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

기술 요약: 잔여 사료 섭취량(RFI) 표현형이 소에게 투여된 바실러스(Bacillus) 기반 직접 급여 미생물(DFM)에 대한 성장 성적 및 반추위 미생물군집 반응을 조절함

문제 제기
직접 급여 미생물(DFM), 특히 바실러스(Bacillus) 기반 첨가제는 위장관 미생물 군집을 조절함으로써 반추 동물의 건강과 생산성을 높이기 위해 널리 사용된다. 그러나 소에 대한 이러한 첨가제의 효능은 일관되지 않으며, 그 반응의 크기와 방향 모두에서 차이를 보인다. 기존 연구들은 이러한 변동성을 균주 차이, 용량, 사료 조성 등의 요인으로 돌리고 있으나, 숙주 관련 결정 요인에 대해서는 상대적으로 주의를 기울이지 않았다. 특히, 동물의 고유한 사료 효율 표현형인 잔여 사료 섭취량(RFI)이 DFM 보충에 대한 반응에 영향을 미치는지 여부는 여전히 불분명하다. 음(-)의 RFI를 가진 소(사료 효율이 높은 개체)는 양(+)의 RFI를 가진 소(사료 효율이 낮은 개체)와 비교하여 구별되는 반추위 미생물 군집 및 대사 프로파일을 보유하고 있으며, 이는 반추위 환경이 미생물 첨가제의 효능을 결정할 수 있음을 시사한다. 본 연구는 RFI 표현형이 바실러스 기반 보충에 대한 성장 성적 및 반으로 미생물군집 반응을 조절하는지라는 지식의 공백을 다룬다.

연구 방법
본 연구는 서로 다른 RFI 표현형을 가진 108두의 교잡종(앵거스 × 헤리퍼드) 비육 거세우 중 40두를 선정하여 2 × 2 요인 실험 설계를 활용하였다.

• 표현형 선정: 49일간의 RFI 결정 기간 이후, 20두의 음(-)의 RFI 거세우(평균 RFI = −1.66 kg/d; 더 효율적임)와 20두의 양(+)의 RFI 거세우(평균 RFI = 1.62 kg/d; 덜 효율적임)를 선정하였다.
• 처리구: 거세우들을 각 RFI 표현형 내에서 대조군 식단(CON) 또는 바실러스 보충 식단(BAC)의 네 그룹으로 배정하였다. 바실러스 기반 DFM(Papillon, Easton, MD)은 옥수수 실리지 기반 완전 혼합 사료(TMR)에 14 g/두/일(약 1.5 × 10⁸ CFU/g)의 비율로 혼합하여 투여되었다.
• 기간: 사양 시험은 70일 동안 진행되었다.
• 측정 항목:
  • 성장 성적: GrowSafe 노드를 사용하여 개체별 건물 섭취량(DMI)을 지속적으로 기록하였다. 체중(BW)은 0, 14, 42, 70일에 측정하여 일당 증체량(ADG) 및 사료 요구율(Feed:Gain ratio)을 산출하였다.
  • 미생물군집 분석: 70일에 반추위 액을 채취하였다. 미생물 DNA를 추출하였으며, Illumina MiSeq 플랫폼을 사용하여 16S rRNA 유전자의 V3–V4 영역을 시퀀싱하였다.
  • 생물정보학: 서열은 QIIME 2 및 DADA2를 사용하여 처리되었으며, 분류학적 분류는 SILVA 138 데이터베이스를 대상으로 수행되었다. 다양성 지표(Chao1 풍부도, Bray–Curtis 베타 다양성) 분석에는 MicrobiomeAnalyst를, 상대적 풍부도의 통계적 모델링에는 SAS를 사용하였다.
• 통계 분석: 성장 및 미생물군집 데이터는 식단, RFI 표현형 및 이들의 상호작용을 고정 효과로 하는 혼합 모델로 분석되었다. 유의 수준은 P ≤ 0.05로 설정하였으며, 0.05 < P ≤ 0.10인 경우 경향성(tendency)이 있는 것으로 간주하였다.

