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Newborn ruminants possess an underdeveloped rumen which is colonized by microorganisms acquired from adult animals and the surrounding environment. This microbial transfer can be limited in dairy systems in which newborns are separated from their dams at birth. This study explores whether the direct inoculation of fresh or autoclaved rumen fluid from adult goats to newborn kids has a beneficial effect on rumen microbial development and function., This study was funded by the Spanish Research Agency (Ref. AGL2017 86938-R) and the Training Program for Academics grant, Madrid, Spain (Ref. FPU16/01981). We acknowledge support of the publication fee by the CSIC Open Access Publication Support Initiative through its Unit of Information Resources for Research (URICI)

Additional file 1 Table S1. Description of the inocula in terms of rumen fermentation and microbial composition. Table S2. Effect of the early-in-life rumen microbial inoculation and age on the rumen bacteria concentration, diversity and taxonomy. Table S3. Spearman’s correlations between the bacterial taxa and the rumen function and animal performance. Table S4. Effect of early-in-life rumen microbial inoculation and age on the rumen methanogens concentration, diversity and taxonomy. Table S5. Effect of early-in-life rumen microbial inoculation and age on the rumen protozoal concentration, diversity and taxonomy. Table S6. Effect of early-in-life rumen microbial inoculation and age on the rumen anaerobic fungal concentration, diversity and taxonomy. Table S7. Descriptive statistics of the metadata used in the distance-based redundancy analyses and spearman correlations with microbial taxa abundance. Table S8. Primers used for quantitative PCR and Next Generation Sequencing. Fig. S1. Principal co-ordinates analysis illustrating the inoculation effects on the multi-kingdom rumen microbioma.

