Effects of dietary protein levels on ruminal fungal community structure and function in Tibetan sheep

doi:10.11686/cyxb2020545

Abstract

Abstract:

This study aimed to investigate the effects of dietary protein levels on ruminal fungal community structure and function of Tibetan sheep. A total of eighteen 12-month-old， healthy， castrated Tibetan sheep with similar initial body weights （31.71±0.72） kg were randomly divided into three treatment groups， with 6 sheep in each group. During the whole experiment， the sheep were fed diets with low， medium or high dietary crude protein （CP） levels （LP group， 10.06%CP； MP group， 12.10%CP； HP group， 14.12%CP） and similar metabolizable energy. The experiment took place over 120 d with a 15 d adaptation period and 105 d measurement period. It was found that： 1） The final body weights， average daily gains， and average daily feed intake of the LP group were lower than those in MP and HP groups （P<0.05）， while the feed conversion ratio in LP was higher than that in MP and HP groups （P<0.05）. 2） A total of 1547415 clean gene tags were obtained from 18 samples， and the total number of OTUs detected by a cluster analysis was 4073. The diversity index of the rumen fungi in Tibetan sheep was not significantly （P>0.05） affected by the dietary protein levels. 3） At the phylum level， the most dominant fungal phyla from the ruminal samples were Ascomycota， Basidiomycota， Mortierellomycota and Neocallimastigomycota. At the genus level， Penicillium， Acauliun， Cladosporium， Fusarium and Alternaria were detected as highly abundant taxa in the rumen. 4） A total of 33 biomarkers were identified at various taxonomic levels based on linear discriminant effect size analysis （LEfSe）. 5） The main function of the rumen fungal flora， as predicted by FUNGuid， was saprophytic activity. In summary， higher dietary protein levels significantly improved daily weight gain of Tibetan sheep， but had no significant effect on microbial diversity and community structure.

Key words: protein, Tibetan sheep, growth performance, rumen, ruminal fungi

Xun-gang WANG, Xiao-ling ZHANG, Tian-wei XU, Yuan-yue GENG, Lin-yong HU, Na ZHAO, Hong-jin LIU, Sheng-ping KANG, Shi-xiao XU. Effects of dietary protein levels on ruminal fungal community structure and function in Tibetan sheep[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2022, 31(2): 182-191.

