La flora microbiana responsable de la degradación de la fibra y el efecto
de la levadura viva sobre las poblaciones fibrolíticas y su
actividad
Aurélien PironPaula Soler Lallemand Animal Nutrition
Especies hidrolíticas
Especies hidrolíticas y fermentativas
Pared celular plantas: celulosa, hemicelulosa, pectinas
Azúcares solubles
Piruvato
Butirato Propionato CH4
Lactato Succinato
Formiato
CO2H2CO2
CO2
Fuentes de energía para el huéspedFuentes de energía para el huéspedFuentes de energía para el huéspedFuentes de energía para el huésped EructadoEructadoEructadoEructado
Acetato
Archæa methanogens
Degradación de la fibra en el rumen: Degradación de la fibra en el rumen: Interacciones microbianas complejasInteracciones microbianas complejas
Características de la flora fibrolítica del rumenCaracterísticas de la flora fibrolítica del rumen
BacteriaBacteria Número limitado de especies
Fibrobacter succinogenes: muy activa en celulolsa cristalina y xilanos
Ruminococcus albusRuminococcus flavefaciensButyrivibrio fibrisolvens, Prevotella ruminicola: activa en xilanos y
pectinas pero no en celulosaRecientemente se han descrito nuevas especies en el rumen del
yak Cellulosilyticum ruminicola
Principalment abundancia de especies fibrolíticas: 109 cél. ml-1 (1-5% del total de bacterias)
Activa en celulosa, xilanos, pectinas
Diferentes estrategias de adhesión fimbria o pili epitopes carbohidrato de glicocálix bacteriano
Varios genes de celulasa y xilanasa identificados en el genoma de las tres principales especies
programa secuencial de genomas (FibRumBa DB) 113 genes en F. succinogenes implicados en la degradación de la fibra, 29 celulasas, 23 hemicelulasas
Características de la flora fibrolítica del rumenCaracterísticas de la flora fibrolítica del rumen
BacteriaBacteria
Protozoos ciliadosProtozoos ciliados
Entodiniomorfos: Polyplastron, Eudiplodinium, Epidinium Abundancia: 104 - 106.g-1 del contenido del rumen
Digestión de celulosa y xilano en vacuolas digestivas (modo citótico o permeativo)
Equipamiento enzimático muy complejo para la rotura de la pared celular: celulasas, hemicelulasas
Características de la flora fibrolítica del rumenCaracterísticas de la flora fibrolítica del rumen
Alta actividad de celulasas y hemicelulasas
Varias esterasas activas en la unión entre compuestos fenólicos y polisacáridos estructurales
Debilitación y rotura de la pared celular de la planta debido a una red rhizoidal
HongoHongo
Grupo funcional muy especializado
Características de la flora fibrolítica del rumenCaracterísticas de la flora fibrolítica del rumen
Eficiencia de la degradación de la fibra depende de varios factores
Interacción entre microbios Interacción entre microbios Sinergía (cross feeding, transferencia hidrógeno ) vs competencia (péptidos inhibitorios, predación, sitios de adhesión…)
Fisiología de les poblacions fibrolítiques
Fisiología de les poblacions fibrolítiques
Afinidad, preferencias de substrato, requerimientos de energía…
Parámetros físico-químicos del ambiente
Parámetros físico-químicos del ambiente
pH (acidosis), potencial redox
Estructura físico-química de la fibra
Estructura físico-química de la fibra Contenido de lignina, ceras, cutícula
Factores del animalFactores del animal Masticación, rumia tamaño de partículas, tiempo de retención
¿Los aditivos microbianos (levadura viva) pueden ser una herramienta para promover o ayudar a la
degradación de la fibra en el rumen?
Cuestiones a investigarCuestiones a investigarCuestiones a investigarCuestiones a investigar
Degradación Fibra comunidades microbianasDegradación Fibra comunidades microbianas
Colonización crecimiento Colonización crecimiento
Equilibrio microbianoEquilibrio microbiano Actividades enzimáticasActividades enzimáticas
¿Cúales son los mecanismos de acción?
¿Cómo medir el efecto y el modo de acción de la levadura viva sobre la degradación de la fibra en el rumen?
