Effect of different concentrate to forage ratios on the structure of microflora in yak manure

doi:10.11686/cyxb2023091

Abstract

Abstract:

The aim of this experiment was to study the effects of different ratios of concentrate to forage on the structure of the microflora in yak feces. Twenty-four healthy 3-year-old male yaks with similar body weight were randomly divided into two groups： One group was fed with a diet with a low concentrate to forage ratio （35∶65， C₃₅ group）， and the other group was fed with a diet with a high concentrate to forage ratio （65∶35， C₆₅ group）. The pretest lasted for 15 days and the experiment lasted for 90 days. Then， 16S rDNA high throughput sequencing technology was used to analyze the structural changes in fecal microflora. The main results were as follows： 1） A total of 1702 operational taxonomic units （OTUs） were detected in the feces of the two groups， among which 1273 OTUs （74.79%） were common to the two groups. The number of species， Chao1 index， and Shannon’s index were significantly higher in the C₃₅ group than in the C₆₅ group （P<0.05）. 2） In terms of species composition of the microflora in yak feces， at the phylum level， Patescibacteria and Cyanobacteria were significantly more abundant in the C₃₅ group than in the C₆₅ group （P<0.01）， and Actinobacteriota were significantly more abundant in the C₃₅ group than in the C₆₅ group （P<0.05）. Bacteroidota and Spirochaetota were more abundant in the C₆₅ group than in the C₃₅ group （P<0.05）. 3） Ruminococcus were significantly more abundant in the C₃₅ group than in the C₆₅ group （P<0.01）， and Lachnospiraceae_NK3A20_group were significantly more abundant in the C₃₅ group than in the C₆₅ group （P<0.05）. The number of uncultured was significantly higher in the C₆₅ group than in the C₃₅ group （P<0.01）. The numbers of uncultured_bacterium， Alloprevotella， and Treponema were significantly higher in the C₆₅ group than in the C₃₅ group （P<0.05）. 4）Prediction of the metabolic pathways and functions of fecal microorganisms at the KEGG2 level using PICRUSt revealed a much higher relative abundance of gene families involved in replication and repair， translation， nucleotide metabolism， biosynthesis of other secondary metabolites， and cell growth and death in the C₆₅ group than in the C₃₅ group （P<0.01）. In conclusion， the dietary concentrate to forage ratio significantly affected the diversity and richness of yak fecal microflora. A diet with a high concentrate to forage ratio （65∶35） promoted the proliferation of non-fiber-degrading bacteria and increased the abundance of Alloprevotella， but inhibited the growth of Lachnospiraceae. These results enrich our understanding of the composition and functions of bacterial communities in yak feces.

Key words: concentrate to forage, yak, 16S rDNA, manure, microflora

Hong-xin NIE, Yu-min LI, Kai-yue PANG, Sha-tuo CHAI, Di SHEN, Zi-ming ZENG, Yang LIAO, Xun WANG, Bin XUE, Shu-jie LIU, Shu-xiang WANG, Ying-kui YANG. Effect of different concentrate to forage ratios on the structure of microflora in yak manure[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2023, 32(12): 189-197.