Figures/Tables 9

References 33

1	Knoell A L， Anderson C L， Pesta A C， et al. Alterations of the rumen bacterial and archaeal communities in growing and finishing beef cattle and its effects on methane emissions. Journal of Animal Science， 2016， 94（S2）： 53-54.
2	Liu J H， Dong G Z， Tian K. Effects of high concentrate diets on gastrointestinal microflora in ruminants and its regulation. Chinese Journal of Animal Nutrition， 2018， 30（12）： 4821-4827.
	柳君辉，董国忠，田可. 高精料饲粮对反刍动物胃肠道微生物区系的影响及调控. 动物营养学报， 2018， 30（12）： 4821-4827.
3	Zhan J S， Yang Q， Hu Y， et al. Effects of dietary concentration： Roughage ratio on rumen fermentation and flora population structure in Hu sheep. Acta Prataculturae Sinica， 2020， 29（7）： 122-130.
	占今舜，杨群，胡耀，等. 日粮精粗比对湖羊瘤胃发酵和菌群结构的影响. 草业学报， 2020， 29（7）： 122-130.
4	Peng K L， Ren D X， Liu J X. Diversity of rumen microflora in dairy buffaloes at different ages. Chinese Journal of Animal Nutrition， 2019， 31（11）： 5053-5064.
	彭科兰，任大喜，刘建新. 不同年龄奶水牛瘤胃菌群多样性研究. 动物营养学报， 2019， 31（11）： 5053-5064.
5	Zhang T， Mu Y Y， Zhang D Q， et al. Determination of microbiological characteristics in the digestive tract of different ruminant species. Microbiology Open， 2018： e769.
6	Galvani D B， Pires C C， Kozloski G V， et al. Protein requirements of Texel crossbred lambs. Small Ruminant Research， 2009， 81（1）： 55-62.
7	Zhou J W， Guo X S， Degen A A， et al. Urea kinetics and nitrogen balance and requirements for maintenance in Tibetan sheep when fed oat hay. Small Ruminant Research， 2015， 129： 60-68.
8	Xu T W， Hu L Y， Zhao N， et al. Effect of oat hay supplementing on growth performance of yaks and Tibetan sheep during could season. Southwest China Journal of Agricultural Sciences， 2017， 30（1）： 205-208.
	徐田伟，胡林勇，赵娜，等. 补饲燕麦青干草对牦牛和藏系绵羊冷季生长性能的影响. 西南农业学报， 2017， 30（1）： 205-208.
9	Dan R F， Zhang H T， Long R J， et al. Effects of seasonal shift on quantity of rumen methanogen and fermentation of grazing Tibetan sheep. Acta Agriculturae Boreali-Occidentalis Sinica， 2013， 22（2）： 1-6.
	淡瑞芳，张海涛，龙瑞军，等. 季节变化对放牧藏系绵羊瘤胃发酵特性及产甲烷菌的影响. 西北农业学报， 2013， 22（2）： 1-6.
10	Zhou Y， Luo Z， Zhang W H， et al. Meat quality analysis of different breeds of fattening Tibetan sheep after slaughtering. Animal Husbandry and Feed Science， 2019， 40（3）： 21-27.
	周雨，罗章，张文会，等. 西藏不同品种藏系绵羊育肥屠宰后肉品质的分析. 畜牧与饲料科学， 2019， 40（3）： 21-27.
11	Wang X G， Xu T W， Liu H J， et al. Comparison between rumen and feces microbial community of Tibetan sheep based on high-throughput sequencing analysis. Acta Agriculturae Boreali-Occidentalis Sinica， 2020， 30（5）： 659-667.
	王循刚，徐田伟，刘宏金，等. 基于高通量测序技术的藏系绵羊瘤胃与粪便微生物群落结构差异分析. 西北农业学报， 2020， 30（5）： 659-667.
12	Rezaeian M， Beakes G W， Parker D S. Distribution and estimation of anaerobic zoosporic fungi along the digestive tracts of sheep. Mycological Research， 2004， 108（10）： 1227-1233.
13	Carlson D B， Litherland N B， Dann H M， et al. Metabolic effects of abomasal L-canitine infusion and feed restriction in lactating Holstein cows. Journal of Daily Science， 2006， 89（12）： 4819-4834.
14	Niu X L， Guo T， Zhou W J， et al. Effects of dietary crude protein level on rumen microbial composition and the fermentation parameters of finishing Hu lambs. Pratacultural Science， 2020， 37（5）： 975-983.
	牛骁麟，郭涛，周文静，等. 日粮粗蛋白质水平对育肥湖羊瘤胃微生物组成和发酵参数的影响. 草业科学， 2020， 37（5）： 975-983.
15	Li H Q， Jia J L， Chen Q， et al. Effects of dietary protein level on rumen morphology， microbial community structure and function of weaned lambs. Chinese Journal of Animal Nutrition， 2020， 32（11）： 5331-5340.
	李海琴，贾建磊，陈倩，等. 饲粮蛋白质水平对断奶羔羊瘤胃组织形态及微生物群落结构与功能的影响. 动物营养学报， 2020， 32（11）： 5331-5340.
16	Wu Y J， De J， Wang L， et al. Energy and protein requirements of growing Tibet white cashmere goats. Journal of Domestic Animal Ecology， 2020， 39（12）： 31-37.
	吴玉江，德吉，王磊，等. 生长期西藏白绒山羊能量和蛋白质需要量研究. 家畜生态学报， 2020， 39（12）： 31-37.
17	Cui X P， Hou S Z， Wang Z Y， et al. Effects of diets with different protein levels on growth and development of Tibetan lambs. Chinese Journal of Animal Nutrition， 2017， 29（3）： 1065-1073.
	崔晓鹏，侯生珍，王志有，等. 不同蛋白质水平饲粮对藏羔羊生长发育的影响. 动物营养学报， 2017， 29（3）： 1065-1073.
18	Kohl K D， Weiss R B， Dale C， et al. Diversity and novelty of the gut microbial community of an herbivorous rodent （Neotoma bryanti）. Symbiosis， 2011， 54（1）： 47-54.
19	Zhang X L， Xu T W， Wang X G， et al. The effect of transitioning between feeding methods on the gut microbiota dynamics of yaks on the Qinghai-Tibet Plateau. Animals， 2020， 10（9）： 1641.
20	Liu H J， Xu T W， Xu S X， et al. Effect of dietary concentrate to forage ratio on growth performance， rumen fermentation and bacterial diversity of Tibetan sheep under barn feeding on the Qinghai-Tibetan Plateau. PeerJ， 2019， 7： e7462.
21	Bi Y L， Zeng S Q， Zhang R， et al. Effects of dietary energy levels on rumen bacterial community composition in Holstein heifers under the same forage to concentrate ratio condition. BMC Microbiology， 2018， 18： 69.
22	Grice E A， Kong H H， Conlan S， et al. Topographical and temporal diversity of the human skin microbiome. Science， 2009， 324（5931）： 1190-1192.
23	Ye W X， Zhang J， Li N， et al. Effect of fructooligosaccharide on the rumen fungi flora of dairy cows by ITS high-throughput sequencing technology. Journal of Yunnan Agricultural University （Natural Science）， 2019， 34（6）： 965-970.
	冶文兴，张洁，李娜，等. 基于ITS高通量测序技术研究果聚糖对奶牛瘤胃真菌菌群的影响. 云南农业大学学报（自然科学）， 2019， 34（6）： 965-970.
24	Fu Z L， Chen L， Li N， et al. Changes of rumen fungi diversity and microbial structure of adult Tan sheep under different feeding system. Chinese Journal of Animal Science， 2020， 56（9）： 209-213.
	付子琳，陈林，李娜，等. 不同饲养模式下成年滩羊瘤胃真菌多样性及菌群结构的变化. 中国畜牧杂志， 2020， 56（9）： 209-213.
25	Xu X F， Hu D D， Guo T T， et al. Study on the change of rumen fungal flora in dairy cows with different ratios of concentrate-to-roughage diet. Journal of Yunnan Agricultural University （Natural Science）， 2020， 35（2）： 269-275.
	徐晓锋，胡丹丹，郭婷婷，等. 不同精粗比日粮对奶牛瘤胃真菌菌群结构变化的影响研究. 云南农业大学学报（自然科学）， 2020， 35（2）： 269-275.
26	Yan X T， Yan B Y， Ren Q M， et al. Effect of slow-release urea on the composition of ruminal bacteria and fungi communities in yak. Animal Feed Science and Technology， 2018， 244： 17-29.
27	Beimforde C， Feldberg K， Nylinder S， et al. Estimating the phanerozoic history of the ascomycota lineages： Combining fossil and molecular data. Molecular Phylogenetics and Evolution， 2014， 78（1）： 386-398.
28	Gruninger R J， Puniya A K， Callaghan T M， et al. Anaerobic fungi （phylum Neocallimastigomycota）： Advances in understanding their taxonomy， life cycle， ecology， role and biotechnological potential. FEMS Microbiology Ecology， 2015， 90（1）： 1-17.
29	Belanche A， Doreau M， Edwards J E， et al. Shifts in the rumen microbiota due to the type of carbohydrate and level of protein ingested by dairy cattle are associated with changes in rumen fermentation. Journal of Nutrition， 2012， 142（9）： 1684-1692.
30	Zhang J， Li N， Guo T T， et al. Effects of different methods on rumen fungus flora of Tan sheep by high-throughput sequencing of ITS rDNA. Journal of Gansu Agricultural University， 2019， 10（5）： 25-34.
	张洁，李娜，郭婷婷，等. ITS rDNA高通量测序研究不同饲养方式对滩羊瘤胃真菌菌群的影响. 甘肃农业大学学报， 2019， 10（5）： 25-34.
31	Wang C D， Li Y Q， Tunnisa M， et al. Effects of gossypol acetic acid on rumen fungi diversity of sheep. Chinese Journal of Animal Nutrition， 2019， 31（7）： 3374-3382.
	王彩蝶，李钰琪，屯妮萨·麦提赛伊迪，等. 醋酸棉酚对绵羊瘤胃液真菌多样性的影响. 动物营养学报， 2019， 31（7）： 3374-3382.
32	Solomon K V， Haitjemac H， Henske J K， et al. Early branching gut fungi possess a large， comprehensive array of biomass-degrading enzymes. Science， 2016， 351（6278）： 1192-1195.
33	Sun Q， Wu H L， Chen F， et al. Fungal community diversity and structure in rhizosphere soil of different crops in the third zone of central Ningxia. Microbiology China， 2019， 46（11）： 2963-2972.
	孙倩，吴宏亮，陈阜，等. 宁夏中部干旱带不同作物根际土壤真菌群落多样性及群落结构. 微生物学通报， 2019， 46（11）： 2963-2972.

