DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1554484
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40201438
تاريخ النشر: 2025-03-25
المؤلف: Wentao Lu وآخرون
الموضوع الرئيسي: صحة الحيوان وعلم المناعة
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة آثار مكملات الألياف الغذائية، وخاصة مسحوق الإينولين وقشور السيليوم (PHP)، على الميكروبات المعوية للعجول قبل الفطام وتأثيراتها على صحة الجهاز الهضمي. تم إجراء تجربة عشوائية محكومة مع تقسيم العجول إلى ثلاث مجموعات: مجموعة الإينولين، مجموعة PHP، ومجموعة التحكم بدون مكملات الألياف. تم جمع عينات البراز في نقاط زمنية متعددة، وتم استخدام تسلسل الميتاجينوم لتحليل التركيب الميكروبي والمسارات الوظيفية. أظهرت النتائج أن الألياف الغذائية زادت بشكل كبير من وفرة البكتيريا المفيدة، مثل Bifidobacterium وPrevotella، المرتبطة بتحسين الحماية المعوية من خلال تعديل مسارات الأحماض الصفراوية الثانوية واستقلاب الفلافونويد. بالإضافة إلى ذلك، كشفت التحليلات التفاضلية للإنزيمات النشطة على الكربوهيدرات (CAZymes) عن زيادة النشاط الإنزيمي المرتبط باستقلاب الكربوهيدرات استجابةً لمكملات الألياف.
تؤكد النتائج على التأثير الإيجابي للألياف الغذائية على تنوع الميكروبات والوظائف الإنزيمية داخل الميكروبات المعوية للعجول. ومن الجدير بالذكر أن مكملات PHP أدت إلى تشكيل مجموعات تعايش بين الأجناس، مما يشير إلى شبكة ميكروبية تعاونية قد تساهم في التوازن المعوي. تستنتج الدراسة أن مكملات الألياف الغذائية يمكن أن تحسن من هيكل الميكروبات المعوية، وتعزز من استعمار الكائنات الدقيقة المفيدة، وتحمي صحة الأمعاء في العجول قبل الفطام. توفر هذه الرؤى أساسًا نظريًا لتحسين التدخلات الغذائية لتعزيز صحة الأمعاء خلال فترة الانتقال الحرجة، مما يستدعي مزيدًا من الاستكشاف للتفاعلات الميكانيكية بين الألياف الغذائية، والميكروبات المعوية، ونتائج صحة المضيف.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الأهمية الحيوية لصحة العجول في صناعة الألبان، مشددة على أن الإسهال يساهم بشكل كبير في معدلات وفيات العجول ومعدلات الاستبعاد. تشير الأبحاث إلى أن العجول التي تعاني من الإسهال قبل الفطام تواجه عواقب طويلة الأمد، بما في ذلك انخفاض الكفاءة الإنجابية وتقليل إنتاج الحليب خلال أول فترة إرضاع لها. ومن المقلق أن النظام الوطني لمراقبة صحة الحيوانات في الولايات المتحدة يُبلغ عن أن حوالي 33.8% من العجول قبل الفطام تعاني من المرض، حيث تمثل مشاكل الهضم، وخاصة الإسهال، أكثر من نصف هذه الحالات. وهذا يبرز ضرورة الحفاظ على نظام هضمي صحي في العجول الصغيرة من أجل صحتها وإنتاجيتها على المدى الطويل.
كما تم مناقشة دور الميكروبات المعوية في صحة الأمعاء، مع تسليط الضوء على تأثيرها على الاستجابات المناعية وسلامة البطانة المعوية. يعد توازن الميكروبات المعوية أمرًا أساسيًا لمنع غزو مسببات الأمراض والحفاظ على التوازن المناعي. يمكن أن تؤدي الاضطرابات خلال مراحل الحياة المبكرة إلى اختلال التوازن الميكروبي، مما يزيد من القابلية للإصابة بمشاكل صحية مزمنة. تستكشف المقدمة أيضًا فوائد الألياف الغذائية، وخاصة الإينولين وقشور السيليوم، في تعزيز صحة الجهاز الهضمي من خلال تعزيز الميكروبات المفيدة وتعزيز الحاجز المعوي. تهدف الدراسة إلى التحقيق في آثار هذه الألياف على تركيب ووظيفة الميكروبات المعوية في العجول قبل الفطام، مما يوفر رؤى حول إمكانياتها كإجراءات غذائية لتقليل خطر الإسهال وتحسين صحة الأمعاء بشكل عام.
