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Sep 30, 2023

Die Fütterung von Hanfsamenkuchen verändert die Darm-, Atmungs- und Fortpflanzungsmikrobiota von Rindern

Wissenschaftliche Berichte Band 13,

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 8121 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Eine wachsende Zahl von Studien hat die Machbarkeit der Verwendung von Hanfnebenprodukten als Viehfutter untersucht; Ihre Auswirkungen auf das Mikrobiom von Nutztieren sind jedoch noch nicht erforscht. Hier untersuchten wir die Auswirkungen der Fütterung von Hanfkuchen auf die gastrointestinale, respiratorische und reproduktive Mikrobiota bei Rinderfärsen. Angus-Kreuzungsfärsen (19 Monate alt, anfängliches Körpergewicht = 494 ± 10 kg [SE]) erhielten ein Endfutter auf Maisbasis, das 20 % Hanfsamenkuchen als Ersatz für 20 % Mais-Trockenkorn mit löslichen Stoffen (DM) enthielt Basis; Kontrolle; n = 16/Gruppe) für 111 Tage bis zur Schlachtung. Es wurden Pansenflüssigkeit und tiefe Nasopharynxabstriche (Tage 0, 7, 42, 70 und 98) sowie Vaginal- und Uterusabstriche (bei der Schlachtung) gesammelt und die Mikrobiota mittels 16S-rRNA-Gensequenzierung bewertet. Die Ernährung beeinflusste die Gemeinschaftsstruktur des Pansens (Tag 7–98; 0,06 ≤ R2 ≤ 0,12; P < 0,05), des Nasopharynx (Tag 98; R2 = 0,18; P < 0,001) und der Vagina (R2 = 0,06; P < 0,01). Mikrobiota. Färsen, die mit Hanfkuchen gefüttert wurden, hatten eine erhöhte mikrobielle Vielfalt im Pansen, eine verringerte mikrobielle Vielfalt in der Vagina und eine größere mikrobielle Vielfalt und Vielfalt in der Gebärmutter. Zusätzlich zu den unterschiedlichen mikrobiellen Gemeinschaften im Pansen, Nasopharynx, der Vagina und der Gebärmutter identifizierten wir 28 Kerntaxa, die an diesen Probenahmeorten gemeinsam genutzt wurden (≥ 60 % aller Proben). Die Fütterung von Hanfsamenkuchen schien die Darm-, Atmungs- und Fortpflanzungsmikrobiota von Rindern zu verändern. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass zukünftige Forschungen zur Bewertung der Verwendung von Hanfnebenprodukten in der Nutztierernährung deren Auswirkungen auf das Tiermikrobiom und die durch das Mikrobiom vermittelte Tiergesundheit und Fortpflanzungseffizienz berücksichtigen sollten. Unsere Ergebnisse unterstreichen auch den Bedarf an Forschung zur Bewertung der Auswirkungen von Hanf-assoziierten Lebensmitteln und Körperpflegeprodukten auf das menschliche Mikrobiom.

Um die Tierproduktivität nachhaltig zu steigern, versucht die Viehwirtschaft, die Futtereffizienz zu steigern und alternative und neuartige Futtermittel zu erforschen1. Die Suche nach kostengünstigen und wenig genutzten Futteralternativen wird auch durch steigende Kosten traditioneller Futterquellen und einen zunehmenden Wettbewerb zwischen Nutztieren und Menschen um Nahrungspflanzen vorangetrieben1. Lokale alternative Futtermittel wie Nebenprodukte aus der Ethanolproduktion (Mais- und Weizendestillierkörner)2,3 und Nebenprodukte von Ölsaaten (Sojabohnen- und Rapsmehl sowie Baumwollsamenschalen)4,5,6 haben sich als realisierbar erwiesen Futteralternativen. In den letzten Jahren besteht ein wachsendes Interesse an der Erforschung der Machbarkeit der Verfütterung von Industriehanfsamen und seinen Nebenprodukten an Rinder7,8,9, Schafe10, Ziegen11, Schweine12 und Geflügel13. Das erneute Interesse an der Verwendung von Industriehanf-Nebenprodukten als alternative Futterzutaten ist auf (1) die Legalisierung des Industriehanfanbaus in vielen Teilen der Welt zurückzuführen; und (2) die steigende weltweite Nachfrage nach Industriehanf aus der Lebensmittel- und Getränke-, Körperpflege- und Tierpflegeindustrie7.

Die Samen von Industriehanf haben hohe Nährstoffkonzentrationen (Proteine, Lipide, Mineralien und Vitamine) und sind außerdem reich an Antioxidantien und bioaktiven Verbindungen, die sie zusammen für die Verwendung in funktionellen Lebensmitteln und in der Humanmedizin attraktiv machen7,14. Aus Hanfsamen gewonnenes Öl enthält große Mengen mehrfach ungesättigter Fettsäuren, die für ihre schützende Wirkung gegen Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Krebs und Entzündungen bekannt sind15. Zwei essentielle Fettsäuren, Linolsäure (18:2 Omega-6) und Alpha-Linolensäure (18:3 Omega-3), sind in Hanföl im Vergleich zu anderen Pflanzenölen in größerer Menge enthalten15. Darüber hinaus machen die antioxidativen (z. B. Tocopherole und Tocotrienole)15,16, entzündungshemmenden17 und antimikrobiellen (z. B. flüchtige Terpene)18,19 Eigenschaften von Hanföl es für die funktionelle Lebensmittel- und Pharmaindustrie attraktiv14,15.

Hanföl wird auch in Farben, Reinigungsmitteln, Lacken und anderen Beschichtungsformulierungen verwendet (Fike, 2016), und die Nachfrage nach Hanföl wird voraussichtlich steigen20. Bei der Extraktion von Hanföl entsteht ein Nebenprodukt namens Hanfkuchen (manchmal auch Hanfmehl genannt), das hohe Konzentrationen an ernährungsphysiologisch wertvollen Ballaststoffen (50 %), Rohprotein (30 %) und Öl (7 %) enthält9,21. Es überrascht nicht, dass das Interesse an seiner potenziellen Verwendung als Viehfutter wächst. Trotz des Nährwerts und potenziellen therapeutischen Nutzens von Hanf wurde die Einbeziehung von Hanfnebenprodukten in die Tierernährung von den Aufsichtsbehörden eingeschränkt. Beispielsweise muss die Aufnahme von Hanfsamenkuchen in die Ernährung europäischer Wiederkäuer weniger als 50 g/kg (auf Trockenmassebasis)22 betragen, aber in den Vereinigten Staaten dürfen ohne FDA-Zulassung weder Hanf noch seine Nebenprodukte an Nutztiere verfüttert werden23. Ebenso ist die Verwendung von Hanfprodukten als Futtermittelbestandteile in Kanada eingeschränkt, und jedes Hanfprodukt erfordert vor der Verwendung in Viehfutter eine staatliche Genehmigung (RG-1 Regulatory Guidance). Diese Beschränkungen sind auf Bedenken hinsichtlich der möglichen Anreicherung von Cannabinoiden wie THC und Cannabidiol (CBD) im essbaren Gewebe von Tieren zurückzuführen, die mit Hanfprodukten gefüttert wurden7,22,23,24.

