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

Technische Samenvatting: Het Residual Feed Intake-fenotype moduleert de respons van groei-prestaties en het rumeenmicrobioom op een op Bacillus gebaseerd direct-gevoed microbieel middel in rundvee

Probleemstelling
Direct-gevoede microbiële middelen (DFM's), met name additieven op basis van Bacillus, worden breed gebruikt om de gezondheid en productiviteit van herkauwers te verbeteren door de microbiële gemeenschappen in de gastro-intestinale tractus te moduleren. De effectiviteit van deze additieven bij rundvee is echter inconsistent, waarbij de responsen variëren in zowel grootte als richting. Hoewel eerder onderzoek deze variabiliteit toeschrijft aan factoren zoals stamverschillen, dosering en dieetsamenstelling, is er relatief weinig aandacht besteed aan gastheer-gerelateerde determinanten. Specifiek blijft het onduidelijk of het inherente voerefficiëntie-fenotype van een dier, gemeten als Residual Feed Intake (RFI), de respons op DFM-suppletie beïnvloedt. Negatieve-RFI runderen (efficiënter) bezitten afwijkende rumeen-microbiële gemeenschappen en metabole profielen vergeleken met positieve-RFI runderen (minder efficiënt), wat suggereert dat de rumeenomgeving de effectiviteit van microbiële additieven kan conditioneren. Deze studie adresseert de kenniskloof over de vraag of het RFI-fenotype de groei-prestaties en rumeenmicrobioom-responsen op Bacillus-gebaseerde supplementatie moduleert.

Methodologie
De studie maakte gebruik van een 2 × 2 factorieel experimenteel ontwerp met 40 kruisingsrunderen (Angus × Hereford) die werden geselecteerd uit een initiële groep van 108 op basis van divergente RFI-fenotypes.

• Fenotype Selectie: Na een RFI-bepalingstermijn van 49 dagen werden 20 negatieve-RFI runderen (gemiddelde RFI = −1,66 kg/dag; efficiënter) en 20 positieve-RFI runderen (gemiddelde RFI = 1,62 kg/dag; minder efficiënt) geselecteerd.
• Behandelingen: De runderen werden toegewezen aan één van vier groepen: controle-dieet (CON) of Bacillus-gesuppleerd dieet (BAC) binnen elk RFI-fenotype. Het op Bacillus gebaseerde DFM (Papillon, Easton, MD) werd toegediend aan een dosis van 14 g/rund/dag (ca. 1,5 × 10⁸ CFU/g) gemengd in een maïszilage-gebaseerd totaal gemengd rantsoen (TMR).
• Duur: De voedingsproef duurde 70 dagen.
• Metingen:
  • Groei-prestaties: Individuele droge stof inname (DMI) werd continu geregistreerd met GrowSafe nodes. Lichaamsgewicht (BW) werd gemeten op dag 0, 14, 42 en 70 om gemiddelde dagelijkse groei (ADG) en Voer:Gewicht-ratio's te berekenen.
  • Microbioom Analyse: Rumenvocht werd verzameld op dag 70. Microbieel DNA werd geëxtraheerd en de V3–V4 regio's van het 16S rRNA-gen werden gesequenced op een Illumina MiSeq-platform.
  • Bioinformatica: Sequenties werden verwerkt met behulp van QIIME 2 en DADA2 om Amplicon Sequence Variants (ASV's) te genereren. Taxonomische classificatie werd uitgevoerd tegen de SILVA 138 database. Gegevens werden geanalyseerd met MicrobiomeAnalyst voor diversiteitsmetrieken (Chao1 rijkdom, Bray–Curtis bèta-diversiteit) en SAS voor statistische modellering van relatieve abundanties.
• Statistische Analyse: Groei- en microbioomgegevens werden geanalyseerd met gemengde modellen waarbij dieet, RFI-fenotype en hun interactie als vaste effecten werden behandeld. Significantie werd vastgesteld op P ≤ 0,05, waarbij tendensen werden genoteerd bij 0,05 < P ≤ 0,10.