项目 Items	组别 Groups
项目 Items	LP	MP	HP
原料Ingredients
玉米Corn （%）	21.00	16.50	12.00
小麦Wheat （%）	13.50	12.00	10.50
麦麸Wheat bran （%）	7.00	7.50	8.00
豆粕Soybean meal （%）	3.50	5.50	7.50
菜籽饼Rapeseed meal （%）	2.50	6.00	9.50
氯化钠NaCl （%）	0.50	0.50	0.50
磷酸氢钙CaHPO₄·2H₂O （%）	0.30	0.30	0.30
膨润土Bentonite （%）	0.50	0.50	0.50
碳酸钙CaCO₃ （%）	0.45	0.45	0.45
碳酸氢钠NaHCO? （%）	0.25	0.25	0.25
预混料Premix^1）（%）	0.50	0.50	0.50
燕麦草Oat hay （%）	50.00	50.00	50.00
合计Total （%）	100.00	100.00	100.00
营养水平Nutrient levels^2）
粗蛋白质Crude protein （%）	10.06	12.10	14.12
代谢能Metabolizable energy （MJ·kg^-1）	10.14	10.12	10.10
粗脂肪Ether extract （%）	2.72	2.85	2.98
中性洗涤纤维Neutral detergent fiber （%）	37.47	38.50	39.52
酸性洗涤纤维Acid detergent fiber （%）	19.14	20.12	21.10
钙Ca （%）	0.64	0.66	0.69
磷P （%）	0.42	0.45	0.48

