The intestinal microbiome and metabolome of dairy cows under challenging conditions

The modern dairy cow is confronted with a multitude of stressors throughout live. Especially calving, transition, and microbial infections are strong challenges that can have long-lasting impacts on the cow’s health and performance. Yet, individuals can differ in their response towards these challenges, raising the question which characteristics in the dairy cow contribute to a more or less robust animal. Apart from genetics, the gut microbiome and the entailed metabolome is assumed to play an important role in buffering or promoting host stress. This is also due to the fact that the gut microbiome is strongly involved in the hosts energy metabolism and immune system. As dairy cows often show performance impairments during high energy demanding periods, it could be suggested that improving energy metabolism in these specific phases might reduce the negative phenotypic outcomes. This was tested using dietary L-carnitine, a metabolite inevitably necessary for energy metabolism. However, no supplement effects on the intestinal microbiome or metabolome have been found in the present work. Supplementation was continued throughout the complete trial. Calving functioned as an individual stimulus, and an intra-venous LPS injection induced a standardized inflammatory challenge, as a specific amount of LPS per kg of bodyweight was applied per cow. Supplemented animals were compared to a control group. In total, the animals were studied across 168 days and sampled extensively at several sites. The focus of this thesis was to analyze the bacterial consortia and metabolites of both, host and bacteria, in rumen, duodenum, and feces throughout the given period. This was to elucidate the metabolic reactions and bacterial shifts during the mentioned challenging periods and their response to the L-carnitine supplementation. First, the ruminal and duodenal fluid microbiome of eight double cannulated animals during the two respective challenges was analysed. Before calving and feed change, rumen and duodenal fluid bacterial consortia were significantly different, thereafter very alike. Strong microbial community shifts were observed throughout the complete trial irrespectively of the matrix. Both matrices varied in their metabolite patterns indicating functional variation among sites. Also, a strong increase of Bifidobacterium at three days after calving was observed in almost all animals pointing towards a strong biological purpose. This needs to be investigated in upcoming studies. The study could show increasing ketogenic activities in the animals after calving and proposes a possible protective host-microbial interaction, against a ruminal collapse induced by LPS challenge, here described as "microbial airbag". The second part included fecal samples of the same animals, which were analyzed for their bacterial consortia and targeted metabolites. Different dynamics and diversities of microbial communities amongst the individuals were observed, according to which animals could be grouped into three microbiome clusters. These showed in part fundamentally different metabolic, health, and performance parameters, indicating strong host-microbiome-metabolite interactions. The study demonstrated that microbiome clustering may contribute to identifying different metabo- and production types. Again, the study observed a strong increase of Bifidobacterium at three days after calving and even during the LPS challenge supporting the findings of the former study. This strengthens the hypothesis that also for the cow Bifidobacterium may have protective effects, as this genus is largely involved in health promoting activities. The power of this project lies in the massive sampling of different body sites in dairy cows across a very long period of time and finally, merging of the collected data. This, however, requires high computational efforts as numerous time points, matrices, animals, measurements, treatments, feeding regimen, and challenges resulted into a large bandwidth of parameters and metadata. Yet, it bears the potential to better elucidate and understand actions and reactions of the host, its microbiome and metabolism, as well as organ-axes in dairy cows and thereby gaining a more holistic picture of these complex animals. The aim of analyzing the host, its microbiome and metabolome throughout challenging periods resulted into the following main findings. Time, calving, and feed change remarkably change the microbial communities and to a lesser extent the metabolomes in all three matrices. Rumen and proximal duodenal fluid samples significantly differ in their metabolomes but not in their microbiome. In all matrices, an increase of Bifidobacterium is seen within three days after calving, which has to be further researched. Across the herd, three distinct microbiome clusters are found, which significantly differ in their production and health parameters.