Während die Verfütterung von Hanfnebenprodukten bei mehreren Nutztierarten untersucht wurde, beschränkte sich der Schwerpunkt dieser Studien weitgehend auf den Nährwert der Nebenprodukte, also auf die Verdaulichkeit und die Leistungskennzahlen der Tiere. Die Auswirkungen der Verfütterung von Hanfnebenprodukten auf das tierische Mikrobiom sind weitgehend unerforscht. Die mikrobiellen Gemeinschaften im Magen-Darm-Trakt, in den Atemwegen und im Fortpflanzungstrakt sind für die Gesundheit und Produktivität der Tiere von entscheidender Bedeutung, nicht nur wegen ihrer Beteiligung am Nährstoffstoffwechsel, sondern auch, weil sie Infektions- und Stoffwechselkrankheiten beeinflussen25,26,27. Angesichts der bioaktiven, entzündungshemmenden, antimikrobiellen und nährstoffhemmenden Verbindungen in Hanfnebenprodukten gehen wir davon aus, dass die Aufnahme von Hanfnebenprodukten in Rinderrationen zu Veränderungen in der ökologischen und funktionellen Mikroumgebung des Darms führen kann und dass die Auswirkungen langfristig sind Die langfristige Einnahme von Hanfnebenprodukten kann sich über den Darm hinaus erstrecken und Auswirkungen auf die Mikrobiota der Atemwege und des Fortpflanzungstrakts haben. Um diese Hypothese zu testen, führten wir ein Längsschnittexperiment mit Rindern durch. Das Hauptziel dieser Studie bestand darin, die Auswirkungen der Fütterung von Hanfsamenkuchen auf die gastrointestinale, respiratorische und reproduktive Mikrobiota bei Mastrindern zu bewerten. Das sekundäre Ziel bestand darin, mikrobielle Gemeinschaften im Zusammenhang mit Pansenflüssigkeit, Nasopharynx, Vagina und Gebärmutter zu vergleichen und zentrale Bakterientaxa zu identifizieren, die in diesen mikrobiellen Ökosystemen gemeinsam sind. Rinder haben ähnliche physiologische Merkmale (Einlingsschwangerschaft und Trächtigkeitsdauer) wie Menschen und ihre Mikrobiota ist biogeografisch und phylogenetisch der von Menschen ähnlicher als die von Nagetieren28. Daher sind die hier berichteten Ergebnisse in Verbindung mit der zunehmenden Verwendung von Hanf- und Cannabidiol-Produkten als funktionelle Lebensmittel und Pharmazeutika nicht nur für Rinder wichtig, sondern liefern auch wichtige spekulative Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen dem Konsum von Hanfprodukten und dem menschlichen Mikrobiom.

Alle Tierpflege- und Managementpraktiken wurden vom Institutional Animal Care and Use Committee der North Dakota State University genehmigt (genehmigtes IACUC-Protokoll Nr. A21010). Wir bestätigen, dass alle Methoden in Übereinstimmung mit den relevanten Richtlinien und Vorschriften durchgeführt wurden.

Es wurde eine Längsschnittstudie (16 Wochen lang) durchgeführt, um die Auswirkungen der Einbeziehung von Hanfkuchen in Mastfutter auf die Wachstumsleistung, die Qualitätsmerkmale des Schlachtkörpers, die Cannabinoidrückstände in Plasma, Urin und Gewebe, das Fressverhalten sowie den Darm, die Atemwege und den Fortpflanzungstrakt zu bewerten Mikrobiota von Fleischrindern. Die Lebendphase der Fütterungsstudie wurde ausführlich von Winders et al.29 beschrieben. Kurz gesagt, wurden insgesamt 32 gekreuzte Mastkühe (anfängliches Körpergewicht = 494 ± 10 kg [SE], Durchschnittsalter = 19 Monate) nach dem Zufallsprinzip entweder der Hanfgruppe (n = 16) oder der Kontrollgruppe (n = 16) zugeteilt (Abb. 1). Die Färsen der Hanfgruppe erhielten eine formulierte Ration mit 20 % Hanfsamenkuchen (Trockenmassebasis), während Färsen in der Kontrollgruppe die gleiche Diät erhielten, außer dass der Hanfsamenkuchen durch 20 % getrocknete Maiskörner mit löslichen Stoffen (DDGS) ersetzt wurde. Mais-DDGS sind das häufigste Ethanol-Nebenprodukt, das in der Mastrinderfütterung in den USA enthalten ist30 und haben eine ähnliche Nährstoffzusammensetzung wie Hanfkuchen. Daher wurde als Kontrolldiät eine Diät mit 20 % Mais-DDGS verwendet. Die beiden Gruppen von Färsen wurden in getrennten Ställen im NDSU Beef Cattle Research Complex in Fargo (North Dakota, USA) gehalten und erhielten 111 Tage lang einzeln das Behandlungsfutter mit dem Insentec BV-Fütterungssystem (Hokofarm Group, Marknesse, Niederlande). ), die Daten zur Futteraufnahme für einzelne Tiere liefern. Die restlichen 80 % der gesamten Mischration bestanden aus 55 % Trockenmais, 20 % Maissilage und 5 % Zuschlagstoff (Trockenmassebasis; Abb. 1).

Studiendesign, Diäten und Probenahmeplan. Diese Figur wurde mit Biorender erstellt.

Pansenflüssigkeits- und Nasopharynxabstrichproben wurden über mehrere Probenahmetage hinweg von demselben Personal während der Lebendphase der Studie (Tage 0–98) gesammelt. An einem Sammeltag wurden alle Proben innerhalb eines 3-Stunden-Fensters (8:00–11:00 Uhr) gesammelt. Bei der Schlachtung (Tage 112–120) wurden Vaginal- und Uterusabstriche entnommen.

Pansenflüssigkeit wurde an den Tagen 0, 7, 42, 70 und 98 gesammelt, wie von Amat et al.31 beschrieben. Kurz gesagt wurde ein starres Metallspekulum in das Maul der Färse eingeführt und ein flexibler PVC-Magenschlauch mit mehreren Löchern an der distalen Spitze durch das Spekulum in die Speiseröhre geführt (Abb. 1). Das Spekulum wurde verwendet, um sicherzustellen, dass der Kunststoffschlauch nicht durch die Zähne der Färse beschädigt wurde und dass der Schlauch in die Speiseröhre gelangte und in den Pansen und unter die Pansenmatte eingeführt werden konnte. An das Sammelröhrchen wurde ein leichtes Vakuum angelegt, durch das Pansenflüssigkeit (maximal 120 ml Volumen) in einen Erlenmeyerkolben mit Seitenarm angesaugt wurde (Abb. 1). Für jede Färse wurden separate Schläuche und Auffangflaschen verwendet, um eine Kreuzkontamination zu vermeiden. Nach gründlichem Mischen wurde ein Aliquot von 40 ml Pansenflüssigkeit in ein 50-ml-Falcon-Röhrchen gegeben und sofort auf Trockeneis eingefroren.

An den Tagen 0, 7, 40 und 98 wurden tiefe Nasopharyngealabstriche entnommen, wie zuvor beschrieben31 (Abb. 1). Kurz gesagt, vor dem Einführen des Tupfers wurde das rechte Nasenloch der Färse mit 70 %igem Ethanol und einem Papiertuch saubergewischt. Ein verlängerter, geschützter Tupfer (27 cm) mit einer Viskoseknospe (MW 128, Medical Wire & Equipment, Corsham, England) wurde in das Nasenloch eingeführt und als der umhüllte Tupfer den Nasopharynxbereich erreichte, wurde die Tupferspitze zum Abstrich einige Zentimeter vorgeschoben den Nasopharynx und drehte sich. Der Tupfer wurde in die Hülle zurückgezogen und dann aus der Nasenhöhle entfernt. Die Spitze des Tupfers (ca. 2,5 cm) wurde dann mit einem sterilisierten Drahtschneider in ein steriles Mikrozentrifugenröhrchen geschnitten und auf Eis ins Labor transportiert. Bei der Ankunft im Labor wurden die Nasopharynxabstriche in 1 ml Hirn-Herz-Infusionsbrühe (BHI) mit 20 % Glycerin überführt und bis zur DNA-Extraktion bei –80 °C gelagert.

Uterus- und Vaginalabstriche wurden unmittelbar nach der Euthanasie nach Abschluss des 111-tägigen Hanfkuchen-Fütterungsversuchs zur Erfassung der Schlachtkörperdaten entnommen. Die Färsen wurden an den Studientagen 112–120 (Entzugstage 0, 1, 4 und 8, wie von beschrieben) geschlachtet29. Es wurden Wartezeiten vor der Schlachtung festgelegt, um den Abbau von Cannabinoidrückständen im Rindergewebe zu untersuchen. Unmittelbar nach der Euthanasie wurden gründlich Vaginalabstriche gesammelt Reinigen der Vulva mit einem mit 70 % Ethanol getränkten Papiertuch. Die großen Schamlippen wurden mit einer behandschuhten Hand offen gehalten, so dass ein 15 cm langer steriler Wattestäbchen (Puritan; Guilford, ME) hindurchpassen konnte. Als die Tupferspitze die erreichte In der Mitte der Vagina wurde es an die Vaginalwand angelegt, viermal geschwenkt und dann vorsichtig herausgezogen, um eine Kontamination zu minimieren. Vaginalabstriche wurden sofort in sterile Whirl Pak-Beutel gegeben und auf Eis ins Labor transportiert, wo sie in 1 ml Wasser überführt wurden BHI-Brühe mit 20 % Glycerin, gelagert bei –80 °C bis zur DNA-Extraktion.

