تنظیم تخمیر شکمبه و جمعیت میکروبی از طریق تفاوت کاتیون-آنیون جیره در گاوهای چینی هلشتاین تحت شرایط استرس حرارتی

مقدمه:

استرس گرمایی (HS) را می‌توان به عنوان محیطی تعریف کرد که تعادل انرژی حرارتی حیوان بین ورودی گرما و اتلاف گرما را مختل می‌کند و باعث افزایش دمای بدن می‌شود. این وضعیت ناشی از ترکیبی از عوامل محیطی مانند دمای محیط، رطوبت نسبی، تابش خورشید و تهویه است. حیوانات در محدوده دمایی خنثی خود (TNZ) انرژی نسبتاً کمتری برای حفظ دمای بدن صرف می‌کنند و از این رو بر اساس پتانسیل ژنتیکی، می‌توانند به بیشینه‌ی تولیدی خود برسند. با این حال، هنگامی که دمای محیط از TNZ آن‌ها فراتر رود و HS رخ دهد، عملکرد و سلامت آن‌ها مختل می‌شود. نشان داده شده است که شاخص دما-رطوبت (THI) بیش از 72، با HS در گاوهای شیری مرتبط است؛ که سبب کاهش عملکرد شیردهی، کیفیت شیر و عملکرد تولید مثلی می‌شود. بنابراین HS ضرر اقتصادی زیادی به صنعت گاوشیری به ویژه در نواح گرمسیری و نیمه گرمسیری وارد می‌کند.

مقابله با HS در پرورش حوانات می‌تواند تحت تاثیر گونه‌ی پرورشی، منابع در دسترس و منطقه‌ی پرورشی متفاوت باشد. روش‌های تغذیه‌ای می‌تواند روش‌های مکملی مورد استفاده در این راستا باشد. از آنجایی که دفع CO2، Na و پتاسیم از طریق تعریق و ادرار در زمان HS افزایش می‌یابد، از دست رفت الکترولیت‌های خونی را همزمان با بالانس اسید‌-باز خون تغییر می‌دهد. بنابراین به نظر می‌رسد با افزایش اختلاف آنیون- کاتیون جیره (DCAD) با استفاده از منابع بافری (مثل NaHCO3، KHCO3 و K2CO3) هموستاز بدن تحت شرایط HS تا حدودی کنترل شود.

شکمبه به عنوان یک اکوسیستم کوچک اما پیچیده میزبان میکروارگانیسم‌های مختلف پروکاریوتی (باکتری‌ها و آرکئاباکتری‌ها) و یوکاریوتی (پروتوزوآ و قارچ‌ها) است که مواد خوراکی را به زیست توده میکروبی و محصولات نهایی تخمیر تبدیل می‌کنند که توسط میزبان قابل استفاده هستند. بنابراین، میکروبیوتای شکمبه و تخمیر میکروبی آن به طور قابل توجهی با بهره‌وری، سلامت و رفاه میزبان مرتبط است.

هدف:

برسی اثر افزایشی DCAD جیره بر تخمیر شکمبه و جمعیت میکروبی شکمبه از طریق استفاده از NaHCO3 (بی‌کربنات سدیم) و K2CO3 (کربنات پتاسیم) در گاوهای شیری هلشتاین چینی که تحت استرس حرارتی هستند.