Belangrijkste Resultaten

• Groei-prestaties: Er werd een significante dieet × RFI interactie waargenomen voor eindgewicht (BW) en ADG (P = 0,02). In negatieve-RFI runderen verhoogde Bacillus-supplementatie het eindgewicht (489 kg vs. 467 kg) en de ADG (2,19 kg/dag vs. 2,05 kg/dag) significant vergeleken met de controle. Omgekeerd werden er geen verbeteringen in prestaties gedetecteerd in positieve-RFI runderen die het additief ontvingen. DMI werd beïnvloed door het RFI-fenotype (P = 0,03) maar niet door het dieet of de interactie.
• Microbioom Diversiteit:
  • Alfa-diversiteit: Chao1 rijkdom vertoonde een dieet × RFI interactie (P = 0,05). Supplementatie verhoogde de microbiële rijkdom in negatieve-RFI runderen, maar had geen effect op positieve-RFI runderen.
  • Bèta-diversiteit: Gemeenschapscompositie (Bray–Curtis dissimilariteit) vertoonde een dieet × RFI interactie (P = 0,01). Significante verschillen tussen controle- en gesuppleerde diëten werden gevonden in positieve-RFI runderen (P = 0,04), terwijl geen verschil werd gedetecteerd in negatieve-RFI runderen (P = 0,31).
• Taxonomische Verschuivingen:
  • Fylum Niveau: Significante interacties werden gedetecteerd voor Bacteroidota en Firmicutes. In negatieve-RFI runderen verhoogde supplementatie de Bacteroidota abundantie (32,3% vs. 28,6%), terwijl de Firmicutes abundantie niet toenam (45,1% vs. 48,1% in BAC− vs. CON−). In positieve-RFI runderen verlaagde supplementatie de Bacteroidota (24,7% vs. 32,3%) en verhoogde het de Firmicutes (50,5% vs. 45,9%).
  • Genus Niveau: Interacties waren significant voor Prevotella, Lachnospiraceae_NK3A20_group en Ruminococcus. Bacillus supplementatie verhoogde de Prevotella abundantie in negatieve-RFI runderen (23,5% vs. 21,0%) maar verlaagde deze in positieve-RFI runderen. Omgekeerd namen Lachnospiraceae_NK3A20_group en Ruminococcus toe in positieve-RFI runderen maar niet in negatieve-RFI runderen.
  • Hoofd effecten: Supplementatie verhoogde de relatieve abundantie van Acetitomaculum en Desulfobacterota over de fenotypes heen, terwijl het Ruminobacter verlaagde.

Significantie en Claims
De auteurs concluderen dat de effectiviteit van Bacillus-gebaseerde DFM's niet uniform is, maar sterk afhankelijk is van het voifefficiëntie-fenotype van de gastheer. De studie demonstreert dat meer efficiënte (negatieve-RFI) runderen profiteren van supplementatie met verbeterde groei-prestaties en een microbiële verschuiving naar propionaat-producerende taxa (Bacteroidota en Prevotella). In contrast hiermee vertoonden minder efficiënte (positieve-RFI) runderen detecteerbare microbiële herstructurering (verrijking van acetaat/butyraat-geassocieerde taxa) zonder overeenkomstige prestatiewinsten.

Het artikel claimt dat deze bevindingen de ontwikkeling van precisie-supplementatiestrategieën ondersteunen op basis van voifefficiëntie-classificatie. Het benadrukt dat taxonomische metrieken alleen onvoldoende zijn om DFM-effectiviteit te voorspellen, aangezien functionele uitkomsten (groei) en compositionele veranderingen kunnen uiteenlopen, met name bij positieve-RFI dieren. De auteurs merken op dat hoewel de studie fenotype-afhankelijke associaties identificeert, het correlationele karakter van de enkelvoudige tijdstip-data de vaststelling van causaliteit verhindert, en dat toekomstig werk inclusief metabolomics (bijv. VFA-profilering) noodzakelijk is om de onderliggende mechanismen volledig te verklaren.