Шлунково-кишковий тракт великої рогатої худоби — це складна екосистема, яка відповідає за загальне здоров'я жуйних тварин. Мікробні популяції рубця та їхня потенційна роль були в центрі уваги великих досліджень останніх років. Досягнення в технології секвенування, незалежного від культуральних досліджень, відкрили нові можливості для покращення філогенетичного аналізу та детальної характеристики шлунково-кишкової мікробіоти.

Шлунково-кишковий тракт великої рогатої худоби, включаючи рубець, вважається стерильним при народженні, але він швидко колонізується бактеріями з навколишнього середовища протягом перших 24 годин життя. Еволюція екосистеми рубця відбувається в такій точній послідовності: ріст рубцевих сосочків, збільшення ферментації вуглеводів та білків, підвищення активності ферментів та модуляція мікробної колонізації.

Недостатній розвиток рубця призводить до поганого засвоєння та меншого перетравлення поживних речовин, тоді як повне дозрівання сприяє перетравленню корму та підвищує продуктивність тварин.

Розвиток мікробіоти рубця залежить від різних факторів тварини-господаря, включаючи стать, вік, генетичні особливості, стратегію годівлі та вплив навколишнього середовища. Незважаючи на відмінності у фізіології кишечника у різних видів, вважається, що шлунково-кишковий мікробіом великої рогатої худоби подібний до мікробіому інших ссавців. Нещодавні метагеномні дослідження вказують на те, що кишкова мікробіота є мікробним органом, який впливає на фенотип та генотип господаря. Тому глибше розуміння різноманітності кишкових мікробів та взаємодії між мікробіомом та господарем забезпечить розробку референтних значень для гомеостатичних показників мікробної спільноти та допоможе розробити ефективні стратегії годівлі.

Дослідження складу та структури мікробних популяцій рубця тривалий час базувалося на традиційних методах, що ґрунтуються на культивуванні мікроорганізмів. Ці підходи зосереджені на легкокультивованих мікробах та виявляють лише 11% популяції бактерій рубця. Враховуючи величезну різноманітність та складність екосистеми рубця, лише мікробіологічні та інші культуральні дослідження неприйнятні для повного розуміння змін у складі та структурі мікробної спільноти. Для ефективної характеристики складу мікробіоти рубця було підкреслено корисність високопродуктивних технологій секвенування для розуміння потенційної ролі мікробної екології в усьому шлунково-кишковому тракті. Для порівняльних геномних досліджень 16S рРНК є найчастіше цільовим геном для дослідження мікробних екосистем, оскільки він присутній у всіх прокаріот і може бути використаний для високопродуктивного отримання даних.

Сучасне використання гена 16S рРНК виявило складність шлунково-кишкової екосистеми та встановило кореляції між дисбалансом мікробіоти та здоров'ям їхнього господаря. Для оцінки популяції мікробів рубця використовується кілька молекулярних методів, включаючи РНК-дот-блот гібридизацію, проточну цитометрію, флуоресцентну гібридизацію in situ (FISH) та кількісну ПЛР у реальному часі. Серед цих технологій ПЛР та FISH є найбільш поширеними, оскільки надають інформацію про конкретне місце розташування популяції просвіту травного каналу та слизової оболонки. Методи фінгерпринтингу, аналіз поліморфізму довжини рестрикційних фрагментів, денатуруючий градієнтний гель-електрофорез та автоматичний аналіз міжгенних спейсерів рибосом також використовувалися для характеристики складних популяцій у кількох місцях кишечника.

Традиційні методи дають змогу виявити лише загальні відмінності чи подібність у структурі мікробних спільнот, проте не надають прямої інформації про їхні генетичні послідовності.

Впровадження технологій високопродуктивного секвенування (NGS) докорінно змінило підхід до діагностики, дозволивши аналізувати тисячі послідовностей протягом лише кількох годин. Більшість сучасних досліджень базуються на платформах Illumina (San Diego, CA, USA) та PacBio (технологія HiFi/SMRT). Водночас ринок стрімко поповнюється інноваційними рішеннями, такими як нанопорове секвенування від Oxford Nanopore Technologies (зокрема портативні системи MinION, настільні GridION та високопродуктивні станції PromethION), що дозволяють отримувати ультрадовгі читання у реальному часі. Окрім них, високу ефективність демонструють нові системи DNBSEQ від MGI (BGI Group), надточні платформи AVITI від Element Biosciences та швидкісні рішення серії G4 від Singular Genomics.

