veterinaryВетеринария сегодняVeterinary Science Today2304-196X2658-6959"Veinard"10.29326/2304-196X-2022-11-1-53-60veterinary-614Research ArticleБОЛЕЗНИ КРСBOVINE DISEASESСравнительная характеристика кишечного микробиома местного крупного рогатого скота и скота абердин-ангусской породы, импортированного в КазахстанComparative analysis of intestinal microbiome of local cattle and Aberdeen Angus cattle imported to KazakhstanДаугалиеваА. Т.DaugaliyevaA. T.

кандидат ветеринарных наук, старший научный сотрудник,

г. Алматы

Candidate of Science (Veterinary Medicine), Senior Researcher, 

Almaty

ДаугалиеваС. Т.DaugaliyevaS. T.

кандидат ветеринарных наук, ведущий научный сотрудник,

г. Алматы

Candidateof Science (Veterinary Medicine), Leading Researcher,

Almaty

КинеевМ. А.KineevM. A.

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, академик НАН Казахстана, главный научный сотрудник,

г. Алматы

Doctor of Agricultural Science, Professor, Academician of the NAS of the Republic of Kazakhstan, Chief Researcher,

Almaty

АрынгазиевБ. С.AryngaziyevB. S.

кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник,

г. Алматы

Candidate of Agricultural Science, Senior Researcher, 

Almaty

СембаеваА. И.SembaevaA. I.

магистр, младший научный сотрудник,

г. Алматы

Master, Researcher, 

Almaty

ЛаврентьеваТ. А.LavrentievaT. A.

бакалавр, младший научный сотрудник,

г. Алматы

Bachelor, Researcher,

Almaty

ТОО«Казахский научно-исследовательский институт животноводства и кормопроизводства» (ТОО«КазНИИЖиК»)КазахстанKazakh Research Institute of Livestock and Fodder Production LLPKazakhstanТОО«Научно-производственный центр микробиологии и вирусологии»КазахстанScientific Production Centerof Microbiology and Virology LLPKazakhstan2022270320221115360Copyright © Даугалиева А.Т., Даугалиева С.Т., Кинеев М.А., Арынгазиев Б.С., Сембаева А.И., Лаврентьева Т.А., 20222022Даугалиева А.Т., Даугалиева С.Т., Кинеев М.А., Арынгазиев Б.С., Сембаева А.И., Лаврентьева Т.А.Daugaliyeva A.T., Daugaliyeva S.T., Kineev M.A., Aryngaziyev B.S., Sembaeva A.I., Lavrentieva T.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://veterinary.arriah.ru/jour/article/view/614

Микробиом животных играет существенную роль во всех жизненно важных процессах организма. Его изучение необходимо для детального понимания процессов, происходящих между микроорганизмами, населяющими определенный орган, и их взаимосвязи с клетками макроорганизма. Оценка состояния микробного сообщества животных и его функции может оказать неоценимую помощь в поиске новых стратегий повышения эффективности кормления и сохранения здоровья крупного рогатого скота. Целью исследования было сравнение таксономической структуры микробиома кишечника крупного рогатого скота абердин-ангусской породы, импортированного в Казахстан, и коров местных пород с помощью технологии секвенирования нового поколения. Был определен полный микробный состав содержимого кишечника животных при исследовании образцов экскрементов без предварительной стадии микробиологического культивирования на питательных средах. Результаты 16S метагеномного анализа показали, что доминирующими бактериальными таксонами в микробиоме кишечника животных обеих групп на уровне типа были Firmicutes и Proteobacteria примерно в одинаковом количестве. На уровне бактериальных семейств численность представителей Clostridiaceae была немного больше у коров абердин-ангусской породы (19,7%), чем у скота местной породы (15,4%). Представители семейств Bacteroidaceae, Peptococcaceae, Ruminococcaceae и Coriobacteriaceae преобладали в микробном сообществе кишечника местного скота. Данные микроорганизмы участвуют в синтезе витаминов, стимулируют иммунную функцию организма, нормализуют пищеварение, увеличивают усвояемость питательных веществ и, как следствие, повышают привесы у животных. Бактерии семейства Prevotellaceae были выявлены в небольшом количестве (0,5%) только у коров местной породы, которые имели высокие привесы. На уровне рода значительное разнообразие наблюдали в микробиоме местного скота: всего 65 таксонов против 40 у абердин-ангусов. Установлено, что в кишечном микробиоме крупного рогатого скота местных пород содержится меньшее количество метаногенов и большее количество ацетогенов. 