الطرق
في هذه الدراسة، التي أجريت في مزرعة ألبان في مقاطعة خبي، الصين، تم اختيار 136 عجلًا أنثويًا حديث الولادة من سلالة هولشتاين بناءً على معايير صحية وضعتها مكغويرك وبيك (2014). تم تقسيم العجول إلى ثلاث مجموعات: مجموعة التحكم (CON)، مجموعة مسحوق قشور السيليوم (PHP)، ومجموعة الإينولين (INU). بدءًا من اليوم الثاني بعد الولادة، تلقت مجموعة PHP مسحوق قشور السيليوم، بينما تم تزويد مجموعة INU بالإينولين. تم إيواء جميع العجول بشكل فردي وتلقوا اللبأ بعد الولادة بفترة قصيرة، مع جدول تغذية موحد مفصل في الجدول 1.
تم جمع عينات البراز في فترات زمنية متعددة (الأيام 0، 7، 14، 28، و56) وتم تخزينها عند -80 درجة مئوية للتحليل. تم تسجيل درجات تناسق البراز اليومية، التي تتراوح من 0 إلى 3، لتقييم صحة العجل، حيث تشير الدرجات 2 أو أعلى إلى الإسهال. تم تتبع مدة الإسهال من أول ظهور لدرجة 2 حتى انخفضت الدرجة إلى أقل من 2. بالإضافة إلى ذلك، تم اختيار تسعة عجول صحية من كل مجموعة لم تعاني من الإسهال لإجراء تحليل إضافي للتحقيق في تأثير الألياف الغذائية على الميكروبات المعوية. تهدف هذه الإطار المنهجي إلى توضيح آثار التدخلات الغذائية على صحة العجول وتركيب الميكروبات المعوية.
النتائج
تشير نتائج هذه الدراسة إلى أن مكملات الألياف الغذائية تؤثر بشكل كبير على تنوع الميكروبات المعوية في العجول قبل الفطام. ومن الجدير بالذكر أن مؤشرات شانون وACE أظهرت تباينات زمنية، حيث تجاوزت قيم R² 0.5 في تحليلات الانحدار الخطي. في البداية، في اليوم 0، أظهرت الميكروبات المعوية تنوعًا منخفضًا α، والذي زاد تدريجيًا مع تقدم العمر. بحلول اليوم 28، أظهرت العجول التي تلقت مسحوق قشور السيليوم (PHP) مؤشرات تنوع أعلى بكثير مقارنة بمجموعة التحكم، بينما لم تؤدي مكملات الإينولين (INU) إلى اختلافات ذات دلالة إحصائية، على الرغم من ملاحظة اتجاه نحو زيادة التنوع. بالإضافة إلى ذلك، كشفت تحليل المكونات الرئيسية (CPCoA) عن اختلافات كبيرة في β-diversity بين المجموعات، وكانت هذه الاختلافات ملحوظة بشكل خاص بحلول اليوم 14، مع تمييزات بارزة بين مجموعات PHP وINU.
كشفت التحليلات الإضافية للوفرة النسبية لبعض الأجناس الميكروبية أن مستويات Bacteroides في مجموعات INU وPHP كانت في البداية أقل من مجموعة التحكم لكنها تجاوزتها بحلول اليوم 28. على العكس من ذلك، انخفضت وفرة Enterococcus بمرور الوقت، حيث أظهرت مجموعة PHP انخفاضًا أبطأ. أظهرت Bifidobacterium وفرة نسبية أعلى في مجموعة INU في المراحل المبكرة، بينما زادت وفرة Prevotella مع تقدم العمر، خاصة في مجموعة INU بحلول اليوم 28. كما حددت الدراسة ارتباطات كبيرة بين أجناس ميكروبية معينة ومسارات وظيفية، مثل مسارات تخليق الفلافون والفلافونول، مما يشير إلى أن الألياف الغذائية لا تغير فقط التركيب الميكروبي ولكن تؤثر أيضًا على الوظائف الأيضية داخل الميكروبات المعوية للعجول قبل الفطام.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في آثار مكملات الألياف الغذائية، وخاصة الإينولين ومسحوق قشور السيليوم، على الميكروبات المعوية للعجول قبل الفطام. استخدمت الأبحاث نهجًا شاملاً، بما في ذلك استخراج الحمض النووي، تسلسل الميتاجينوم، والتحليلات المعلوماتية الحيوية، لتقييم تنوع الميكروبات والمسارات الوظيفية. أشارت النتائج إلى أن العجول التي تلقت مسحوق قشور السيليوم أظهرت تنوعًا وثراءً ميكروبيًا أكبر بشكل ملحوظ بحلول اليوم 28، مقارنةً بالمجموعة الضابطة. ومن الجدير بالذكر أن الدراسة حددت أجناسًا رئيسية مثل Prevotella وClostridium وRuminococcus، المرتبطة بأنشطة أيضية مفيدة، بما في ذلك إنتاج الأحماض الدهنية قصيرة السلسلة (SCFAs) والفلافونويدات التي تدعم صحة الأمعاء.
