DOI: https://doi.org/10.3389/fanim.2025.1645287
تاريخ النشر: 2026-01-06
المؤلف: Zhenyun Du وآخرون
الموضوع الرئيسي: تغذية المجترات وعلم وظائف الهضم
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة آثار خلطات العلف على تخمر الكرش، وعمليات الأيض النيتروجيني، وبنية المجتمع الميكروبي بدائية النواة في المراعي التي تهيمن عليها عشب القمح المتوج في منطقة الجبال الداخلية الغربية. استخدم التصميم التجريبي مربع لاتيني 5 × 5 لمقارنة خمسة علاجات: 1) 75% عشب القمح المتوج و25% البرسيم (CW-AL)، 2) 75% عشب القمح المتوج و25% الساينفوين (CW-SA)، 3) 75% عشب القمح المتوج و25% الحرق الصغير (CW-SB)، 4) 75% عشب القمح المتوج، 12.5% ساينفوين، و12.5% حرق صغير (CW-SA-SB)، و5) 75% عشب القمح المتوج، 8.3% ساينفوين، 8.3% حرق صغير، و8.3% حذاء الطائر (CW-SA-SB-BT). أظهرت النتائج أن CW-AL قدم أعلى قابلية هضم للألياف المنظفة المحايدة وإنتاج الأسيتات، بينما كانت تركيزات الأمونيا-N الأعلى في CW-AL وCW-SA. على الرغم من أن تنوع ألفا ظل دون تغيير، إلا أن تحليل تنوع بيتا كشف عن اختلافات كبيرة في تركيب المجتمع الميكروبي عبر العلاجات.
تشير النتائج إلى أن تضمين 75% من عشب القمح المتوج مع 25% من البرسيم يحسن تخمر الكرش، كما يتضح من تفوق المادة الجافة وقابلية هضم الألياف المنظفة المحايدة، وإنتاج الأحماض الدهنية الطيارة (VFA) الكلي، ومستويات الأسيتات. تسلط الدراسة الضوء على دور تنوع العلف في تشكيل ديناميات الميكروبات في الكرش واستخدام المغذيات، مع تأثيرات تركيزات التانين على قابلية هضم الألياف وإنتاج الأمونيا. حافظت الخلطات الغنية بالتانينات المكثفة (مثل الساينفوين وحذاء الطائر) على تخليق البروتين الميكروبي وإنتاج الأسيتات مع تقليل الأمونيا في الكرش، بينما تلك التي تحتوي على التانينات القابلة للتحلل (مثل الحرق الصغير) أعاقت تحلل الألياف. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على الآثار طويلة الأمد لهذه الخلطات العلفية على أداء الحيوانات، وانبعاثات الميثان، والاستدامة العامة.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على التحديات والفرص في إنتاج لحوم الأبقار داخل منطقة الجبال الداخلية الغربية في الولايات المتحدة، والتي تمتد على حوالي 500 مليون فدان عبر عدة ولايات. تنتج أنظمة الرعي الواسعة في المنطقة أكثر من 5 ملايين عجل لحم سنويًا، لكنها تواجه قيودًا بسبب نقص العلف الموسمي المرتبط بانخفاض هطول الأمطار (125-500 مم/سنة) وارتفاع درجات الحرارة (29-34 درجة مئوية). لتحسين كفاءة الإنتاج، يقترح المؤلفون توسيع الوصول إلى أنواع علف متنوعة في أواخر الصيف، وخاصة البقوليات والنباتات العشبية، والتي يمكن أن تعزز احتفاظ المغذيات في المجترات، وتحسن صحة التربة، وتدعم مواطن الحياة البرية.