Animal microbiome plays a significant role in all the vital body processes. Studying the microbiome is essential for gaining a detailed insight into the interactions among microorganisms inhabiting a certain organ and their relationship with macroorganism cells. Evaluating the state of animal microbial community and its function can provide an invaluable assistance in seeking new strategies to improve feed efficiency and maintain cattle health. The aim of the study was to compare the taxonomic structure of the intestinal microbiome of Aberdeen Angus cattle imported to Kazakhstan with that of local breed cows using next generation sequencing technology. The tests of fecal samples allowed for determination of the complete microbial composition of animal intestinal contents, while leaving out the preliminary stage of microbiological cultivation using nutrient media. The results of 16S metagenomic analysis showed that Firmicutes and Proteobacteria were predominant bacterial taxons at the phylum level in the intestinal microbiome in both groups of animals, with their numbers being roughly the same. At the bacterial familylevel, the number of Clostridiaceae was a little higher in Aberdeen Angus cows (19.7%) than in the local breed cattle (15.4%). The representatives of the families Bacteroidaceae, Peptococcaceae, Ruminococcaceae and Coriobacteriaceae prevailed in the gut microbial community of local cattle. These microorganisms are involved in the synthesis of vitamins, they stimulate the immune function of the body, normalize digestion, improve nutrient utilization and thus contribute to body weight gain in animals. Small numbers (0.5%) of bacteria of the family Prevotellaceae were detected only in the local breed cows demonstrating high body weight gain. The microbiome of the local cattle was characterized by a considerable diversity at the genus level: the total number of taxons amounted to 65, whereas in Aberdeen Angus cattle it was 40. It was found that the intestinal microbiome of local breed cattle includes less methanogens and more acetogens. 