Die moderne Milchkuh steht während ihres Lebens einer Vielzahl an Herausforderungen gegenüber. Insbesondere Kalbungen, die Transitphasen, sowie mikrobielle Infektionen sind einschneidende Herausforderungen, welche lebenslange Folgen für die Gesundheit und die Leistung haben können. Trotzdem können Individuen in ihrer Stressantwort stark variieren, weshalb sich die Frage aufdrängt, welche Charakteristika die einzelne Milchkuh zu einem mehr oder weniger resilienten Tier machen. Neben der Genetik wird vermutet, dass das Darmmikrobiom und das daraus resultierende Metabolom eine wichtige Rolle bei der Pufferung oder Förderung von Wirtsstress spielen. Dies liegt auch daran, dass das Darmmikrobiom wesentlich den Energiestoffwechsel und das Immunsystem des Wirts beeinflusst. Da Milchkühe in Phasen hohen Energiebedarfs häufig Leistungseinbußen zeigen, könnten, den Energiestoffwechsel unterstützende Maßnahmen die negativen phänotypischen Ergebnisse abmildern. Daher untersuchte die vorliegende Arbeit den Effekt einer L- Carnitin Supplementierung auf den Energiestoffwechsel. Dieser Metabolit ist wichtig für den Abbau langkettiger Fettsäuren, die vor allem bei der Mobilisierung von Fettreserven nach der Kalbung entstehen. In dieser Arbeit wurden jedoch keine Auswirkungen der Supplementierung auf das Darmmikrobiom oder das Metabolom gefunden. Die hier beschriebene Studie umfasste die Transitphase, das Kalben als individuellen Stimulus und eine intravenöse, durch LPS induzierte entzündliche Noxe. Letzteres stellte einen standardisierten Stressor dar, da jeder Kuh eine spezifische LPS-Menge pro kg Körpergewicht appliziert wurde. Supplementierte Tiere wurden mit einer Kontrollgruppe verglichen und 168 Tage lang ausgiebig beprobt. Der Fokus dieser Dissertation lag auf der Analyse der bakteriellen Gemeinschaften und Metaboliten des Wirtes und der Bakterien innerhalb des Pansens, Duodenums und Kotes. Hierbei sollten die Stoffwechselreaktionen und bakteriellen Verschiebungen während der erwähnten herausfordernden Perioden und die Reaktion auf die L-Carnitin-Supplementierung aufgedeckt werden. Zuerst wurde das Mikrobiom der Pansen- und Duodenaldigesta von acht doppelt fistulierten Tieren, während der Noxen analysiert. Vor dem Futterwechsel und der Kalbung waren die Bakterienkonsortien des Pansens und Duodenums signifikant unterschiedlich, danach sehr ähnlich. Während des gesamten Versuchs wurden, unabhängig von der Matrix, starke Veränderungen des Mikrobioms beobachtet. Beide Matrizen variierten in ihren Metabolitenmustern, was auf die unterschiedlichen Funktionen der Sektionen zurückzuführen ist. Zudem, wurde bei fast allen Tieren ein klarer Anstieg von Bifidobacterium drei Tage nach dem Kalben beobachtet, was auf einen starken biologischen Zweck hindeutet, der in zukünftigen Studien untersucht werden muss. Eine zunehmende ketogene Aktivität der Tiere nach dem Kalben konnte gezeigt werden. Der "mikrobielle Airbag" beschreibt einen möglichen Mechanismus zwischen dem Wirt und seinem Mikrobiom, welcher den Wirt während der LPS challenge vor einem Pansenkollaps schützt. Der zweite Teil der Arbeit befasste sich mit den Kotproben derselben Tiere, die auf ihr Mikrobiom und einer Auswahl an Metaboliten analysiert wurden. Es zeigten sich unterschiedliche Dynamiken und Diversitäten mikrobieller Gemeinschaften zwischen den Individuen, welche sich hierdurch in drei verschiedene Mikrobiom Gruppen einteilen ließen. Diese Gruppen zeigten zum Teil grundlegend unterschiedliche Stoffwechsel-, Gesundheits- und Leistungsparameter, was auf starke Wechselwirkungen zwischen Wirt, Mikrobiom und Metabolom hindeutet. Es konnte gezeigt werden, dass Enterotypisierungen dazu beitragen können, verschiedene Metabo- und Produktionstypen zu identifizieren. Auch hier konnte ein starker Anstieg von Bifidobacterium drei Tage nach dem Kalben und sogar während der LPS challenge gezeigt werden, was die Ergebnisse aus der vorausgegangenen Studie mit Pansen und Duodenalsaft unterstützt. Da diese Gattung in hohem Maße an gesundheitsfördernden Aktivitäten beteiligt ist, erhärtet sich die Hypothese, dass Bifidobacterium auch für das Muttertier schützende Wirkungen haben könnte. Die Besonderheit dieses Projekts liegt in den umfassenden Beprobungen verschiedener Matrizen der Milchkühe über einen sehr langen Zeitraum hinweg und schließlich die Zusammenführung der gesammelten Daten. Dies erfordert ein hohes Maß an Datenmanagement, da zahlreiche Zeitpunkte, Matrizen, Tiere, Messungen, Behandlungen, Fütterungsregime und Noxen zu einer großen Bandbreite an Parametern und Metadaten führt. Es birgt jedoch das Potenzial, Aktionen und Reaktionen des Wirts, seines Mikrobioms und Stoffwechsels, sowie der Organachsen bei Milchkühen besser zu verstehen und so ein ganzheitlicheres Bild dieser komplexen Tiere zu gewinnen. Die Untersuchung der Milchkuh, sowie deren Mikrobiom und Metabolom in kritischen Zeiträumen führte zu den folgenden Hauptergebnissen. Die Zeit, das Kalben und der Futterwechsel haben das Mikrobiom und in geringerem Maße die Zusammensetzungen der Metaboliten aller untersuchter Matrizes verändert. Proben des Pansens und des proximalen Duodenums unterschieden sich signifikant in ihren metabolischen Zusammensetzungen, jedoch nicht in ihren mikrobiellen Gemeinschaften. In allen Matrizen konnte drei Tage nach der Kalbung ein Anstieg von Bifidobacterium festgestellt werden, den es weiter zu beleuchten gilt. Über die Herde hinweg konnten drei Individuengruppen erfasst werden, welche sich hinsichtlich ihres Mikrobioms sowie in ihren Leistungs- und Gesundheitsparametern signifikant unterschieden.