Title (eng)
Development and modulation of gut microbe-host interactions in chickens and piglets
Author
Fitra Yosi
Degree supervisor
Barbara Metzler-Zebeli
Degree supervisor
Andrea Ladinig
Description (eng)
PhD thesis - University of Veterinary Medicine Vienna - 2024 The full text is only available to university members. Please log in!
Abstract (eng)
Increasing evidence suggests that gut microbes and their metabolites, i.e., short-chain fatty acids (SCFA), have beneficial effects on the gut function and health of monogastric farm animals, particularly chickens and pigs. Nevertheless, more research is still needed to fully understand the complex relationship between gut microbes and their hosts, especially in the following three aspects. First, investigations into the modulating effects of mixed SCFA on intestinal barrier function and contractibility in chickens are scarce. Second, the role of directfed microbes (probiotics) in improving gut health and growth in chickens is still controversial, as evidenced by the different results in various studies. Third, research on the mother-offspring axis and its role in the establishment of gut colonization in neonatal piglets is still limited. We applied three complementary study models, including ex vivo and in vivo experiments, and meta-analysis, to investigate these topics: The ex vivo study aimed to investigate the local effect of mixed SCFA, with different acetate:butyrate ratios and SCFA concentrations, on the jejunal and cecal contractibility and jejunal barrier function in laying hens as an animal model. By implementing Ussing chamber and organ bath techniques, we discovered that increasing the butyrate proportions and SCFA concentrations improved jejunal ion uptake and barrier function, as well as stimulated cecal muscle contraction in laying hens. The aim of the in vivo study was to investigate the changes in bacterial and fungal communities in sow feces during the lactation period as well as in the gastric and cecal digesta of piglets from suckling to one week after weaning. Additionally, the correlation between fecal consistency scores and cecal microbial taxa in the weaned piglets was evaluated. It was shown that the progressing lactation influenced the bacterial and fungal communities in sow feces. Moreover, sow feces and piglet gut digesta were found to share bacterial and fungal taxa, providing evidence that maternal microbes contribute to the gut colonization of neonatal piglets. In addition, potential bacterial and fungal markers for softer and firm feces postweaning have been identified that may serve as indicators of gut homeostatic conditions. The meta-analysis study aimed to assess the modulatory effects of dietary probiotics on gut barrier and immune-related gene expression, histomorphology, and growth performance in broiler chickens, both with and without pathogen challenge. Our meta-analysis revealed that dietary probiotics with various genera/species improved gut integrity and structure in broiler chickens, without affecting growth performance. Furthermore, the effectiveness of probiotics was found to be modified by dietary metabolizable energy, crude protein, and days postinfection. Overall, these studies provide new insights into the early gut microbial colonization in piglets as well as into roles of SCFA, and dietary probiotics for gut barrier function and immune responses of the host in chickens. The results obtained may help to develop dietary strategies to improve gut health in these monogastric farm animals.
Description (deu)
PhD Arbeit - Veterinärmedizinische Universität Wien - 2024 Aus rechtlichen Gründen sind nicht alle Teile dieser Arbeit frei zugänglich. Der Zugriff auf den elektronischen Volltext ist auf Angehörige der Veterinärmedizinischen Universität Wien beschränkt. Bitte einloggen!