Для повної характеристики функціонального потенціалу метагеному, слід оцінити метаболічні профілі (метаболоміка), експресію генів (метатранскриптоміка) та білкові продукти (метапротеоміка). Застосування цих передових методів у розведенні та утриманні тварин може служити основою для фенотипування наступного покоління, необхідного для вдосконалення програм генетичної селекції. Досі застосування метатранскриптоміки для вивчення активного функціонального мета-геному в мікробіомі рубця обмежене. Хоча ці методи є складними та надають суперечливу інформацію, очікується прогрес у цьому напряму.

Філогенетичне різноманіття мікробних спільнот рубця

Рубець великої рогатої худоби діє як анаеробна ферментаційна камера, у якій мікробні спільноти рубця синергічно взаємодіють одна з одною. Рубець великої рогатої худоби містить різноманітні та складні популяції бактерій (до 1011 життєздатних клітин/мл), інфузорієподібних найпростіших (104−107 клітин/мл), анаеробних грибів (103−105 спор/мл), бактеріофагів (107−109 частинок/мл) та метаногенних мікроорганізмів (106 клітин/мл). У цій складній та різноманітній екосистемі бактеріальні популяції складають переважну мікробну спільноту, яка відповідає за перетравлення та перетворення рослинної клітковини на коротколанцюгові леткі жирні кислоти (ЛЖК), білки та різноманітні гази. ЛЖК поглинаються епітелієм рубця і служать основними джерелами вуглецю та енергії, що забезпечують енергію росту і продуктивності тварин. Утворені гази використовуються археями для генерації метану, який пов'язаний з глобальним потеплінням та сприяє усуненню інгібуючого впливу газів на процес ферментації.

Традиційно класичні знання про мікробні спільноти рубця дозволяли охарактеризувати основні види бактерій, що забезпечують первинні джерела живлення та здійснюють первинні процеси ферментації. Нещодавні наукові досягнення, здобуті з використанням платформ глибокого секвенування геному, забезпечили корисне та всебічне охоплення мікробних екосистем рубця. Це дало змогу виділити переважну основну мікробіоту та розширило наш потенціал для характеристики функціонально важливих некультивованих мікробних популяцій.

Більшість виділених із вмісту рубця генетичних послідовностей, доступних у GenBank на сьогоднішній день, вказують, що переважними типами мікроорганізмів, присутніх в рубці, є Firmicutes та Bacteroidetes, на додаток до різноманітних анаеробних найпростіших, архей та грибів. Поширеність типів Firmicutes та Bacteroidetes підкреслює їхню важливу роль у рубці. Кожен з них відіграє певну роль у руйнуванні клітинної стінки рослин. Наприклад, здатність Firmicutes до деградації значною мірою обмежена поверхнею клітини, тоді як деградація Bacteroidetes відбувається значною мірою периплазматично або внутрішньоклітинно. Більшість послідовностей Firmicutes відносяться до класів Clostridia, Bacilli та Erysipelotrichi. У межах класу Clostridia переважають родини Lachnospiraceae, Ruminococcaceae та Veillonellaceae.

До переважаючих родів належать Butyrivibrio, Acetivibr io, Ruminococcus, Succiniclasticum, Pseudobutyrivibrio та Mogibacterium. Деякі роди мікроорганізмів у рубці зустрічаються рідко. Серед них слід виділити Syntrophococcus, Lachnobacterium, Oribacterium, Roseburia, Moryella, Papillibacter та Dialster. У класі Bacilli переважні роди представлені бактеріями, що продукують молочну кислоту, такими як Streptococcus та Carnobacterium. У типі Bacteroidetes більшість послідовностей віднесені до класів Bacteroidia та Sphingobacteria, причому Prevotella представляють переважний бактеріальний рід, потенційно складаючи 60−70% знайденого різноманіття послідовностей. Рубцеві Prevotella важливі для розщеплення білка та утилізації крохмалю в рубці.

На додаток до домінантних видів бактерій, переважні послідовності архей рубця належать до типу Euryarchaeota, і понад 90% послідовностей представлені родами, що продукують метан, такими як Methanobrevibacter. Переважаючими родами найпростіших, які були ідентифіковані, є Dasytricha, Entodinium, Eudiplodinium, Ostracodinium, Diploplastron, Diplodinium, Epidinium, Polyplastron та Ophryoscolex. Переважаючими функціонально важливими родами грибів є Neocallimastix, Piromyces, Anaeromyces, Caecomyces, Orpinomyces та Cyllamyces.