تاريخيًا، كانت الجهود المبذولة لزيادة إنتاجية المراعي تركز على إدخال أنواع مثل عشب القمح المتوج، الذي، على الرغم من تكيفه، يعاني من تدهور الجودة الغذائية في أواخر الصيف، مما يؤثر سلبًا على أداء الماشية. تقدم الورقة مفهوم “المناظر الغذائية الذكية”، وهي بقع موضوعة استراتيجيًا من أنواع العلف المتنوعة وعالية الجودة داخل مصفوفة المراعي. يهدف هذا النهج إلى تعزيز أداء الماشية وخدمات النظام البيئي من خلال إدارة هذه “الجزر من التنوع”. تدرس الدراسة بشكل خاص آثار دمج عشب القمح المتوج مع البقوليات المختارة (البرسيم، الساينفوين، حذاء الطائر) والنباتات العشبية (الحرق الصغير) على تخمر الكرش، وقابلية هضم المغذيات، وعمليات الأيض النيتروجيني، والمجتمعات الميكروبية، مع فرضية أن مثل هذه الخلطات ستعمل على تحسين كفاءة التخمر وتخليق البروتين الميكروبي من خلال تعديل الميكروبيوم في الكرش.
طرق البحث
في هذه الدراسة، بحث المؤلفون آثار العلاجات المختلفة من العلف والنظام الغذائي على تخمر الكرش باستخدام مفاعلات ثقافة مستمرة ذات تدفق مزدوج. تم حصاد عشب القمح المتوج في يوليو 2023 من إيفرايم، يوتا، بينما تم جمع البقوليات والنباتات العشبية من كلاركستون، يوتا. استخدم التصميم التجريبي مربع لاتيني 5 × 5، مع تخصيص خمسة علاجات لخمس مفاعلات على مدى خمسة فترات، كل منها يتكون من 10 أيام (6 أيام من التكيف تليها 4 أيام من جمع العينات). تضمنت العلاجات تركيبات مختلفة من عشب القمح المتوج والبقوليات: 1) 75% عشب القمح المتوج و25% البرسيم (CW-AL)، 2) 75% عشب القمح المتوج و25% الساينفوين (CW-SA)، 3) 75% عشب القمح المتوج و25% الحرق الصغير (CW-SB)، 4) مزيج من الساينفوين والحرق الصغير (CW-SA-SB)، و5) مزيج أكثر تنوعًا يشمل حذاء الطائر (CW-SA-SB-BT).
هدفت الدراسة إلى محاكاة نظام علف حيث ترعى الماشية بشكل أساسي على الأعشاب ذات الموسم البارد مع وصول محدود إلى البقوليات والنباتات العشبية الغنية بالمغذيات. تم اختيار العلاج الضابط، CW-AL، بسبب الاستخدام الشائع للبرسيم كمكمل في منطقة الجبال الداخلية الغربية. تم اختيار العلاجات الأخرى لتقييم الفوائد المحتملة للأنواع المقاومة للجفاف ذات الملفات الغذائية المواتية والمواد الثانوية. تم زراعة جميع الأعلاف في عام 2022 وتم حصادها في مراحل نموها المثلى في يوليو 2023، مع الانتباه الدقيق لإدارة مغذيات التربة وتقنيات الزراعة لضمان التأسيس الناجح. تم تجميد الأعلاف المحصودة وتجفيفها وطحنها للتحليل، مما يسمح بتقييم شامل لتكوينها الكيميائي وتأثيراتها المحتملة على تغذية الماشية والاستدامة.
النتائج
تشير نتائج هذه الدراسة إلى أنه بينما ظلت القيمة الغذائية للوجبات متسقة عبر العلاجات، مع مستوى متوسط من البروتين الخام يبلغ 14.1 ± 0.34%، كانت تركيزات التانين متغيرة بشكل كبير. بلغ متوسط التانينات المكثفة 0.59 ± 0.15%، مع أعلى تركيز موجود في علاج CW-SA (1.02%). تم الكشف عن التانينات القابلة للتحلل فقط في العلاجات التي تحتوي على الحرق الصغير، مع أعلى تركيز في CW-SB (0.46%). تسلط هذه النتائج الضوء على ملفات التانين المميزة للأعلاف المستخدمة، والتي تلعب دورًا حاسمًا في دفاع النبات وقد تؤثر على ديناميات تخمر الكرش. من الجدير بالذكر أن قابلية هضم المادة الجافة كانت الأعلى في علاج CW-AL (P = 0.01)، بينما كانت قابلية هضم NDF أيضًا متغيرة بشكل كبير، حيث أظهر CW-AL أكبر قابلية هضم (32.9%).