Für die Probenentnahme aus der Gebärmutter wurde der Fortpflanzungstrakt entnommen und sofort ins Labor transportiert. Nach Entfernung der Adnexe (überschüssiges breites Band, Fett usw.) wurde 1 cm der kranialen Seite des Uterushorns mit einem sterilen Skalpell entfernt. Ein doppelt geschützter Kulturtupfer (71 cm langer Tupfer, Reproduktion Provisions LLC) wurde in das Lumen des Uterushorns eingeführt und durch das Horn in den Uteruskörper geführt. Im Uteruskörper angekommen, wurden der innere Kunststoffteil und der Tupfer herausgezogen, um eine nicht kontaminierte Probe zu entnehmen, der Tupfer wurde in die Innenhülle zurückgezogen und sowohl die Innen- als auch die Außenhülle wurden aus der Gebärmutter entfernt. Die Spitze des Tupfers (ca. 2,5 cm) wurde dann abgeschnitten und in ein steriles Mikrozentrifugenröhrchen gegeben und sofort bis zur DNA-Extraktion bei –80 °C gelagert.

Die Gesamt-DNA aus Pansenflüssigkeitsproben wurde mit dem Qiagen DNeasy PowerLyzer PowerSoil-Kit (Qiagen Inc., Germantown, MD, USA) extrahiert31. Metagenomische DNA aus Nasopharynx-, Vaginal- und Uterusabstrichen wurde mit einem Qiagen DNeasy Tissue Kit (Qiagen Inc., Germantown, MD, USA) gemäß den Anweisungen des Herstellers mit einigen zuvor beschriebenen Modifikationen extrahiert31. DNA wurde auch aus Umweltkontrollen extrahiert (Raumluftabstriche, die bei vaginalen und nasopharyngealen Proben entnommen wurden). Für alle Extraktionskits waren negative Extraktionskontrollen enthalten. Die Konzentration der extrahierten DNA wurde mit einem NanoDrop ND-1000-Spektrophotometer und einem PicoGreen-Assay gemessen. Die DNA wurde bei –20 °C gelagert, bis sie für die 16S-rRNA-Gensequenzierung verwendet wurde.

Die hypervariablen V3-V4-Regionen des 16S-rRNA-Gens wurden auf einem NovaSeq 6000-Gerät (Illumina, San Diego, CA, USA) mit einer SP-Durchflusszelle (2 × 250 bp) wie zuvor beschrieben amplifiziert und sequenziert31. Die 16S-rRNA-Gensequenzen wurden mit DADA2 v. 1.20.032 in R. 4.0.3 verarbeitet, wobei die Vorwärts-Reads auf 225 bp und die Reverse-Reads auf 220 bp gekürzt wurden, mit einer Mindestüberlappung von 20 bp zusammengeführt wurden, und Amplikon-Sequenzvarianten ( ASVs) generiert. Die Taxonomie wurde ASVs mithilfe des naiven Bayes'schen RDP-Klassifikators und der Datenbank SILVA SSU Release 138.1 zugewiesen33. Die ASVs, die als Chloroplasten, Eukaryota oder Mitochondrien klassifiziert wurden, wurden entfernt. Negative Extraktions- und Umgebungskontrollen (Raumluftabstriche) wurden ebenfalls verwendet, um potenzielle Kontaminanten nach entfernten ASVs zu identifizieren, wenn ihre Häufigkeit in einer Negativkontrolle gleich oder größer als die durchschnittliche Häufigkeit in einer biologischen Probe war. Die Anzahl der ASVs pro Probe (Reichtum), die Shannon- und inversen Simpson-Diversitätsindizes sowie die Bray-Curtis-Unähnlichkeiten wurden in R unter Verwendung von Phyloseq 1.38.034 und vegan 2.5-735 berechnet. Um ungleichmäßige Sequenztiefen zu berücksichtigen, wurden vor der Berechnung der Bray-Curtis-Unterschiede und der Alpha-Diversitätsmaße zufällige Unterproben von 38.500, 6700, 27.000 bzw. 4600 Proben für die Pansenflüssigkeits-, Nasopharynx-, Vaginal- und Uterusproben durchgeführt.

Ein lineares gemischtes Modell unter Verwendung der lmer-Funktion im lme4 v 1.1.27.1 R-Paket36 wurde verwendet, um die Messungen der mikrobiellen Vielfalt und des Reichtums nach Probenahmezeit und Ernährung zu vergleichen. Das lineare gemischte Modell umfasste den Zufallseffekt des Tieres und die festen Effekte der Ernährung, des Probenahmezeitpunkts und deren Wechselwirkungen als feste Effekte. Post-hoc-Vergleiche wurden innerhalb jedes Stichprobenzeitpunkts durchgeführt und für mehrere Vergleiche mithilfe der ehrlich signifikanten Differenz von Tukey korrigiert. Die Wirkung der Ernährung auf die mikrobiellen Gemeinschaftsstrukturen im Pansen, Nasopharynx, Vagina und Uterus wurde anhand der Bray-Curtis-Unterschiede und PERMANOVA (Adonis2-Funktion) in R mit Vegan bewertet. Das R-Paket „pairwiseAdonis v. 0.437“ wurde verwendet, um die Bray-Curtis-Unähnlichkeiten innerhalb jeder Probenahmezeit für die Nasopharynx- und Pansenproben zu vergleichen, und das Benjamini-Hochberg-Verfahren wurde verwendet, um P-Werte für mehrere Vergleiche zu korrigieren. Innerhalb jedes Probentyps wurden mithilfe von MaAsLin2 v. 1.8.038 in R unterschiedlich häufig vorkommende Gattungen zwischen den Ernährungstypen identifiziert. Es wurden nur die Gattungen mit einer relativen Häufigkeit von 0,1 % oder mehr in den untersuchten Proben einbezogen. Die Anzahl der ASVs (Reichtum), Diversitätsindizes und die relative Häufigkeit der relativ häufigsten Phyla in Uterusproben zwischen den beiden Ernährungsgruppen wurden mithilfe des verallgemeinerten Liner-Mixed-Model-Schätzverfahrens (PROC GLIMMIX) in SAS (Version 9.4, SAS Institute) verglichen Inc., Cary, NC, Vereinigte Staaten). Die statistische Signifikanz wurde bei P < 0,05 berücksichtigt.

Nach der Verarbeitung und Qualitätsfilterung betrug die durchschnittliche Anzahl der Sequenzen pro Probe 74, 360 ± 1275 (SEM), 50.233 ± 2574, 63.204 ± 3191 und 29.617 ± 8068 für die Pansen-, Nasopharynx-, Vaginal- und Uterusproben. Aus diesen Sequenzen wurden insgesamt 78.156 archaische und bakterielle ASVs in allen Proben identifiziert und in 34 Phyla (eine archaische und 33 bakterielle Phyla) und 1432 einzigartige Gattungen klassifiziert.

Insgesamt wurden in allen Pansenflüssigkeitsproben 31 verschiedene Bakterienstämme (n = 30) und Archaeenstämme (n = 1) nachgewiesen. Bakterien machten 99,19 % und Archaeen 0,81 % der 16S-rRNA-Gensequenzen aus den Pansenproben aus. Zu den dominanten Bakterienstämmen gehörten Bacteroidota (62,2 %), Firmicutes (16,9 %), Proteobacteria (16,3 %) und Actinobacteriota (2,8 %). Die Pansenmikrobiota wurde durch die Probenahmezeit während des Untersuchungszeitraums signifikant beeinflusst (R2 = 0,39; P < 0,001). Allerdings gab es vom 7. bis zum 98. Tag Auswirkungen der Ernährung auf die Struktur der Pansenmikrobiota, wobei der größte Effekt am letzten Tag der Probenahme, d. 98, verzeichnet wurde (R2 = 0,12; P < 0,001; Abb. 2A). Obwohl der mikrobielle Reichtum (Anzahl der ASVs) im Pansen durch die Aufnahme von Hanfsamenkuchen in die Nahrung nicht beeinträchtigt wurde (P > 0,05), war die mikrobielle Diversität (Shannon-Diversitätsindex) bei mit Hanfsamenkuchen gefütterten Rindern an den Tagen 42, 70 größer. und 98 (Abb. 2B; P < 0,05). Eine Reihe von Bakteriengattungen in der Pansenmikrobiota waren ab Tag 42 unterschiedlich häufig zwischen der Kontroll- und der Hanfkuchen-Diät vorhanden (Abb. 3). Eubacterium nodatum-Gruppe, Lachnospiraceae UCG-002, Oribacterium, Prevotellaceae UCG-001, Prevotellaceae UCG-004 und Rikenellaceae RC9-Darmgruppe gehörten zu den Gattungen, die in der Pansenmikrobiota von mit Rindern gefüttertem Hanfsamenkuchen angereichert waren. Allerdings war die relative Häufigkeit der Gattungen Defluviitaleaceae UCG-011 (d 42 und 70) und Succinivibrio (d 42) in der Hanfgruppe im Vergleich zu den Kontrollrindern verringert.