Degradación de la MS / FND de las materias primas o la ración completa
In vitro – Animales fistulados – Animales no fistulados
Impacto en resultados zootécnicos, eficiencia
alimentaria
Análisis de la fibra-comunidades que
actúan
Estructura - Abundancia
Dinámica - Actividad
Modo de acción
Resumen de los resultados in vitro, in sacco, e in vivo que
muestran los beneficios de la utilización de Saccharomyces
cerevisiae I-1077 en la digestión de la fibra
Resumen de los resultados in vitro, in sacco, e in vivo que
muestran los beneficios de la utilización de Saccharomyces
cerevisiae I-1077 en la digestión de la fibra
Levadura viva añadida al alimento Cepa seleccionada para promover el funcionamiento del rumen Ha demostrado eficacia limitando la acidosis Estudios recientes se centran en la mejora de la digestión de la fibra incluso en situaciones no acidógenas
Efecto de la levadura viva, Saccharomyces cerevisiae I-1077, en la degradación de la fibra
Estudios In vitro
0102030405060
Ensilado Maíz
Paja de trigo
Heno Alfalfa
Heno pradera
Ensilado hierba
Control
SC I-1077
Sacos con alimento
Vacas fistuladas
Búfer anaerobia Incubaciones Daisy
39°C, anaerobiosis4 botes al mismo
tiempo
Analizar fibraContenido FND
(%)FND degradada
[Walker et al., BRI Canada 2008-2010]
+3.2+3.2
+1.8+1.8+5.1+5.1
+3.0+3.0
+9.8+9.8
Efectos de SC I-1077 en la degradación de la fibra Estudios In situ: técnica de sacos de nylon
Una mejora constante de la degradación de la FND en sacco conSC I-1077, con variaciones relacionadas con la naturaleza de la fibra
SC I-1077
Guedes et al., 2008 Anim Feed Sci Technol; Walker et al., BRI Canada 2008-2010; Chaucheyras Durand et al., 2010 Proc Soc Nutr Physiol , J Anim Sci/J Dairy Sci (suppl), Meeske et al., 2010 unpubl.
+7.8+7.8
Beneficios Beneficios In vivo In vivo de SC I-1077 de SC I-1077 distribución diaria distribución diaria
39,3
44,1
30
35
40
45
50
Control SC I-1077
(%) degradación FND
43,2
48,1
40
45
50
Control SC I-1077
(%) degradación FND
Bovino engorde
[Schwartz et al., 2001, Proc Soc Nutr Phys]
Vacas lecheras
[Bitencourt et al., 2008, J Anim Sci/J Dairy Sci suppl]
Según Oba y Allen (1999) 1 unidad de dFND (in vitro o in situ)=
+0.17kg/d MSI = + 0.25kg/d de 4%FCM
Según Oba y Allen (1999) 1 unidad de dFND (in vitro o in situ)=
+0.17kg/d MSI = + 0.25kg/d de 4%FCM
Total tract digestibilidadTotal tract digestibilidad
Ensilado maíz+2.5-3 kg concentrado (60% trigo 40% harina de soja) /día
Ensilado maíz 43.9%, copos maíz 14.4%, Pellet pulpa cítricos 16.9%, harina de soja 21.7%, heno 2%
Modo de acción de SC I-1077 Modo de acción de SC I-1077 en las especies fibrolíticasen las especies fibrolíticas
Establecimiento de las especies Establecimiento de las especies fibrolíticas en los animales recién nacidosfibrolíticas en los animales recién nacidos
0 7 14 21 60Bacterias anaerobias estrictas
Bacteria celulolíticaArchaea methanogens
Hongos fibrolíticos
Protozoos ciliados
Secuencia de la colonización de microorganismos después del nacimiento
Estudios gnotobióticos:El establecimiento de las especies fibrolíticas depende mucho de la complejidad microbiota
Edad (d)
Efectos de SC I-1077
Microflora simplificada3 especies de bacteria
Inoculadas como únicos organismos
celulolíticos Levadura suministrada
diariamente
Corderos gnotobióticos
Corderos convencionales
Condiciones normalesLevadura suministrada diarimente
Colonización más rápida por bacterias celulolíticas, Aumento de la densidad de la población, Aceleración de la madurez del rumen (protozoos) Aumento de la dMS de la paja de trigo in sacco y mayor actividad enzimática
[Chaucheyras Durand and Fonty, 2001 Reprod Nutr Dev; 2002 Microb Ecol Health Dis]
Efectos de SC I-1077Análisis « fingerprint » del ADN para valorar la diversidad bacteriana en el rumen de los terneros
2 x 8 terneros2 muestras rumen / ternero obtenidas en 2 periodos (L= consumo leche vs AS=introducción del alimento sólido)Extracción ADN y ampliación PCR de 16s regiones genes rADNComparación por PCR de los perfiles de los productos
0.95
0.9
0.85
0.8
0.75
Confirma observaciones previas: efecto positivo de SC- I 1077 en la madurez del rumen
[Chaucheyras Durand et al., 2011 unpubl.]