علاوة على ذلك، اختلفت تركيزات الأحماض الدهنية الطيارة (VFA) الكلية بين العلاجات (P < 0.01)، حيث حقق CW-AL أعلى تركيز VFA (120.9 ممول/يوم). تأثرت أيضًا إنتاجية الأسيتات، مما يدل على علاقة قوية بين تحلل الألياف وتكوين الأسيتات. كما لاحظت الدراسة أن تركيزات الأمونيا-N كانت الأعلى في علاجات CW-AL وCW-SA، مما يشير إلى فائض من النيتروجين القابل للتحلل بالنسبة لاحتياجات الميكروبات، مما قد يؤدي إلى عدم كفاءة في استخدام النيتروجين. من المثير للاهتمام أن التركيب الميكروبي في الكرش ظل مستقرًا عبر العلاجات، مع عدم وجود اختلافات كبيرة في أعداد البروتوزوا وتنوع ألفا قابل للمقارنة. ومع ذلك، أشار تحليل تنوع بيتا إلى أن علاج CW-SB كان يميل إلى الاختلاف عن الآخرين، مما يشير إلى أن التركيب الغذائي يؤثر على أنواع الميكروبات المحددة. بشكل عام، قد يؤدي دمج النباتات المحتوية على التانين في خلطات العلف إلى تعزيز كفاءة النيتروجين وتحسين أداء الحيوانات مع تقديم فوائد بيئية من خلال تقليل إفراز النيتروجين.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في آثار تركيبات العلف المختلفة على ديناميات تخمر الكرش والبيئة الميكروبية باستخدام مفاعلات ثقافة مستمرة. شمل التصميم التجريبي تلقيح المفاعلات بمحتويات كرش من الأبقار التي تتغذى على نظام غذائي غني بالعلف، مع الحفاظ على معايير تشغيلية محددة مثل درجة الحرارة ودرجة الحموضة، وتحليل السكان الميكروبيين الناتجين ومنتجات التخمر. من الجدير بالذكر أن تضمين 75% من عشب القمح المتوج و25% من البرسيم (CW-AL) أسفر عن أعلى قابلية هضم للمادة الجافة، وإنتاج إجمالي للأحماض الدهنية الطيارة (VFA)، ومستويات الأسيتات، مما يدل على فعاليته في تعزيز تخمر الكرش. على النقيض من ذلك، كانت الخلطات التي تحتوي على الحرق الصغير، الغني بالتانينات القابلة للتحلل، مرتبطة بتقليل تحلل الألياف وتغيير هياكل المجتمع الميكروبي.
سلطت الدراسة الضوء على الدور المهم لتكوين العلف، وخاصة وجود التانينات المكثفة والقابلة للتحلل، في تعديل وفرة الميكروبات وملفات التخمر. على سبيل المثال، كانت Prevotella الأكثر وفرة في علاج CW-AL، المعروف بدوره في تحلل البروتينات والبوليسكاريدات، بينما انخفضت مستوياتها في الخلطات مع الحرق الصغير. بالإضافة إلى ذلك، كانت وفرة Succiniclasticum، الذي يحول السكسينات إلى بروبيونات، متغيرة عبر العلاجات، مما يشير إلى أن تركيبات النباتات المحددة يمكن أن تؤثر على مسارات التخمر. على الرغم من أن النتائج دعمت جزئيًا الفرضية القائلة بأن خلطات العلف المتنوعة يمكن أن تعزز وظيفة الكرش، إلا أن النتائج أشارت إلى أن الخصائص الكيميائية المحددة للأعلاف كانت أكثر أهمية من التنوع وحده. يجب أن تستكشف الأبحاث المستقبلية الآثار طويلة الأمد لهذه التركيبات العلفية على أداء الحيوانات واستدامة النظام.