микробиомкрупный рогатый скотабердин-ангусская породасеквенирование нового поколенияmicrobiomecattleAberdeen Angusnext generation sequencingРабота профинансирована и выполнена в рамках грантового проекта Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан ИРН AP09259133 «Исследование микробиома желудочно-кишечного тракта крупного рогатого скота с целью уменьшения выбросов парниковых газов».The study was funded and carried out within the framework of the grant project of the Science Committee of the Ministry of Education and Science of the Republic of Kazakhstan IRN AR09259133 “Cattle gastrointestinal microbiome studies aimed to reduce greenhouse gas emissions”.ReferencesCarberry C. A., Kenny D. A., Han S., McCabe M. S., Waters S. M. Effect of phenotypic residual feed intake and dietary forage content on the rumen microbial community of beef cattle. Appl. Environ. Microbiol. 2012; 78 (14): 4949–4958. DOI: 10.1128/AEM.07759-11.Carberry C. A., Kenny D. A., Han S., McCabe M. S., Waters S. M. Effect of phenotypic residual feed intake and dietary forage content on the rumen microbial community of beef cattle. Appl. Environ. Microbiol. 2012; 78 (14): 4949–4958. DOI: 10.1128/AEM.07759-11.Rufener W. H. Jr., Nelson W. O., Wolin M. J. Maintenance of the rumen microbial population in continuous culture. Appl. Microbiol. 1963; 11 (3): 196–201. DOI: 10.1128/am.11.3.196-201.1963.Rufener W. H. Jr., Nelson W. O., Wolin M. J. Maintenance of the rumen microbial population in continuous culture. Appl. Microbiol. 1963; 11 (3): 196–201. DOI: 10.1128/am.11.3.196-201.1963.Matthews C., Crispie F., Lewis E., Reid M., O’Toole P. W., Cotter P. D. The rumen microbiome: a crucial consideration when optimising milk and meat production and nitrogen utilisation efficiency. Gut. Microbes. 2019; 10 (2): 115–132. DOI: 10.1080/19490976.2018.1505176.Matthews C., Crispie F., Lewis E., Reid M., O’Toole P. W., Cotter P. D. The rumen microbiome: a crucial consideration when optimising milk and meat production and nitrogen utilisation efficiency. Gut. Microbes. 2019; 10 (2): 115–132. DOI: 10.1080/19490976.2018.1505176.Pace N. R., Stahl D. A., Lane D. J., Olsen G. J. The Analysis of Natural Microbial Populations by Ribosomal RNA Sequences. In: Advances in Microbial Ecology. Eds. K. C. Marshall. Vol. 9. Boston: Springer; 1986; Chapter 1: 1–55. DOI: 10.1007/978-1-4757-0611-6_1.Pace N. R., Stahl D. A., Lane D. J., Olsen G. J. The Analysis of Natural Microbial Populations by Ribosomal RNA Sequences. In: Advances in Microbial Ecology. Eds. K. C. Marshall. Vol. 9. Boston: Springer; 1986; Chapter 1: 1–55. DOI: 10.1007/978-1-4757-0611-6_1.Klindworth A., Pruesse E., Schweer T., Peplies J., Quast C., Horn M., Glöckner F. O. Evaluation of general 16S ribosomal RNA gene PCR primers for classical and next-generation sequencing-based diversity studies. Nucleic Acids Res. 2013; 41 (1):e1. DOI: 10.1093/nar/gks808.Klindworth A., Pruesse E., Schweer T., Peplies J., Quast C., Horn M., Glöckner F. O. Evaluation of general 16S ribosomal RNA gene PCR primers for classical and next-generation sequencing-based diversity studies. Nucleic Acids Res. 2013; 41 (1):e1. DOI: 10.1093/nar/gks808.Mao S. Y., Zhang R. Y., Wang D. S., Zhu W. Y. Impact of subacute ruminal acidosis (SARA) adaptation on rumen microbiota in dairy cattle using pyrosequencing. Anaerobe. 2013; 24: 12–19. DOI: 10.1016/j.anaerobe.2013.08.003.Mao S. Y., Zhang R. Y., Wang D. S., Zhu W. Y. Impact of subacute ruminal acidosis (SARA) adaptation on rumen microbiota in dairy cattle using pyrosequencing. Anaerobe. 2013; 24: 12–19. DOI: 10.1016/j.anaerobe.2013.08.003.Li R. W., Connor E. E., Li C., Baldwin VI R. L., Sparks M. E. Characterization of the rumen microbiota of pre-ruminant calves using metagenomic tools. Environ. Microbiol. 2012; 14 (1): 129–139. DOI: 10.1111/j.1462-2920.2011.02543.x.Li R. W., Connor E. E., Li C., Baldwin VI R. L., Sparks M. E. Characterization of the rumen microbiota of pre-ruminant calves using metagenomic tools. Environ. Microbiol. 