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Evolution of rumen and oral microbiota in calves is influenced by age and time of weaning
(2021) Amin, Nida; Schwarzkopf, Sarah; Kinoshita, Asako; Tröscher-Mußotter, Johanna; Dänicke, Sven; Camarinha-Silva, Amélia; Huber, Korinna; Frahm, Jana; Seifert, Jana
Background: The rumen bacterial communities are changing dynamically throughout the first year of calf’s life including the weaning period as a critical event. Rumen microbiome analysis is often limited to invasive rumen sampling procedures but the oral cavity of ruminants is expected to harbour rumen microbes due to regurgitation activity. The present study used buccal swab samples to define the rumen core microbiome and characterize the shifts in rumen and oral microbial communities occurring as result of calf’s age as well as time of weaning. Results: Buccal swab samples of 59 calves were collected along the first 140 days of life and compared to stomach tubing sample of the rumen at day 140. Animals were randomly divided into two weaning groups. Microbiota of saliva and rumen content was analysed by 16S rRNA gene amplicon sequencing. Our study showed that most rumen-specific bacterial taxa were equally observed in rumen samples as well as in the buccal swabs, though relative abundance varied. The occurrence of rumen-specific OTUs in buccal swab samples increased approximately 1.7 times from day 70 to day 140, indicating the gradual development of rumen as calf aged. The rumen-specific bacterial taxa diversity increased, and inter-animal variations decreased with age. Early weaning (7 weeks of age) rapidly increased the rumen microbial diversity from pre- to post-weaned state. Rumen microbiota of early-weaned calves seemed to have a suppressed growth of starch- and carbohydrate-utilizing bacteria and increased fibre degraders. Whereas, in late-weaned calves (17 weeks of age) no impact of dietary modifications on rumen microbiota composition was observed after weaning. Oral-specific bacterial community composition was significantly affected by calf’s age and time of weaning. Conclusions: The present study showed the significant impact of calf’s age and weaning on the establishment of rumen- and oral-specific bacterial communities utilizing buccal swab samples. The results emphasize the possibility of using buccal swab samples as a replacement of complex stomach tube method for large-scale predictive studies on ruminants. For in-depth rumen microbiome studies, the time of sampling should be carefully considered using an active phase of regurgitation.
Mothers’ parity and weaning age influence the transition from liquid to solid feed in female Holstein calves
(2023) Schwarzkopf, Sarah; Huber, Korinna
Milchbauern streben aus wirtschaftlichen Gründen ein junges Erstkalbealter an. Da diese jungen Färsen während der Trächtigkeit noch wachsen, könnten sie mit ihrem Kalb um Nährstoffe konkurrieren. Daher können die Parität der Mütter und die damit verbundene Nährstoffversorgung während der Trächtigkeit die frühe Entwicklung beeinflussen. Kälber werden als funktionell monogastrische Tiere geboren, die auf Milch oder Milchaustauscher zur Ernährung angewiesen sind. Um den Status eines Wiederkäuers zu erreichen und festes Futter als Nahrungsquelle zu verwenden, müssen sich viele digestive, endokrine und biochemische Funktionen ändern. Daher ist das Absetzen ein kritisches und potenziell stressiges Ereignis. Das durchschnittliche Absetzalter weiblicher Milchkälber beträgt 6 – 11 Wochen, was mit Stress einhergeht, der das Immunsystem, das Wachstum und die Magen-Darm-Entwicklung negativ beeinträchtigen kann. Daher kommt ein Aufschieben des Absetzens möglicherweise der Gesundheit und Entwicklung der Kälber zugute. Es verbessert das Wachstum, reduziert die mit dem Absetzen verbundene Belastung und erhöht möglicherweise das Alter bei der Entfernung aus der Herde. Die vorliegende