title: Unveiling the interplay between gut microbiota and protein for sustainable pig production
Creators: name: Sarpong, Naomi
Publisher: name: Universität Hohenheim
Year: 2024
Subjects: subject: Pig
subject: Intestine
subject: Microbiota
subject: Efficiency
subject: Nitrogen
subject: Sustainability
subject: 630

description: Recent forecasts predict a rise in global pork consumption due to increased incomes and population growth. Intensive pig production is frequently linked with environmental pollution, wherein nitrogen (N) emissions are a significant contributor. A growing pig retains only around 30% of the ingested N, while the remainder is excreted via urine and feces. nitrogen utilization efficiency (NUE) indicates the percentage of ingested N retained by the pig, and its maximization is crucial for sustainable pig production. This work investigates the gut microbiome’s role in protein utilization in fattening pigs with defined family structure. In the initial phase, 508 pigs were kept under standardized conditions and fed in a two-phase feeding regime with marginal lysine supply (90% of supply recommendation). In each phase, a sample period (SP) was conducted (body weight (BW): SP 1 = 40.5 kg, SP 2 = 60.3 kg), where a fecal sample was collected from each pig. These samples underwent 16S rRNA gene sequencing and volatile fatty acid (VFA) determination. Results showed the influence of sire, SP and sex on fecal microbiota composition. In each SP, samples were divided into two groups based on &lt;25%- and &gt;75%-quantile of NUE, and in SP 1, differences in the microbial composition were observed between pigs with high and low predisposition for NUE. LinDA model identified Streptococcus as a potential biomarker for NUE in SP 1. The offspring of some sires were either entirely absent or unevenly represented in the groups, highlighting a genetic predisposition to NUE. All samples (n = 892) were grouped into two enterotype-like clusters named by the highest taxon weights in cluster Lactobacillus and cluster Clostridium sensu stricto. Pigs' affiliation with enterotype-like clusters altered over time and might be sex-dependent. No differences were observed for the BW and gain to feed ratio between the subgroups of enterotype-like clusters. Pigs in the stable cluster Clostridium sensu stricto, characterized by higher NUE but lower dry matter intake, align with goals for sustainable pig production. This cluster also showed the highest VFA concentrations, suggesting enterotype-specific metabolic efficiencies. The second part of the study focused on the intestinal microbiome, analyzing digesta and mucosa samples from 48 euthanized pigs. This study provides a comprehensive characterization of the entire gastrointestinal tract (GIT) microbiome of pigs, including mucosa and digesta samples, investigated using 16S rRNA gene sequencing and whole-genome shotgun (WGS) metagenomic sequencing. Several differences regarding microbial diversity and composition were observed between GIT sections and sample types. Streptococcus was a predominant genus in the digesta and mucosa of the small intestine, and novel insights into the stomach’s microbial community were uncovered. WGS metagenomic sequencing of the digesta samples revealed functional shifts along the GIT, with specific metabolic pathways related to “Amino acid metabolism” and “Metabolism of other amino acids”, being differentially abundant in the duodenum, indicating an anabolic contribution to protein metabolism. These results offer a deeper knowledge of the microbial community in the digesta and mucosa across different GIT sections and its contribution to nutrient metabolism. The categorization of samples into enterotype-like clusters, and their correlation with microbial composition in digesta samples indicates a possible link between enterotype-like clusters and gastrointestinal microbial composition. This work explores the microbiome's impact on the complex interactions between gut microbiota and protein utilization but also provides a foundation for developing subsequent strategies to improve sustainability in pig production.