2012; 14 (1): 129–139. DOI: 10.1111/j.1462-2920.2011.02543.x.Khafipour E., Li S., Tun H. M., Derakhshani H., Moossavi S., Plaizier J. C. Effects of grain feeding on microbiota in the digestive tract of cattle. Animal Frontiers. 2016; 6 (2): 13–19. DOI: 10.2527/af.2016-0018.Khafipour E., Li S., Tun H. M., Derakhshani H., Moossavi S., Plaizier J. C. Effects of grain feeding on microbiota in the digestive tract of cattle. Animal Frontiers. 2016; 6 (2): 13–19. DOI: 10.2527/af.2016-0018.Shanks O. C., Kelty C. A., Archibeque S., Jenkins M., Newton R. J., McLellan S. L., et al. Community structures of fecal bacteria in cattle from different animal feeding operations. Appl. Environ. Microbiol. 2011; 77 (9): 2992–3001. DOI: 10.1128/AEM.02988-10.Shanks O. C., Kelty C. A., Archibeque S., Jenkins M., Newton R. J., McLellan S. L., et al. Community structures of fecal bacteria in cattle from different animal feeding operations. Appl. Environ. Microbiol. 2011; 77 (9): 2992–3001. DOI: 10.1128/AEM.02988-10.Plaizier J. C., Li S., Tun H. M., Khafipour E. Nutritional models of experimentally-induced subacute ruminal acidosis (SARA) differ in their impact on rumen and hindgut bacterial communities in dairy cows. Front. Microbiol. 2017; 7:2128. DOI: 10.3389/fmicb.2016.02128.Plaizier J. C., Li S., Tun H. M., Khafipour E. Nutritional models of experimentally-induced subacute ruminal acidosis (SARA) differ in their impact on rumen and hindgut bacterial communities in dairy cows. Front. Microbiol. 2017; 7:2128. DOI: 10.3389/fmicb.2016.02128.Myer P. R. Bovine genome-microbiome interactions: metagenomic frontier for the selection of efficient productivity in cattle systems. mSystems. 2019; 4 (3):e00103-19. DOI: 10.1128/mSystems.00103-19.Myer P. R. Bovine genome-microbiome interactions: metagenomic frontier for the selection of efficient productivity in cattle systems. mSystems. 2019; 4 (3):e00103-19. DOI: 10.1128/mSystems.00103-19.Kim M., Park T., Yu Z. Metagenomic investigation of gastrointestinal microbiome in cattle. Asian-Australas. J. Anim. Sci. 2017; 30 (11): 1515–1528. DOI: 10.5713/ajas.17.0544.Kim M., Park T., Yu Z. Metagenomic investigation of gastrointestinal microbiome in cattle. Asian-Australas. J. Anim. Sci. 2017; 30 (11): 1515–1528. DOI: 10.5713/ajas.17.0544.Kelly W. J., Leahy S. C., Kamke J., Soni P., Koike S., Mackie R., et al. Occurrence and expression of genes encoding methyl-compound production in rumen bacteria. Anim. Microbiome. 2019; 1 (1):15. DOI: 10.1186/s42523-019-0016-0.Kelly W. J., Leahy S. C., Kamke J., Soni P., Koike S., Mackie R., et al. Occurrence and expression of genes encoding methyl-compound production in rumen bacteria. Anim. Microbiome. 2019; 1 (1):15. DOI: 10.1186/s42523-019-0016-0.Wallace R. J., Sasson G., Garnsworthy P. C., Tapio I., Gregson E., Bani P., et al. A heritable subset of the core rumen microbiome dictates dairy cow productivity and emissions. Sci. Adv. 2019; 5 (7):eaav8391. DOI: 10.1126/sciadv.aav8391.Wallace R. J., Sasson G., Garnsworthy P. C., Tapio I., Gregson E., Bani P., et al. A heritable subset of the core rumen microbiome dictates dairy cow productivity and emissions. Sci. Adv. 2019; 5 (7):eaav8391. DOI: 10.1126/sciadv.aav8391.Bach A., López-García A., González-Recio O., Elcoso G., Fàbregas F., Chaucheyras-Durand F., Castex M. Changes in the rumen and colon microbiota and effects of live yeast dietary supplementation during the transition from the dry period to lactation of dairy cows. J. Dairy Sci. 2019;102 (7): 6180–6198. DOI: 10.3168/jds.2018-16105.Bach A., López-García A., González-Recio O., Elcoso G., Fàbregas F., Chaucheyras-Durand F., Castex M. Changes in the rumen and colon microbiota and effects of live yeast dietary supplementation during the transition from the dry period to lactation of dairy cows. J. Dairy Sci. 2019;102 (7): 6180–6198. DOI: 10.3168/jds.2018-16105.Freetly H. C., Dickey A., Lindholm-Perry A. K., Thallman R. M., Keele J. W., Foote A. P., Wells J. E. Digestive tract microbiota of beef cattle that differed in feed efficiency. J. Anim. Sci. 2020; 98 (2):skaa008. DOI: 10.1093/jas/skaa008.Freetly H. C., Dickey A., Lindholm-Perry A. K., Thallman R. M., Keele J. W., Foote A. P., Wells J. E. Digestive tract microbiota of beef cattle that differed in feed efficiency. J. Anim. Sci. 2020; 98 (2):skaa008. DOI: 10.1093/jas/skaa008.Liu J., Liu F., Cai W., Jia C., Bai Y., He Y., et al. Diet-induced changes in bacterial communities in the jejunum and their associations with bile acids in Angus beef cattle. Anim. Microbiome. 