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