.001
  • Kohnke J., Kelleher F., Trevor-Jones P. Feeding horses in Australia, a guide for horse owners and managers. Union Offset, Canberra, ACT, Australia, 1999.
  • Santos A.S., Rodrigues M.A.M., Bessa R.J.B., Ferreira L.M., Martin-Rosset W. Understanding the equine cecum-colon ecosystem: current knowledge and future perspectives. Animal, 2011, 5(1): 48-56 ( ).
  • DOI: 10.1017/S1751731110001588
  • Fliegerova K., Mura E., Mrázek J., Moniello G. A comparison of microbial profiles of different regions of the equine hindgut. Livestock Science, 2016, 190: 16-19 ( ).
  • DOI: 10.1016/j.livsci.2016.05.015
  • Nocek J.E. Bovine acidosis: implications on laminitis. Journal of Dairy Science, 1997, 80(5): 1005-1028 (
  • DOI: 10.3168/jds.S0022-0302(97)76026-0)
  • Sergeant M.J., Constantinidou C., Cogan T.A., Bedford M.R., Penn C.W., Pallen M.J. Extensive microbial and functional diversity within the chicken cecal microbiome. PLoS ONE, 2014, 9(3): e91941 ( ).
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0091941
  • Stanley D., Geier M.S., Denman S.E., Haring V.R., Crowley T.M., Hughes R.J., Moore R.J. Identification of chicken intestinal microbiota correlated with the efficiency of energy extraction from feed. Veterinary Microbiology, 2013, 164(1-2): 85-92 ( ).
  • DOI: 10.1016/j.vetmic.2013.01.030
  • Kim B.R., Shin J., Guevarra R., Lee J.H., Kim D.W., Seol K.-H., Lee J.-H., Kim H.B., Isaacson R. Deciphering diversity indices for a better understanding of microbial communities. Journal of Microbiology and Biotechnology, 2017, 27(12): 2089-2093 ( ).
  • DOI: 10.4014/jmb.1709.09027
  • Tian K., Liu J., Sun Y., Wu Y., Chen J., Zhang R., He N., Dong G. Effects of dietary supplementation of inulin on rumen fermentation and bacterial microbiota, inflammatory response and growth performance in finishing beef steers fed high or low-concentrate diet. Animal Feed Science and Technology, 2019, 258: 114299 ( ).
  • DOI: 10.1016/j.anifeedsci.2019.114299
  • Ильина Л.А. Изучение микрофлоры рубца крупного рогатого скота на основе молекулярно-биологического метода T-RFLP с целью разработки способов ее оптимизации. Канд. дис. СПб, 2012.
  • Husso A., Jalanka J., Alipour M.J., Huhti P., Kareskoski M., Pessa-Morikawa T., Iivanainen A., Niku M. The composition of the perinatal intestinal microbiota in horse. Scientific Reports, 2020, 10(1): 441 ( ).
  • DOI: 10.1038/s41598-019-57003-8
  • Steelman S.M., Chowdhary B.P., Dowd S., Suchodolski J., Janečka J.E. Pyrosequencing of 16S rRNA genes in fecal samples reveals high diversity of hindgut microflora in horses and potential links to chronic laminitis. BMC Veterinary Research, 2012, 8: 231 ( ).
  • DOI: 10.1186/1746-6148-8-231
  • Venable E.B., Bland S.D., McPherson J.L., Francis J. Role of the gut microbiota in equine health and disease, Animal Frontiers, 2016, 6(3): 43-49 ( ).
  • DOI: 10.2527/af.2016-0033
  • Morrison P.K., Newbold C.J., Jones E., Worgan H.J., Grove-White D.H., Dugdale A.H., Barfoot C., Harris P.A., McG Argo C. The equine gastrointestinal microbiome: impacts of age and obesity. Frontiers in Microbiology, 2018, 9: 3017 ( ).
  • DOI: 10.3389/fmicb.2018.03017
  • Schoster A., Weese J.S., Guardabassi L. Probiotic use in horses - what is the evidence for their clinical efficacy? Journal of Veterinary Internal Medicine, 2014, 28(6): 1640-1652 ( ).
  • DOI: 10.1111/jvim.12451
  • Тараканов Б.В. Методы исследования микрофлоры пищеварительного тракта сельскохозяйственных животных и птицы. М., 2006.