2020; 2 (1):33. DOI: 10.1186/s42523-020-00051-7.Liu J., Liu F., Cai W., Jia C., Bai Y., He Y., et al. Diet-induced changes in bacterial communities in the jejunum and their associations with bile acids in Angus beef cattle. Anim. Microbiome. 2020; 2 (1):33. DOI: 10.1186/s42523-020-00051-7.Shabat S. K., Sasson G., Doron-Faigenboim A., Durman T., Yaacoby S., Berg Miller M. E., et al. Specific microbiome-dependent mechanisms underlie the energy harvest efficiency of ruminants. ISME J. 2016; 10 (12): 2958–2972. DOI: 10.1038/ismej.2016.62.Shabat S. K., Sasson G., Doron-Faigenboim A., Durman T., Yaacoby S., Berg Miller M. E., et al. Specific microbiome-dependent mechanisms underlie the energy harvest efficiency of ruminants. ISME J. 2016; 10 (12): 2958–2972. DOI: 10.1038/ismej.2016.62.Li F., Guan L. L. Metatranscriptomic profiling reveals linkages between the active rumen microbiome and feed efficiency in beef cattle. Appl. Environ. Microbiol. 2017; 83 (9):e00061-17. DOI: 10.1128/AEM.00061-17.Li F., Guan L. L. Metatranscriptomic profiling reveals linkages between the active rumen microbiome and feed efficiency in beef cattle. Appl. Environ. Microbiol. 2017; 83 (9):e00061-17. DOI: 10.1128/AEM.00061-17.Myer P. R., Smith T. P., Wells J. E., Kuehn L. A., Freetly H. C. Rumen microbiome from steers differing in feed efficiency. PLoS One. 2015; 10 (6):e0129174. DOI: 10.1371/journal.pone.0129174.Myer P. R., Smith T. P., Wells J. E., Kuehn L. A., Freetly H. C. Rumen microbiome from steers differing in feed efficiency. PLoS One. 2015; 10 (6):e0129174. DOI: 10.1371/journal.pone.0129174.Zhang G., Wang Y., Luo H., Qiu W., Zhang H., Hu L., et al. The association between inflammaging and age-related changes in the ruminal and fecal microbiota among lactating Holstein cows. Front. Microbiol. 2019; 10:1803. DOI: 10.3389/fmicb.2019.01803.Zhang G., Wang Y., Luo H., Qiu W., Zhang H., Hu L., et al. The association between inflammaging and age-related changes in the ruminal and fecal microbiota among lactating Holstein cows. Front. Microbiol. 2019; 10:1803. DOI: 10.3389/fmicb.2019.01803.Лычкова А. Э. Взаимодействие электромоторной активности гладких мышц и микрофлоры кишечника. Экспериментальная и клиническая гастроэнтерология. 2012; 11: 84–90. eLIBRARY ID: 21589953.Lychkova A. E. Interaction of myoelectrical activity of the intestinal smooth muscles and microflora. Experimental and ClinicalGastroenterology. 2012; 11: 84–90. eLIBRARY ID: 21589953.Martinez-Fernandez G., Denman S. E., Yang C., Cheung J., Mitsumori M., McSweeney C. S. Methane inhibition alters the microbial community, hydrogen flow, and fermentation response in the rumen of cattle. Front. Microbiol. 2016; 7:1122. DOI: 10.3389/fmicb.2016.01122.Martinez-Fernandez G., Denman S. E., Yang C., Cheung J., Mitsumori M., McSweeney C. S. Methane inhibition alters the microbial community, hydrogen flow, and fermentation response in the rumen of cattle. Front. Microbiol. 2016; 7:1122. DOI: 10.3389/fmicb.2016.01122.Khafipour E., Li S., Plaizier J. C., Krause D. O. Rumen microbiome composition determined using two nutritional models of subacute ruminal acidosis. Appl. Environ. Microbiol. 2009; 75 (22): 7115–7124. DOI: 10.1128/AEM.00739-09.Khafipour E., Li S., Plaizier J. C., Krause D. O. Rumen microbiome composition determined using two nutritional models of subacute ruminal acidosis. Appl. Environ. Microbiol. 2009; 75 (22): 7115–7124. DOI: 10.1128/AEM.00739-09.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.