description: Nach den aktuellen Prognosen wird der weltweite Schweinefleischkonsum aufgrund der steigenden Einkommen und des Bevölkerungswachstums zunehmen. Die intensive Schweineproduktion wird häufig mit Umweltverschmutzung in Verbindung gebracht, wobei die Stickstoffemissionen einen wesentlichen Beitrag leisten. Nur etwa 30 % des aufgenommenen Stickstoffs (N) wird durch das wachsende Schwein retiniert, während der Rest über Urin und Kot ausgeschieden wird. Die Stickstoffnutzungseffizienz (NNE) gibt den Prozentsatz des aufgenommenen N an, den das Schwein retiniert, und ihre Maximierung ist für eine nachhaltige Schweineproduktion unabdingbar. In dieser Arbeit wird die Rolle des Darmmikrobioms bei der Proteinverwertung bei Mastschweinen mit definierter Familienstruktur untersucht. In der Anfangsphase wurden 508 Schweine unter standardisierten Bedingungen gehalten und in einem zweiphasigen Fütterungsregime mit marginaler Lysinversorgung (90 % der Versorgungsempfehlung) gefüttert. In jeder Phase wurde eine Sammlungsperiode (SP) durchgeführt (Körpergewicht: SP 1 = 40,5 kg, SP 2 = 60,3 kg), in der von jedem Schwein eine Kotprobe genommen wurde. Alle Proben wurden einer 16S rRNA-Gen-Sequenzierung unterzogen. Darüber hinaus wurden die flüchtigen Fettsäuren in jeder Probe bestimmt. Die Ergebnisse zeigten den Einfluss von Vater, SP und Geschlecht auf die Zusammensetzung der Mikrobiota im Kot. In jeder SP wurden die Proben in zwei Gruppen unterteilt, basierend auf dem &lt; 25 %- und &gt; 75 %-Quantil der NNE. In SP 1 wurden Unterschiede in der mikrobiellen Zusammensetzung zwischen Schweinen mit einer Prädisposition für hohe und niedrige NNE beobachtet. Das LinDA-Modell identifizierte Streptococcus als einen potenziellen Biomarker für NNE in SP 1. Die Nachkommen einiger Vatertiere waren entweder gar nicht oder ungleichmäßig in den Gruppen vertreten, was auf eine genetische Veranlagung der NNE hinweist. Alle Proben (n = 892) wurden in zwei enterotypähnliche Cluster eingeteilt, die nach den höchsten Taxongewichten in Cluster Lactobacillus und Cluster Clostridium sensu stricto benannt wurden. Die Zugehörigkeit der Schweine zu enterotypähnlichen Clustern änderte sich im Laufe der Zeit und ist vermutlich geschlechtsabhängig. Beim Körpergewicht und bei der Futtereffizienz wurden keine Unterschiede zwischen den Untergruppen der enterotypischen Cluster festgestellt. Schweine im stabilen Cluster Clostridium sensu stricto, das durch eine höhere NNE, aber eine geringere Trockenmasseaufnahme gekennzeichnet ist, entsprechen den Zielen einer nachhaltigen Schweineproduktion. Dieser Cluster wies auch die höchsten Konzentrationen an flüchtigen Fettsäuren auf, was auf enterotypspezifische Stoffwechseleffizienzen schließen lässt. Der zweite Teil der Studie konzentrierte sich auf das Darmmikrobiom und analysierte Verdauungs- und Schleimhautproben von 48 euthanasierten Schweinen. Diese Studie bietet eine umfassende Charakterisierung des Mikrobioms des gesamten Gastrointestinaltrakts (GIT) von Schweinen, einschließlich Schleimhaut- und Digesta-Proben, die mittels 16S rRNA-Gen-Sequenzierung und Schrotschuß-Sequenzierung, untersucht wurden. Zwischen den einzelnen gastrointestinalen Abschnitten und Probentypen wurden mehrere Unterschiede hinsichtlich der mikrobiellen Vielfalt und Zusammensetzung festgestellt. Streptococcus war die vorherrschende Gattung der Digesta und Schleimhaut im Dünndarm. Darüber hinaus wurden neue Einblicke in die mikrobielle Gemeinschaft des Magens aufgedeckt. Die Schrotschuß-Sequenzierung der Digesta-Proben ergab funktionelle Verschiebungen entlang des GITs, wobei spezifische Stoffwechselwege im Zusammenhang mit dem "Aminosäurestoffwechsel" und dem "Stoffwechsel anderer Aminosäuren" im Duodenum unterschiedlich häufig vorkamen, was auf einen anabolen Beitrag zum Proteinstoffwechsel hinweist. Diese Ergebnisse bieten ein tieferes Verständnis der mikrobiellen Gemeinschaft in der Digesta und in der Schleimhaut in den verschiedenen Abschnitten des GITs, sowie ihren Beitrag zum Nährstoffmetabolismus. Die Einteilung der Proben in enterotypähnliche Cluster und ihre Korrelation mit der mikrobiellen Zusammensetzung der Digesta-Proben deutet auf einen möglichen Zusammenhang zwischen enterotypähnlichen Clustern und der mikrobiellen Zusammensetzung des GITs hin. Diese Arbeit erforscht den Einfluss des Mikrobioms auf die komplexen Wechselwirkungen zwischen Darmmikrobiota und Proteinverwertung, bietet aber auch eine Grundlage für die Entwicklung weiterer Strategien zur Verbesserung der Nachhaltigkeit in der Schweineproduktion.