Effects of low-concentrate and high-concentrate diets on yak growth performance and rumen microbiota structure

doi:10.11686/cyxb2023238

Abstract

Abstract:

The objective of this study was to determine the effects of low- and high-concentrate diets on the rumen microbiota in yaks. Twelve 3-year-old yaks with similar body weight were selected and divided into two groups of six. One group was fed with a low-concentrate diet ［30∶70 fine-to-rough ratio （C₃₀ group）］ and the other was fed with a high-concentrate diet ［70∶30 （C₇₀ group）］ for 2 months. It was found that： 1） The average daily weight gain of the C₇₀ group was significantly higher than that of the C₃₀ group （P<0.01）. 2） The Chao1 index， Shannon index， and phylogenetic diversity index were significantly higher for the C₃₀ group than for the C₇₀ group （P<0.01）. 3） At the phylum level， the relative richness of Patescibacteria， Desulfobacterota， Verrucomicrobia， and Cyanobacteria in the rumen was significantly higher in the C₃₀ group than in the C₇₀ group （P<0.05）. The relative richness of Firmicutes in the rumen was significantly higher in the C₃₀ group than in the C₇₀ group （P<0.01）. The relative richness of Bacteroides in the rumen was significantly higher in the C₇₀ group than in the C₃₀ group （P<0.01）， and that of Proteobacteria was significantly higher in the C₇₀ group than in the C₃₀ group （P<0.05）. At the genus level， the relative richness of Christensenellaceae_R-7， unclassified_rumen_bacterium， NK4A214_group， uncultured bacteria， and unidentified bacteria in the rumen was significantly higher in the C₃₀ group than in the C₇₀ group （P<0.01）. The Rikenellaceae_RC9_gut_group in the C₃₀ group was significantly higher than that in the C₇₀ group （P<0.05）. The relative richness of Prevotella， Lachnospiraceae_NK3A20_group and Ruminococcus in the C₇₀ group was significantly higher than that in the C₃₀ group （P<0.05）. 4） There were 31 gene families identified across all yak rumen samples. At KEGG level 2， pathways of transport and catabolism， cofactor and vitamin metabolism， and energy metabolism were significantly enriched in the C₇₀ group compared with the C₃₀ group （P<0.05）. The carbohydrate metabolism pathway was highly significantly enriched in the C₇₀ group compared with the C₃₀ group （P<0.01）. The immune disease pathway was enriched in the C₃₀ group compared with the C₇₀ group， and the biosynthesis of other secondary metabolites pathway was also very highly enriched in the C₇₀ group compared with the C₃₀ group （P<0.01）. In summary， high concentrate was fed compared to the low concentrate group the diet reduced the diversity of rumen microbiota in yak and reduced the richness of microflora that was not conducive to rumen microbiota health， while increasing the abundance of dominant microflora Richness. In terms of metabolic function， the high-concentrate diet increased the metabolism of carbohydrates and other nutrients， and decreased the metabolism of immune diseases.

Key words: fine-to-rough ratio, growth performance, rumen microbial diversity, rumen microbial richness

Di SHEN, Zi-ming ZENG, Kai-yue PANG, Sha-tuo CHAI, Hong-xin NIE, Yu-min LI, Yang LIAO, Xun WANG, Wei-hua HUANG, Shu-jie LIU, Ying-kui YANG, Shu-xiang WANG. Effects of low-concentrate and high-concentrate diets on yak growth performance and rumen microbiota structure[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2024, 33(5): 155-165.