(A) Diagramm der Hauptkoordinatenanalyse (PCoA) der Bray-Curtis-Unterschiede für die Pansenmikrobiota nach Ernährung und Probenahmetag. Der PERMANOVA R2- und P-Wert für die Auswirkung der Ernährung an jedem Tag ist in jedem Diagramm enthalten. Der Prozentsatz der Variation, der durch jede Hauptkoordinate erklärt wird, ist auf den Achsen angegeben; (B) Box- und Whisker-Diagramm der Shannon-Diversitätsindexwerte für die Pansenmikrobiota nach Probenahmetag und Ernährung. *P < 0,05; **P < 0,01; ***P < 0,001. Das Kästchen gibt den Interquartilbereich (IQR) an (mittlere 50 % der Daten), die mittlere Linie stellt den Medianwert dar und die Whiskers stellen das 1,5-fache des IQR dar; „Kontrolle“ bezieht sich auf die Gruppe von Färsen, die DDGS in ihrer Ernährung erhielten (n = 15), und „Hanf“ bezieht sich auf die Gruppe, die die Hanfkuchen-Einschlussdiät erhielt (n = 16).

Box- und Whisker-Diagramme der prozentualen relativen Häufigkeit von Bakteriengattungen in der Pansenmikrobiota, die durch diätetische Behandlung an einem oder mehreren Probenahmetagen unterschiedlich häufig vorkamen. *P < 0,05; **P < 0,01; ***P < 0,001. Das Kästchen gibt den Interquartilbereich (IQR) an (mittlere 50 % der Daten), die mittlere Linie stellt den Medianwert dar und die Whiskers stellen das 1,5-fache des IQR dar; „Kontrolle“ bezieht sich auf die Gruppe von Färsen, die DDGS in ihrer Ernährung erhielten (n = 15), und „Hanf“ bezieht sich auf die Gruppe, die die Hanfkuchen-Einschlussdiät erhielt (n = 16).

In den Nasopharyngealabstrichen wurden insgesamt 25 verschiedene Bakterienstämme (n = 24) und Archaeenstämme (n = 1) nachgewiesen. Die nasopharyngeale Mikrobiota wurde von Actinobacteriota (41,7 %), Firmicutes (30,8 %), Bacteroidota (18,2 %), Proteobacteria (5,2 %) und Deinococcota (1,6 %) dominiert. Ähnlich wie bei der Pansenmikrobiota hatte die Probenahmezeit einen größeren Einfluss auf die Struktur der nasopharyngealen Mikrobiota (R2 = 0,18; P < 0,001; Abb. 4A) als die diätetische Behandlung. Nur am Tag 98 hatte Hanfsamenkuchen in der Nahrung einen Einfluss auf die Struktur der nasopharyngealen Mikrobiota (Abb. 4; R2 = 0,08; P < 0,05) (Abb. 4A). Die Ernährung hatte keinen Einfluss auf den mikrobiellen Reichtum und die Vielfalt im Nasopharynx (Abb. 4B; P > 0,05) und es gab zu keinem der Probenahmezeitpunkte signifikant unterschiedliche Gattungen zwischen den beiden Ernährungsgruppen (P > 0,05).

(A) Diagramm der Hauptkoordinatenanalyse (PCoA) der Bray-Curtis-Unterschiede für die nasopharyngeale Mikrobiota nach Ernährung und Probenahmetag. Die PERMANOVA-Ergebnisse für die Auswirkung der Ernährung an jedem Tag sind in jedem Diagramm enthalten. Der Prozentsatz der Variation, der durch jede Hauptkoordinate erklärt wird, ist auf den Achsen angegeben; (B) Box- und Whisker-Diagramm der Anzahl der ASVs und der Shannon- und inversen Simpson-Diversitätsindizes für die nasopharyngeale Mikrobiota nach Probenahmetag und Ernährung. Das Kästchen gibt den Interquartilbereich (IQR) an (mittlere 50 % der Daten), die mittlere Linie stellt den Medianwert dar und die Whiskers stellen das 1,5-fache des IQR dar; „Kontrolle“ bezieht sich auf die Gruppe von Färsen, die 20 % DDGS in ihrer Ernährung erhielten (n = 15), und „Hanf“ bezieht sich auf die Gruppe, die eine Diät mit 20 % Hanfkucheneinschluss erhielt (n = 16).

Mit der vaginalen Mikrobiota wurden 20 Bakterienstämme und ein Archaeenstamm identifiziert. Die große Mehrheit der Sequenzen gehörte den Firmicutes (53,5 %), Bacteroidota (13,4 %), Actinobacteriota (11,5 %), Fusobacteriota (6,3 %), Campylobacterota (4,8 %) oder Proteobacteria (4,6 %) (Abb. 5A). Archaeen-Sequenzen machten nur 0,05 % der gesamten Mikrobiota aus. Am Tag 112 (bei der Schlachtung) gab es einen signifikanten Einfluss der Ernährung auf die Struktur der vaginalen Mikrobengemeinschaft (R2 = 0,06; P < 0,01) (Abb. 5A). Während sich die mikrobiellen Diversitätsmessungen zwischen den beiden Behandlungsgruppen nicht unterschieden (P > 0,05), neigten Hanffärsen (P = 0,07) im Vergleich zu Kontrollfärsen zu einem geringeren mikrobiellen Reichtum (Gesamtzahl der ASVs) (Abb. 5B). Acht Bakteriengattungen (Gruppe Agathobacter, Cellulosilyticum, Clostridium, Fusobacterium, Negativibacillus, Paeniclostridium, Romboutsia und Ruminococcus gauvreauii) waren in den beiden Ernährungsgruppen unterschiedlich häufig (Abb. 6; P < 0,05). Alle bis auf eine dieser Gattungen, Fusobacterium, waren in der vaginalen Mikrobiota der Kontrollrinder relativ häufiger anzutreffen als in den Hanfrindern.

(A) Diagramm der Hauptkoordinatenanalyse (PCoA) der Bray-Curtis-Unterschiede für die vaginale Mikrobiota nach Ernährung am Tag 112 (Schlachtung). Das PERMANOVA-Ergebnis für die Auswirkung der Ernährung ist im Diagramm enthalten. Der Prozentsatz der Variation, der durch jede Hauptkoordinate erklärt wird, ist auf den Achsen angegeben; (B) Box- und Whisker-Diagramm der Anzahl der ASVs und der Shannon- und inversen Simpson-Diversitätsindizes für die vaginale Mikrobiota nach Ernährung am Tag 112 (Schlachtung). Das Kästchen gibt den Interquartilbereich (IQR) an (mittlere 50 % der Daten), die mittlere Linie stellt den Medianwert dar und die Whiskers stellen das 1,5-fache des IQR dar; „Kontrolle“ bezieht sich auf die Gruppe von Färsen, die 20 % DDGS in ihrer Ernährung erhielten (n = 15), und „Hanf“ bezieht sich auf die Gruppe, die eine Diät mit 20 % Hanfkucheneinschluss erhielt (n = 16).

Box- und Whisker-Diagramme der prozentualen relativen Häufigkeit von Bakteriengattungen in der vaginalen Mikrobiota, die durch diätetische Behandlung unterschiedlich häufig vorkommen (P < 0,05). Das Kästchen gibt den Interquartilbereich (IQR) an (mittlere 50 % der Daten), die mittlere Linie stellt den Medianwert dar und die Whiskers stellen das 1,5-fache des IQR dar; „Kontrolle“ bezieht sich auf die Gruppe von Färsen, die 20 % DDGS in ihrer Ernährung erhielten (n = 15), und „Hanf“ bezieht sich auf die Gruppe, die eine Diät mit 20 % Hanfkucheneinschluss erhielt (n = 16).