Figures/Tables 8

References 42

1	Guo W C， Liu Z H， Yang B M， et al. The boat of Plateau——Chinese yak. Special Economic Flora and Fauna， 1998， 1（5）： 4-5.
	郭文场，刘志宏，杨柏明，等. 高原之舟——中国牦牛. 特种经济动植物， 1998， 1（5）： 4-5.
2	Meng Q H， Chen Y X， Dong H M， et al. The distribution characteristics and population of yak. Journal of Domestic Animal Ecology， 2017， 38（3）： 80-85.
	孟庆辉，陈永杏，董红敏，等. 牦牛分布特点及其种群数量. 家畜生态学报， 2017， 38（3）： 80-85.
3	Liu X C， Zhang S， Sun B Z， et al. Progress in understanding quality characteristics of yak meat. Meat Research， 2020， 34（11）： 78-83.
	刘晓畅，张寿，孙宝忠，等. 牦牛肉品质特性研究进展. 肉类研究， 2020， 34（11）： 78-83.
4	Luo Z J， Ma J S， Bao G C， et al. Development status， existing problems and countermeasures of yak seed industry in Qinghai Province. Chinese Journal of Animal Science， 2021， 57（2）： 231-234.
	骆正杰，马进寿，保广才，等. 青海省牦牛种业发展现状、存在问题及应对策略. 中国畜牧杂志， 2021， 57（2）： 231-234.
5	Dai D W， Wang S X， Wang X， et al. Effect of supplementary feed levels on growth performance and serum biochemical indicators of yak in cold season. Feed Research， 2020， 43（9）： 1-3.
	戴东文，王书祥，王迅，等. 冷季精料补饲水平对牦牛生长性能和血清生化指标的影响. 饲料研究， 2020， 43（9）： 1-3.
6	Wang H R. Mechanism analysis and nutritional strategies for prevention of sub-acute ruminal acidosis in ruminants. Chinese Journal of Animal Nutrition， 2014， 26（10）： 3140-3148.
	王洪荣. 反刍动物瘤胃酸中毒机制解析及其营养调控措施. 动物营养学报， 2014， 26（10）： 3140-3148.
7	Zhang X L， Wang H L， You W， et al. In vitro degradability of corn silage and Leymus chinensis silage and evaluation of their mixed ratios on performance， digestion and serum parameters in beef cattle. Journal of Animal Physiology and Animal Nutrition， 2020， 104（6）： 1628-1636.
8	Li J W， Hou S Z， Wang Z Y， et al. Effect of dietary concentrate to forage ratio on intestinal bacterial diversity of early weaned Tibetan lambs. Southwest China Journal of Agricultural Sciences， 2021， 34（9）： 2025-2031.
	李蒋伟，侯生珍，王志有，等. 饲粮精粗比对早期断奶藏羔羊小肠细菌多样性的影响. 西南农业学报， 2021， 34（9）： 2025-2031.
9	Li J W， Zhou L， Hou S Z， et al. Effects of dietary concentrate to roughage ratio on intestinal fungal diversity in Tibetan sheep. Southwest China Journal of Agricultural Sciences， 2021， 34（12）： 2784-2789.
	李蒋伟，周力，侯生珍，等. 日粮精粗比对育肥藏羊肠道真菌多样性的影响. 西南农业学报， 2021， 34（12）： 2784-2789.
10	Chen L Y. Study on growth performance， fecal bacteria and differential metabolites in feces of Tan sheep with different RFI. Yinchuan： Ningxia University， 2021.
	陈丽尧. 不同RFI滩羊生长性能、粪便菌群和粪便差异代谢物研究. 银川：宁夏大学， 2021.
11	Liu Q， Zhu Y Y， Zhang C L， et al. Fecal microflora composition and drug resistance of Escherichia coli in captive Himalayan Tahr. Chinese Journal of Veterinary Medicine， 2021， 57（12）： 51-55.
	刘青，朱云芸，张成林，等. 圈养喜马拉雅塔尔羊粪便菌群结构及大肠杆菌耐药性试验. 中国兽医杂志， 2021， 57（12）： 51-55.
12	Sun G. The study of the Chinese herbal medicine additives on the growth performance， carcass traits， blood physicochemical and fecal flora of pigs. Zhengzhou： Henan Agricultural University， 2018.
	孙港. 中草药添加剂对猪的生长性能、胴体性状、血液理化及粪便菌群的研究. 郑州：河南农业大学， 2018.
13	Xie Y Y， Song L Y， Yang J H， et al. Small intestinal flora graft alters fecal flora， stool， cytokines and mood status in healthy mice. Life Science Alliance， 2021， 4（9）： e202101039.
14	Wang J Q， Yang H J， Mo F， et al. Standard for raising beef cattle， NY/T815-2004. Beijing： China Agriculture Press， 2004.
	王加启，杨红建，莫放，等. 肉牛饲养标准， NY/T815-2004. 北京：中国农业出版社， 2004.
15	Bürgmann H， Pesaro M， Widmer F， et al. A strategy for optimizing quality and quantity of DNA extracted from soil. Journal of Microbiological Methods， 2001， 45（1）： 7-20.
16	Yang X， Fan W J， Tang Z P， et al. Effects of different mulching cultivation on bacterial diversity， enzyme activity and physicochemical properties of potato rhizosphere soil. Journal of Nuclear Agriculture， 2021， 35（9）： 2145-2153.
	杨鑫，樊吴静，唐洲萍，等. 不同覆盖栽培对马铃薯根际土壤细菌多样性、酶活性及化学性状的影响. 核农学报， 2021， 35（9）： 2145-2153.
17	Liu F H. The effect of dietary concentrate ratio on production performance， blood indexes， intestinal flora and short-chain fatty acids of obese empty-breasted cows. Hohhot： Inner Mongolia Agricultural University， 2021.
	刘飞鸿. 日粮精粗比对肥胖空怀母牛生产性能、血液指标、肠道菌群及其短链脂肪酸的影响. 呼和浩特：内蒙古农业大学， 2021.
18	Pang K Y， Yang Y K， Chai S T， et al. Dynamics changes of the fecal bacterial community fed diets with different concentrate to forage ratios in Qinghai Yaks. Animals， 2022， 12（18）： 2334.
19	Callaway T R， Dowd S E， Edrington T S， et al. Evaluation of bacterial diversity in the rumen and feces of cattle fed different levels of dried distillers grains plus solubles using bacterial tagencoded FLX amplicon pyrosequencing. Journal of Animal Science， 2010， 88（12）： 3977-3983.