Figures/Tables 7

References 49

1	Long R， Ding L， Shang Z. The yak grazing system on the Qinghai-Tibetan plateau and its status. Rangeland Journal， 2008， 30（2）： 241-246.
2	Ceconi I， Ruiz-Moreno M J， Dilorenzo N， et al. Effect of urea inclusion in diets containing corn dried distillers grains on feedlot cattle performance， carcass characteristics， ruminal fermentation， total tract digestibility， and purine derivatives-to-creatinine index. Journal of Animal Science， 2015， 93（1）： 357-369.
3	Jiang S Z， Yang Z B， Yang W R， et al. Diets of differentially processed wheat alter ruminal fermentation parameters and microbial populations in beef cattle. Journal of Animal Science， 2015， 93（11）： 5378-5385.
4	Wang Y Y. Effects of dietary nutrient levels on the bacterial flora， pH and VFA levels in rumen of Tan sheep. Yangling： Northwest A & F University， 2018.
	王尧悦. 日粮营养水平对滩羊瘤胃细菌区系及pH和VFA的影响. 杨凌：西北农林科技大学， 2018.
5	Liu J H， Bian G R， Zhu W Y， et al. Highgrain feeding causes strong shifts in ruminal epithelial bacterial community and expression of Tolllike receptor genes in goats. Fortiers in Microbiology， 2015， 6（9）： 167.
6	Romeroperez G A， Ominski K H， Mcallister T A， et al. Effect of environmental factors and influence of rumen and hindgut biogeography on bacterial communities in steers. Applied and Environmental Microbiology， 2011， 77（1）： 258-268.
7	Wang J Q， Yang H J， Mo F， et al. NY/T 815-2004. China feeding standard of beef cattle. Beijing： China Agricuture Press， 2004.
	王加启，杨红建，莫放，等. NY/T 815-2004. 肉牛饲养标准. 北京：中国农业出版社， 2004．
8	Hu L H. Yak nutrition by collection research papers. Xining： Qinghai People’s Publishing House， 1997.
	胡令浩. 牦牛营养研究论文集. 西宁：青海人民出版社， 1997.
9	National Academies of Sciences， Engineering， and Medicine. Nutrient requirements of beef cattle （Eighth revised edition）. Washington D C： the National Academy Press， 2016.
10	Feng Y L， Lu Z N. Nutritional requirements and feed ingredients of dairy cows. Beijing： China Agriculture Press， 2007.
	冯仰廉，陆治年. 奶牛营养需要和饲料成分. 北京：中国农业出版社， 2007.
11	GB/T 6435-2014. Determination of moisture in feed stuffs. Beijing： Standards Press of China， 2014.
	GB/T 6435-2014. 饲料中水分的测定. 北京：中国标准出版社， 2014.
12	GB/T 6432-2018. Determination of crude protein in feeds-Kjeldahl method. Beijing： Standards Press of China， 2018.
	GB/T 6432-2018. 饲料中粗蛋白的测定凯氏定氮法. 北京：中国标准出版社， 2018.
13	GB/T 6436-2018. Determination of calcium in feed. Beijing： Standards Press of China， 2018.
	GB/T 6436-2018. 饲料中钙的测定. 北京：中国标准出版社， 2018.
14	GB/T 6437-2018. Determination of phosphorus in feeds-Spectrophotometry. Beijing： Standards Press of China， 2018.
	GB/T 6437-2018. 饲料中总磷的测定分光光度法. 北京：中国标准出版社， 2018.
15	Lee C， Hristov A N. Short communication： evaluation of acid-insoluble ash and indigestible neutral detergent fiber as total-tract digestibility markers in dairy cows fed corn silage-based diets. Journal of Dairy Science， 2013， 96（8）： 5295-5299．
16	Zhao J B， Song X M， Li Z C， et al. Determination of available energy and nutrient apparent total tract digestibility of different fiber ingredients in growing pigs. Chinese Journal of Animal Nutrition， 2021， 33（11）： 6114-6122.
	赵金标，宋孝明，李忠超，等. 不同纤维原料在生长猪的有效能和营养物质表观全肠道消化率的测定. 动物营养学报， 2021， 33（11）： 6114-6122.
17	Zhang Z Y. Effects of different feeding strategies and dietary energy levels on yak production performance and rumen bacteria diversity. Lanzhou： Northwest Minzu University， 2021.
	张振宇. 饲养方式和日粮能量对牦牛生产性能及瘤胃细菌多样性的影响. 兰州：西北民族大学， 2021.