In die Analyse wurden nur 8 Uterusabstrichproben einbezogen (3 aus Hanf und 5 aus der Kontrollgruppe), da die anderen die Sequenzierungsqualitätskontrolle nicht bestanden, was wahrscheinlich auf eine niedrige mikrobielle DNA-Konzentration und/oder eine geringe mikrobielle Biomasse zurückzuführen ist. In diesen 8 Uterusabstrichproben wurden insgesamt 22 Bakterien- und Archaeengattungen nachgewiesen. Die Gebärmuttermikrobiota wurde hauptsächlich von Firmicutes (34,1 %), Bacteroidota (28,5 %), Proteobacteria (21,4 %), Actinobacteriota (14,2 %), Fusobacteriota (0,6 %), Patescibacteria (0,3 %), Campylobacterota (0,2 %) und Cyanobacteria dominiert (0,2 %). Der methanogene Archaeenstamm Euryarchaeota wurde ebenfalls nachgewiesen, machte jedoch nur 0,05 % der gesamten Mikrobiota aus.

Der Einschluss von Hanfsamenkuchen hatte keinen Einfluss auf die Struktur der Uterus-Mikrobiota-Gemeinschaft (R2 = 0,17; P > 0,05) (Abb. 7A) oder den mikrobiellen Reichtum (P > 0,05) (Abb. 7B). Obwohl die Probengröße gering war, wurden signifikante Unterschiede in der mikrobiellen Vielfalt zwischen den beiden Gruppen festgestellt, wobei Hanffärsen niedrigere Werte für den Shannon-Diversitätsindex aufwiesen (P < 0,05) (Abb. 7B). Der inverse Simpson-Diversitätsindex war im Uterus von Hanffärsen im Vergleich zu Kontrollfärsen ebenfalls tendenziell niedriger (P = 0,068). Hanffärsen hatten im Vergleich zu Färsen der Kontrollgruppe eine größere relative Häufigkeit von Bacteroidota (38,7 % gegenüber 22,3 %) und eine verringerte relative Häufigkeit von Proteobakterien (10,9 % gegenüber 27,7 %) und Campylobacterota (0,04 % gegenüber 0,35 %) (P < 0,05). ) (Abb. 7C).

(A) Diagramm der Hauptkoordinatenanalyse (PCoA) der Bray-Curtis-Unterschiede der Uterusmikrobiota. Der Prozentsatz der durch jedes PCoA erklärten Variation ist auf den Achsen angegeben; (B) Box- und Whisker-Diagramm der Anzahl der ASVs und der Shannon- und inversen Simpson-Diversitätsindizes für die Uterusmikrobiota nach Ernährung am Tag 112 (Schlachtung). Das Kästchen gibt den Interquartilbereich (IQR) an (mittlere 50 % der Daten), die mittlere Linie stellt den Medianwert dar und die Whiskers stellen das 1,5-fache des IQR dar; (C) Gestapeltes Balkendiagramm der 7 relativ häufigsten Bakterienstämme in der Uterusmikrobiota nach Ernährung; „Kontrolle“ bezieht sich auf die Gruppe von Färsen, die 20 % DDGS in ihrer Ernährung erhielten (n = 5), und „Hanf“ bezieht sich auf die Gruppe, die eine Diät mit 20 % Hanfkucheneinschluss erhielt (n = 3).

Wir verglichen auch die gesamte Struktur und Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft und identifizierten einzigartige und gemeinsame ASVs in den Pansenflüssigkeits-, Nasopharynx-, Vaginal- und Uterusabstrichproben (Abb. 8). Wie erwartet wiesen die vier Probentypen unterschiedliche mikrobielle Gemeinschaftsstrukturen auf (PERMANOVA: R2 = 0,28; P < 0,001; Abb. 8A), wobei die Mikrobiota des Pansens und des Nasopharynx am unterschiedlichsten voneinander waren (PERMANOVA: R2 = 0,24; P < 0,001) ( Abb. 8A). Auch die Struktur der vaginalen und uterinen Mikrobiota-Gemeinschaft unterschied sich signifikant voneinander (PERMANOVA: R2 = 0,17; P < 0,001). Obwohl in allen Proben 78.156 ASVs identifiziert wurden, war die überwiegende Mehrheit davon selten, da nur 602 ASVs in mindestens einer Probe von jedem Probentyp gefunden wurden (Abb. 8C).

(A) Diagramm der Hauptkoordinatenanalyse (PCoA) der Bray-Curtis-Unterschiede der nasopharyngealen, ruminalen, vaginalen und uterinen Mikrobiota nach Probenahmetag, sofern zutreffend. Der Prozentsatz der Variation, der durch jede Hauptkoordinate erklärt wird, ist auf den Achsen angegeben; (B) gestapeltes Balkendiagramm der relativ häufigsten Bakterienstämme in diesen mikrobiellen Gemeinschaften; (C) Venn-Diagramm, das die Anzahl gemeinsamer und einzigartiger ASVs in der Nasopharynx-, Pansen-, Vaginal- und Uterus-Mikrobiota unabhängig von der Ernährungsbehandlung anzeigt. Paarweise PERMANOVA-Vergleiche werden in (A) angezeigt. R = Pansen, N = Nasopharynx, U = Gebärmutter, V = Vagina.

Wie in der Heatmap der 100 am häufigsten vorkommenden ASVs (Abb. 9) gezeigt, gab es erhebliche interindividuelle Unterschiede sowohl in der Prävalenz als auch in der Häufigkeit der meisten Taxa, die in der Mikrobiota des Pansens, des Nasopharynx, der Vagina und der Gebärmutter vorhanden sind. Über zwei Dutzend ASVs innerhalb der Prevotella sowie mehrere ASVs, die als Prevotella ruminicola, Muribaculaceae und Bacteroidales identifiziert wurden, wurden häufiger und häufiger im Pansen gefunden, in den Nasopharynxabstrichen fehlten sie jedoch größtenteils. Einige dieser ASVs waren in Vaginal- und Uterusabstrichproben vorhanden, allerdings in geringerer Häufigkeit und Häufigkeit im Vergleich zu den Pansenflüssigkeitsproben. Als Mycoplasma haemobos und Filobacterium identifizierte ASVs kamen größtenteils nur in der nasopharyngealen Mikrobiota vor. ASV72 (Streptomyces), ASV44 und 65 (Arthrobacter pigmenti), ASV71 (Intrasporangiaceae), ASV10 (Cellulomonas hominis) und ASV67 (Corynebacterium crudilactis) waren sowohl im Nasopharynx als auch in der Vagina sehr häufig.

Wärmekarte mit den 100 häufigsten ASVs (log4) insgesamt nach Probentyp.

In mindestens 60 % aller Proben wurden 28 ASVs gefunden (Tabelle 1). Sechs dieser ASVs waren auch in mehr als 80 % der Proben vorhanden. Dazu gehörten ASV8 (Eubacterium coprostanoligenes-Gruppe; 99 % aller Proben), ASV197 (Lachnospiraceae NK3A20-Gruppe; 87 %), ASV43 (Olsenella umbonata; 85 %), ASV27 und 21 (Olsenella spp.) und ASV11 (Succinivibrio spp.) .

Wir identifizierten im Laufe eines 16-wöchigen Fütterungsversuchs Veränderungen in der ruminalen, nasopharyngealen, vaginalen und uterinen Mikrobiota bei Rinderfärsen, denen ein Endfutter mit 20 % Hanfsamenkuchen verabreicht wurde, im Vergleich zu Veränderungen bei Färsen, die 20 % DDGS erhielten. Alle Färsen wirkten während des gesamten Fütterungsversuchs gesund und Färsen, die mit Hanfkuchen gefüttert wurden, konsumierten eine ähnliche Futtermenge und zeigten ein ähnliches Fressverhalten wie Färsen, die mit DDGS gefüttert wurden29. Allerdings führte die Einbeziehung von Hanfkuchen zu einer Verringerung der durchschnittlichen Tageszunahme (ADG), was letztendlich zu einem geringeren Endkörpergewicht bei mit Hanfsamenkuchen gefütterten Färsen führte als bei Kontrollfärsen. Mehrere Faktoren können zu dem in der Hanfgruppe beobachteten verringerten ADG beitragen. Wie in unserer vorherigen Veröffentlichung angegeben, könnte dies auf die höhere Konzentration an Säurewaschmittelfasern zurückzuführen sein, die im Hanfsamenkuchen im Vergleich zu DDGS vorhanden war (16 vs. 11 % auf TS-Basis)29. Ein weiterer Faktor, der mit dem bei mit Hanfkuchen gefütterten Färsen beobachteten geringeren Futter-Zunahme-Verhältnis zusammenhängt, könnte die veränderte Pansenmikrobiota und die anschließende Pansengärung aufgrund der Aufnahme von Hanfsamenkuchen sein, der antinährstoffreiche und antimikrobielle Wirkstoffe enthält18,19,39. Dies wird durch die signifikanten Veränderungen deutlich, die in der Pansenmikrobiota nach der Fütterung mit Hanfsamenkuchen beobachtet wurden (Abb. 2 und 3).

