| dc.contributor.advisor | Hummel, Jürgen Prof. Dr. | |
| dc.contributor.author | Schären, Melanie | |
| dc.date.accessioned | 2019-04-25T09:46:52Z | |
| dc.date.available | 2019-04-25T09:46:52Z | |
| dc.date.issued | 2019-04-25 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-002E-E616-1 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-7412 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-7412 | |
| dc.language.iso | deu | de |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject.ddc | 630 | de |
| dc.title | Interrelations between feed, host and rumen microbiota in dairy cows | de |
| dc.type | doctoralThesis | de |
| dc.contributor.referee | Dänicke, Sven Prof. Dr. | |
| dc.date.examination | 2017-11-16 | |
| dc.description.abstractger | Die schnelle Anpassung des Pansenmikrobioms an eine neue Ration gehört zu den Schlüsselmerkmalen der Überlebensstrategie der Wiederkäuer. Verschiedene Studien haben die Redundanz und Elastizität des Pansenmikrobioms beschrieben wodurch die Fermentation und Nährstoffextraktion aus einer breiten Palette von Futtermitteln ermöglicht wird. Des Weiteren wurde der starke Einfluss des Wirtsindividuums auf das Pansenmikrobiom beschrieben und festgestellt, dass viele Fragestellungen bezüglich der zeitlichen, räumlichen und mikrobiellen Dynamik weitestgehend ungeklärt sind. Ziel der vorliegenden Arbeit war es deshalb die verschiedenen Faktoren zu untersuchen welche das Pansenmikrobiom beeinflussen und die Zusammenhänge näher zu beleuchten. Dazu wurden drei Studien durchgeführt, die jeweils einen anderen Aspekt im Wirt-Mikrobiom Zusammenspiel betrachten: die Anpassung an eine neue Ration, der Einfluss von anti-ketogenen Futterzusatzstoffen und den Zusammenhang von phänotypischen Merkmalen des Wirtes mit dem Pansenmikrobiom. Die Pansenmikrobiomproben aus allen drei Studien wurden mittels einer DNA-fingerprinting (single-strand conformation polymorphism, SSCP) und einer „Next-Generation Sequencing“ Methode (16S rRNA Gen Amplikon Sequenzierung mittels der Illumina MiSeq Plattform) untersucht.
Für die erste Untersuchung wurde das Pansenmikrobiom an drei verschiedenen Stellen beprobt (Flüssigkeit, Futterpartikel und Epithel). Dies wurde im Rahmen eines Versuches durchgeführt, in dem die Umstellung von einer Kraftfutter- und Silage-basierten Fütterung (Stallhaltung) auf Weide und deren Einfluss auf den Metabolismus der Milchkuh im Fokus stand. Um den Einfluss von anti-ketogenen Futterzusatzstoffen auf das Pansenmikrobiom zu untersuchen wurden Proben in einem Versuch gesammelt, in dem der Einfluss von Monensin und ätherischen Ölen auf die Leistung, Tiergesundheit und Pansenfermentation der Milchkuh im Transitzeitraum betrachtet wurde. Für die dritte Studie wurde ein umfangreicher Datensatz bestehend aus Daten zu Leistung, Fressverhalten, Pansenmikrobiom und -fermentation, Metabolismus und Immunsystem von 36 gesunden Milchkühen im frühen Zeitraum ihrer Laktation ausgewertet.
Die erste Studie bestätigte das Konzept des „Kern- und variablen Mikrobioms“ („core and variable microbiome“) und dass dieses für alle drei beprobten Lokalisationen gilt. Des Weiteren zeigten die beiden ersten Studien, dass die größte veränderliche Wirkung von der Futterzusammensetzung ausgeht. Der erste Versuch zeigte auch, dass der Übergang von einer Kraftfutter- und Silage-basierten Fütterung hin zur Weide das Mikrobiom an allen drei
Lokalisationen im Pansen in ähnlichem Umfang verändert. Dies stellt ein besonders interessantes Resultat dar, da bisher angenommen wurde, dass das wandständige Mikrobiom Futtereinflüssen nur wenig unterworfen ist. Die Daten lassen auch vermuten, dass der benötigte Zeitraum zur Anpassung des Pansenmikrobioms an eine neue Ration nicht nur von der Anpassung der einzelnen Mikrobenspezies an das neue Substrat abhängig ist, sondern auch von Veränderungen im Verhalten und Metabolismus des Wirtes.
In der zweiten Studie konnte gezeigt werden, dass der Futterzusatzstoff Monensin das „Kernmikrobiom“ des Pansens verändert und dass die fehlende Wirkung von ätherischen Ölen höchstwahrscheinlich auf eine Gewöhnung und Anpassung des Pansenmikrobioms zurückzuführen ist. Des Weiteren werden verschiedene Aspekte zur Wirkweise von Monensin und den betroffenen Prokaryoten diskutiert. Das Konzept des „variablen oder individuellen Mikrobioms“ wurde in der ersten Studie statistisch untermauert. In der finalen Studie wurde dann der Hypothese nachgegangen ob dieses „individuelle Mikrobiom“ auf Unterschiede im Fressverhalten der Tiere zurückzuführen ist. Dies konnte nicht bestätigt werden. Jedoch konnten viele zuvor beschriebene Zusammenhänge zwischen der Abundanz von bestimmten Prokaryoten und Leistungsmerkmalen bestätigt werden.
