Wheat bran modifies the microbial population and enhances gut fermentation in the gastrointestinal tract of post-weaning piglets

Abstract

L'objectiu de la present tesis fou estudiar si la incorporació d'ingredients fibrosos a la dieta de garrins recent deslletats, era una bona estratègia per minimitzar els desordres intestinals que normalment ocorren durant l'etapa post¬deslletament, i d'aquesta manera facilitar l'adaptació digestiva dels animals en les següents etapes de creixement. Per aconseguir aquest objectiu, es dissenyaren quatre proves (capítols 4 a 7) experimentals.<br/>En la Prova 1 (Molist et al., 2009a), primer de tot volíem confirmar uns resultats preliminars obtinguts en una prova anterior on s'havia observat un major creixement dels animals quan una font de fibra insoluble (segó de blat, WB) fou introduïda en una dieta de garrins post-deslletament. Al mateix temps, també volíem analitzar si aquest tipus de fibra insoluble era adequada per aquest període de creixement dels animals, o si per contra, era més interessant incorporar un tipus de fibra soluble (com la polpa de remolatxa, SBP). L'objectiu de l'estudi era explorar l'efecte d'incloure dos tipus diferents de fonts de fibra (WB, insoluble i SBP, soluble) sobre el creixement, les característiques físico-químiques de la digesta i l'activitat metabòlica i la composició de la microbiota intestinal. Els resultats mostraren que la fermentació intestinal fou baixa durant la primera setmana post-deslletament. L'addició de WB o WB i SBP en la dieta incrementaren la fermentació intestinal i la concentració d'àcid butíric en la digesta cecal juntament amb una reducció de la població d'enterobactèries en les femtes. La conclusió de l'estudi fou que el consum d'un tipus de fibra insoluble durant els primers dies després del deslletament (ja sigui WB o WB-SBP) modifica les característiques físico-químiques de la digesta i afecta la colonització microbiana a l'intestí gros. També especularem que els efectes observats amb la inclusió de WB podrien està relacionats amb: 1.- canvis en les característiques físico-químiques de la digesta, tals com una majora capacitat de retenció d'aigua (WRC) i una major fermentació de la digesta intestinal, 2.- un efecte físic relacionat amb la mida de partícula gran o 3.- una reducció del temps de trànsit de la digesta intestinal. <br/> En la Prova 2 (Molist et al., 2009b), es volia confirmar la reducció de la població d'enterobactèries promoguda pel WB, i la seva capacitat per reduir els desordres digestius front a una infecció experimental amb E. coli K88. A més a més, es volia clarificar si aquest efecte observat amb la introducció de WB en la dieta estava relacionat amb la seva mida de partícula. Els resultats obtinguts confirmaren que la inclusió de WB reduïa la població de E. coli en la digesta ileal, i encara més interessant, també reduïa l'adhesió del E. coli K88 a la mucosa ileal. Al mateix temps, el WB amb mida de partícula grollera reduí la diversitat de la microbiota intestinal en comparació amb el WB molturat. <br/>La tercera prova (Prova 3, Molist et al., 2010a) fou dissenyada per esbrinar si els efectes positius del WB sobre la microbiota intestinal es devien a un efecte del WB sobre el trànsit intestinal dels animals. La hipòtesi del treball fou que la incorporació de WB en la dieta podia estimular el trànsit intestinal i reduir la paràlisis de la digesta intestinal dels garrins, causada per l'anorèxia que pateixen els animals en el període post-deslletament. En aquest experiment, el WB fou