Arbeit zielte darauf ab, die Auswirkungen von zwei Absetzaltersstufen und der Parität der Mütter auf die Entwicklung und Anpassung an die Entwöhnung zu identifizieren. Mittels eines Tierversuchs mit neunundfünfzig weiblichen Holstein-Kälbern wurden die Auswirkungen eines frühen (7 Wochen) und späten (17 Wochen) Absetzens auf Wachstum, Verhalten, Pansen- und Magen-Darm-Entwicklung und Anpassung des Leber- und Nierenstoffwechsels getestet. Darüber hinaus wurde der Einfluss unterschiedlicher Absetzalter auf Kälber von primiparen und multiparen Kühen berücksichtigt. Proben wurden kontinuierlich im Alter von 8 Tagen (Versuchstag 1) bis zum Alter von 21 Wochen (Versuchstag 140) genommen. Die Analysen und Ergebnisse werden in drei begutachteten wissenschaftlichen Arbeiten beschrieben und im Folgenden zusammengefasst. Die Wachstumsleistung wurde anhand von Lebendgewicht, Lebendgewichtszunahme, Widerrist- und Hüfthöhe, Brustumfang, Rücken- und Körperlänge bewertet. Der Energiestoffwechsel und die Leberfunktion wurden durch Messung der Serumkonzentrationen von Glukose, Insulin, Harnstoff, Cholesterin, Leptin, Beta-hydroxybutyrate und nicht-veresterten Fettsäuren quantifiziert (Manuskript 1). Das Verhalten der Tiere wurde beobachtet unterteilt in Ruhe-, Kau- und Aktivverhalten, um Rückschlüsse auf Anzeichen von Hunger und Stress sowie der Pansenentwicklung zu ziehen. Die Pansenentwicklung und entsprechende metabolische und adaptive Veränderungen im Säure-Basen-Stoffwechsel wurden durch Messung des pH-Wertes in Urin, Kot und Speichel sowie stickstoffhaltiger Metaboliten im Urin bewertet (Manuskript 2). Das Mikrobiom in Kotproben wurde analysiert, um die Reifung des Magen-Darm-Trakts zu beurteilen. Um Einblicke in metabolische Anpassungen zu erhalten, wurde eine umfassende Anzahl an Metaboliten gemessen. Dazu gehörten Aminosäuren, biogene Amine, Acylcarnitine und Sphingomyeline (Manuskript 3). Ein späteres Absetzen im Alter von 17 Lebenswochen wirkt sich positiv auf das Körperwachstum und die Anpassung des Energie- und Säure-Basen-Stoffwechsels aus (Manuskript 1; Manuskript 2). Der pH-Wert des Speichels stieg während des Experiments im Laufe der Zeit an, unabhängig vom Absetzalter oder der Parität der Mutter (Manuskript 2). Da ein alkalischer pH-Wert im Speichel für dessen Pufferkapazität wichtig ist, unterstreicht dies, wie wichtig es ist, das Absetzen zu verzögern. Die gastrointestinale Entwicklung war durch eine längere Milchaustauscheraufnahme nicht beeinträchtigt, sondern erreichte am Ende der Studie einen funktionellen Status. Faktoren der Pansenentwicklung (Manuskript 2) und die Mikrobiota im Kot (Manuskript 3) passten sich schnell an und deuteten auf eine altersabhängige Reifung hin. Die analysierten Metaboliten wiesen auf ausgeprägte Effekte eines frühen Absetzens auf verschiedene Stoffwechselwege hin (Manuskript 3). Insbesondere die Gluconeogenese in der Leber schienen bei früh abgesetzen Kälbern unzureichend zu sein. Die Leptinkonzentrationen und die Rückenlänge waren bei früh abgesetzten Kälbern primiparer Mütter reduziert, nicht jedoch bei spät abgesetzten Kälbern primiparer Mütter (Manuskript 1). Daher profitieren Kälber von primiparen Kühen besonders von einem späteren Absetzen. Die Ergebnisse zeigten, dass ein Absetzen im Alter von 7 Wochen nicht empfohlen werden kann, da es zu abrupten und möglicherweise belastenden Stoffwechselveränderungen und einer gestörten Reifung verschiedener Organe und deren Stoffwechselfunktionen führte. Die aktuelle Studie zeigte, dass die Verzögerung des Absetzens auf ein Alter von 17 Wochen einen gleichmäßigen Übergang verschiedener physiologischer Funktionen in den Wiederkäuerstatus ermöglicht. Deshalb schien es die mit dem Absetzen verbundenen Stoffwechselprobleme und den Stress zu reduzieren. Weitere Forschung über das Absetzen, unter Berücksichtigung der Aufzuchtkosten und späteren Milchleistung und Gesundheit, ist erforderlich.