Veränderungen in der Pansenmikrobiota wurden innerhalb einer Woche nach Beginn der Hanfkuchenaufnahme beobachtet, obwohl die Pansenmikrobiota bei diesen reifen (19 Monate alten) Färsen im Vergleich zu jüngeren Kälbern widerstandsfähiger und robuster war40. Ab Tag 42 wurde der Einfluss der Hanfkuchenaufnahme auf die Pansenmikrobiota deutlicher, was sich in den signifikanten Unterschieden in der Struktur, Diversität und Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft zwischen den mit Hanf und DDGS gefütterten Färsen widerspiegelte (Abb. 2 und 3). . Der Verzehr von Hanfkuchen führte zu einer erhöhten mikrobiellen Vielfalt im Pansen (Shannon-Diversitätsindex). Obwohl berichtet wurde, dass die Alpha-Diversitätsmetriken für die Pansenmikrobiota bei Rindern mit hoher oder niedriger Futtereffizienz gleich sind41,42, könnte die erhöhte mikrobielle Diversität im Pansen, die in der Hanfgruppe gemessen wurde, angesichts der bei Hanfsamen beobachteten verringerten ADG negativ mit der Futtereffizienz assoziiert sein mit Kuchen gefütterte Färsen. Die durch den Verzehr von Hanfkuchen hervorgerufenen Veränderungen der Zusammensetzung waren durch eine Zunahme der relativen Häufigkeit von sechs Bakteriengattungen gekennzeichnet (Eubacterium nodatum-Gruppe, Lachnospiraceae UCG-002, Oribacterium, Prevotellaceae UCG-001, Prevotellaceae UCG-004 und Rikenellaceae RC9); Bei den meisten davon wurde berichtet, dass sie einen Zusammenhang (positiv oder negativ) mit der Futtereffizienz bei Rindern haben41,42,43. Beispielsweise berichteten Liu und Kollegen, dass es bei Angus-Färsen mit geringer Restfutteraufnahme (RFI) (bessere Futtereffizienz) eine größere relative Häufigkeit von Lachnospiraceae im Vergleich zu Färsen mit hohem RFI gab41. Es wurde auch berichtet, dass Mitglieder der Darmgruppe Rikenellaceae RC9, Lachnospiraceae und Prevotellaceae in größerer Menge in der Pansenflüssigkeit von Nellore-Ochsen mit geringer Futtereffizienz im Vergleich zu Ochsen mit hoher Futtereffizienz vorkommen42. Die Nellore-Ochsen mit geringer Futtereffizienz hatten auch eine größere Häufigkeit von Succinivibrio-Taxa als Ochsen mit hoher Futtereffizienz. In ähnlicher Weise war die relative Häufigkeit der Rikenellaceae RC9-Darmgruppe sowie der Taxa Prevotella und Succinivibrio negativ mit der Futtereffizienz bei Nellore-Rindern (männlich und weiblich) verbunden43. Somit könnten die 10 Gattungen (Abb. 3), die in der Pansenmikrobiota von Hanf- und Kontrollrindern unterschiedlich häufig vorkamen, mit einer verminderten Futterverdauung und Nährstoffaufnahme verbunden sein, da bekannt ist, dass die meisten dieser Gattungen mit der Futtereffizienz bei Rindern in Zusammenhang stehen . Daher sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die Auswirkungen der Aufnahme von Hanfkuchen in die Ernährung auf die Mitglieder dieser Gattungen und die Fermentationsparameter in vitro zu bewerten.

Die bei Hanffärsen beobachtete signifikante Veränderung der Struktur, Vielfalt und Zusammensetzung der Pansen-Mikrobiota-Gemeinschaft kann auf mehrere im Hanfsamenkuchen enthaltene antimikrobielle Komponenten zurückgeführt werden. Der Ölgehalt (7 %) könnte die mikrobielle Zusammensetzung des Pansens beeinflusst haben, da die antibakterielle Wirkung von Hanföl gegen eine Vielzahl grampositiver Bakterienarten gut dokumentiert ist18,44,45. Darüber hinaus weisen die psychoaktiven Bestandteile und Cannabinoidderivate im Hanfkuchen eine bekannte antimikrobielle Wirkung gegen eine große Anzahl grampositiver und gramnegativer Krankheitserreger auf46 und können im Pansen eine ähnliche Wirkung haben. Insgesamt deuten die Ergebnisse unserer Studie auf die Notwendigkeit weiterer Forschung hin, um die Auswirkungen der Fütterung von Hanfnebenprodukten auf die Darmmikrobiota und Fermentationsparameter zu untersuchen.

Es wurden nur wenige Auswirkungen der Fütterung von Hanfkuchen auf die Mikrobiota der oberen Atemwege beobachtet. Erst am Tag 98 unterschied sich die Gemeinschaftsstruktur der nasopharyngealen Mikrobiota signifikant zwischen den mit Hanf und DDGS gefütterten Färsen. Dies ist eine besonders interessante Beobachtung, da der Einfluss der Ernährung auf die respiratorische Mikrobiota bei Rindern nur selten untersucht wurde. Hall und Kollegen berichteten, dass die Fütterung von mit Selen bioangereichertem Luzernenheu über 9 Wochen zu einer veränderten nasopharyngealen Mikrobiota bei entwöhnten Fleischkälbern führte47,48. Es wurde auch berichtet, dass eine Vitamin- und Mineralstoffergänzung während der ersten 6 Monate der Trächtigkeit einige Veränderungen in der Zusammensetzung der nasopharyngealen Mikrobiota trächtiger Rinderkühe hervorruft31. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass möglicherweise längere Fütterungszeiten erforderlich sind, um ernährungsbedingte Veränderungen der Mikrobiota der Atemwege von Rindern als Reaktion auf die Ernährung zu beobachten.

Die Mikrobiom-Darm-Lungen-Achse könnte ein potenzieller Mechanismus sein, durch den die Aufnahme von Hanfsamenkuchen in die Nahrung die respiratorische Mikrobiota beeinflussen kann49,50. Es ist auch wahrscheinlich, dass sich Änderungen in der Zusammensetzung der Pansengasphase und möglicherweise der Mikroben, die aufgrund der Einnahme von Hanfkuchen mit Pansengas in Verbindung gebracht werden, auf die Mikrobiota der Atemwege ausgewirkt haben, da etwa 70–85 % der aus dem Pansen austretenden Gase davon betroffen sind inhaliert51. Angesichts der Rolle der Atemwegsmikrobiota bei der Aufrechterhaltung der Atemwegsgesundheit und der Widerstandsfähigkeit gegen Atemwegserkrankungen bei Rindern, der teuersten Krankheit in der modernen Mastviehindustrie52,53,54, sind die langfristigen Auswirkungen der Fütterung von Hanfnebenprodukten auf die Atemwegsmikrobiota und Die Lungengesundheit von Rindern sollte untersucht werden.

Diätetischer Hanfkuchen wirkte sich nicht nur auf die Mikrobiota des Magen-Darm-Trakts und der Atemwege aus, sondern auch auf die Mikrobiota im Fortpflanzungstrakt, da wir Veränderungen sowohl in der vaginalen als auch in der uterinen Mikrobiota beobachteten. Die vaginale Mikrobiota bei der Schlachtung (Tag 112) bei Färsen, die mit Hanfsamenkuchen gefüttert wurden, unterschied sich hinsichtlich der Gemeinschaftsstruktur, des mikrobiellen Reichtums und der Zusammensetzung im Vergleich zu den Kontrollfärsen. Der mikrobielle Reichtum in der Vagina war in der Hanfgruppe verringert. Beim Menschen wurde berichtet, dass ein verringerter Reichtum an vaginalen Mikrobiota einen positiven Zusammenhang mit der reproduktiven Gesundheit und Schwangerschaft hat, während ein erhöhter mikrobieller Reichtum in der Vagina bei Frauen festgestellt wurde, die eine Frühgeburt55 oder eine reproduktive Infektion (bakterielle Vaginose) erlitten hatten56,57. Daher könnte die beobachtete Abnahme des Mikrobenreichtums in der Vagina, die mit dem Verzehr von Hanfkuchen einhergeht, ein Indikator für eine gesunde Umstrukturierung innerhalb der vaginalen Mikrobiota sein. Die in der vaginalen Mikrobiota auf Gattungsebene beobachteten Veränderungen in der Zusammensetzung lassen jedoch etwas anderes vermuten, wie die verringerte relative Häufigkeit der vorherrschenden und kommensalen Vaginagattungen wie Clostridium58,59 und Romboutsia31 zeigt. Umgekehrt ist eine erhöhte relative Häufigkeit potenziell pathogener Fusobacterium spp. Bei gefütterten Färsen wurde Hanfkuchen beobachtet.