Потенційна роль мікробних популяцій рубця у здоров'ї великої рогатої худоби

Як було показано вище, екосистема рубця містить складні мікробні спільноти, які відіграють життєво важливу роль у здоров'ї шлунково-кишкового тракту. Взаємовідносини між твариною-господарем і мікробами описуються як конкурентні, кооперативні або комбінаторні, і усі вони забезпечують функціональні та метаболічні можливості, що мають значення для здоров'я та благополуччя господаря.

Мікробіоту рубця можна обґрунтовано вважати метаболічним органом із захисними, імунологічними та поживними функціями. Захисні механізми шлунково-кишкового тракту є результатом взаємодії між постійними мікробними популяціями та багатошаровим слизовим епітелієм, що може обмежувати проникність великих молекул. Створення стабільної коменсальної мікробіоти має величезний потенціал для профілактики шлунково-кишкових інфекцій, що призводить до підвищення ефективності виробництва та забезпечення добробуту тварин. Спільноти кишкових мікробів також відіграють важливу роль у формуванні та дозріванні імунної системи господаря. Резидентна кишкова мікробіота може впливати на метаболічну активність та токсичність ліків, біодоступність корму, покращувати реакцію на пошкодження епітеліальних клітин та післяопераційне відновлення. Отже, порушення цієї складної екосистеми може мати серйозні наслідки для здоров'я хазяїна.

Незважаючи на ключову роль шлунково-кишкової мікробіоти у підтримці загального здоров'я тварин (харчової, фізіологічної та імунологічної функції), нещодавні відкриття вказують на те, що зміни в її екосистемі відіграють велику роль у багатьох кишкових та позакишкових розладах. Розуміння потенційної ролі гомеостатичної мікробної популяції рубця як у здорової, так і у хворої худоби, є важливим для ідентифікації біомаркерів шлунково-кишкових захворювань та розробки нових терапевтичних підходів.

У медицині людини порушення кишкової мікробіоти або дисбіоз пов'язані з такими патологічними процесами, як ожиріння, інсулінорезистентність, запальні захворювання кишечника, захворювання кровообігу, розсіяний склероз, захворювання центральної нервової системи та атопічні розлади. Водночас, дослідження, виконані на жуйних тваринах, до цього часу достатньо обмежені. Проте, доведено, що такі розлади травлення у худоби, як тимпанія рубця та гострий і підгострий рубцевий ацидоз, пов'язані саме з порушенням складу та функції мікробіоти рубця.

Гострий рубцевий ацидоз — це підгрупа гострих розладів травлення, що характеризуються періодичним зниженням pH рубця протягом тривалого часу через накопичення ЛЖК. На відміну від гострого лактатного, гострий рубцевий ацидоз є більш хронічним станом, не пов’язаним з накопиченням молочної кислоти в рубці. Побічні ефекти включають пошкодження епітелію слизової оболонки рубця, зниження виробництва молока, ламініт, зниження перетравності клітковини і споживання сухої речовини.

Тяжкість цих станів також пов'язана з нестабільністю мікробної флори та зниженням поглинальної здатності рубцевого епітелію, що призводить до порушення екосистеми рубця. Зміни в мікробіоті відіграють певну роль у розвитку ацидозу рубця. Найпоширенішими бактеріальними таксонами, виявленими при ацидозі рубця, є Lactobacillus, Streptococcus, Succiniclasticum та Clostridium. Дослідження, проведені на відгодівельній худобі та молочних коровах, яких поступово адаптують до раціонів з високим вмістом зерна, показують, що підгострий ацидоз рубця пов'язаний з порушенням структури мікробної спільноти. Більшість досліджень виявили зменшення частки Fibrobacter succinogenes та Butyrivibrio fibrisolvens та збільшення частки Proteobacteria, Megasphaera elsdenii, Streptococcus bovis, Selenomonas ruminantium та Prevotella bryantii.

Піниста тимпанія є однією з основних причин захворюваності та смертності відгодівельної худоби. Початок здуття та його вплив на мікробні спільноти рубця варіюють у різних тварин і можуть бути пояснені швидкістю ферментації та виробленням рубцевих газів. Було виявлено різні мікробні популяції у телят зі здуттям рубця та без нього, зі збільшенням відносної кількості Clostridium, Eubacterium та Butyrivibrio та зменшенням відносної кількості Prevotella та Ruminococcus у тварин з тимпанією.