DOI: https://doi.org/10.3389/fanim.2025.1645287
Publication Date: 2026-01-06
Author(s): Zhenyun Du et al.
Primary Topic: Ruminant Nutrition and Digestive Physiology
Overview
This study examines the effects of forage mixtures on rumen fermentation, nitrogen metabolism, and prokaryotic microbial community structure in crested wheatgrass-dominated rangelands of the Intermountain West. The experimental design utilized a 5 × 5 Latin square to compare five treatments: 1) 75% crested wheatgrass and 25% alfalfa (CW-AL), 2) 75% crested wheatgrass and 25% sainfoin (CW-SA), 3) 75% crested wheatgrass and 25% small burnet (CW-SB), 4) 75% crested wheatgrass, 12.5% sainfoin, and 12.5% small burnet (CW-SA-SB), and 5) 75% crested wheatgrass, 8.3% sainfoin, 8.3% small burnet, and 8.3% birdsfoot trefoil (CW-SA-SB-BT). Results indicated that CW-AL provided the highest neutral detergent fiber digestibility and acetate production, while ammonia-N concentrations were highest in CW-AL and CW-SA. Although alpha diversity remained unchanged, beta diversity analysis revealed significant differences in microbial community composition across treatments.
The findings suggest that including 75% crested wheatgrass with 25% alfalfa optimizes rumen fermentation, as evidenced by superior dry matter and neutral detergent fiber digestibility, total volatile fatty acid (VFA) production, and acetate levels. The study highlights the role of forage diversity in shaping rumen microbial dynamics and nutrient utilization, with variations in tannin concentrations influencing fiber digestibility and ammonia production. Mixtures rich in condensed tannins (e.g., sainfoin and birdsfoot trefoil) maintained microbial protein synthesis and acetate production while reducing ruminal ammonia, whereas those with hydrolyzable tannins (e.g., small burnet) hindered fiber degradation. Future research should focus on the long-term implications of these forage mixtures on animal performance, methane emissions, and overall sustainability.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the challenges and opportunities in beef cattle production within the Intermountain West region of the United States, which spans approximately 500 million acres across several states. The region’s extensive rangeland grazing systems produce over 5 million beef calves annually, but face limitations due to seasonal forage shortages linked to low precipitation (125-500 mm/year) and high temperatures (29-34°C). To improve production efficiency, the authors propose expanding late-summer access to diverse forage species, particularly legumes and forbs, which can enhance nutrient retention in ruminants, improve soil health, and support wildlife habitats.
Historically, efforts to boost rangeland productivity have focused on introducing species like crested wheatgrass, which, despite its adaptability, suffers from declining nutritional quality in late summer, adversely affecting livestock performance. The paper introduces the concept of “Smart Foodscapes,” which are strategically placed patches of diverse, high-quality forage species within the rangeland matrix. This approach aims to enhance livestock performance and ecosystem services through the management of these “islands of diversity.” The study specifically investigates the effects of combining crested wheatgrass with selected legumes (alfalfa, sainfoin, birdsfoot trefoil) and forbs (small burnet) on rumen fermentation, nutrient digestibility, nitrogen metabolism, and microbial communities, hypothesizing that such mixtures will improve fermentation efficiency and microbial protein synthesis by modulating the rumen microbiome.
Methods
In this study, the authors investigated the effects of various forage and dietary treatments on rumen fermentation using dual-flow continuous culture fermenters. Crested wheatgrass was harvested in July 2023 from Ephraim, Utah, while legumes and forbs were collected from Clarkston, Utah. The experimental design employed a 5 × 5 Latin square, with five treatments assigned to five fermenters over five periods, each consisting of 10 days (6 days of adaptation followed by 4 days of sample collection). The treatments included different combinations of crested wheatgrass and legumes: 1) 75% crested wheatgrass and 25% alfalfa (CW-AL), 2) 75% crested wheatgrass and 25% sainfoin (CW-SA), 3) 75% crested wheatgrass and 25% small burnet (CW-SB), 4) a mix of sainfoin and small burnet (CW-SA-SB), and 5) a more diverse mix including birdsfoot trefoil (CW-SA-SB-BT).