Zur Gattung Fusobacterium gehören die pathogenen Arten Fusobacterium necrophorum und Fusobacterium nucleatum, die häufig an Fortpflanzungsinfektionen und Aborten sowie an Leberabszessen bei Rindern beteiligt sind60,61,62,63. Unter den anderen Bakteriengattungen, deren relative Häufigkeit in der vaginalen Mikrobiota von Hanffärsen erschöpft war, handelt es sich bei Agathobacter, Negativibacillus und der Gruppe Ruminococcus gauvreauii größtenteils um kommensale Gattungen, die auch dominante Mitglieder der Darmmikrobiota von Rindern64,65 und Menschen66 sind. Die Gattung Paeniclostridium, die die pathogene Art Paeniclostridium sordellii (früher bekannt als Clostridium sordellii) enthält, wird mit dem „plötzlichen Todessyndrom“ bei Mastrindern67, septischem Schock bei Frauen68 und Enterokolitis bei Pferden69 in Verbindung gebracht Die Mikrobiota von mit Hanfsamenkuchen gefütterten Färsen reichen nicht aus, um schlüssige Aussagen über einen positiven oder negativen Einfluss des Verzehrs von Hanfkuchen auf die vaginale Mikrobiota von Färsen zu machen. Zukünftige Studien sind erforderlich, um den Einfluss von Hanfnebenprodukten auf die reproduktive mikrobielle Zusammensetzung zu überprüfen, insbesondere auf pathogene Arten (Trueperella pyogenes, F. necrophorum, F. nucleatum und P. sordellii) sowie reproduktive Gesundheit und Fruchtbarkeit bei weiblichen Rindern.

Die durch den Verzehr von Hanfkuchen beobachteten Veränderungen der vaginalen und uterinen Mikrobiota können auf mehrere Faktoren zurückzuführen sein. Erstens und am wichtigsten ist, dass die Ergänzung mit Hanfkuchen zu Veränderungen der Mikrobenpopulation und der Fermentationsparameter im Darm (Pansen) führte, die zu einem veränderten Metabolitenprofil (z. B. kurzkettige Fettsäuren und Immunmodulatoren) im Blut und/oder in mononukleären Zellen des peripheren Blutes führen können mit bestimmten Bakterien verbunden70. Folglich kann dies die mikrobiellen Gemeinschaften entlang des Fortpflanzungstrakts beeinflussen50. Zweitens könnte der Verzehr von Hanfkuchen die Produktion von Fortpflanzungshormonen beeinflusst haben, von denen bekannt ist, dass sie die vaginale Mikrobiota prägen71,72. Drittens kann die Mikrobiom-Darm-Reproduktionsachse ähnlich wie das respiratorische Mikrobiom mit Veränderungen im Mikrobiom des Fortpflanzungstrakts aufgrund des Verzehrs von Hanfkuchen verbunden sein50. Schließlich könnten Cannabinoid-Derivate in Hanfsamenkuchen angesichts der gut dokumentierten immunmodulatorischen Eigenschaften von Cannabinoiden die Immunzell- und Zytokinprofile im Fortpflanzungstrakt verändert haben73.

Insgesamt deuten die Ergebnisse unserer Studie darauf hin, dass der Verzehr von Hanfkuchen das weibliche Fortpflanzungsmikrobiom beeinflussen kann. Da die in unserer Studie verwendeten Färsen bei der Probenahme für Vaginal- und Uterusabstriche etwa 21 Monate alt waren, ist zu erwarten, dass die Auswirkung der Fütterung von Hanfnebenprodukten auf die genitale Mikrobiota bei jüngeren weiblichen Rindern stärker ist, als dies normalerweise der Fall ist eine weniger robuste und widerstandsfähige reproduktive Mikrobiota im Vergleich zu älteren Rindern74). Die Aufnahme von Hanfsamenkuchen in die Ernährung weiblicher Zuchtrinder kann sich auf die durch das Mikrobiom vermittelte Fortpflanzungsfähigkeit und den Schwangerschaftsverlauf auswirken. Daher sollte auch der Untersuchung der Auswirkungen der Verfütterung von Hanfnebenprodukten in Kuh- und Kälberbetrieben mehr Aufmerksamkeit gewidmet werden.

Das Mikrobiom des Magen-Darm-Trakts ist am häufigsten das Ziel diätetischer Interventionsstudien sowohl bei Nutztieren als auch beim Menschen, da es die größte mikrobielle Gemeinschaft im Wirt darstellt und eine zentrale Rolle im Nährstoffstoffwechsel und der Gesundheit des Wirts spielt. Die Forschung zum Mikrobiom des Atmungs- und Fortpflanzungstrakts konzentriert sich häufiger auf infektiöse Mikroorganismen und Krankheiten, da davon ausgegangen wird, dass Nährstoffeingriffe weniger Auswirkungen auf diese mikrobiellen Ökosysteme außerhalb des Darms haben. Jüngste Erkenntnisse deuten jedoch darauf hin, dass die durch das Darmmikrobiom vermittelte Gesundheit möglicherweise auf der Kommunikation mit verschiedenen Organen im gesamten Körper (z. B. Lunge/Fortpflanzungsorgane/Brustdrüse) beruht50. Es wurde auch vermutet, dass das Darmmikrobiom über die Vermittlung endokriner Systeme entfernte Organe und Stoffwechselwege des Wirts beeinflusst75. Darüber hinaus sind viele im Verdauungstrakt vorkommende Bakterientaxa auch in den Atemwegen und im Fortpflanzungstrakt vorhanden31,75. Dementsprechend stellten wir die Hypothese auf, dass Veränderungen im Darmmikrobiom aufgrund einer diätetischen Behandlung auch mikrobielle Gemeinschaften in anderen Organen beeinflussen können.

Daher untersuchten wir die Auswirkungen der Aufnahme von Hanfsamenkuchen in die Ernährung nicht nur auf die Mikrobiota des Pansens, sondern auch auf die Mikrobiota der Atemwege (nasopharyngeal) und der Fortpflanzung (vaginal und uterin). Die hier in diesen vier mikrobiellen Gemeinschaften als Reaktion auf die Fütterung mit Hanfkuchen beobachteten Veränderungen unterstützen die Existenz einer Verbindung zwischen diesen Mikrobiota, möglicherweise durch Mechanismen, die an den Achsen Mikrobiom-Darm-Atmung und Mikrobiom-Darm-Reproduktion beteiligt sind50. Wie erwartet unterschieden sich Zusammensetzung, Diversität und Struktur der Mikrobiota im Pansen, im Nasopharynx, in der Vagina und im Uterus aufgrund der physiologischen und anatomischen Unterschiede in den Schleimhautoberflächen dieser anatomischen Stellen erheblich voneinander31. Obwohl Pansen, Nasopharynx, Vagina und Gebärmutter drastisch unterschiedliche physiologische und anatomische Eigenschaften aufweisen, haben wir festgestellt, dass 28 ASVs von einem relativ hohen Anteil (60 %) aller Proben gemeinsam waren. Somit könnten diese „Kerntaxa“ an der Erleichterung der Kommunikation zwischen den Darm-, Atmungs- und Fortpflanzungsmikrobengemeinschaften beteiligt sein oder könnten mehrere Wirtsstandorte besiedeln.