مواد و روش:

8 گاو شیری هلشتاین چینی با میانگین تولید شیر 22.4 لیتر در روز، 219 روز شیردهی و 521 کیلوگرم وزن بدن در آرایش دو دوه‌ای متقاطع (two-period cross-over) در فصل تابستان مورد استفاده قرار گرفتند. هر دوره شامل 24 روز (14 روز سازگاری، 7 روز نمونه برداری و 3 روز فاصله تا آزمایش بعدی) بود. در اولین دوره، گاوها به دو تیمار کنترل (Na+k – CL، 33.46 میلی اکی‌والان در هر 100 گرم ماده خشک) و DCAD زیاد (HDCAD با DCAD: 50.76 میلی اکی‌والان در هر 100 گرم ماده خشک) تقسیم بندی شدند. گاوهای گروه کنترل با جیره کاملا مخلوط (TMR) پایه (شامل سیلاژ ذرت، یونجه، کاه یولاف، تخم پنبه‌ی کامل، کنجاله‌ی ذرت، ذرت پرک شده با بخار، DDGS، کنجاله‌ی سویا، سویا فول فت اکسترود و پریمیکس) تغذیه شدند، در حالی که گاوهای گروه HDCAD با جیره پایه TMR که داراری NaHCO3 (بی‌کربنات سدیم) و K2CO3 (کربنات پتاسیم) بود، تغذیه شدند.

شاخص دما- رطوبت (THI) بر اساس فرمول زیر محاسبه شد:

THI = (Tdb + Twb) × 0:72 + 40:6

به دلیل نگهداری گاوها در شرایط تای استال، Tdb گرمای چراغ حرارتی خشک، Twb گرمای چراغ حرارتی تر بود. در دوره‌ی اول بازه‌ی THI بین 75 تا 91 در نظر گرفته شد؛ اما در دوره‌ی دوم نوسان THI بیشتر بود، به گونه‌ای که بازه‌ی نوسان، 69 تا 90 بود. با این حال 98% مدت زمان طرح، گاوها با داشتن THI بیش از 72، تحت استرس حرارتی بودند.

نمونه‌های مایع شکمبه با استفاده از لوله‌ی دهانی شکمی، روش توضیح داده شده Shen و همکاران (2012)، 1 ساعت قبل و 3 و 6 ساعت بعد از تغذیه جمع آوری شد. واکنش زنجیره‌ای پلیمراز کمی realtime  (RT-qPCR) برای تعیین تعداد نسخه‌های ژن‌های 16 یا 18S  rRNA کل باکتری‌ها، قارچ‌های بی‌هوازی، آرکئاباکتری‌های متانوژن، گونه‌های Prevotella، Prevotella ruminicola، Ruminococcus albus، Ruminococcus flavefaciens، Fibrobacter succinogenes، Selenomonas ruminantium و Ruminobacter amylophilus در مایع شکمبه انجام گرفت.

نتایج و بحث

تیمار اثری بر غلظت NH3-N نداشت، به همین دلیل می‌توان نتیجه‌ گرفت که سنتز پروتئین تغییری نکرده است. در این مطالعه، افزایش DCAD تحت شرایط HS، سبب افزایش کل اسیدهای چرب فرار (TVFA) شد. با این حال غلظت نسبی VFA تحت تاثیر تیمار قرار نگرفت. پیش‌تر، مطالعات نشان دادند، تغییر DCAD می‌تواند pH شکمبه و عملکرد جمعیت میکروبی شکمبه را تغییر دهد. اگرچه در این مطالعه، pH تحت تاثیر تیمار HDCAD قرار نگرفت. این نتیجه‌ با مطالعه‌ی Pacheco و همکاران (2018) که اثری از تغییر pH با افزایش DCAD از 34 تا 48 و 134 میلی‌اکی والان در هر 100 گرم ماده خشک در جیره‌های پایانی بر پایه‌ی ذرت پرک شده با بخار تغذیه شدند مشاهده نکردند، در یک راستا بود. در کل، نتایج متناقضی برای تاثیر DCAD بر عملکرد تخمیری شکمبه ارائه شده است. این نتایج می‌تواند تحت تاثیر جیره، حیوان، محیط و مدیریت و همچنین روش محاسبه‌ی DCAD (Na + k – CL یا Na + k – (CL + S)) قرار گیرد.

