Das ruminale Mikrobiom des Rindes (1. Teil)

Abstract

Wiederkäuer sind bezüglich der Verdauung des Futters von ihren Mikrobiota abhängig.
Es ist daher verlockend, bereits eine Verbindung zwischen der Zusammensetzung und Menge verschiedener Pansenbakterien und physiologischen Parametern des Wirts zu belegen.
Die Genprodukte (Enzyme) der ruminalen Mikroorganismen übernehmen Aufgaben, die im Genom eines Wiederkäuers (Wirt) nicht verankert sind. Dazu gehört unter anderem der Abbau von Nahrungsbestandteilen (zum Beispiel Cellulose), die sie allein nicht zu verdauen vermögen.
Durch die Entwicklung neuer molekularbiologischer Hochdurchsatzmethoden sind die Erkenntnisse über das ruminale Mikrobiom, also die Gesamtheit der den Pansen eines Wiederkäuers besiedelnden Organismen, rasant steigend.
Die Gesamtergebnisse bestätigen, dass das ruminale mikrobielle Ökosystem direkt mit dem Pansenfermentationsmuster gekoppelt ist. Zusammenfassend kann formuliert werden:

• Die Fütterung beeinflusst sowohl das Pansenmikrobiom als auch die Pansenfermentation;
• eine ausgeglichene Energie- und Stickstoffzufuhr ist ein wichtiger Schlüssel, um eine hohe Rentabilität und Umweltverträglichkeit der Milch- oder Rindfleischerzeugung zu sichern.

Der vorliegende Beitrag gibt neue Einblicke in die strukturelle und funktionelle Vielfalt des Pansenmikrobioms sowie in die vielschichtig vorhandenen Interaktionen (Fütterung-Mikrobiom-Wirt).
Wir stehen allerdings erst am Anfang, die verschiedenen ruminalen Mikrobiota unserer Wiederkäuer zu erforschen.
Man könnte annehmen, dass die zugehörigen Forschungsarbeiten tiefste Grundlagenforschung – eng begrenzt auf die tierische Erzeugung – ist. Dem ist genau nicht so!
Es darf erwartet werden, dass die ruminale Mikrobiomforschung, die längst auch das Interesse der Biogas- oder Biokraftstofferzeuger geweckt hat, uns wohl noch viel Neues parat hält.
Die Koexistenz der Mikroben und ihrer wiederkäuenden Wirte – entstanden in der gemeinsamen Koevolution in Millionen von Jahren – dürfte ein Vorbild dafür sein, wie wir durch eine gezielte Nutzung von Mikroorganismen in dafür speziell errichteten Anlagen unsere Energieprobleme (mit-)lösen oder unseren steigenden Proteinbedarf zukünftig (mit-)decken könnten.
Das neue Forschungsgebiet besitzt deshalb hohe Priorität für die gesamte Lebensmittel- und Energieerzeugung auf Basis von Biomasse.
Der nachfolgende zweite Beitrag stellt die Archaeen in den Mittelpunkt der Betrachtungen.

 

The ruminal microbiome of cattle
Part 1: Bacteria – a central part of the ruminal microbiome

Ruminants depend on their microbiota to digest their feed.
It is therefore very tempting to prove a link between the composition and quantity of various rumen bacteria and the physiological parameters of the host.
The gene products (enzymes) of ruminal microorganisms take over tasks that are not anchored in the ruminant (host) genome such as the degradation of nutritional components (for example cellulose) that they are not capable of digesting by themselves. The development of new high-throughput methods in molecular biology is rapidly increasing the knowledge of the ruminal microbiome (the totality of microbial organisms in the rumen of a ruminant).
One important conclusion is that the ruminal microbial ecosystem is connected directly to the rumen fermentation pattern. To sum up, it can be said that:

• feeding affects both the ruminal microbiome and the fermentation in the rumen,
• balanced energy and nitrogen supply are an important key to ensure high profitability and environmental impact in dairy or beef production.

This paper will provide new insights into the structural and functional diversity of the ruminal microbiome as well as into the multilayered existing complex interactions (feeding-microbiome-host).
However, we are now only beginning to explore the ruminal microbiota of our ruminants.
One might assume that the associated research constitutes the deepest basic research, strictly limited to livestock production. But that is just not so!
It may be expected that ruminal microbiome research, which has attracted the interest of biogas and biofuel producers for a long time, probably has many things in store for us.
The coexistence of microbes with their ruminant hosts – the result of joint co-evolution over millions of years – should be a model for how we could solve, by systematically using microorganisms in specially built facilities, our energy problems and increasing our protein needs in the future.
Therefore, this new research area has a high priority for the entire food and energy production based on biomass.
The following second report focuses its analysis on the archaea.

 

Le microbiome ruminal des bovins    
1ère partie : les bactéries – élément constitutif central du microbiome du rumen

Pour digérer les fourrages les ruminants sont dépendants de leurs microbiotes.
Il est donc tentant de prouver qu’il existe une relation entre composition et quantité des diverses bactéries du rumen et paramètres physiologiques de l’hôte. Les produits géniques (enzymes) des microorganismes du rumen assument certaines tâches qui ne sont pas ancrées dans le génome d’un ruminant (hôte). En fait partie, entre autres, la décomposition des composants alimentaires (cellulose, par exemple) qu’ils ne peuvent pas digérer seuls.
Du fait du développement de nouvelles méthodes de biotechnologie moléculaire de pointe, les connaissances recueillies au sujet du microbiome du rumen, c’est-à-dire de la totalité des organismes colonisateurs d’un ruminant, sont en augmentation considérable.
Les résultats d’ensemble confirment que le système écologique ruminal microbien est directement couplé avec le modèle de fermentation du rumen. En résumé, on peut affirmer

• que la nourriture agit aussi bien sur le microbiome que sur la fermentation du rumen,
• qu’un apport équilibré d’énergie et d’azote est un élément-clé essentiel pour assurer une haute rentabilité et une éco-compatibilité élevée de la production de lait et de viande par le bétail bovin.

Le présent article apporte de nouveaux aperçus sur la diversité structurelle et fonctionnelle du microbiome ruminal, ainsi que sur les interactions existantes (alimentation-microbiome-hôte).
A vrai dire, nous ne sommes qu’au début de la recherche concernant les différents microbiomes de nos ruminants.
On pourrait supposer que les travaux de recherche correspondants représentent la recherche fondamentale la plus profonde – étroitement limitée à la production animale. Ce n’est juste-ment pas le cas!
On est en droit de s’attendre à ce que la recherche du microbiome ruminal qui a éveillé également et depuis longtemps l’intérêt à l’égard de la production de biogaz, voire celui des producteurs de biocarburant, tient probablement à notre disposition bien des choses nouvelles. La coexistence des microbes et de leurs hôtes ruminants – apparue au cours de la coévolution commune au fil de millions d’années – devrait être un modèle qui devrait permettre de résoudre, dans le futur, nos problèmes en matière d’énergie ou nos problèmes relatifs à nos besoins croissants en protéïnes, cela par une utilisation ciblée de micro-organismes dans des installations spécialement construites à cet effet.
De ce fait, le nouveau domaine de recherche est hautement prioritaire pour ce qui est de l’ensemble de la production des produits alimentaires et celle d’énergie s’appuyant sur la biomasse.
La deuxième communication qui suit met en place les archéens au centre des considérations.