Під час розвитку кетозу у корів спочатку спостерігалося порушення мікробіоти рубця після отелення, що спричинило зміну генів мікробіоти, задіяних у метаболізмі пропіонату та глюкогенних амінокислот, що згодом зменшило постачання глюкогенних попередників. Це доводить важливу роль мікробіому рубця в регуляції енергетичного обміну загалом і у патогенезі кетозу і дозволяє проводити пошук стратегії запобігання кетозу шляхом регулювання мікробіоти рубця або постачання спеціальних глюкогенних попередників (таких як пропіонат, аргінін та аланін).

На сьогоднішній день проводяться дослідження, спрямовані на оптимізацію функції рубця шляхом зміни його мікробіоти за допомогою різних кормових добавок. Глибше розуміння взаємодії між складом раціонів та мікробним складом може модулювати бар'єрну функцію шлунково-кишкового тракту та впливати на функцію рубця і кишечнику.

Більшість кормів для жуйних тварин складаються зі складних полімерних компонентів, які посилюють співпрацю між мікробними популяціями рубця. Дослідники виявили, що не існує єдиного організму, відповідального за повне розкладання кормів, і що для катаболізму складних полімерних компонентів у раціоні необхідний складний консорціум мікробів рубця. Тому різні типи годівлі мають суттєвий вплив на структуру та різноманітність мікробної екосистеми рубця. Високі енергетичні потреби інтенсивних систем вимагають годування раціонами з високим вмістом зерна. Аналіз наявних даних показує негативний вплив таких раціонів на структуру та функцію мікробіоти рубця, що, своєю чергою, впливає на здоров'я та продуктивність тварин.

Включення зерна до раціонів великої рогатої худоби збільшує вміст крохмалю та утворення органічних кислот, таких як ЛЖК та молочна кислота, у рубці. Хоча вміст жиру в кормах для жуйних тварин зазвичай дуже низький, додавання ліпідів відіграє вирішальну роль у покращенні енергетичної цінності раціонів жуйних тварин, модуляції функції рубця та зменшенні викидів метану. Додавання жиру до раціону жуйних тварин зменшує розпад целюлози рубця та концентрацію ЛЖК, а також змінює склад мікробіоти рубця.

Це потребує не лише раннього контролю розвитку порушень рубцевого травлення, але й відкриває можливості для визначення ефективності профілактичних кормових добавок.

Отже, нещодавні досягнення у вивченні мікробіому рубця переосмислюють наше розуміння щодо популяцій мікроорганізмів у ньому та їхніх функцій. Нові технології на основі високопродуктивного секвенування дають можливість визначати різноманітність популяцій та досліджувати взаємозв'язки між мікробіомом та твариною-господарем. Поглиблення характеристики філогенетичного та функціонального потенціалу мікробіому рубця дає змогу розробляти ефективніші стратегії його модуляції шляхом введення кормових добавок, пре- і пробіотиків тощо. Крім того, для кращого розуміння взаємодії між організмом худоби і його здоров’ям аналіз мікробіому необхідно доповнювати застосуванням додаткових досліджень на основі метатранскриптоміки, метапротеоміки та метаболоміки. Це дозволить проводити ранню оцінку змін та прогнозувати і попереджати метаболічні розлади, пов’язані з порушенням популяцій рубця.

Фахівці Biosafety-Center ДДАЕУ пропонують інноваційний підхід, що поєднує визначення структури мікробіому з метаболомічним аналізом. Така синергія методів дозволяє здійснювати ранню діагностику порушень травлення, оцінювати реальний вплив раціонів на мікрофлору та прогнозувати продуктивність худоби. Ми відкриті до спільної роботи над проєктами, спрямованими на впровадження передових технологій секвенування та метагеномного аналізу для підвищення ефективності сучасного тваринництва.

Запрошуємо до співпраці!

www.biosafety-center.com

Тел.: +38 (095) 063-05-31; +38 (096) 093-03-76

                                      Email: plppm@ua.fm

У 2026 році плануємо випуск шести номерів журналу «Молоко і ферма» — традиційно наприкінці кожного парного місяця. Читачі мають нагоду оформити передплату як друкованої, так і електронної версії журналу. Частково публікуватимемо матеріали у відповідній рубриці на сайті www.milkua.info. Більше інформації щодо передплати: 067 445 19 59 (Viber); щодо розміщення рекламної інформації: 067 470 56 14.