Einige der in dieser Studie gemeldeten Beobachtungen können möglicherweise auf den Menschen übertragen werden, da Rinder ähnliche physiologische und entwicklungstechnische Merkmale aufweisen und von Mikroben besiedelt werden, die im Vergleich zu Nagetiermodellen biogeografisch und phylogenetisch denen der menschlichen Mikrobiota ähnlicher sind28. Die hier beobachteten Veränderungen der Mikrobiota des Rinderdarms sowie der Atemwegs- und Fortpflanzungsmikrobiota aufgrund der Fütterung mit Hanfsamenkuchen legen nahe, dass auch die Auswirkungen von Hanfprodukten auf das menschliche Mikrobiom und die Gesundheit untersucht werden sollten. Insbesondere die von uns beobachteten Auswirkungen der Ernährung mit Hanfkuchen auf die vaginale und uterine Mikrobiota unterstreichen die Notwendigkeit zukünftiger Forschung zu den Auswirkungen der Ernährung mit Hanföl und anderen Hanfprodukten auf die Fruchtbarkeit und die reproduktive Gesundheit von Frauen.

In unserer Studie gab es mehrere Stärken und Einschränkungen. Eine der Stärken unserer Studie ist die Längsschnittprobenahme von Pansenflüssigkeit und Nasopharyngealabstrichen, die es uns ermöglichte, alle Veränderungen der Pansen- und Nasopharyngealmikrobiota zu erkennen, die über einen Zeitraum von 98 Tagen als Reaktion auf die Fütterung mit Hanfsamenkuchen auftraten. Eine weitere Stärke liegt in dem ganzheitlichen Ansatz, den wir angewendet haben, um die Auswirkungen der Fütterung von Hanfnebenprodukten nicht nur auf die Darmmikrobiota, sondern auch auf die mikrobiellen Gemeinschaften im Zusammenhang mit den Atemwegen und dem Fortpflanzungstrakt zu bewerten, indem wir Proben an vier verschiedenen Stellen eines einzigen Tieres entnommen haben. Schließlich stammen die Daten zur Aufnahme von Hanfprodukten und zum Mikrobiom, die wir in dieser Studie generiert haben, von Rindern und haben daher einige Auswirkungen auf die Lenkung der Forschung zum Konsum von Hanfprodukten und zum menschlichen Mikrobiom.

Obwohl die Pansen- und Nasopharyngeal-Mikrobiota mehrmals beprobt wurden, wurden die Vaginalabstriche erst am Ende des Fütterungsversuchs entnommen. Aus logistischen Gründen mussten die Vaginalproben über einen Zeitraum von vier Tagen durchgeführt werden, was möglicherweise zu einer größeren interindividuellen Variation geführt hat. Darüber hinaus konnten nur 8 von 31 bei der Autopsie entnommenen Uterusabstrichen sequenziert und in diese Studie einbezogen werden. Daher müssen die Ergebnisse der Uterusmikrobiota mit Vorsicht interpretiert werden. Gebärmutterabstriche bei lebenden Rindern, insbesondere bei jungfräulichen einjährigen Färsen, können invasiv sein und erschweren die Probenentnahme über mehrere Zeitpunkte hinweg. Dennoch konnten wir Unterschiede in der vaginalen und uterinen Mikrobiota zwischen den beiden Behandlungsgruppen feststellen. Zukünftige Studien sind erforderlich, um die Auswirkungen der Fütterung von Hanfsamenkuchen auf die taxonomischen und funktionellen Eigenschaften des reproduktiven Mikrobioms von Rindern in Längsrichtung zu bewerten. Aufbauend auf den Ergebnissen zum Einfluss von Hanfsamenkuchen auf die Zusammensetzung der Pansenmikrobiota und die Gemeinschaftsstruktur sollte außerdem weiter untersucht werden, wie die Einnahme von Hanfsamenkuchen die Funktion des Pansenmikrobioms, die Parameter der Pansenfermentation sowie die mikrobielle Gemeinschaft entlang des Hinterdarms beeinflussen kann unter Verwendung von metagenomischen, metabolomischen und In-vitro-Techniken mit Schrotflinten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Zeitpunkt der Probenahme einen signifikanten Einfluss auf die Struktur der mikrobiellen Gemeinschaft sowohl im Pansen als auch im Nasopharynx hatte. Die Fütterung von Hanfsamenkuchen führte vom 7. bis zum 98. Tag zu erheblichen Veränderungen in der Pansenmikrobiota, einschließlich einer ausgeprägten Gemeinschaftsstruktur, erhöhten Shannon-Diversitätsindexwerten und einer Anreicherung von acht Bakteriengattungen. Hanfsamenkuchen hatte einen geringeren Effekt auf die nasopharyngeale Mikrobiota, aber die mikrobielle Gemeinschaftsstruktur der beiden Rinder der beiden Ernährungsbehandlungsgruppen unterschied sich am Tag 98. Die Struktur, der Reichtum und die Zusammensetzung der vaginalen und uterinen Mikrobiotagemeinschaft wurden ebenfalls durch Hanfsamenkuchen beeinflusst. Darüber hinaus haben wir eine kleine Gruppe von Kerntaxa identifiziert, die von den verschiedenen Probentypen gemeinsam genutzt wurden. Insgesamt deuten die Ergebnisse unserer Längsschnittstudie darauf hin, dass die Fütterung von Hanfnebenprodukten die Darm-, Atmungs- und Fortpflanzungsmikrobiota von Rindern verändern kann. Dieses Ergebnis weist darauf hin, dass künftige Forschungen zur Bewertung der Verwendung von Hanfnebenprodukten in der Viehernährung deren Auswirkungen auf das Tiermikrobiom und die durch das Mikrobiom vermittelte Tiergesundheit und Fortpflanzungseffizienz berücksichtigen sollten. Die Ergebnisse dieser Studie unterstreichen auch den Bedarf an Forschung zur Bewertung der Auswirkungen von Hanf-assoziierten Lebensmitteln und Körperpflegeprodukten auf das menschliche Darm-, Atmungs- und Fortpflanzungsmikrobiom.

Rohsequenzdaten sind im NCBI Sequence Read Archive unter der BioProject-Zugangsnummer PRJNA838018 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/?term=PRJNA838018) verfügbar. Weitere Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, werden in der Arbeit präsentiert.

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Die in dieser Studie vorgestellten mikrobiologischen Arbeiten wurden von der North Dakota Agricultural Experiment Station im Rahmen eines Startpakets für SA finanziell unterstützt. Die Tierbeschaffung und -verwaltung erfolgte teilweise durch eine Kooperationsvereinbarung zwischen der North Dakota State University und dem Landwirtschaftsministerium der Vereinigten Staaten Research Service (58-3060-0-031) und der North Dakota Agricultural Experiment Station. Wir danken den Mitarbeitern des NDSU Beef Cattle Research Complex und der Meat Science Laboratories in der Abteilung für Tierwissenschaften für ihre Unterstützung.

Abteilung für Tierwissenschaften, North Dakota State University, Fargo, ND, 58108-6050, USA

Thomas M. Winders, Carl R. Dahlen und Kendall C. Swanson

Lacombe Research and Development Centre, Agriculture and Agri-Food Canada, 6000 C & E Trail, Lacombe, AB, T4L 1W1, Kanada

Devin B. Holman

Abteilung für Mikrobiologische Wissenschaften, North Dakota State University, Fargo, ND, 58108-6050, USA

Kaycie N. Schmidt, Sarah M. Lücke & Samat Amat

USDA ARS, Edward T. Schafer Agricultural Research Center, Fargo, ND, 58102, USA

David J. Smith

USDA-ARS, US Meat Animal Research Center, Clay Center, NE, 68933, USA

Bryan W. Neville

Zentrum für Ernährung und Schwangerschaft, North Dakota State University, Fargo, ND, 58108-6050, USA

Carl R. Dahlen

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Konzeption der Idee, Gestaltung der Studie und Betreuung – SA, KCS, DJS und BWN; Rindermanagement – ​​TMW, KCS und BWN; Tierpflege und Probensammlungen – TMW, KNS, SA, KCS, CRD und DJS; Probenverarbeitung – KNS, SA und TMW; Datenverarbeitung, Bioinformatik und statistische Analyse – DBH und SA; Verfassen von Manuskripten – SA, TMW; Überprüfung, Bearbeitung und Finalisierung des Manuskripts – SA, DBH, TMW, KCS, SML, DJS, BWN, CRD, KNS; Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Samat Amat.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Winders, TM, Holman, DB, Schmidt, KN et al. Die Fütterung von Hanfsamenkuchen verändert die Darm-, Atmungs- und Fortpflanzungsmikrobiota von Rindern. Sci Rep 13, 8121 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35241-1

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Eingegangen: 08. November 2022

Angenommen: 15. Mai 2023

Veröffentlicht: 19. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35241-1

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