Dissertação
Metagenomic and metabolic analysis of the rumen in cattle submitted to heat stress conditions
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Universidade Federal de Lavras
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Departamento de Biologia
Programa de Pós-Graduação
Programa de Pós-Graduação em Microbiologia Agrícola
Agência de fomento
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
Tipo de impacto
Áreas Temáticas da Extenção
Objetivos de Desenvolvimento Sustentável
Dados abertos
Resumo
O estresse térmico é uma condição fisiológica resultante da incapacidade do animal de dissipar calor de forma suficiente para manter a sua homeotermia. Alterações no metabolismo dos bovinos podem induzir alterações na microbiota ruminal e no processo fermentativo do rúmen, e afetar a absorção de nutrientes pelo ruminante, afetando a sua produtividade. O objetivo deste trabalho foi estudar o metagenoma de procariotos e o perfil de metabólitos produzidos no rúmen de bovinos de corte submetidos a condições de conforto e de estresse térmico. Seis novilhas zebuínas puras, canuladas no rúmen, foram utilizados no experimento. Os animais foram confinados em câmaras bioclimáticas dotadas de ventiladores, exaustores, condicionadores de ar, lâmpadas infravermelhas e controladores de umidade. Foram testados 6 tratamentos, em um delineamento em quadrado latino 6 × 6, com um arranjo fatorial 2 × 2 + 2, contendo 2 fatores (temperatura e concentração energética da dieta) e dois tratamentos adicionais, de forma a obterem-se meios de comparação dos efeit os da temperatura sobre as variáveis propostas sem interferência do nível de consumo. As duas temperaturas propostas referem -se a termo neutralidade e estresse por calor (34º C de 6 às 18 horas e 24ºC de 18 às 6 horas). Foi realizada extração de DNA total das amostras coletadas, utilizando protocolo de fenol -clorofórmio. As amostras de DNA total foram sequenciadas pela plataforma de sequenciamento de nova geração MiSeq Sequencing System (Illumina). A partir das sequencias de DNA obtidas foram determinados os índices de diversidade de cada amostra. A classificação taxonômica das sequencias foi determinada utilizando o software de bioinformática Geneious 10.2.3. Os ácidos acético, propiônico, butírico, valérico, isobutírico e isovalérico, foram quantificados por cromatografia líquida de alta eficiência. A fim de caracterizar o perfil de compostos presente no ambiente ruminal foi utilizada a cromatografia gasosa associada a um espectrômetro de massas. As sequencias foram classificadas em 80 diferentes gêneros, pertencentes a 10 filos. Em todos os tratamentos, os filos Firmicutes e Bacteroidetes representam mais de 70% do total de procariotos identificados. Os filos Verrucomicrobia, Spirochaetes e os gêneros Flavonifractor, Treponema e Ruminococcus, apresentam redução (P<0,03) na sua representatividade quando os bovinos foram submetidos a elevadas temperaturas. O gênero Saccharibacteria genera (incertae sedis), pertencente ao filo de bactérias não cultivadas Candidatus Saccharibacteria, apresentou maior (P=0,05) representatividade de indivíduos nos animais que estavam sob condições de estresse calórico. O aumento de indivíduos pertencentes a este gênero, pode estar associada a diminuição do pH ruminal. A concentração dos ácidos acético e isovalérico foi maior (P=0,03) no rúmen de bovinos em condições de termo neutralidade. Foram identificados 45 diferentes compostos nas amostras do conteúdo ruminal analisadas. Não houve um perfil de compostos padrão de resposta ao estresse por calor. A amina Dihidro-5-pentil-2(3H)-Furanona foi identificada em 100% das amostras referentes aos tratamento s de estresse calórico e pode ser um indicador da condição de estresse térmico em bovinos. O estresse por calor causou alterações na composição da microbiota ruminal e também no processo fermentativo do rúmen e estas alterações podem representar padrões específicos em resposta a alteração fisiológica do hospedeiro em decorrência das condições de estresse por calor.
Abstract
Heat stress is a physiological condition resulting from an animal’s inability to dissipate heat to maintain its homeothermy. Changes in bovine metabolism may induce alterations in the ruminal microbiota and fermentative process, affecting its productivity. The objective of this project was to study prokaryote metagenomes and the metabolic profile in the rumen of beef cattle subjected to comfort and heat stress conditions. Six pure Zebu cattle, cannulated in the rumen, were used in the experiment. The animals were confined in bioclimatic chambers equipped with ventilators, exhausters, air conditioners, infrared lamps and humidity controllers. Six treatments were tested in a latin square design 6 × 6 with a 2 × 2 + 2 factorial arrangement, containing two factors (temperature and diet energy concentration) and two additional treatments, in order to obtain means of comparison of the temperature effect on the proposed variables without consumption level interference. The two proposed temperatures represent thermoneutral and heat stress conditions (34º C from 6 am to 6 pm and 24ºC from 6 am to 6 pm). Total DNA was extracted from each collected sample using a phenol-chloroform protocol. The total DNA was sequenced by the next -generation sequencing platform MiSeq Sequencing System (Illumina), and the diversity index of each sample was determined. The sequences taxonomic classification was determined using Geneious 10.2.3 bioinformatics software. Acetic, propionic, butyric, valeric, isobutyric and isovaleric acids were quantified by high performance liquid chromatography. Gas chromatography-mass spectrometry was used to characterise the compound profile present in the ruminal environment. Sequences were classified into 80 different genera, belonging to 10 phyla. In all treatments, Firmicutes and Bacteroidetes represented more than 70% of all prokaryotes identified. The phyla Verrucomicrobia and Spirochaetes and the genera Flavonifractor, Treponema and Ruminococcus presented a reduction (P<0.03) in their population when the cattle were submitted to high temperatures. The genus Saccharibacteria (incertae sedis), belonging to a phylum of uncultivated bacteria (Candidatus Saccharibacteria), presented higher (P=0.05) population in animals under thermal stress conditions. The concentration of isobutyric acid was lower (P<0.01) in the rumen of bovine under heat stress conditions. A total of 45 different compounds were identified in the ruminal samples. There was no standard compound profile related to heat stress. The amine dihydro-5-pentyl-2 (3H)-f uranone was identified in 100% of the samples following heat stress treatment. The heat stress caused alterations in the ruminal microbiota composition and also in the rumen fermentative process.
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Citação
SALES, G. F. C. Metagenomic and metabolic analysis of the rumen in cattle submitted to heat stress conditions. 2018. 57 p. Dissertação (Mestrado em Microbiologia Agrícola)-Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2017.