تشير النتائج إلى أن تدخلات الألياف الغذائية لا تعزز فقط وفرة البكتيريا المفيدة ولكن أيضًا تعدل المسارات الأيضية الحيوية لصحة الأمعاء. على وجه الخصوص، أظهرت Bifidobacterium أنها تثبط مسار تخليق الأحماض الصفراوية الثانوية، مما قد يقلل من خطر الاضطرابات المعوية مثل الإسهال. بالإضافة إلى ذلك، سلطت الدراسة الضوء على العلاقات التعايشية بين بكتيريا الأمعاء، وخاصة الديناميات بين المنتجين والمستهلكين بين Prevotella وبعض سلالات Firmicutes وClostridium، التي تساهم في بيئة معوية مستقرة. بشكل عام، تؤكد هذه الأبحاث على أهمية الألياف الغذائية في تعزيز ميكروبات الأمعاء الصحية في العجول، مع آثار لتحسين صحتها العامة وتطورها خلال مراحل الحياة المبكرة الحرجة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1554484
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40201438
Publication Date: 2025-03-25
Author(s): Wentao Lu et al.
Primary Topic: Animal health and immunology
Overview
This study investigates the effects of dietary fiber supplementation, specifically inulin and psyllium husk powder (PHP), on the intestinal microbiota of pre-weaned calves and its implications for gastrointestinal health. A randomized controlled trial was conducted with calves assigned to three groups: inulin, PHP, and a control group without fiber supplementation. Fecal samples were collected at multiple time points, and metagenomic sequencing was employed to analyze microbial composition and functional pathways. The results indicated that dietary fiber significantly increased the abundance of beneficial bacteria, such as Bifidobacterium and Prevotella, which are associated with enhanced intestinal protection through modulation of secondary bile acid and flavonoid metabolism pathways. Additionally, a differential analysis of carbohydrate-active enzymes (CAZymes) revealed increased enzymatic activity related to carbohydrate metabolism in response to fiber supplementation.
The findings underscore the positive impact of dietary fiber on the microbial diversity and enzymatic functions within the calf intestinal microbiota. Notably, PHP supplementation led to the formation of intergeneric symbiotic clusters, suggesting a cooperative microbial network that may contribute to intestinal homeostasis. The study concludes that dietary fiber supplementation can improve the structure of the intestinal microbiota, promote the colonization of beneficial microorganisms, and protect intestinal health in pre-weaned calves. These insights provide a theoretical basis for optimizing dietary interventions to enhance gut health during the critical transition period, warranting further exploration of the mechanistic interactions between dietary fiber, gut microbiota, and host health outcomes.
Introduction
The introduction highlights the critical importance of calf health in the dairy farming industry, emphasizing that diarrhea significantly contributes to calf mortality and culling rates. Research indicates that calves suffering from diarrhea before weaning face long-term repercussions, including diminished reproductive efficiency and reduced milk production during their first lactation. Alarmingly, the United States National Animal Health Monitoring System reports that approximately 33.8% of pre-weaned calves experience illness, with digestive issues, particularly diarrhea, accounting for over half of these cases. This underscores the necessity of maintaining a healthy digestive system in young calves for their long-term health and productivity.