  • Jewell K.A., Scott J.J., Adams S.M., Suen G. A phylogenetic analysis of the phylum Fibrobacteres. Systematic and Applied Microbiology, 2013, 36(6): 376-382 ( ).
  • DOI: 10.1016/j.syapm.2013.04.002
  • Ransom-Jones E., Jones D.L., McCarthy A.J., McDonald J.E. The Fibrobacteres: an important phylum of cellulose-degrading bacteria. Microbial Ecology, 2012, 63(2): 267-281 ( ).
  • DOI: 10.1007/s00248-011-9998-1
  • Salem S.E., Maddox T.W., Berg A., Antczak P., Ketley J.M., Williams N.J., Archer D.C. Variation in faecal microbiota in a group of horses managed at pasture over a 12-month period. Scientific Reports, 2018, 8(1): 8510 ( ).
  • DOI: 10.1038/s41598-018-26930-3
  • Hogan C.M. "Archaea", encyclopedia of Earth /E. Monosson, C. Cleveland (eds.). National Council for Science and the Environment, 2010.
  • Bomberg M., Timonen S. Distribution of cren- and euryarchaeota in scots pine mycorrhizospheres and boreal forest humus. Microbial Ecology, 2007, 54(3): 406-416 ( ).
  • DOI: 10.1007/s00248-007-9232-3
  • Lincoln S.A., Wai B., Eppley J.M., Church M.J., Summons R.E., DeLong E.F. Planktonic Euryarchaeota are a significant source of archaeal tetraether lipids in the ocean. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2014, 111(27): 9858-9863 ( ).
  • DOI: 10.1073/pnas.1409439111
  • Rychlik I. Composition and function of chicken gut microbiota. Animals, 2020, 10(1): 103 ( ).
  • DOI: 10.3390/ani10010103
  • Gotić J., Grden D., Babić N.P., Mrljak V. The use of probiotics in horses with gastrointestinal disease. American Journal of Animal and Veterinary Sciences, 2017, 12(3): 159-168 ( ).
  • DOI: 10.3844/ajavsp.2017.159.168
  • Ishizaka S., Matsuda A., Amagai Y., Oida K., Jang H., Ueda Y., Takai M., Tanaka A., Matsuda H. Oral administration of fermented probiotics improves the condition of feces in adult horses. Journal of Equine Science, 2014, 25(4): 65-72 ( ).
  • DOI: 10.1294/jes.25.65
  • Bailey S.R., Baillon M.-L., Rycroft A.N., Harris P.A., Elliott J. Identification of equine cecal bacteria producing amines in an in vitro model of carbohydrate overload. Applied and Environmental Microbiology, 2003, 69(4): 2087-2093 ( ).
  • DOI: 10.1128/aem.69.4.2087-2093.2003
  • Al Jassim R.A.M. Supplementary feeding of horses with processed sorghum grains and oats. Animal Feed Science and Technology, 2006, 125(1): 33-44 ( ).
  • DOI: 10.1016/j.anifeedsci.2005.05.019
  • Bergsten C. Causes, risk factors, and prevention of laminitis and related claw lesions. Acta Veterinaria Scandinavica, 2003, 44: S157 ( ).
  • DOI: 10.1186/1751-0147-44-S1-S157
  • Bernardeau M., Lehtinen M.J., Forssten S.D., Nurminen P. Importance of the gastrointestinal life cycle of Bacillus for probiotic functionality. Journal of Food Science and Technology, 2017, 54(8): 2570-2584 ( ).
  • DOI: 10.1007/s13197-017-2688-3
  • Abriouel H., Franz C.M.A.P., Ben Omar N., Gálvez A. Diversity and applications of Bacillus bacteriocins. FEMS Microbiology Reviews, 2011, 35(1): 201-232 ( ).
  • DOI: 10.1111/j.1574-6976.2010.00244.x
  • Stein T. Bacillus subtilis antibiotics: structures, syntheses and specific functions. Molecular Microbiology, 2005, 56(4): 845-857 ( ).