The study aimed to simulate a forage system where livestock primarily graze on cool-season grasses with limited access to nutrient-rich legumes and forbs. The control treatment, CW-AL, was chosen due to alfalfa’s common use as a supplement in the Intermountain West. The other treatments were selected to evaluate the potential benefits of drought-tolerant species with favorable nutritional profiles and secondary metabolites. All forages were seeded in 2022 and harvested at their optimal growth stages in July 2023, with careful attention to soil nutrient management and planting techniques to ensure successful establishment. The harvested forages were freeze-dried and milled for analysis, allowing for a comprehensive assessment of their chemical composition and potential impacts on livestock nutrition and sustainability.
Results
The results of this study indicate that while the nutritive value of the diets remained consistent across treatments, with an average crude protein level of 14.1 ± 0.34%, tannin concentrations varied significantly. Condensed tannins averaged 0.59 ± 0.15%, with the highest concentration found in the CW-SA treatment (1.02%). Hydrolysable tannins were detected only in treatments containing small burnet, with the highest concentration in CW-SB (0.46%). These findings highlight the distinct tannin profiles of the forages used, which play a crucial role in plant defense and may influence rumen fermentation dynamics. Notably, dry matter digestibility was highest in the CW-AL treatment (P = 0.01), while NDF digestibility also varied significantly, with CW-AL showing the greatest digestibility (32.9%).
Furthermore, total volatile fatty acid (VFA) concentrations differed among treatments (P < 0.01), with CW-AL yielding the highest VFA concentration (120.9 mmol/day). Acetate production was similarly affected, indicating a strong relationship between fiber degradation and acetate formation. The study also observed that ammonia-N concentrations were highest in the CW-AL and CW-SA treatments, suggesting an oversupply of degradable nitrogen relative to microbial needs, which could lead to inefficiencies in nitrogen utilization. Interestingly, the rumen microbial composition remained stable across treatments, with no significant differences in protozoa numbers and comparable alpha diversity. However, beta diversity analysis indicated that the CW-SB treatment tended to differ from others, suggesting that dietary composition influences specific microbial taxa. Overall, the incorporation of tannin-containing plants into forage mixtures may enhance nitrogen efficiency and improve animal performance while also offering environmental benefits by reducing nitrogen excretion.
Discussion
In this study, the effects of various forage combinations on rumen fermentation dynamics and microbial ecology were investigated using continuous culture fermenters. The experimental design involved inoculating fermenters with ruminal contents from cows fed a high forage diet, maintaining specific operational parameters such as temperature and pH, and analyzing the resulting microbial populations and fermentation products. Notably, the inclusion of 75% crested wheatgrass and 25% alfalfa (CW-AL) yielded the highest dry matter digestibility, total volatile fatty acid (VFA) production, and acetate levels, indicating its effectiveness in enhancing rumen fermentation. Conversely, mixtures containing small burnet, which is rich in hydrolysable tannins, were associated with reduced fiber degradation and altered microbial community structures.
The study highlighted the significant role of forage composition, particularly the presence of condensed and hydrolysable tannins, in modulating microbial abundance and fermentation profiles. For instance, Prevotella was most abundant in the CW-AL treatment, known for its role in degrading proteins and polysaccharides, while its levels decreased in mixtures with small burnet. Additionally, the abundance of Succiniclasticum, which converts succinate to propionate, varied across treatments, suggesting that specific plant combinations can influence fermentation pathways. Although the findings partially supported the hypothesis that diverse forage mixtures could enhance rumen function, the results indicated that the specific chemical characteristics of the forages were more critical than diversity alone. Future research should explore the long-term implications of these forage combinations on animal performance and system sustainability.