The role of gut microbiota in intestinal health is also discussed, highlighting its influence on immune responses and the structural integrity of the intestinal epithelium. A balanced gut microbiome is essential for preventing pathogen invasion and maintaining immune homeostasis. Disruptions during the early life stages can lead to dysbiosis, increasing susceptibility to chronic health issues. The introduction further explores the benefits of dietary fiber, particularly inulin and psyllium husk, in promoting gastrointestinal health by enhancing beneficial microbiota and reinforcing the intestinal barrier. The study aims to investigate the effects of these fibers on the gut microbiota composition and function in pre-weaned calves, providing insights into their potential as dietary interventions to reduce diarrhea risk and improve overall gut health.
Methods
In this study, conducted at a dairy farm in Hebei Province, China, 136 healthy newborn Holstein female calves were selected based on health criteria established by McGuirk and Peek (2014). The calves were divided into three groups: a control group (CON), a psyllium husk powder group (PHP), and an inulin group (INU). Starting from the second day after birth, the PHP group received psyllium husk powder, while the INU group was supplemented with inulin. All calves were individually housed and received colostrum shortly after birth, with a standardized feeding schedule detailed in Table 1.
Fecal samples were collected at multiple intervals (days 0, 7, 14, 28, and 56) and stored at -80°C for analysis. Daily fecal consistency scores, ranging from 0 to 3, were recorded to assess calf health, with scores of 2 or higher indicating diarrhea. The duration of diarrhea was tracked from the first occurrence of a score of 2 until the score fell below 2. Additionally, nine healthy calves from each group that did not experience diarrhea were selected for further analysis to investigate the impact of dietary fiber on gut microbiota. This methodological framework aims to elucidate the effects of dietary interventions on calf health and gut microbiome composition.
Results
The results of this study indicate that dietary fiber supplementation significantly influences the fecal microbiota diversity in pre-weaned calves. Notably, the Shannon and ACE indices demonstrated temporal variations, with R² values exceeding 0.5 in linear regression analyses. Initially, at day 0, the fecal microbiota exhibited low α-diversity, which progressively increased with age. By day 28, calves supplemented with psyllium husk powder (PHP) showed significantly higher diversity indices compared to the control group, while inulin (INU) supplementation did not yield statistically significant differences, although a trend towards increased diversity was observed. Additionally, principal coordinate analysis (CPCoA) revealed significant differences in β-diversity among the groups, particularly pronounced by day 14, with notable distinctions between PHP and INU groups.
Further analysis of the relative abundance of specific microbial genera revealed that Bacteroides levels in the INU and PHP groups initially lagged behind the control group but surpassed it by day 28. Conversely, Enterococcus abundance decreased over time, with the PHP group exhibiting a slower decline. Bifidobacterium showed higher relative abundances in the INU group at early stages, while Prevotella abundance increased with age, particularly in the INU group by day 28. The study also identified significant correlations between specific microbial genera and functional pathways, such as the flavone and flavonol biosynthesis pathways, suggesting that dietary fiber not only alters microbial composition but also impacts metabolic functions within the gut microbiota of pre-weaned calves.
Discussion
In this study, the effects of dietary fiber supplementation, specifically inulin and psyllium husk powder, on the gut microbiota of pre-weaned calves were investigated. The research utilized a comprehensive approach, including DNA extraction, metagenomic sequencing, and bioinformatic analyses, to assess microbial diversity and functional pathways. Results indicated that calves supplemented with psyllium husk powder exhibited significantly greater microbial diversity and richness by day 28, compared to controls. Notably, the study identified key genera such as Prevotella, Clostridium, and Ruminococcus, which were associated with beneficial metabolic activities, including the production of short-chain fatty acids (SCFAs) and flavonoids that support intestinal health.
The findings suggest that dietary fiber interventions not only enhance the abundance of beneficial bacteria but also modulate metabolic pathways critical for gut health. Specifically, Bifidobacterium was shown to inhibit the secondary bile acid biosynthesis pathway, potentially reducing the risk of gastrointestinal disorders like diarrhea. Additionally, the study highlighted the symbiotic relationships among gut bacteria, particularly the producer-consumer dynamics between Prevotella and certain Firmicutes and Clostridium strains, which contribute to a stable intestinal environment. Overall, this research underscores the importance of dietary fiber in promoting a healthy gut microbiota in calves, with implications for improving their overall health and development during critical early life stages.