Impact of age and weaning time on the gut microbiome and the potential host-microbe interactions in calves

Abstract

The period from birth until the end of weaning is critical for calves as they undergo extreme stress caused by maternal separation, transportation, and weaning related dietary shifts, that can cause long-lasting effects on animal behaviour, health as well as future production parameters. Monitoring the development of microbial ecosystem throughout the gastrointestinal tract of calves and host-microbe interactions during the challenging life periods such as perinatal and weaning is essential for sustainable ruminant production. The present thesis provided new insight on the suitability of buccal swabs as an alternative to complex stomach tubing method for predictive analysis of rumen microbial communities. The changes in oral, rumen and faecal microbial community structure of female German Holstein calves from 8-days to 5-months of age as well as during early- and late-weaning event were identified. The oral microbiota plays a crucial role in animal health. A high dominance of oral pathogens was observed during the first 11-weeks of calves’ life. Similar to the oral microbiota, faeces of 8-day-old calves also showed high abundances of certain opportunistic pathogenic bacteria. Both oral and faecal pathogens showed a decrease in abundance with age and after weaning event in the earlyC group, indicating the age and weaning-dependent maturation of the host immune system. The establishment of dense microbial communities in the faeces of 8-day-old (experimental day 1) pooled herd milk and milk replacer fed Holstein calves was shown and it was dominated by phyla Firmicutes and Actinobacteria and potential lactose- and starch-degrading bacterial species, but as the calves aged and became more mature (5-months of age), their rumen and faecal bacterial communities were dominated by potential fibre-utilizing bacterial genera. The weaning related dietary transitions are critical for calves as their gastrointestinal tract undergoes several modifications, enabling them to digest plant-based diet during the postweaning period. Thus, it was proposed that the age at which animals should be weaned must be carefully considered as it clearly impacted the gastrointestinal tract microbial communities and plasma metabolic profiles of calves in the present study. Early introduction of roughages in the diet of 7-week-old calves increased the abundances of plant fiber degrading bacteria and decreased the abundances of potential lactose- and starch-degrading bacteria in the buccal cavity, rumen and faeces, indicating the weaning-related increase in fiber ingestion and the decrease in milk consumption of the early-weaned group. However, when roughages were introduced in the diet of late-weaned calves at 17-weeks of age, no significant modifications in the structure of gastrointestinal tract microbial communities were observed. Similar to the microbiome, plasma metabolic profiles of early-weaned calves during days 42–112, showed lower concentrations of most of the amino acids, few biogenic amines, and sphingomyelins as compared to the late-weaned calves, suggesting that the liquid diet could provide certain metabolites that can be transported into the bloodstream through gastrointestinal tract. Similarly, the weaning-dependent changes in the quantity of dietary protein, fat and carbohydrates resulted in substantial changes in amino acid metabolism of the early-weaned group. The early-weaning event not only impacted the host microbiome and metabolome but also the host-microbe metabolic interactions as the abundances of potential lactose- and starch degrading bacteria and plasma concentrations of amino acid, biogenic amines and sphingomyelins were strongly positively correlated, both were negatively impacted by the early-weaning event. Thus, it can be concluded that late-weaning was beneficial as it allowed better adaptability of microbes to weaning-related dietary shifts, perhaps due to the greater maturation of their gastrointestinal tract with age as compared to the early-weaning group.