In allen drei Studien werden verschiedene methodische Aspekte im Detail diskutiert, Probleme und Schlüsselfaktoren identifiziert und illustriert, dass bei der Interpretation und dem Vergleich von Mikrobiom Sequenzierdaten verschiedene Punkte zu berücksichtigen sind. Eine wichtige Beobachtung, welche in den verschiedenen hier dargelegten Studien gemacht wurde ist, dass phylogenetisch nah verwandte Prokaryotenspezies nicht zwingend ähnliche funktionale Merkmale aufweisen. Dieser Aspekt wurde bisher nur wenig erforscht und diskutiert und zeigt die Notwendigkeit einer funktionellen Charakterisierung neben der taxonomischen Klassifizierung auf.
Zusammenfassend wird festgestellt, dass zukünftige Studien sich die in den letzten 1-2 Jahren auf dem Markt angekommenen modernen Sequenziermethoden zu Nutze machen sollten um das Pansenmikrobiom besser und genauer zu charakterisieren. Dies sollte im Zusammenhang mit einer genauen Erfassung von phänotypischen Merkmalen des Wirtes erfolgen. Weiterhin sollten bisher ungenügend erforschte Aspekte näher beleuchtet werden, wie z.B. der Zusammenhang zwischen dem Pansenmikrobiom und dem Stoffwechsel des Wirtes, die Rolle der wenig abundanten Spezies und des Pansenwand-assoziierten Mikrobiom, die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Pansenmikroorganismen und die Rolle des Darmmikrobioms. | de |
| dc.description.abstracteng | The adaptability of the rumen microbiome to new nutritional situations is a key feature in ruminant survival strategy. Different studies and reviews describe the high redundancy and resilience of the rumen microbiome allowing the fermentation and nutrient extraction from a wide range of feedstuffs. They further highlight the strong host effect and that many questions concerning the temporal, spatial and microbial dynamics involved are still unanswered. The aim of this thesis was therefore to investigate different factors influencing the rumen microbiome and their interrelations. Three different studies were performed, each examining a different aspect in the rumen host-microbiome interplay: the adaptation to a new diet, the influence of anti-ketogenic feed additives, and the interrelations with phenotypic characteristics of the host. The database for the three studies was formed by rumen microbiota samples which were analyzed by a DNA-fingerpriting technique (single-strand conformation polymorphism, SSCP) and next generation sequencing (16S rRNA gene amplicon sequencing using the Illumina MiSeq platform).
For the first study samples were collected from three different sites in the rumen (liquid, fiber mat and epithelium) at three points in time, in a trial involving the transition from a silage- and concentrate-based ration to pasture in spring. To investigate the influence of anti-ketogenic feed additives on the rumen microbiome, rumen liquid samples were collected during a trial performed to investigate the influence of monensin and essential oils on health, production and rumen fermentation of transition dairy cows. For the third study, a large dataset of 36 healthy dairy cows in the first weeks of their lactation was analyzed for interrelations concerning the rumen microbiome, production, behavior, rumen fermentation, metabolic, and immunological variables.
The first study confirmed that the concept of a “core and variable microbiome” accounts for all three locations in the rumen and that the ration fed has the largest influence on the rumen microbiome compilation. The first trial further illustrated that a ration change from a concentrate- and silage-based ration to pasture influences the microbiome at all three locations, opposite the generally acknowledged hypothesis that the epithelium-associated prokaryotes remain more consistent throughout dietary changes. The data also suggests that the alterations observed in the rumen microbiome across a ration change cannot solely be accounted to the time needed for the different microbial species to adapt to the new substrate, but also to temporal aspects in behavioral and physiological alterations of and in the host. In the second study, we show that the feed additive monensin alters the “core microbiome” and confirm that the reason for the ineffectiveness of essential oils can most likely be attributed to
the adaptability of the rumen microbiome. Different aspects of the mode of action and the prokaryotes affected are discussed. In the first study, we were able to statistically proof the concept of the “variable or individual microbiome” for different prokaryotes. In the final study, it was hypothesized that the feed intake behavior of the host could be responsible for this “individual microbiome” through induction of alterations in the rumen fermentation profile. This hypothesis was however not confirmed. Nevertheless, several previously described interrelations between the abundance of certain rumen prokaryotes and production traits were confirmed.
Throughout the three studies different methodological aspects are discussed in detail, possible bottlenecks and key-influencing factors are identified, and it is illustrated that caution needs to be taken when interpreting and comparing microbiome sequencing data. A major finding of the presented studies is that prokaryotes which are phylogenetically close do not necessarily exhibit functional communality. This aspect has been largely ignored in previous studies and stresses the importance of functional characterization aside taxonomic classification.
It is concluded that future studies should not only involve more sophisticated methods to characterize the rumen microbiome as well as phenotypic attributes of its host, but also focus on an array of previously insufficiently investigated aspects, such as the interrelations between the microbiota and its hosts metabolism, the role of the low abundant microbial species and the rumen wall associated microbiota, the interrelations between the different rumen microorganisms and the role of the lower-gut microbiota. | de |
| dc.contributor.coReferee | Breves, Gerhard Prof. Dr. | |
| dc.subject.eng | rumen | de |
| dc.subject.eng | microbiota | de |
| dc.subject.eng | dairy cow | de |
| dc.subject.eng | pasture | de |
| dc.subject.eng | monensin | de |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-002E-E616-1-0 | |
| dc.affiliation.institute | Fakultät für Agrarwissenschaften | de |
| dc.subject.gokfull | Land- und Forstwirtschaft (PPN621302791) | de |
| dc.identifier.ppn | 1666650544 | |