Abstract (deu)
Es gibt vermehrt Hinweise, dass Darmmikroben und ihre Stoffwechselprodukte, z.B. kurzkettige Fettsäuren (SCFA), positive Auswirkungen auf die Darmfunktion und die Gesundheit von monogastrischen Nutztieren, wie Hühnern und Schweinen, haben. Dennoch bedarf es noch weiterer Forschung, um die komplexe Beziehung zwischen Darmmikroben und dem Wirtstier vollständig zu verstehen, insbesondere in den folgenden drei Aspekten. Erstens gibt es kaum Untersuchungen zu den Darm-modulierenden Wirkungen, wenn die SCFA in einer Mischung vorliegen, auf die Barrierefunktion und Kontraktibilität bei Hühnern. Zweitens gibt es in der Literatur widersprüchliche Angaben zur Rolle von direkt gefütterten Mikroben (Probiotika) für die Verbesserung der Darmgesundheit und des Darmwachstums bei Hühnern. Drittens ist die Forschung zur Mutter-Nachkommen-Achse und ihre Rolle bei der Etablierung der mikrobiellen Gemeinschaft im Darm bei neugeborenen Ferkeln noch begrenzt. Um die drei Aspekte zu untersuchen, wurden drei Studienmodelle angewendet: ex-vivo- und in-vivo-Experimente sowie Metaanalysen. Das Ziel der ex-vivo-Studie war es, die lokale Wirkung von SCFA-Mischungen mit unterschiedlichen Azetat:Butyrat-Verhältnissen und Konzentrationen auf die Kontraktibilität von Jejunum und Zäkum sowie die Barrierefunktion im Jejunum bei Legehennen als Tiermodell zu untersuchen. Mittels Anwendung von Ussing- Kammern und dem Organbad zeigte sich, dass ein höherer Butyratanteil und SCFAKonzentrationen die Aufnahme von Ionen im Jejunum sowie die Barrierefunktion verbesserte sowie die Kontraktionen der Zäkummuskulatur bei Legehennen stimulierte. Das Ziel der in-vivo-Studie war es, die Veränderungen in Bakteriom und Mycobiom im Sauenkot im Verlauf der Laktation sowie im Magen- und Zäkumchymus bei Ferkeln von der Geburt bis eine Woche nach dem Absetzen zu untersuchen. Des Weiteren wurden eine Korrelationsanalyse zwischen der Kotkonsistenz und den Abundanzen der mikrobiellen Taxa im Zäkum durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass sich mit fortschreitender Laktation die Zusammensetzung der Bakterien- und Pilzgemeinschaften im Sauenkot veränderte. Darüber hinaus zeigte das gemeinsame Vorkommen von Bakterien- und Pilz-Taxa im Sauenkot und Chymus im Magen und Zäkum der Ferkel, dass das Mikrobiom im Sauenkot zur Darmbesiedlung der neugeborenen Ferkel beigetragen hat. Darüber hinaus wurden Bakterien und Pilze identifiziert, die mit weicherem oder festen Kot nach dem Absetzen einhergingen und als Marker-Taxa für den Zustand der Darmhomöostase dienen könnten. Das Ziel der Metaanalyse war es, die modulierenden Wirkungen von Probiotika auf die Darmbarriere und Genexpression zu Immunparametern, der Histomorphologie und der Wachstumsleistung bei Masthühnern zu evaluieren. Es wurde jeweils der Einfluss auf die genannten Parameter mit und ohne Pathogen-Exposition untersucht. Die Metaanalyse zeigte, dass Probiotika die Darmintegrität und -struktur bei Masthühnern verbesserten, jedoch ohne Effekt auf die Wachstumsleistung. Des Weiteren ließen die Daten abschätzen, dass die Wirksamkeit von Probiotika durch die Nährstoffdichte der Nahrung (umsetzbare Energie und Rohproteingehalt) sowie die Anzahl der Tage nach der Infektion beeinflusst wird. Zusammengefasst liefern die durchgeführten Versuche neue Erkenntnisse über die frühe mikrobielle Besiedlung des Darms bei Ferkeln. Sie liefern ebenfalls neue Einsichten über die Rolle von SCFA und die Wirksamkeit von Probiotika für die Darmbarrierefunktion und die - immunrespons bei Hühnern. Die vorliegenden Ergebnisse können dazu beitragen, Ernährungsstrategien zur Verbesserung der Darmgesundheit von monogastrischen Nutztieren zu optimieren.
Type (eng)
Dissertation
Language
[eng]
Persistent identifier
https://phaidra.vetmeduni.ac.at/o:4649
AC number
AC17653749
DOI
10.34876/mgkk-8a87
Number of pages
X, 163, 8
Date issued
2024
License
All rights reserved