20	Dowd S E， Callaway T R， Wolcott R D， et al. Evaluation of the bacterial diversity in the feces of cattle using 16S rDNA bacterial tagencoded FLX amplicon pyrosequencing （bTEFAP）. BMC Microbiology， 2008， 8（1）： 1-8.
21	Shanks O C， Kelty C A， Archibeque S， et al. Community structures of fecal bacteria in cattle from different animal feeding operations. Applied and Environmental Microbiology， 2011， 77（9）： 2992-3001.
22	Domínguez-Bello M G， Andersen G L， Rivera-Rivera M J， et al. Comparison of the fecal microbiota in feral and domestic goats. Genes， 2011， 3（1）： 1-18.
23	De Oliveira M N V， Jewell K A， Freitas F S， et al. Characterizing the microbiota across the gastrointestinal tract of a Brazilian Nelore steer. Veterinary Microbiology， 2013， 164（3/4）： 307-314.
24	Spence C， Wells W G， Smith C J. Characterization of the primary starch utilization operon in the obligate anaerobe Bacteroides fragilis： Regulation by carbon source and oxygen. Journal of Bacteriology， 2006， 188（13）： 4663-4672.
25	Khafipour E， Li S， Tun H M， et al. Effects of grain feeding on microbiota in the digestive tract of cattle. Animal Frontiers， 2016， 6（2）： 13-19.
26	Pokusaeva K， Fitzgerald G F， Van Sinderen D. Carbohydrate metabolism in Bifidobacteria. Genes & Nutrition， 2011， 6（3）： 285-306.
27	Frey B， Rime T， Phillips M， et al. Microbial diversity in European alpine permafrost and active layers. FEMS Microbiology Ecology， 2016， 92（3）： fiw018.
28	Tripp H J， Bench S R， Turk K A， et al. Metabolic streamlining in an open-ocean nitrogen-fixing cyanobacterium. Nature， 2010， 464（7285）： 90-94.
29	Li F H. Comparative study on the gastric microbiota diversity in small mammals. Baoding： Hebei University， 2019.
	李飞虹. 小型哺乳动物胃部微生物菌群的比较研究. 保定：河北大学， 2019.
30	Servin J A， Herbold C W， Skophammer R G， et al. Evidence excluding the root of the tree of life from the actinobacteria. Molecular Biology and Evolution， 2008， 25（1）： 1-4.
31	Caporaso J G， Kuczynski J， Stombaugh J， et al. QIIME allows analysis of high-throughput community sequencing data. Nature Methods， 2010， 7（5）： 335-336.
32	Meale S J， Li S C， Azevedo P， et al. Weaning age influences the severity of gastrointestinal microbiome shifts in dairy calves. Scientific Reports， 2017， 7（1）： 198.
33	La Reau A J， Meier-Kolthoff J P， Suen G. Sequence-based analysis of the genus Ruminococcus resolves its phylogeny and reveals strong host association. Microbial Genomics， 2016， 2（12）： e000099.
34	Jiang F， Song P F， Wang H J， et al. Comparative analysis of gut microbial composition and potential functions in captive forest and alpine musk deer. Applied Microbiology Biotechnology， 2022， 106（3）： 1325-1339.
35	Wang B， Ma M P， Diao Q Y， et al. Saponin induced shifts in the rumen microbiome and metabolome of young cattle. Frontiers in Microbiology， 2019， 10（2）： 356-359.
36	Watts J E M， McDonald R， Daniel R， et al. Examination of a culturable microbial population from the gastroint-estinal tract of the wood eating loricariid catfish panaque nigrolineatus. Diversity， 2013， 5（3）： 641-656.
37	Downes J， Dewhirst F E， Tanner A C R， et al. Description of Alloprevotella rava gen. nov.， sp. nov.， isolated from the human oral cavity， and reclassification of Prevotella tannerae Moore et al. 1994 as Alloprevotella tannerae gen. nov.， comb. nov. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology， 2013， 63： 1214-1218.
38	Lamendella R， Santo Domingo J W， Ghosh S， et al. Comparative fecal metagenomics unveils unique functional capacity of the swine gut. BMC Microbiology， 2011， 11（1）： 1-17.
39	Li Y J， Zhao S S， Ge L， et al. Research progress of carbohydrate nutrition in ruminants. Shandong Animal Husbandry and Veterinary Medicine， 2012， 33（8）： 85-87.
	李玉军，赵珊珊，葛林，等. 反刍动物碳水化合物营养的研究进展. 山东畜牧兽医， 2012， 33（8）： 85-87.
40	He D Y， Wang X L， Yang L. Advances in the regulation of amino acid metabolism in animals. Feed Industry， 2011， 32（18）： 40-44.
	贺丹艳，王新磊，杨琳. 动物氨基酸代谢调控研究进展. 饲料工业， 2011， 32（18）： 40-44.
41	Dong W C， Zhuang S， Zhang T， et al. Advances in protein nutrition of ruminants. Animal Husbandry and Veterinary Medicine， 2013， 45（7）： 104-109.
	董文超，庄苏，张腾，等. 反刍动物蛋白质营养研究进展. 畜牧与兽医， 2013， 45（7）： 104-109.
42	Niehoff I D， Hüther L， Lebzien P. Niacin for dairy cattle： A review. British Journal of Nutrition， 2008， 101（1）： 5-19.