18	Li Y， Dai D W， Yang Y K， et al. Effects of diets with different concentrate to roughage ratios on growth performance， nutrient apparent digestibilities， serum biochemical indexes and rumen fermentation parameters of yaks in late stage of fattening. Chinese Journal of Animal Nutrition， 2022， 34（5）： 3056-3065.
	李岩，戴东文，杨英魁，等. 不同精粗比饲粮对育肥后期牦牛生长性能、营养物质表观消化率、血清生化指标及瘤胃发酵参数的影响. 动物营养学报， 2022， 34（5）： 3056-3065.
19	Pang K Y， Dai D W， Yang Y K， et al. Effects of different feeding methods on rumen fermentation parameters and microbial flora of yaks. Chinese Journal of Animal Nutrition， 2022， 34（3）： 1667-1682.
	庞凯悦，戴东文，杨英魁，等. 不同饲养方式对牦牛瘤胃发酵参数及微生物菌群的影响. 动物营养学报， 2022， 34（3）： 1667-1682.
20	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 Agricultural Science， 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.
21	Huo J H， Fang S P， Wu P S， et al. Effects of diets with different concentration-roughage ratios on the microbial community structure of Nubian goat rumen. Pratacultural Science， 2020， 37（12）： 2558-2566.
	霍俊宏，方绍培，吴平山，等. 不同精粗比日粮对努比亚山羊瘤胃菌群结构的影响. 草业科学， 2020， 37（12）： 2558-2566.
22	Pang K Y， Chai S T， Wang X， et al. The effect of dietary concentrate to roughage ratio on the structure of rumen microbiota in yaks. Pratacultural Science， 2022， 39（10）： 2201-2210.
	庞凯悦，柴沙驼，王迅，等. 饲粮精粗比对牦牛瘤胃菌群结构的影响. 草业科学， 2022， 39（10）： 2201-2210.
23	Zhu X D， Li Y N， Xu X F. Research progress on rumen fiber-degrading microorganisms in ruminants. Acta Ecologiae Animalis Domastici， 2021， 42（7）： 8-13.
	朱相德，李娅楠，徐晓锋. 反刍动物瘤胃纤维降解微生物的研究进展. 家畜生态学报， 2021， 42（7）： 8-13.
24	Song F， Li Y， Su D Q Q G， et al. Comparison of the effects of Ceratoides arborescens and Medicago sativa pellets on the slaughter performance and meat quality of twin lambs. Animal Husbandry & Veterinary Medicine， 2021， 53（8）： 32-36.
	宋峰，李颖，苏德其其格，等. 比较驼绒藜和苜蓿颗粒料对双胞胎羔羊屠宰性能和肉品质的影响. 畜牧与兽医， 2021， 53（8）： 32-36.
25	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（3）： 69.
26	Zhou Z M， Fang L， Meng Q X， et al. Assessment of ruminal bacterial and archaeal community structure in yak （Bos grunniens）. Frontiers in Microbiology， 2017， 8（7）： 179.
27	Evans N J， Brown J M， Murray R D， et al. Characterization of novel bovine gastrointestinal tract Treponema isolates and comparison with bovine digital dermatitis treponemes. Applied and Environmental Microbiology， 2011， 77（1）： 138-147.
28	Reigstad C S， Kashyap P C. Beyond phylotyping： understanding the impact of gut microbiota on host biology. Neurogastroenterology and Motility， 2013， 25（5）： 358-372.
29	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， 2007， 25（1）： 1-4.
30	Dai D W， Pang K Y， Wang X， et al. Effects of different concentrate supplement levels on rumen fermentation and microbial community structure of grazing yaks in the warm season. Acta Prataculturae Sinica， 2022， 31（5）： 169-177.
	戴东文，庞凯悦，王迅，等. 精料补饲水平对暖季放牧牦牛瘤胃发酵和菌群结构的影响. 草业学报， 2022， 31（5）： 169-177.
31	Derrien M， Van Baarlen P， Hooiveld G， et al. Modulation of mucosal immune response， tolerance， and proliferation in mice colonized by the mucin-degrader Akkermansia muciniphila. Frontiers in Microbiology， 2011， 2（3）： 166.
32	Li L S， Peng Z L， Chen S Y， et al. Effects of small peptides and yeast culture on rumen microbial diversity and fermentation parameters of yaks. China Feed， 2021（5）： 16-23.
	黎凌铄，彭忠利，陈仕勇，等. 小肽与酵母培养物对舍饲牦牛瘤胃微生物多样性和发酵参数的影响. 中国饲料， 2021（5）： 16-23.
33	Guo W， Guo X J， Zhou X， et al. The effect of corn straw fermented with compound bacterial agents on bacterial diversity in rumen fluid of sheep. Journal of Animal Husbandry and Veterinary Medicine， 2018， 49（4）： 736-745.
	郭威，郭晓军，周贤，等. 复合菌剂发酵玉米秸秆对绵羊瘤胃液细菌多样性的影响. 畜牧兽医学报， 2018， 49（4）： 736-745.
