Residual feed intake phenotype modulates growth performance and ruminal microbiome responses to a Bacillus-based direct-fed microbial in beef steers

Technische Zusammenfassung: Der Phänotyp der residualen Futteraufnahme moduliert die Wachstumsleistung und die Reaktion des Pansen-Mikrobioms auf ein Bacillus-basiertes direktes Futterzusatzmittel bei Mastochsen

Problemstellung
Direkte Futterzusatzmittel (Direct-fed microbials, DFMs), insbesondere Präparate auf Bacillus-Basis, werden weit verbreitet eingesetzt, um die Gesundheit und Produktivität von Wiederkäuern durch die Modulation der gastrointestinalen Mikrobengemeinschaften zu verbessern. Die Wirksamkeit dieser Zusatzmittel bei Rindern ist jedoch inkonsistent, wobei die Reaktionen sowohl in der Größenordnung als als auch in der Richtung variieren. Während frühere Forschungsarbeiten diese Variabilität auf Faktoren wie Stammesunterschiede, Dosierung und Diätzusammensetzung zurückführen, wurde dem Einfluss wirtsspezifischer Determinanten bisher vergleichsweise wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Insbesondere bleibt unklar, ob der inhärente Futtereffizienz-Phänotyp eines Tieres, gemessen als residuale Futteraufnahme (RFI), die Reaktion auf eine Supplementierung mit DFMs beeinflusst. Negative-RFI-Rinder (effizienter) besitzen im Vergleich zu positiven-RFI-Rindern (weniger effizient) unterscheidbare Pansen-Mikrobengemeinschaften und metabolische Profile, was darauf hindeutet, dass das Milieu im Pansen die Wirksamkeit mikrobieller Zusatzmittel bedingen kann. Diese Studie adressiert die Wissenslücke darüber, ob der RFI-Phänotyp die Wachstumsleistung und die Reaktion des Pansen-Mikrobioms auf eine Bacillus-basierte Supplementierung moduliert.

Methodik
Die Studie verwendete ein 2 × 2-faktorielles Versuchsdesign mit 40 Kreuzungs-Mastochsen (Angus × Hereford), die aus einem Ausgangspool von 108 Tieren basierend auf divergierenden RFI-Phänotypen ausgewählt wurden.

• Phänotyp-Selektion: Nach einer 49-tägigen Phase zur Bestimmung der RFI wurden 20 negative-RFI-Steers (Mittelwert RFI = −1,66 kg/d; effizienter) und 20 positive-RFI-Steers (Mittelwert RFI = 1,62 kg/d; weniger effizient) ausgewählt.
• Behandlungen: Die Steers wurden einer von vier Gruppen zugeteilt: Kontrolldiät (CON) oder Bacillus-supplementierte Diät (BAC) innerhalb jedes RFI-Phänotyps. Das Bacillus-basierte DFM (Papillon, Easton, MD) wurde in einer Menge von 14 g/Tier/Tag (ca. 1,5 × 10⁸ KBE/g) verabreicht, gemischt in eine TMR auf Basis von Maissilage.
• Dauer: Der Fütterungsversuch dauerte 70 Tage.
• Messungen:
  • Wachstumsleistung: Die tägliche Trockenmasseaufnahme (DMI) wurde kontinuierlich mittels GrowSafe-Sensoren aufgezeichnet. Körpergewichte (BW) wurden an den Tagen 0, 14, 42 und 70 gemessen, um die durchschnittliche tägliche Zunahme (ADG) und die Futter-Leistungs-Verhältnisse zu berechnen.
  • Mikrobiom-Analyse: Am Tag 70 wurde Pansenflüssigkeit entnommen. Mikrobielle DNA wurde extrahiert und die V3–V4-Regionen des 16S-rRNA-Gens wurden mittels einer Illumina MiSeq-Plattform sequenziert.
  • Bioinformatik: Die Sequenzen wurden mittels QIIME 2 und DADA2 prozessiert, um Amplicon Sequence Variants (ASVs) zu generieren. Die taxonomische Klassifizierung erfolgte gegen die SILVA 138-Datenbank. Die Daten wurden mittels MicrobiomeAnalyst für Diversitätsmetriken (Chao1-Reichtum, Bray–Curtis Beta-Diversität) und mittels SAS für die statistische Modellierung der relativen Häufigkeiten analysiert.
• Statistische Analyse: Wachstums- und Mikrobiomdaten wurden mittels gemischter Modelle analysiert, wobei Diät, RFI-Phänotyp und deren Interaktion als feste Effekte behandelt wurden. Die Signifikanz wurde auf P ≤ 0,05 festgelegt, wobei Tendenzen bei 0,05 < P ≤ 0,10 vermerkt wurden.

