Микробиом рубца жвачных: современные представления.

Микробиом рубца жвачных включает несколько тысяч постоянно взаимодействующих между собой видов микроорганизмов. От состояния микробиома рубца зависит формирование иммунитета, уровень продуктивности, здоровье и долголетие сельскохозяйственных животных.
Симбиотические взаимоотношения
Уникальной особенностью жвачных животных является возможность потребления растительной биомассы в качестве источника питательных веществ. А так же усвоения их благодаря сложившемуся в течение эволюции симбиозу представителей микробиоты рубца. Микроорганизмы рубца расщепляют растительные полисахариды, белки, липиды на различные питательные соединения и витамины.
По современным оценкам, в 1 мл рубцовой жидкости содержится:
около 1011 бактерий,
103–107 грибов,
109 архей,
106 простейших
Их взаимодействие и совместное обитание в этой многокомпонентной системе связано с многообразием источников растительной клетчатки и разнообразием спектра продуцируемых микроорганизмами целлюлаз и других ферментов.
Сложность исследований
Оказалось, что состав микробиома рубца изучили недостаточно: среди тысяч видов детально исследованы лишь десятки. В этом и кроется главная причина отсутствия понимания роли микрофлоры рубца как в процессах пищеварения, так и в жизнедеятельности животного в целом.
Основные причины сложности изучения микробиоты рубца обозначили еще в 50-е гг. XIX в. Было установлено, что значительная часть микроорганизмов рубца представлена строго анаэробными видами. А это является важным лимитирующим фактором при выделении чистых культур на питательных средах.
Исследуя изоляты бактерий и грибов, ученые столкнулись с новой проблемой. Потому что, даже кратковременное снижение температуры воздуха приводило к гибели большинства штаммов.
Сегодня выявили ряд недостатков классических микробиологических методов, использующихся при изучении микробных сообществ (например, отсутствуют питательные среды, пригодные для поддержания роста всех жизнеспособных микроорганизмов рубца). Оказалось, что и идентификация микроорганизмов при помощи традиционных способов имеет погрешности, поскольку морфологические и метаболические свойства одних и тех же штаммов при различных условиях культивирования различаются. Поэтому и сегодня определить количество и видовую принадлежность целого ряда симбионтов (особенно грибов, архей и простейших) традиционными методами невозможно.
Это приводит к неправильным результатам исследований, получению ложных корреляций, искажению картины пищеварения и метаболизма животных. Тем не менее до 90-х гг. исследования микрофлоры рубца проводили с использованием классических методов микробиологии.
Ученым удалось выделить ряд изолятов, определить их видовую принадлежность и изучить свойства.
Молекулярно-генетический анализ
Появление и развитие молекулярно-генетических методов позволило совершить существенный прорыв в микробиологии рубца. Представилась возможность изучать биоразнообразие и определять количество микроорганизмов, минуя стадию их культивирования на питательных средах. А кроме того, получить более детальное представление о процессах, происходящих в рубце. В России молекулярно-генетические методы изучения микробиома рубца (NGS-секвенирование, T-RFLP-анализ, ПЦР в реальном времени) впервые оптимизировали и применили сотрудники ООО «БИО ТРОФ».
Современный взгляд на микробиом
Почти 90% рубцовых микроорганизмов — некультивируемые и неизвестные ранее, причем новые некультивируемые виды были обнаружены внутри известных таксонов — руминококков, эубактерий, клостридий, лактобактерий и др.
Стало понятно, почему классические микробиологические подходы ранее не позволяли установить статистическую взаимосвязь между микрофлорой рубца, рационами, здоровьем, продуктивностью и другими показателями: выявляли далеко не все искомые микроорганизмы. Основными обитателями рубца крупного рогатого скота оказались микроорганизмы, прямо или опосредованно связанные с процессами ферментации растительных кормов.
Микробиом рубца жвачных: современные представления
Среднее содержание микроорганизмов в рубце клинически здоровой коровы
Прежде всего это грибы — хитридиомицеты, которые являются основными инициаторами колонизации лигноцеллюлозных материалов. А так же метаногенные археи, бактерии — амилолитики и целлюлозолитики. И лактатутилизирующие бактерии, ферментирующие ряд кислот, включая молочную. Поэтому, уже к 2–3 месяцам в рубце телят концентрация микроорганизмов, расщепляющих растительные корма, достигает уровня, характерного для взрослого животного.
Было установлено, что содержание многих микроорганизмов в рубце крупного рогатого скота колеблется в течение суток. Это связано с процессами рубцовой ферментации: образованием летучих жирных кислот (ЛЖК), аммиака и других веществ. Однако, вопреки традиционному мнению у клинически здоровых животных в рубце, помимо представителей нормальной микрофлоры, в небольших количествах выявляли возбудителей различных заболеваний — энтеробактерии (способны вызывать гастроэнтерит), фузобактерии (некробактериоз), стафилококки и кампилобактерии (мастит) и т. д. Это свидетельствует о постоянном их присутствии в рубцовой экосистеме клинически здоровых животных. Молекулярно-генетические исследования, в отличие от традиционных посевов на питательные среды, дают возможность выявлять статистически значимые различия в составе микробиома рубца жвачных разного возраста, уровня продуктивности и здоровья. Полученные данные впервые в мировой практике позволили определить границы нормального содержания в рубце микроорганизмов — представителей полезной, нежелательной и условно-патогенной микробиоты — в соответствии с возрастом и физиологическим состоянием животного. В хозяйствах эти нормы сегодня широко востребованы. Их применяют для оценки состояния микробиома рубца.
Особенности микробиома рубца высокопродуктивных коров
Существует ли взаимосвязь между удойностью и микробиомом рубца? В результате исследований, проведенных специалистами, показали, что у высокопродуктивных коров формируется особая микрофлора рубца, когда вместо ферментирующих клетчатку целлюлозолитиков развиваются амилолитические бактероиды (особенностью их метаболизма является разложение крахмала, содержащегося в концентратах, до молочной кислоты (лактата), что приводит к снижению рН рубцового содержимого). В результате угнетается рост и чувствительных к снижению рН лактатутилизирующих бактерий.
Микробиом рубца жвачных: современные представления
Взаимосвязь между молочной продуктивностью и составом микробиома рубца коров
Тем не менее такие условия оптимальны для развития и продуцентов молочной кислоты — лактобактерий, и для патогенов — фузобактерий (для них лактат служит питательным субстратом). Таким образом, кормление высокопродуктивных коров концентратами, с одной стороны, способствует значительному увеличению удоев за короткий промежуток времени, а с другой — наносит ущерб микробиому рубца.