项目 Items	组别 Groups
项目 Items	LP	MP	HP
原料Ingredients
玉米Corn （%）	21.00	16.50	12.00
小麦Wheat （%）	13.50	12.00	10.50
麦麸Wheat bran （%）	7.00	7.50	8.00
豆粕Soybean meal （%）	3.50	5.50	7.50
菜籽饼Rapeseed meal （%）	2.50	6.00	9.50
氯化钠NaCl （%）	0.50	0.50	0.50
磷酸氢钙CaHPO₄·2H₂O （%）	0.30	0.30	0.30
膨润土Bentonite （%）	0.50	0.50	0.50
碳酸钙CaCO₃ （%）	0.45	0.45	0.45
碳酸氢钠NaHCO? （%）	0.25	0.25	0.25
预混料Premix^1）（%）	0.50	0.50	0.50
燕麦草Oat hay （%）	50.00	50.00	50.00
合计Total （%）	100.00	100.00	100.00
营养水平Nutrient levels^2）
粗蛋白质Crude protein （%）	10.06	12.10	14.12
代谢能Metabolizable energy （MJ·kg^-1）	10.14	10.12	10.10
粗脂肪Ether extract （%）	2.72	2.85	2.98
中性洗涤纤维Neutral detergent fiber （%）	37.47	38.50	39.52
酸性洗涤纤维Acid detergent fiber （%）	19.14	20.12	21.10
钙Ca （%）	0.64	0.66	0.69
磷P （%）	0.42	0.45	0.48

项目 Items	组别 Groups			标准误 SEM	P值 P-value
项目 Items	LP	MP	HP	标准误 SEM	P值 P-value
初始体重Initial weight （kg）	31.63	32.17	31.33	0.17	0.12
终末体重Final weight （kg）	47.83b	55.67a	52.83a	1.00	0.00
平均日增重Average daily gains （G， g·d^-1）	154.30b	223.80a	204.80a	9.51	0.00
平均日采食量Average daily feed intakes （F， g·d^-1）	1195.00c	1424.00a	1314.00b	23.31	0.00
料重比Feed conversion ratio， F/G	7.87a	6.33b	6.53b	0.27	0.03

项目 Items	组别 Groups			标准误 SEM	P值 P-value
项目 Items	LP	MP	HP	标准误 SEM	P值 P-value
初始体重Initial weight （kg）	31.63	32.17	31.33	0.17	0.12
终末体重Final weight （kg）	47.83b	55.67a	52.83a	1.00	0.00
平均日增重Average daily gains （G， g·d^-1）	154.30b	223.80a	204.80a	9.51	0.00
平均日采食量Average daily feed intakes （F， g·d^-1）	1195.00c	1424.00a	1314.00b	23.31	0.00
料重比Feed conversion ratio， F/G	7.87a	6.33b	6.53b	0.27	0.03

项目 Items	组别 Groups			标准误SEM	P值 P-value
项目 Items	LP	MP	HP	标准误SEM	P值 P-value
Shannon指数Shannon index	5.54	5.02	5.05	0.24	0.63
Simpson指数Simpson index	0.90	0.85	0.84	0.02	0.47
ACE指数ACE index	1189.00	872.40	972.20	68.82	0.16
Chao 1指数Chao 1 index	1078.00	850.20	940.60	58.26	0.29