原料Ingredients	C₃₅	C₆₅
燕麦干草Oats hay （%）	65.00	35.00
玉米Corn （%）	15.19	29.75
小麦Wheat （%）	4.23	8.39
麸皮Wheat bran （%）	4.35	8.56
菜籽粕Rapeseed meal （%）	4.32	8.55
豆粕Soybean meal （%）	1.47	2.91
棕榈油脂肪粉Palm oil powder （%）	1.44	2.84
CaHPO₄（%）	1.00	1.00
食盐NaCl （%）	1.00	1.00
预混料Premix^1）（%）	2.00	2.00
合计Total （%）	100.00	100.00
营养水平Nutrient levels^2）
代谢能Metabolic energy （ME，MJ·kg^-1）	10.08	11.89
粗蛋白质Crude protein （CP，%）	11.72	13.18
中性洗涤纤维Neutral detergent fiber （NDF，%）	43.53	31.36
酸性洗涤纤维Acid detergent fiber （ADF，%）	27.88	18.36
钙Ca （%）	0.44	0.48
磷 P （%）	0.43	0.56

原料Ingredients	C₃₅	C₆₅
燕麦干草Oats hay （%）	65.00	35.00
玉米Corn （%）	15.19	29.75
小麦Wheat （%）	4.23	8.39
麸皮Wheat bran （%）	4.35	8.56
菜籽粕Rapeseed meal （%）	4.32	8.55
豆粕Soybean meal （%）	1.47	2.91
棕榈油脂肪粉Palm oil powder （%）	1.44	2.84
CaHPO₄（%）	1.00	1.00
食盐NaCl （%）	1.00	1.00
预混料Premix^1）（%）	2.00	2.00
合计Total （%）	100.00	100.00
营养水平Nutrient levels^2）
代谢能Metabolic energy （ME，MJ·kg^-1）	10.08	11.89
粗蛋白质Crude protein （CP，%）	11.72	13.18
中性洗涤纤维Neutral detergent fiber （NDF，%）	43.53	31.36
酸性洗涤纤维Acid detergent fiber （ADF，%）	27.88	18.36
钙Ca （%）	0.44	0.48
磷 P （%）	0.43	0.56

项目 Item	C₃₅	C₆₅	SEM	P值 P-value
观测到的物种Observed species	1097.15a	912.33b	37.56	0.01
Chao1指数Chao1 index	1236.56a	1068.56b	37.02	0.01
Shannon指数Shannon index	7.51a	7.00b	0.11	0.01
Simpson指数Simpson index	0.98a	0.97a	0.01	0.21

项目 Item	C₃₅	C₆₅	SEM	P值 P-value
观测到的物种Observed species	1097.15a	912.33b	37.56	0.01
Chao1指数Chao1 index	1236.56a	1068.56b	37.02	0.01
Shannon指数Shannon index	7.51a	7.00b	0.11	0.01
Simpson指数Simpson index	0.98a	0.97a	0.01	0.21

门水平 Phylum level	C₃₅	C₆₅	SEM	P值 P-value
厚壁菌门Firmicutes	0.745a	0.696a	0.017	0.15
拟杆菌门Bacteroidota	0.176b	0.252a	0.020	0.04
放线菌门Actinobacteriota	0.027a	0.013b	0.003	0.04
螺旋体门Spirochaetota	0.006b	0.020a	0.004	0.04
疣微菌门Verrucomicrobiota	0.014a	0.006a	0.003	0.20
髌细菌门Patescibacteria	0.014a	0.005b	0.001	<0.01
变形菌门Proteobacteria	0.008a	0.004a	0.002	0.34
蓝藻菌门Cyanobacteria	0.009a	0.003b	0.001	<0.01
迷踪菌门Elusimicrobiota	0.001a	0.001a	0.001	0.08
酸杆菌门Acidobacteriota	0.001a	0.001a	0.001	0.32