El rumen es una cámara de fermentación que permite a los rumiantes aprovechar eficientemente alimentos fibrosos. Dicho órgano alberga una compleja y diversa comunidad microbiana, lo que presenta dificultades en cuanto a la modulación de su función. Las primeras semanas de vida del animal en las que el ecosistema microbiano se está formando y tiene una importante plasticidad representa una interesante oportunidad de modulación. Distinto tipo de intervenciones aplicadas durante este período puede permitir la modulación y estimulación de la colonización microbiana del rumen y el desarrollo ruminal, lo cual adquiere gran relevancia especialmente en sistemas de lactancia artificial, donde las crías se separan rápidamente de las madres y por tanto carecen de una fuente natural de colonización. Esta tesis tuvo como objeto evaluar diversas estrategias para acelerar el desarrollo microbiológico ruminal y ahondar en el conocimiento de los factores que modulan dicha microbiota. En un primer experimento se procedió a identificar, en condiciones in vitro, la microbiota ruminal madura con un mayor potencial para ser empleada como inóculo en cabritos recién nacidos (Publicación 1). El líquido ruminal fresco muestreado en una situación postprandial resultó ser el inóculo que promovió una mayor actividad fermentativa y por tanto fue el elegido para ser utilizado en el siguiente experimento. En el segundo experimento (Publicaciones 2 y 3) se procedió a inocular diariamente cabritos recién nacidos hasta el destete en condiciones de lactancia artificial para estudiar los efectos de esta intervención en el desarrollo del rumen. Dicho estudio mostró que la inoculación con líquido ruminal fresco en cabritos mejoró la actividad fermentativa ruminal y aceleró la colonización microbiana del rumen antes del destete, como demuestran la mayor concentración y absorción de productos de fermentación como el butirato (+50 %) y la más abundante y diversa comunidad microbiana (P < 0.05). Además, los cabritos inoculados presentaron una mayor ganancia de peso inmediatamente tras el destete, posiblemente debido a la mayor ingesta de forraje (+44 %) y a la más compleja comunidad protozoaria del rumen. Mientras que el crecimiento no se vio afectado por la inoculación, algunos de los efectos positivos de esta persistieron después del destete. En un estudio subsiguiente (Publicación 4) se procedió a evaluar los efectos de la transmisión indirecta de microbiota ruminal a cabritos en lactancia artificial mediante la presencia de animales acompañantes adultos no lactantes en el mismo parque. Dicha estrategia de manejo dio lugar a un desarrollo microbiológico del rumen más temprano en los cabritos, representado por la presencia de unas comunidades de bacterias (+132 filotipos), protozoos y metanógenos más diversas, las cuales se asimilaban más a las presentes en los adultos. Los efectos en la actividad ruminal y el rendimiento animal no fueron tan claros como con la inoculación directa pero las mayores concentraciones de butirato (+45 %) y amonio sugieren una mejora de las actividades fibrolítica y proteolítica. Estos hallazgos sugieren que, en situaciones de lactancia artificial, la inoculación directa de rumiantes jóvenes con líquido ruminal de animales adultos, o indirectamente mediante la mera presencia de acompañantes adultos, permite acelerar el desarrollo microbiológico y funcional del rumen con efectos positivos sobre el periodo de destete. Paralelamente, en esta tesis se ha estudiado el papel de los componentes bioactivos de la saliva en la regulación de las poblaciones microbianas del rumen y su actividad fermentativa a través de la incubación con distintas fracciones de saliva y de distintos animales donantes. La incubación con una alta proporción de saliva filtrada (sin microorganismos pero con proteínas salivales) aumentó los niveles de actividad fermentativa ruminal (Publicación 5). El uso de saliva autoclavada originó una composición de la comunidad microbiana diferente, con una mayor abundancia de Proteobacteria y menor de Prevotellaceae, en comparación con las comunidades resultantes de la incubación con saliva no autoclavada de cabra u oveja (Publicación 6). Estos hallazgos sugieren que la inoculación directa e indirecta (aunque en menor medida) de microbiota ruminal mejoró el desarrollo del rumen de cabritos en el destete, y que los componentes bioactivos de la saliva modulan selectivamente las poblaciones microbianas del rumen y su actividad en pos de una adecuada asociación microbiota-huésped., The rumen is a fermentation chamber that enables ruminants to efficiently digest fibrous diets. This organ harbours a complex and diverse microbial community which makes it difficult to achieve a successful modulation of its activity. The first weeks of life of the animal when the ecosystem is being developed and therefore have high plasticity represent an interesting opportunity of modulation. Different interventions applied during the first weeks of life can allow the modulation and promotion of the rumen microbial colonization and rumen development, which is of great importance specially in artificial milking systems, where kids are quickly separated from their dams and therefore lack a natural source of colonization. This thesis aimed to evaluate several strategies to accelerate the rumen microbial development and to delve into the knowledge of the different factors that modulate the rumen microbiota. The first experiment of the thesis attempted to identify, under in vitro conditions, the mature rumen microbiota with a greater potential to be used as inoculum in newborn goats (Publication 1). Fresh rumen fluid sampled after feeding was found to be the inoculum that promoted a higher fermentative activity and therefore it was chosen for the following in vivo study. In this second experiment (Publications 2 and 3) newborn goat kids were daily inoculated until weaning under artificial-rearing conditions to assess the effects of this intervention on rumen development. This study showed that the inoculation with fresh rumen fluid in goat kids improved rumen fermentative activity and accelerated the rumen microbial colonization before weaning, as shown by the greater concentration and absorption of fermentation products such as butyrate (+50 %) and the more abundant and diverse microbial community (P < 0.05). Furthermore, Inoculated kids had a greater weight gain immediately after weaning, possibly because of their higher forage intake (+44 %) and complex rumen protozoal community. While animal growth was unaffected by inoculation, some of its positive effects also persisted after weaning. A subsequent study (Publication 4) aimed to evaluate the effects of mimicking the former microbial transmission to newborn goat kids until weaning by the presence of non-lactating adult companions in the same pen. This management strategy also resulted in an earlier rumen microbial development in goat kids, as shown by the presence of a diverse bacterial (+132 phylotipes), protozoal and methanogens communities at weaning, which better resembled those of the adults. Effects on rumen activity and animal performance were not as clear as with the direct inoculation but higher butyrate (+ 45 %) and ammonia concentrations suggest improved fibrolytic and proteolytic activities. These findings suggest that under artificial-rearing conditions, the direct inoculation of young ruminants with rumen fluid from adult animals, or indirectly by the mere presence of adult companions, allows an acceleration of the microbial and functional rumen development with positive effects during the weaning period. Concurrently, this thesis evaluated the role of the salivary bioactive components in the regulation of the rumen microbial populations and their fermentative activity by incubating with different saliva fractions and from different donors. Incubating with a high proportion of filtrated saliva (without microbiota but with salivary proteins) boosted the levels of rumen fermentative activity (Publication 5). The use of autoclaved saliva led to a very divergent microbial community composition, with greater abundance of Proteobacteria and lower of Prevotellaceae, compared to the communities resulting from incubation with non-autoclaved goat’s or sheep’s saliva (Publication 6). These findings suggest that direct and, to a lesser extent, indirect inoculation of rumen microbiota improved the rumen development in goat kids at weaning and that the bioactive components of saliva selectively modulate the rumen microbial populations and their activity for a suitable host-microbiota association., Tesis Univ. Granada.