  • DOI: 10.1111/j.1365-2958.2005.04587.x
  • Caulier S., Nannan C., Gillis A., Licciardi F., Bragard C., Mahillon C. Overview of the antimicrobial compounds produced by members of the Bacillus subtilis. Frontiers in Microbiology, 2019, 10: 302 ( ).
  • DOI: 10.3389/fmicb.2019.00302
  • Kennedy R., Lappin D.F., Dixon P.M., Buijs M.J., Zaura, E., Crielaard W., O'Donnell L., Bennett D., Brandt B.W., Riggio M.P. The microbiome associated with equine periodontitis and oral health. Veterinary Research, 2016, 47: 49 ( ).
  • DOI: 10.1186/s13567-016-0333-1
  • Jumas-Bilak E., Carlier J.P., Jean-Pierre H., Citron D., Bernard K., Damay A., Gay B., Teyssier C., Campos J., Marchandin H. Jonquetella anthropi gen. nov., sp. nov., the first member of the candidate phylum ‘Synergistete'' isolated from man. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 2007, 57(12): 2743-2748 ( ).
  • DOI: 10.1099/ijs.0.65213-0
  • Vartoukian S.R., Palmer R.M., Wade W.G. The division "Synergistes". Anaerobe, 2007, 13(3-4): 99-106 ( ).
  • DOI: 10.1016/j.anaerobe.2007.05.004
  • Marchandin H., Damay A., Roudière L., Teyssier C., Zorgniotti I., Dechaud, H., Jean-Pierre H., Jumas-Bilak E. Phylogeny, diversity and host specialization in the phylum Synergistetes with emphasis on strains and clones of human origin. Research in Microbiology, 2010, 161(2): 91-100 ( ).
  • DOI: 10.1016/j.resmic.2009.12.008
  • Hatheway C.L. Toxigenic clostridia. Clinical Microbiology Reviews, 1990, 3(1): 66-98 ( ).
  • DOI: 10.1128/cmr.3.1.66
  • Bauer M.A., Kainz K., Carmona-Gutierrez D., Madeo F. Microbial wars: competition in ecological niches and within the microbiome. Microbial Сell, 2018, 5(5): 215-219 ( ).
  • DOI: 10.15698/mic2018.05.628
  • Markowiak P., Śliżewska K. The role of probiotics, prebiotics and synbiotics in animal nutrition. Gut Pathogens, 2018, 10: 21 ( ).
  • DOI: 10.1186/s13099-018-0250-0
  • Лаптев Г.Ю., Новикова Н.И., Йылдырым Е.А., Ильина Л.А., Тарлавин Н.В. Микробиом сельскохозяйственных животных: связь со здоровьем и продуктивностью. СПб, 2020.
  • Fernández S., Fraga M., Silveyra E., Trombert A.N., Rabaza A., Pla M., Zunino P. Probiotic properties of native Lactobacillus spp. strains for dairy calves. Beneficial Microbes, 2018, 9(4): 613-624 ( ).
  • DOI: 10.3920/BM2017.0131
  • Йылдырым Е.А., Ильина Л.А., Лаптев Г.Ю., Зайцев С.Ю. Микробиом рубца и продуктивность дойных коров под влиянием энтеросорбента микотоксинов Заслон®-Фито. Сельскохозяйственная биология, 2019, 54(6): 1144-1153 ( ).
  • DOI: 10.15389/agrobiology.2019.6.1144rus
  • Нuerta B., Barrero-Domínguez B., Galán-Relaño Á., Tarradas C., Maldonado A., Luque I. Essential oils in the control of infections by Staphylococcus xylosus in Horses. Journal of Equine Veterinary Science, 2016, 38: 19-23 ( ).
  • DOI: 10.1016/j.jevs.2015.11.011
  • Laptev G.Y., Filippova V.A., Kochish I.I., Yildirim E.A., Ilina L.A., Dubrovin A.V., Brazhnik EA., Novikova N.I., Novikova O.B., Dmitrieva M.E., Smolensky V.I., Surai P.F., Griffin D.K., Romanov M.N. Examination of the expression of immunity genes and bacterial profiles in the caecum of growing chickens infected with Salmonella enteritidis and fed a phytobiotic. Animals, 2019, 9(9): 615 ( ).
  • DOI: 10.3390/ani9090615
Еще
Статья научная
SciUp 2024 © 2024 ©