주요 결과

• 성장 성적: 최종 체중(BW) 및 일당 증체량(ADG)에서 유의미한 식단 × RFI 상호작용이 관찰되었다 (P = 0.02). 음(-)의 RFI 거세우에서 바실러스 보충은 대조군에 비해 최종 체중(489 kg vs. 467 kg)과 ADG(2.19 kg/d vs. 2.05 kg/d)를 유의미하게 증가시켰다. 반면, 첨가제를 섭취한 양(+)의 RFI 거세우에서는 성능 향상이 감지되지 않았다. DMI는 RFI 표현형에 의해 영향을 받았으나 (P = 0.03), 식단이나 상호작용에 의해서는 영향을 받지 않았다.
• 미생물군집 다양성:
  • 알파 다양성: Chao1 풍부도는 식단 × RFI 상호작용을 나타냈다 (P = 0.05). 보충은 음(-)의 RFI 거세우에서 미생물 풍부도를 증가시켰으나, 양(+)의 RFI 거세우에는 효과가 없었다.
  • 베타 다양성: 군집 조성(Bray–Curtis 비유사도)은 식단 × RFI 상호작용을 보였다 (P = 0.01). 양(+)의 RFI 거세우에서 대조군과 보충 식단 간의 유의미한 차이가 발견되었으나 (P = 0.04), 음(-)의 RFI 거세우에서는 차이가 감지되지 않았다 (P = 0.31).
• 분류학적 변화:
  • 문(Phylum) 수준: Bacteroidota와 Firmicutes에서 유의미한 상호작용이 탐지되었다. 음(-)의 RFI 거세우에서 보충은 Bacteroidota의 풍부도를 증가시킨 반면 (32.3% vs. 28.6%), Firmicutes의 풍부도는 증가하지 않았다 (BAC− 45.1% vs. CON− 48.1%). 양(+)의 RFI 거세우에서는 보충 시 Bacteroidota가 감소하고 (24.7% vs. 32.3%) Firmicutes가 증가하였다 (50.5% vs. 45.9%).
  • 속(Genus) 수준: Prevotella, Lachnospiraceae_NK3A20_group, Ruminococcus에서 상호작용이 유의미했다. 바실러스 보충은 음(-)의 RFI 거세우에서 Prevotella의 풍부도를 증가시켰으나 (23.5% vs. 21.0%), 양(+)의 RFI 거세우에서는 감소시켰다. 반대로, Lachnospiraceae_NK3A20_group과 Ruminococcus는 양(+)의 RFI 거세우에서 증가하였으나 음(-)의 RFI 거세우에서는 그렇지 않았다.
  • 주요 효과: 보충은 모든 표현형에 걸쳐 Acetitomaculum과 Desulfobacterota의 상대적 풍부도를 증가시켰으며, Ruminobacter는 감소시켰다.

의의 및 주장
저자들은 바실러스 기반 DFM의 효능이 균일하지 않으며, 숙주의 사료 효율 표현형에 강력하게 의존한다고 결론짓는다. 본 연구는 더 효율적인(음-RFI) 소가 보충을 통해 프로피온산 생성 균주(Bacteroidota 및 Prevotella) 쪽으로 미생물 변화와 함께 성장 성능 개선의 이점을 얻는다는 것을 입증한다. 이와 대조적으로, 덜 효율적인(양-RFI) 소는 성능 향상 없이도 (아세테이트/부티레이트 관련 균주의 농축과 같은) 감지 가능한 미생물 구조 재편을 보였다.

본 논문은 이러한 결과가 사료 효율 분류에 기반한 정밀 보충 전략 개발을 뒷받침한다는 점을 주장한다. 저자들은 분류학적 지표만으로는 DFM 효능을 예측하기에 불충분하며, 특히 양(+)의 RFI 동물에서는 기능적 결과(성장)와 조성 변화가 서로 다르게 나타날 수 있음을 강조한다. 또한, 본 연구가 표현형 의존적 연관성을 식별하였으나, 단일 시점 데이터의 상관관계적 특성상 인과관계를 확립하는 데는 한계가 있으며, 기저 메커니즘을 완전히 규명하기 위해서는 휘발성 지방산(VFA) 프로파일링과 같은 대사체학(metabolomics)을 포함한 향후 연구가 필요하다고 언급하였다.