Se han llevado a cabo cuatro experimentos in vitro y cuatro in vivo paraestudiar el efecto de aditivos, derivados de plantas o sintéticos, sobre lafermentación ruminal, la producción de metano y distintos grupos microbianosdel rumen. El estudio de aditivos in vivo, tras conocer sus efectos in vitro, estásujeto a una serie de limitaciones. Igualmente el uso de aditivos en condicionesprácticas tiene una serie de limitaciones. Entre esas limitaciones destacan lavariación en el efecto de los aditivos dependiendo del tipo de compuesto activoy su concentración así como de la dieta que recibe el animal; las diferenciasentre los resultados obtenidos in vitro e in vivo; la falta de estudios acerca de lapersistencia temporal de los efectos de los aditivos y; el desconocimiento de losmecanismos de acción de la mayoría de los compuestos antimetanogénicosestudiados recientemente. En la presente tesis se pretende responder a losinterrogantes que existen acerca del uso de aditivos en alimentación derumiantes, tratando de conocer los posibles mecanismos de acción de loscompuestos que presentan un efecto antimetanogénico más claro sincomprometer la fermentación ruminal. La Publicación 1 recoge los resultadosobtenidos en dos experimentos in vitro en los que se estudiaron los efectos deuna serie de aceites esenciales y compuestos organosulfurados sobre lafermentación ruminal, la producción de metano y las poblaciones microbianas.Esta publicación también recoge los resultados de un experimento in vivo, decorta duración (9 días) realizado en caprino, en el que se estudió el efecto delcompuesto que se mostró más prometedor en los experimentos in vitro, encuanto a su potencial para reducir la producción de metano. El primer..., Four in vitro and four in vivo experiments have been conducted to study theeffect of additives, synthetic or plants extract compounds, on rumenfermentation, methane production and microbial ecosystem. The developmentof an additive to its application in practical conditions normally is supported by invitro and in vivo studies. Such studies face challenges that constraint theinterpretation of results: the variation in the effects due to the type of activecompound and its concentration; the diet fed to animals; the differencesbetween the results obtained in vitro and in vivo; the lack of studies about thetemporal persistence of the effects and; the lack of knowledge of themechanisms of action of most of the compounds recently investigated. In thepresent thesis we aim to provide more insight into these issues by trying tounderstand the possible mechanisms of action of the antimethanogeniccompounds without compromising rumen fermentation.Publication 1 shows the results obtained from two in vitro experimentsconducted to investigate the effects of different essential oils and organosulphurcompounds on rumen fermentation, methane production and microbialconcentration. This publication also shows the results of a short-term in vivo trial(9 days) conducted with goats, which studied the effect of the most promisingantimethanogenic compound selected from in vitro experiments. The firstexperiment consisted of 24 hours in vitro batch cultures incubations usingrumen fluid from goats as inoculum. The compounds tested were carvacrol(CAR), cinnamaldehyde (CIN), eugenol (EUG), propyl propane thiosulfinate(PTS), propyl propane thiosulfonate (PTSO), diallyl disulfide (DDS), a mixture...

Tesis Univ. Granada. Departamento de Fisiología Vegetal. Leída el 8 de julio de 2011

Incluye Resumen, Introducción y objetivos, y Conclusiones escritos en inglés, Tesis Univ. Granada. Departamento de Biología Animal. Leída el 10 de junio de 2009