34	Chittora D， Meena M， Barupal T， et al. Cyanobacteria as a source of biofertilizers for sustainable agriculture. Biochemistry and Biophysics Reports， 2020， 22： 100737.
35	Bjornsson L， Hugenholtz P， Tyson G W， et al. Filamentous chloro flexi （green nonsulfur bacteria） are abundant in wastewater treatment processes with biological nutrient removal. Microbiology， 2002， 148（8）： 2309-2318.
36	Gao Z W， Liu F H， Jia M Q， et al. Illumina-based high-throughput sequencing analysis of bacterial community structure and diversity in Beidagang wetland sediment， Tianjin. Journal of Tianjin Normal University （Natural Science Edition）， 2021， 41（4）： 45-52.
	高志伟，刘凡惠，贾美清，等. 基于Illumina高通量测序的天津北大港湿地沉积物细菌群落特征和多样性分析. 天津师范大学学报（自然科学版）， 2021， 41（4）： 45-52.
37	Cai Z F. Characteristics of main seagrass beds microbial community in Wenchang and the effects of two kinds of land-based pollutants and vibrio on the bacterial community of Thalassia hemprichii. Haikou： Hainan University， 2021.
	蔡泽富. 文昌主要海草床微生物群落特征及两类陆源污染物与弧菌对泰来草细菌群落影响的研究. 海口：海南大学， 2021.
38	Zhang L. Effects of NFC/NDF ratios on performances of cows， rumen fermentation and bacterial microbiota in vitro. Nanjing： Nanjing Agricultural University， 2018.
	张林. 日粮NFC/NDF比例对奶牛生产性能、体外瘤胃发酵和细菌微生物区系的影响. 南京：南京农业大学， 2018.
39	He J， Hai L， Orgoldol K， et al. High-throughput sequencing reveals the gut microbiome of the bactrian camel in different ages. Current Microbiology， 2019， 76（7）： 810-817.
40	Gao Y F. Effects of niacin on microorganism system in the rumen of cattle under high-concentrate diet. Nanchang： Jiangxi Agricultural University， 2017.
	高雨飞. 高精料日粮条件下烟酸对牛瘤胃微生物区系的影响. 南昌：江西农业大学， 2017.
41	Zhang L， Wang S D， Xie F， et al. Changes of intestinal flora and amino acid metabolism in rats with irritable bowel syndrome. Acta Nutrimenta Sinica， 2018， 40（3）： 240-244.
	张亮，王世达，谢方，等. 肠易激综合征大鼠肠道菌群和氨基酸代谢的变化. 营养学报， 2018， 40（3）： 240-244.
42	Zhang H T. Effects of corn silage levels on rumen fluid microbiota and its metabolome in Holstein Heifers. Beijing： China Agricultural University， 2017.
	张红涛. 不同玉米青贮水平对荷斯坦后备牛瘤胃液微生物组及其代谢组的影响. 北京：中国农业大学， 2017.
43	Zhang X J， Wang L Z. Effects of dietary neutral detergent fibre level on structure and composition of rumen bacteria in goats. Chinese Journal of Animal Nutrition， 2018， 30（4）： 1377-1386.
	张雪娇，王立志. 饲粮中性洗涤纤维水平对山羊瘤胃细菌结构及组成的影响. 动物营养学报， 2018， 30（4）： 1377-1386.
44	Yang S， Wei Y R， Liang T， et al. Effect of grazing and supplementary feeding on the number of rumen microorganisms in Inner Mongolia cashmere goats. Feed Research， 2020， 43（9）： 21-24.
	杨硕，韦玥瑞，梁天，等. 放牧及补饲对内蒙古绒山羊瘤胃微生物数量的影响. 饲料研究， 2020， 43（9）： 21-24.
45	Lamendella R， Domingo J W， Ghosh S， et al. Comparative fecal metagenomics unveils unique functional capacity of the swine gut. BMC Microbiology， 2011， 11（6）： 103.
46	Liu D Y， Fu D B， Qu M R， et al. The metabolism rule and requirements of energy of 11 to 12-month-old Xianan cattle. Acta Agriculturae Universitatis Jiangxiensis， 2013， 35（4）： 802-806.
	刘道杨，付戴波，瞿明仁，等. 11~12月龄夏南牛能量代谢规律与需要量研究. 江西农业大学学报， 2013， 35（4）： 802-806.
47	Ley， Ruth E. Gut microbiota in 2015： Prevotella in the gut： choose carefully. Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology， 2016， 13（2）： 69-70.
48	Lars C， Stine V， Roager H M， et al. Prevotella abundance predicts weight loss success in healthy， overweight adults consuming a whole-grain diet ad libitum： a post hoc analysis of a 6-wk randomized controlled trial. The Journal of Nutrition， 2019， 149（12）： 2174-2181.
49	Pal D， Naskar M， Bera A， et al. Chemical synthesis of the pentasaccharide repeating unit of the O-specific polysaccharide from Ruminococcus gnavus. Carbohydrate Research， 2021， 507（8）： 108384.

