Effects of concentrate supplementation on fecal microbiota, serum metabolomics, and proteomics in grazing Yili horses

Technische Zusammenfassung: Auswirkungen der Konzentrat-Supplementierung auf die Fäkalmikrobiota, das Serum-Metabolom und das Proteom bei weidenden Yili-Pferden

Problemstellung
Das Yili-Pferd, eine zweckorientierte Rasse aus China, ist auf natürliche Beweidung angewiesen, die saisonalen Schwankungen und Niederschlagsvariationen unterliegt, welche die Qualität der Weide und die Nährstoffverfügbarkeit beeinträchtigen können. Obwohl natürliche Weiden zwar Rohfaser liefern, können sie möglicherweise nicht die spezifischen Energie- und Proteinbedarfe von Stuten in der frühen Laktationsphase decken, was potenziell das Gesundheitsmanagement und die Entwicklung der Rossmilchressourcen einschränkt. Obwohl die Supplementierung mit Konzentraten eine bekannte Strategie zur Schließung von Ernährungslücken ist, mangelt es an integrierter Forschung, die untersucht, wie eine solche Supplementierung das komplexe Zusammenspiel zwischen der Hinterdarmfermentation, der mikrobiellen Gemeinschaftsstruktur und dem systemischen Stoffwechsel des Wirts (Metabolomik und Proteomik) bei weidenden Equiden beeinflusst.

Methodik
Die Studie führte ein kontrolliertes 100-tägiges Experiment durch (10 Tage Adaption, 90 Tage Testphase) mit 16 frühen Laktationsstuten der Yili-Rasse (3–4 Jahre alt, ~391,5 kg), die zufällig zwei Gruppen zugeteilt wurden:

• Weidegruppe (G): Natürliche Beweidung auf der Weide.
• Weidegruppe + Supplementierung (GS): Erhielt zusätzlich zur natürlichen Beweidung 2 kg/Tag eines formulierten Konzentrat-Supplements (52 % Mais, 20 % Sojaschrot, 12 % Kleie, 10 % Gerste sowie Mineralien/Vitamine).

Datenerhebung und Analyse:

• Proben: Fäkalproben (für Fermentationsparameter, pH-Wert und 16S-rRNA-Sequenzierung) und Blutproben (für biochemische Indizes, Metabolomik und Proteomik) wurden an Tag 90 gesammelt.
• Fäkalanalyse: Messung flüchtiger Fettsäuren (VFA) mittels Gaschromatographie und Bewertung der mikrobiellen Diversität mittels PacBio Full-Length 16S-rRNA-Sequenzierung.
• Serum-Analyse:
  • Biochemie: Automatisierter Analysator für Glukose, Lipide, Leberenzyme und Bilirubin.
  • Metabolomik: Ungerichtete UPLC-MS/MS (ESI+ und ESI-) zur Identifizierung von Serummetaboliten.
  • Proteomik: DIA-basierte LC-MS/MS (Orbitrap Astral) zur Quantifizierung von Serumproteinen.
• Statistik: Unabhängige t-Tests für biochemische Daten; OPLS-DA für die Metabolomik; LEfSe für die Mikrobiota; sowie Korrelationsanalysen (Spearman), um Mikrobiota, Fermentation, Metaboliten und Proteine zu verknüpfen.

Wesentliche Ergebnisse

• Fäkale Fermentation und Mikrobiota:

  • Die GS-Gruppe wies signifikant höhere Fäkalpropionat- und Butyratkonzentrationen, einen niedrigeren Fäkal-pH-Wert und ein niedrigeres Acetat-zu-Propionat-Verhältnis im Vergleich zur G-Gruppe auf.
  • Die mikrobielle Diversität (Simpson-Index) war in der GS-Gruppe höher.
  • Verschiebungen auf Gattungsebene: Die GS-Gruppe zeigte signifikant höhere relative Abundanzen von Treponema und Oliverpabstia, während die G-Gruppe höhere Abundanzen von Lachnoclostridium, Roseburia, Anaerosacchariphilus und Coprococcus aufwies.
  • Die Korrelationsanalyse ergab, dass Treponema positiv mit Butyrat korrelierte und negativ mit dem pH-Wert, wohingegen faserabbauende Gattungen (Lachnoclostridium, Roseburia) negativ mit den Fermentationsprodukten in der supplementierten Gruppe korrelierten.