comparat amb un fàrmac que s'utilitza en medicina humana per tractar la diarrea que al mateix temps redueix el trànsit intestinal (loperamida). Els resultats de nou mostraren els efectes del WB sobre les característiques físico-químiques de la digesta (increment de la WRC) i la promoció de la fermentació intestinal (incrementant la concentració d'àcid butíric i disminuint la concentració dels isoàcids en la digesta intestinal). De forma inesperada, la loperamida incrementà el consum d'aliment i el creixement dels animals. Suggerírem que aquest efecte estava relacionat amb l'efecte analgèsic i l'activitat opioide d'aquest fàrmac en el tracte intestinal. No poguérem confirmar si el WB reduí el temps de trànsit intestinal o el possible rol que juga la modificació del temps de trànsit intestinal sobre els canvis de la microbiota intestinal. <br/>En l'última prova (Prova 4, Molist et al., 2010b) la intenció era confirmar tots els resultats previs (reducció de la població d'enterobactèries i increment de la concentració d'àcid butíric) en un comparació entre la incorporació de WB amb la inclusió d'òxid de zinc (ZnO) en la dieta. El ZnO és un ingredient àmpliament utilitzat en les dietes post-deslletament pel seu efecte antimicrobià similar al que s'obtenia amb la incorporació d'antibiòtics promotors de creixement (AGP) en el pinso, i per tant oposat a l'efecte promogut per la incorporació de fibra en la dieta. A més a més, considerant els resultats observats sobre la reducció de l'adhesió del E. coli K88 a la mucosa ileal promogut per l'addició de WB, es volia clarificar si el WB també podia exercir un efecte físic i blocar l'adhesió del E. coli K88 a la mucosa. Els resultats foren una mica sorprenents perquè s'observà una interacció negativa entre el WB i el ZnO sobre la microbiota intestinal. Aquesta interacció negativa s'associà a la presència de fitats en la dieta. Aquests resultats posaren de relleu la recomanació d'incorporar enzims (fitases) en les dietes després del deslletament amb l'objectiu d'incrementar la biodisponibilitat del zinc de la dieta. També detectarem una alta habilitat de la fracció soluble extreta del WB d'unir-se al E. coli K88 in-vitro. Aquest resultat ens permet suggerir que part dels efectes positius sobre la microbiota intestinal observats amb la incorporació de WB en la dieta eren deguts entre altres factors, a la seva capacitat de blocar l'adhesió de E. coli patògens a la mucosa intestinal. <br/>Els resultats exposats en la present tesis, avalen l'estratègia d'incloure un nivell moderat de fibra (>60 g FND/kg per porcs entre 6 - 12 kg) en les dietes post-deslletament. Els resultats obtinguts mostren els efectes positius derivats de la inclusió d'una font de fibra insoluble, com WB, en la modificació de l'ambient intestinal i la instauració d'una microbiota saludable. Aquests efectes beneficiosos observats amb l'addicció de WB s'associaren a modificacions en les característiques físico-químiques de la digesta (increment de la WRC de la digesta) i amb la seva habilitat per blocar l'adhesió del E. coli a la mucosa ileal. Tot i així, el contingut en fitats d'aquest ingredient pot reduir la biodisponibilitat i l'eficàcia del ZnO en la dieta, fins i tot quan es subministra a dosis terapèutiques. És per aquest motiu que proposem considerar l'addició de fitases en dietes post-deslletament a base de cereals per: 1.- incrementar la biodisponibilitat de Zn, 2.- mantenir els efectes beneficiosos relacionat amb la inclusió de ZnO o WB en la dieta, o 3.- reduir la dosis de ZnO en la dieta.