项目 Items	C₃₀组Group C₃₀	C₇₀组Group C₇₀
原料Ingredients （%）
燕麦干草Oats hay	70.00	30.00
玉米Corn	13.16	38.37
小麦Wheat	3.72	0.00
麸皮Wheat bran	3.78	12.23
食盐NaCl	1.00	1.00
菜籽粕Rapeseed meal	3.75	12.64
豆粕Soybean meal	1.31	0.00
菜籽油Rapeseed oil	0.00	0.82
棕榈油脂肪粉Palm oil fat power^1）	1.28	0.94
磷酸氢钙CaHPO₄	1.00	0.00
预混料Premix^2）	2.00	4.00
合计Total	100.00	100.00
营养水平Nutrient levels^3）
干物质Dry matter （DM， %）	89.20	88.29
代谢能Metabolic energy （ME， MJ·kg^-1）	9.79	12.61
粗蛋白质Crude protein （CP， %）	11.53	12.79
中性洗涤纤维Neutral detergent fiber （NDF， %）	45.47	29.38
酸性洗涤纤维Acid detergent fiber （ADF， %）	29.41	15.84
钙Ca （%）	0.43	0.22
磷P （%）	0.41	0.56

项目 Items	C₃₀组Group C₃₀	C₇₀组Group C₇₀
原料Ingredients （%）
燕麦干草Oats hay	70.00	30.00
玉米Corn	13.16	38.37
小麦Wheat	3.72	0.00
麸皮Wheat bran	3.78	12.23
食盐NaCl	1.00	1.00
菜籽粕Rapeseed meal	3.75	12.64
豆粕Soybean meal	1.31	0.00
菜籽油Rapeseed oil	0.00	0.82
棕榈油脂肪粉Palm oil fat power^1）	1.28	0.94
磷酸氢钙CaHPO₄	1.00	0.00
预混料Premix^2）	2.00	4.00
合计Total	100.00	100.00
营养水平Nutrient levels^3）
干物质Dry matter （DM， %）	89.20	88.29
代谢能Metabolic energy （ME， MJ·kg^-1）	9.79	12.61
粗蛋白质Crude protein （CP， %）	11.53	12.79
中性洗涤纤维Neutral detergent fiber （NDF， %）	45.47	29.38
酸性洗涤纤维Acid detergent fiber （ADF， %）	29.41	15.84
钙Ca （%）	0.43	0.22
磷P （%）	0.41	0.56

项目Items	C₃₀组Group C₃₀	C₇₀组Group C₇₀
平均初重Average initial weight （kg）	164.90±16.90a	162.54±15.73a
平均末重Average end weight （kg）	186.04±13.72b	211.73±15.86a
平均增重Average weight gain （kg）	21.14±4.87B	49.19±6.51A
平均日增重Average daily gain in weight （kg）	0.35±0.06B	0.78±0.12A
干物质采食量Dry matter feed intake （DMI， kg·d^-1）	3.94b	4.88a
料重比Feed/gain （F/G）	11.27A	6.26B

项目Items	C₃₀组Group C₃₀	C₇₀组Group C₇₀
平均初重Average initial weight （kg）	164.90±16.90a	162.54±15.73a
平均末重Average end weight （kg）	186.04±13.72b	211.73±15.86a
平均增重Average weight gain （kg）	21.14±4.87B	49.19±6.51A
平均日增重Average daily gain in weight （kg）	0.35±0.06B	0.78±0.12A
干物质采食量Dry matter feed intake （DMI， kg·d^-1）	3.94b	4.88a
料重比Feed/gain （F/G）	11.27A	6.26B

项目Items	C₃₀组Group C₃₀	C₇₀组Group C₇₀
Chao1指数Chao1 index	1569.71±60.55A	1354.13±137.19B
Shannon指数Shannon index	7.63±0.29A	7.16±0.36B
谱系多样性Phylogenetic diversity	100.59±4.73A	91.64±7.72B
辛普森指数Simpson index	0.98±0.00	0.97±0.02