• Serum-Biochemie:

  • Die Konzentrat-Supplementierung erhöhte signifikant die Serumglukose (GLU).
  • Sie senkte signifikant das Gesamtbilirubin (TBIL), das Gesamtcholesterin (TC) und das High-Density-Lipoprotein-Cholesterin (HDL-C).
  • Es wurden keine signifikanten Unterschiede bei anderen Indizes wie Harnstoff, ALT, AST oder Triglyceriden festgestellt.

• Serum-Metabolomik:

  • 487 differenzielle Metaboliten wurden identifiziert (78 hochreguliert, 409 runterreguliert in GS).
  • Die KEGG-Anreicherung hob Pfade hervor, die mit dem Citratzyklus (TCA-Zyklus), dem Nukleotidstoffwechsel, der Gallensekretion, dem Vitamin-B6-Stoffwechsel und dem Pyruvatstoffwechsel zusammenhängen.
  • Spezifische Zunahmen in der GS-Gruppe umfassten Estron-3-sulfat, Fumarsäure, Harnsäure und Citrat; Abnahmen umfassten cis-Akonitat, Inosin und Guanin.

• Serum-Proteomik:

  • 31 differenziell exprimierte Proteine (DEPs) wurden identifiziert (20 hochreguliert, 11 runterreguliert in GS).
  • Hochreguliert: Peroxiredoxin-5 (PRDX5), Lactoylglutathion-Lyase (GLO1), Transketolase, ATP1A1 und mehrere immunbezogene Proteine (z. B. Immunglobulin-Leichtkettenfragmente, Alpha-1-Antitrypsin).
  • Runterreguliert: Phospholipid-Transferprotein, Annexin, Kallikrein-verwandte Peptidase 11 und spezifische Immunglobulinfragmente.
  • Die funktionelle Anreicherung deutete auf metabolische Prozesse, zelluläre Reaktionen auf Reize und Immunsystemprozesse hin, insbesondere im Zusammenhang mit dem Pyruvatstoffwechsel und dem Pentosephosphatweg.

Zentrale Beiträge
Diese Studie bietet eine Multi-Omics-Perspektive darauf, wie die Konzentrat-Supplementierung den physiologischen Zustand von weidenden Yili-Pferden verändert. Durch die Integration von Fäkalmikrobiota, Fermentationsparametern, Serum-Metabolomik und -Proteomik erläutert die Forschung den mechanistischen Zusammenhang zwischen der Aufnahme von Stärke und der metabolischen Anpassung des Wirts. Sie zeigt auf, dass die Supplementierung die Hinterdarmfermentation in Richtung der Produktion von Propionat und Butyrat verschiebt und die Serumprofile moduliert, um die Glukoseverfügbarkeit und die Antioxidationskapazität zu erhöhen, während gleichzeitig der Lipid- und Gallensäurestoffwechsel verändert wird.

Bedeutung und Ansprüche
Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass eine moderate Konzentrat-Supplementierung (2 kg/Tag) die Fäkalfermentationsmuster und die mikrobielle Zusammensetzung bei weidenden Yili-Pferden effektiv verändert. Die Studie behauptet, dass diese diätetischen Veränderungen Pfade regulieren, die mit dem Serum-Glukose- und Lipidstoffwechsel, dem Gallensäurestoffwechsel, den Antioxidationsantworten und dem Energiestoffwechsel zusammenhängen. Insbesondere die Hochregulierung von Antioxidationsproteinen (PRDX5, Gло1) und Enzymen des Pentosephosphatwegs deutet auf eine verbesserte Kapazität zur metabolischen Pufferung und Entgiftung hin.

Die Arbeit postuliert, dass diese Erkenntnisse darauf hindeuten, dass eine moderate Konzentrat-Supplementierung den Ernährungs- und Stoffwechselstatus von weidenden Yili-Pferden, insbesondere während der Laktation, verbessern kann. Die Studie zielt darauf ab, eine theoretische Basis für ein präzises Ernährungsmanagement und Fütterungsstrategien zu schaffen, die die Gesundheit der Pferde optimieren und gleichzeitig die ökologische Stabilität der Grasländer aufrechterhalten. Die Autoren weisen explizit darauf hin, dass, obwohl die Abundanz von Treponema zunahm (eine Gattung, die manchmal mit Entzündungen assoziiert wird), die Studie keine histologischen Veränderungen gemessen hat, wessofern dieses potenzielle Risiko mit Vorsicht zu bewerten ist.