Der Zeitraum von der Geburt bis zum Ende des Absetzens ist für Kälber von entscheidender Bedeutung, da sie durch die Trennung von der Mutter, den Transport und die mit der Entwöhnung verbundene Umstellung der Ernährung extremem Stress ausgesetzt sind, der langfristige Auswirkungen auf das Verhalten und die Gesundheit der Tiere sowie auf künftige Produktionsparameter haben kann. Die Überwachung der Entwicklung des mikrobiellen Ökosystems im gesamten Gastrointestinaltrakt von Kälbern und der Interaktionen zwischen Wirt und Mikroben während der schwierigen Lebensphasen wie der Perinatalperiode und dem Absetzen ist für eine nachhaltige Wiederkäuerproduktion unerlässlich. Die vorliegende Arbeit lieferte neue Erkenntnisse über die Eignung von Wangenabstrichen als Alternative zur komplexen Pansenfistelmethode für die prädiktive Analyse der mikrobiellen Pansengemeinschaften. Es wurden die Veränderungen in der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften im Maul, im Pansen und im Kot von weiblichen deutschen Holstein-Kälbern im Alter von 8 Tagen bis 5 Monaten sowie während des frühen und späten Absetzens ermittelt. Die orale Mikrobiota spielt eine entscheidende Rolle für die Tiergesundheit. Eine hohe Dominanz oraler Pathogene wurde in den ersten 11 Lebenswochen der Kälber beobachtet. Ähnlich wie die orale Mikrobiota wies auch der Kot von 8 Tage alten Kälbern hohe Abundanzen bestimmter opportunistisch-pathogener Bakterien auf. Sowohl die oralen als auch die fäkalen Pathogene nahmen mit dem Alter und nach dem Absetzen in der earlyC-Gruppe ab, was auf die alters- und absetzungsabhängige Entwicklung des Wirtsimmunsystems hinweist. Es wurde gezeigt, dass sich im Kot von 8 Tage alten (Versuchstag 1) mit gepoolter Herdenmilch und Milchaustauschern gefütterten Holstein-Kälbern dichte mikrobielle Gemeinschaften bildeten, die von den Phyla Firmicutes und Actinobacteria sowie potenziell laktose- und stärkeabbauenden Bakterienarten dominiert wurden. Die mit dem Absetzen verbundenen Ernährungsumstellungen sind für Kälber von entscheidender Bedeutung, da ihr Magen-Darm-Trakt mehreren Veränderungen unterliegt, die es ihnen ermöglichen, pflanzliche Nahrung in der Zeit nach dem Absetzen zu verdauen. Daher wurde vorgeschlagen, dass das Alter, in dem die Tiere entwöhnt werden sollten, sorgfältig überlegt werden muss, da es sich in der vorliegenden Studie eindeutig auf die mikrobiellen Gemeinschaften des Magen-Darm-Trakts und die Stoffwechselprofile des Plasmas von Kälbern auswirkte. Die frühe Einführung von Raufutter in das Futter von 7 Wochen alten Kälbern erhöhte die Häufigkeit von Pflanzenfasern abbauenden Bakterien und verringerte die Häufigkeit von potenziell laktose-und stärkeabbauenden Bakterien in der Maulhöhle, im Pansen und in den Fäkalien, was auf die absetzungsbedingte Zunahme der Faseraufnahme und den Rückgang des Milchkonsums der früh abgesetzten Gruppe hinweist. Als im Alter von 17 Wochen Raufutter in die Ernährung der spät abgesetzten Kälber eingeführt wurde, wurden keine signifikanten Veränderungen in der Struktur der mikrobiellen Gemeinschaften des Magen-Darm-Trakts beobachtet. Ähnlich wie das Mikrobiom wiesen auch die Stoffwechselprofile des Plasmas von früh abgesetzten Kälbern in den Tagen 42-112 niedrigere Konzentrationen der meisten Aminosäuren, weniger biogener Amine und Sphingomyeline auf als bei den spät abgesetzten Kälbern, was darauf hindeutet, dass die Flüssignahrung bestimmte Stoffwechselprodukte liefern könnte, die über den Magen-Darm-Trakt in den Blutkreislauf gelangen können. In ähnlicher Weise führten die vom Absetzen abhängigen Veränderungen in der Menge des Nahrungsproteins, des Fetts und der Kohlenhydrate zu erheblichen Veränderungen im Aminosäurestoffwechsel der früh abgesetzten Gruppe. Das frühe Absetzen wirkte sich nicht nur auf das Mikrobiom und das Metabolom des Wirts aus, sondern auch auf die metabolischen Interaktionen zwischen Wirt und Mikroben, da die Häufigkeit potenzieller laktose- und stärkeabbauender Bakterien und die Plasmakonzentrationen von Aminosäuren, biogenen Aminen und Sphingomyelinen stark positiv korreliert waren wobei beide durch das frühe Absetzen negativ beeinflusst waren. Daraus lässt sich schließen, dass die späte Entwöhnung vorteilhaft war, da sie eine bessere Anpassungsfähigkeit der Mikroben an entwöhnungsbedingte Ernährungsumstellungen ermöglichte, möglicherweise aufgrund der umfangreicheren Reifung des Magen-Darm-Trakts mit zunehmendem Alter im Vergleich zur früh entwöhnten Gruppe.