Wesentliche Ergebnisse

• Wachstumsleistung: Es wurde eine signifikante Diät × RFI-Interaktion für das Endgewicht (BW) und die ADG beobachtet (P = 0,02). Bei negativen-RFI-Steers erhöhte die Bacillus-Supplementierung das Endgewicht (489 kg vs. 467 kg) und die ADG (2,19 kg/d vs. 2,05 kg/d) signifikant im Vergleich zur Kontrolle. Im Gegensatz dazu wurden bei positiven-RFI-Steers, die das Zusatzmittel erhielten, keine Leistungsverbesserungen festgestellt. Die DMI wurde durch den RFI-Phänotyp beeinflusst (P = 0,03), aber nicht durch die Diät oder die Interaktion.
• Mikrobiom-Diversität:
  • Alpha-Diversität: Der Chao1-Reichtum zeigte eine Diät × RFI-Interaktion (P = 0,05). Die Supplementierung erhöhte den mikrobiellen Reichtum bei negativen-RFI-Steers, hatte jedoch keinen Effekt auf positive-RFI-Steers.
  • Beta-Diversität: Die Gemeinschaftszusammensetzung (Bray–Curtis-Dissimilarität) zeigte eine Diät × RFI-Interaktion (P = 0,01). Signifikante Unterschiede zwischen Kontroll- und supplementierten Diäten wurden bei positiven-RFI-Steers gefunden (P = 0,04), während bei negativen-RFI-Steers kein Unterschied festgestellt wurde (P = 0,31).
• Taxonomische Verschiebungen:
  • Phylum-Ebene: Es wurden signifikante Interaktionen für Bacteroidota und Firmicutes detektiert. Bei negativen-RFI-Steers erhöhte die Supplementierung die Bacteroidota-Abundanz (32,3 % vs. 28,6 %), während die Firmicutes-Abundanz nicht zunahm (45,1 % vs. 48,1 % in BAC− vs. CON−). In positiven-RFI-Steers verringerte die Supplementierung die Bacteroidota (24,7 % vs. 32,3 %) und erhöhte die Firmicutes (50,5 % vs. 45,9 %).
  • Genus-Ebene: Die Interaktionen waren signifikant für Prevotella, Lachnospiraceae_NK3A20_group und Ruminococcus. Die Bacillus-Supplementierung erhöhte die Prevotella-Abundanz bei negativen-RFI-Steers (23,5 % vs. 21,0 %), verringerte sie jedoch bei positiven-RFI-Steers. Umgekehrt nahmen Lachnospiraceae_NK3A20_group und Ruminococcus bei positiven-RFI-Steers zu, jedoch nicht bei negativen-RFI-Steers.
  • Haupteffekte: Die Supplementierung erhöhte die relative Abundanz von Acetitomaculum und Desulfobacterota über beide Phänotypen hinweg, während sie Ruminobacter verringerte.

Bedeutung und Behauptungen
Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass die Wirksamkeit von Bacillus-basierten DFMs nicht einheitlich ist, sondern stark vom Futtereffizienz-Phänotyp des Wirts abhängt. Die Studie zeigt, dass effizientere (negative-RFI) Rinder von der Supplementierung mit einer verbesserten Wachstumsleistung und einer Verschiebung des Mikrobioms hin zu Propionat-produzierenden Taxa (Bacteroidota und Prevotella) profitieren. Im Gegensatz dazu zeigten weniger effiziente (positive-RFI) Rinder eine detektierbare strukturelle Veränderung des Mikrobioms (Anreicherung von Acetat/Butyrat-assoziierten Taxa) ohne entsprechende Leistungssteigerungen.

Das Paper behauptet, dass diese Ergebnisse die Entwicklung von Präzisions-Supplementierungsstrategien basierend auf der Klassifizierung der Futtereffizienz unterstützen. Es betont, dass taxonomische Metriken allein nicht ausreichen, um die Wirksamkeit von DFM vorherzusagen, da funktionale Ergebnisse (Wachstum) und kompositorische Veränderungen divergieren können, insbesondere bei positiven-RFI-Tieren. Die Autoren merken an, dass die korrelative Natur der Daten zu einem einzigen Zeitpunkt die Feststellung von Kausalität einschränkt und zukünftige Arbeiten, die Metabolomik (z. B. VFA-Profilierung) einbeziehen, notwendig sind, um die zugrunde liegenden Mechanismen vollständig aufzuklären.