M=sólo lecheSF=int. alimento sólido
Efectos sobre las bacteria fibrolíticasSacos de nylon con heno de alfalfa, salvado de trigo, cascarilla de soja o silo de trigo Incubación durante 2, 6, 12, y 24h en el rumen de vacas fistuladas alimentadas con 0 o 1010 UFC/d de SC I-1077 (ración base: heno y ensilado de hierba)Cuantificación de las poblaciones adheridas por qPCR
Fibrobacter succinogenes
Aumenta el tamaño de la población en la cascarilla de soja (P<0.05) y en el salvado de trigo (P<0.0001) No hay efecto de SC en heno de alfalfa y silo de trigo
Ruminococcus flavefaciens
Aumenta el tamaño de la población en el heno de alfalfa y el silo de trigo (P<0.05)No hay efecto en cascarilla de soja y salvado de trigo
Butyrivibrio fibrisolvens
Aumenta el tamaño de la población en todas las fuentes de fibras en presencia de SC-I 1077 (P<0.001)
SC I-1077 promueve la colonización de la fibra por las bacterias del rumen Los efectos dependen de la naturaleza del sustrato y de la especies de las bacterias
SC I-1077 promueve la colonización de la fibra por las bacterias del rumen Los efectos dependen de la naturaleza del sustrato y de la especies de las bacterias
[Chaucheyras Durand et al. 2010 Proc Soc Nutr Physiol; J Anim Sci/J Dairy Sci suppl]
Degradación de la celulosa por Neocallimastix frontalis in vitro
Efecto sobre los hongos del rumen
Crecimiento N.frontalis
en celulosa de papel de filtro
(6 d; 39°C)
Cuantificación total hongos in vivo por qPCRSC I-1077 estimula la colonización de hongos en paja de trigo (P<0.05) Aumenta numéricamente la población de hongos en la cascarilla de soja, salvado de trigo y heno alfalfa
SC también promueve germinación zoospora
[Chaucheyras et al .,1995; Chaucheyras Durand et al. ,2010 Proc Soc Nutr Physiol; J Anim Sci/J Dairy Sci suppl]
Los efectos de SC-1077 sobre la degradación de los tejidos lignosos son importantes tanto para las bacterias como los hongos
00,050,100,150,200,250,300,350,400,45
LFD HFD
control+ SC I-1077
Deg FND
Low digestibility fibre
(NDFdeg:0,2-0,3)
High digestibility fibre
(NDFdeg:0,35-0,45)
+24%
+4,3%
[Guedes et al., 2008 Anim Feed Sci Technol]
SC I-1077SC I-1077
Ensilado con baja degradabilidad
(NDFdeg:0,2-0,3)
Ensilado con alta degradabilidad
(NDFdeg:0,35-0,45)
También se observan efectos positivos sobre microorganismos fibrolíticos en condiciones de
acidosis
SC I-1077 estabiliza pH del rumen, que ayuda a mantener el potencial fibrolítico
Ovejas canuladas
[Mosoni et al., 2007 J Appl Microbiol]
PCR Cuantitativo
Ración: 50% heno 50% concentrado
Actividad Enzimática
Control0% cebadaControl66% cebada
SC-107766% cebada
Mecanismos de acción SC I-1077 en la flora fibrolítica
Mantiene el ambiente anaerobio
Capacidad de consumir oxígeno de las levaduras vivas
Estabilización del pH en caso de acidosis
Interacción con productores
/utilizadores de lactato y protozoos
Aporte de nutrientes a los microrganismos
Estimulación de las funciones
hidrolíticas
Promueve el crecimiento,
colonización del rumen y la fibra
… con levaduras vivas viables… y cepas selececionadas… con levaduras vivas viables… y cepas selececionadas
Chaucheyras-Durand, Walker and Bach, 2008, AFST
Levadura viva CNCM I-1077:… puede optimizar la eficiencia alimentaria
23
• 14 ensayos con 1.600 vacas de leche,• Una dosis y Una cepa de Levadura Viva:
•1010 UFC/vacas de leche/d•CNCM I-1077
• aumento de la producción de 1 kg de leche/d• sin alterar la MSI,
Mejora significativamente la eficiencia alimentaria(1.70 vs. 1.75 ; P< 0.01 )
Gran efecto en vacas de alta producción (:38 kg) leche/d (1.78 vs. 1.85 ; P<0.05).
Meta-análisis del efecto de la levadura viva CNCM I-1077 en producción y componentes de la leche y eficiencia alimentaria.M.B. de Ondarza, C.J. Sniffen – ADSA 2009
* P<0. 001
* P<0. 050
* P<0.05
* *P<0.001
INFORMACIÓN A RETENER Saccharomyces cerevisiae CNCM I-1077 utilizado como aditivo
alimentario es una herramienta importante para promover y mantener la degradación de la fibra en el rumen
Levaduras vivas específicas para el rumen pueden interactuar directamente sobre los microorganismos fibrolíticos e indirectamente modificando el ambiente del rumen
Interacciones son complejas y dependen de la naturaleza del sustrato y de las especies de microorganismos
Herramientas como los microarrays ADN deberían ayudar a comprender mejor la acción de estos aditivos dentro de un ecosistema complicado, y ayudar a seleccionar nuevas generaciones de productos
La levadura viva Saccharomyces cerevisiae CNCM I-1077 demuestra una gran incidencia en la eficiencia alimentaria de las vacas de leche
Gracias por su atención!
NRC Biotechnology Research Institute
Unit of Microbiology