نمودار 1. مقایسه تعداد نشخه میکروب‌های هدف در مایع شکمبه گاوهای تیمار HDCAD (log10 کپی در میلی‌لیتر)

نتایج حاصل از تجزیه و تحلیل RT-qPCR در مطالعه حاضر نشان داد (شکل 1) که افزایش DCAD تعداد نسخه‌های ژن 16S  rRNA باکتری‌های سلولولیتیک R. albus و R. flavefaciens را در مایع شکمبه افزایش داد، که نشان دهنده‌ی هضم بهتر الیاف در طول تخمیر از طریق افزایش DCAD در هوای گرم است. بر اساس تجزیه و تحلیل RT-qPCR، گونه‌های Prevotella فراوان‌ترین میکروارگانیسم در بین میکروب‌های هدف بود، در حالی که تعداد نسخه‌های S. ruminantium (باکتری‌های آمیلولیتیک) نسبت به اکثر میکروارگانیسم‌های هدف نسبتاً بیشتر بود. این دو میکروب غالب در تجزیه لاکتات و سایر الیگوساکاریدهایی به استات و لاکتات که از هضم شکمبه فرار می‌کنند نقش دارند.

نتایج توالی‌یابی ژن 16S  rRNA مبتنی بر DNA نشان داد که میکروبیوم باکتریایی در مایع شکمبه بین گاوهای دو گروه در طول هوای گرم نیز به ترتیب توسط Bacteroidetes ، Firmicutes  و Proteobacteria غالب بود.

هنگامی که تاکسون‌های باکتریایی بین گروه کنترل و HDCAD مقایسه شدند، قابل توجه بود که شاخه Fibrobacteres و جنس Fibrobacter به طور قابل توجهی در HDCAD از فراوانی بیشتری برخوردار بود. تا کنون، شاخه Fibrobacteres شامل یک جنس رسمی Fibrobacter است.  Fibrobacter به عنوان عضوی از باکتری‌های سلولولایتیک و همی‌سلولولایتیک، به عنوان یکی از فراوان‌ترین و کارآمدترین تجزیه‌کننده‌های زیست توده گیاهی لیگنوسلولزی ، با ظرفیت بالایی در حل کردن پلی‌ساکاریدهای دیواره سلولی گیاهی، در شکمبه گاو شناخته می‌شود. بنابراین، افزایش شاخه Fibrobacteres و جنس Fibrobacter در HDCAD می‌تواند احتمالاً توضیحی برای افزایش غلظت TVFA (اسیدهای چرب فرار کل) باشد. این در حالی بود که هیچ تفاوتی در شاخص‌های تنوع آلفا و ساختار میکروبیوم باکتریایی در بین تیمارها وجود نداشت. تعداد نسخه‌های ژن 16S  rRNA باکتری‌های سلولولیتیک R. albus و R. flavefaciens در مایع شکمبه در HDCAD بیشتر از گروه کنترل بود.

نتیجه گیری:

افزایش DCAD در هوای گرم، غلظت TVFA شکمبه را بهبود بخشید، در حالی که دیگر شاخص‌های مایع‌ شکمبه تحت تأثیر قرار نگرفتند. علاوه بر این، تعداد کپی ژن‌های 16S  rRNA باکتری‌های سلولولیتیک R. albus و R. flavefaciens در مایع شکمبه در گروه HDCAD نیز بیشتر از گروه کنترل بود. با وجود اینکه تفاوت قابل توجهی در شاخص‌های تنوع آلفا و ساختار میکروبیوم باکتریایی بین تیمارها وجود نداشت، افزایش DCAD شاخه Fibrobacteres و جنس Fibrobacter را در میکروبیوتا مایع شکمبه افزایش داد.

منبع:

https://doi.org/10.1111/jam.14812

  1. Wang, Z., et al., Modulation of rumen fermentation and microbial community through increasing dietary cation–anion difference in Chinese Holstein dairy cows under heat stress conditions. Journal of Applied Microbiology, 2021. 130(3): p. 722-735.