The objective of this thesis was to study whether the incorporation of fibrous ingredients in the diet of piglets would minimize the intestinal disorders that usually occur during the early period after weaning and facilitate the adaptation of the digestive system of the animals in the subsequent growing periods. To achieve this goal, four trials (chapters 4 to 7) were designed. <br/>In Trial 1 (Molist et al., 2009a), we first wanted to confirm some preliminary positive results associated with a higher growth rate of the animals obtained when an insoluble fibre source (wheat bran, WB) was introduced in post-weaning diets. At the same time, we wanted to assess whether this type of fibre source was appropiate for this period, or whether it would be more advantageous to incorporate a soluble fibre source (such as the sugar beet pulp, SBP). The study aimed to explore the effects of including two fibre sources (WB, insoluble and SBP, soluble) on the performance, the physicochemical properties of digesta and the metabolic activity and composition of the intestinal microbiota. Results showed that intestinal fermentation was low during the first week after weaning. The addition of WB or WB plus SBP in the diet increased intestinal fermentation and the concentration of butyric acid in the caecum digesta, and reduced the enterobacteria population in faeces. It was concluded that consumption of an insoluble fibre source during the first days after weaning (either WB or WB-SBP) modifies the physicochemical properties of digesta and affects the microbial colonization in the hindgut. We also speculated that the effects observed with the inclusion of WB could be associated with: 1.- changes in the physicochemical properties of digesta, such as the higher water retention capacity (WRC) and fermentation promoted in digesta, 2.- a physical effect related to its larger particle size or 3.- a reduction in the transit time of digesta. <br/>In Trial 2 (Molist et al., 2009b), we wanted to confirm the referred reduction of the enterobacteria population promoted by WB, and its likely ability to reduce digestive disturbances after an experimental infection with E. coli K88. In addition, we wanted to clarify whether this effect of WB was related to its particle size. The results confirmed that WB inclusion reduced the <br/>E. coli population in the ileum digesta and, more interesting, also reduced the E. coli K88 attachment to the ileum mucosa. Coarse particle size reduced the microbial diversity compared to finely milled WB. <br/>The third trial (Trial 3, Molist et al., 2010a) was designed to elucidate whether the positive effects of WB on the intestinal microbiota could be due to an effect of WB on the intestinal transit of the animals. Our hypothesis was that incorporation of WB in the diet could stimulate the intestinal transit and so reduce the intestinal stasis of digesta in the piglets provoked by post-weaning anorexia. In this experiment, WB was compared with a drug used in human medicine to treat diarrhoea that slows the intestinal transit (loperamide). The results again showed the effects of WB on the physicochemical properties of digesta (increasing WRC) and the enhancement of gut fermentation (increasing butyric acid and lowering isoacid concentration associated to gut fermentation). Unexpectedly, loperamide increased the feed intake and animal growth. We suggested that this effect could be associated to its analgesic effect on and opioid activity in the intestinal tract. We were not able to confirm if WB reduced the intestinal transit time or the likely role of the modification of the intestinal transit time in the changes in intestinal microbiota. <br/>The last trial (Trial 4, Molist et al., 2010b) intended to confirm all the previous results (the reduction of enterobacteria population and increasing the butyrate concentration) in a comparison between the incorporation of WB with the inclusion of zinc oxide (ZnO) in the diet. ZnO is a widely used ingredient in post-weaning diets producing antimicrobial effects resembling those of the antibiotic growth promoters (AGP) and therefore opposed to the inclusion of fibre in the diet. In addition, and considering the previous observed effects on the E. coli K88 adhesion to the ileum mucosa, we wanted to clarify whether WB could have a physical role on the blockage of the adhesion of E. coli K88 to the mucosa. The results were quite surprising because a negative interaction between WB and ZnO was observed on the intestinal microbiota, which was associated to the presence of phytates in the diet. These results highlighted the recommendation of incorporating enzymes (phytases) in the post-weaning diets in order to increase the bioavailability of zinc. We also detected a high ability of soluble WB extract to bind E. coli K88 in-vitro, which suggests that part of the positive effects on the intestinal microbiota reported with the WB inclusion were due to its ability to block the adhesion of pathogenic E. coli to the intestinal mucosa. <br/>Results exposed in this thesis, support the strategy of including a moderate amount of fibre (>60 g NDF/kg for pigs between 6 - 12 kg) in the diets of early weaned pigs. Our results show the positive effects of including an insoluble source, such as WB on the modification of the intestinal environment and the instauration of a healthy microbiota. These beneficial effects of WB inclusion were associated to changes on the physicochemical properties of digesta (like an increasing WRC of the digesta) and with its ability to block E. coli attachment to the ileum mucosa. However, the presence of phytates in this ingredient may also reduce the availability and efficacy of ZnO in the diet, even when it is provided at therapeutic doses. We propose the consideration of the inclusion of phytase in the post-weaning cereal based diets in order to: 1.- increase Zn biovailability, 2.- maintain the beneficial effects related to ZnO or WB inclusion, or 3.- reduce the therapeutic doses of ZnO in the diet.