Genetic determinism of meat rabbit cecal microbiota and its role in the host’s feed efficiency

Abstract

Un dels majors reptes del segle present és el desenvolupament d’estratègies que permetin satisfer la creixent demanda de proteïna animal derivada de l’accelerat creixement de la població mundial. Aquestes estratègies han d’enfocar-se en la producció de major quantitat de proteïna minimitzant els inputs i l’impacte ambiental. L’eficiència alimentària és un fenotip fonamental per abordar aquest repte donat que les despeses de l’alimentació suposen el percentatge més important dels costos totals de la producció cunícola. Els treballs inclosos en la present tesi han generat coneixement sobre la microbiota intestinal del conill de carn: un nou fenotip relacionat amb la variació individual de l’eficiència alimentària. L’estudi de la influència de diferents factors ambientals i de la base genètica d’aquest fenotip ha permès, a més d’explorar el paper de l’eficiència alimentària de l’hoste, aprofundir en la compressió dels seus mecanismes biològics subjacents i explorar la possibilitat de predir i/o millorar aquest fenotip tan complex. En el primer treball, mitjançant l’amplificació i seqüenciació del gen 16S rRNA, es van caracteritzar les comunitats microbianes presents en el cec i les femtes de 21 llorigons sotmesos a dos règims alimentaris diferents. Aquesta anàlisi va revelar la predominança dels fílums bacterians Firmicutes (76%), Tenericutes (8%) i Bacteroidetes (7%). Malgrat no es van trobar variacions en termes de riquesa ni diversitat microbiana entre ambdós orígens mostrals, si es van trobar diferències composicionals en un elevat nombre de taxons microbians. En el segon treball es va avaluar la influència de l’ambient ofert per dues granges diferents, l’administració d’antibiòtics i el nivell d’ingesta sobre la composició i diversitat de les comunitats microbianes cecals de 425 llorigons. Tot i que els resultats van determinar que el major impacte és exercit per l’entorn ambiental, es van evidenciar diferències composicionals en l’abundància de certs microorganismes degut a l’efecte dels altres factors estudiats. Aquest estudi destaca la importància d’oferir un ambient controlat que minimitzi alteracions en la microbiota cecal que potencialment poguessin afectar el rendiment productiu. En el tercer treball es van plantejar nous enfocaments basats en el model animal i definicions originals de la matriu de semblança basada en relacions microbianes que van permetre determinar que una proporció important de la variància fenotípica de diferents caràcters relacionats amb l’eficiència alimentària és atribuïble a la microbiota cecal. A més a més, considerar la informació microbiana va suposar una millora significativa de la capacitat predictiva dels models, inclús per a fenotips col·lectius en els que la microbiota cecal no havia estat caracteritzada en tots els individus implicats en el registre. En el quart treball es va evidenciar, utilitzant el factor de Bayes com a mesura de rellevància estadística, que la microbiota cecal del conill està sota control genètic de l’hoste. L’evidència d’aquest control fou decisiva pels gèneres Bacteroides, Parabacteroides, Dehalobacterium i Butyricimonas per als que es van estimar heretabilitats de 0,27-0,35. En l’últim treball es va recórrer a un estudi de simulació que va evidenciar el limitat poder estadístic de les dades disponibles (412 llorigons) per a la detecció de regions genòmiques implicades en la variació de la microbiota cecal del conill emprant estudis d’associació de genoma complet. Malgrat aquestes limitacions, cautament es van declarar més de 300 variants distribuïdes al llarg de 10 cromosomes com associades a la variació de 19 caràcters microbians. Es van proposar, donada la seva implicació en processos metabòlics i immunològics, 44 gens dins d’aquestes regions com a candidats en la modulació de la microbiota cecal. Aquestes troballes demostren la contribució del sistema hoste-microbiota-ambient sobre l’eficiència alimentària i estableixen les bases d’una nova línia d’investigació d’interès científic i pràctic per a la indústria cunícola.

One of the biggest challenges of this century is to develop strategies that satisfy the increasing demand for animal protein resulting from the rapidly growing world population. Such strategies must focus on producing more protein-rich food while using fewer inputs and minimizing environmental impact. Feed efficiency is a crucial phenotype to address this challenge since food expenses represent the most significant proportion of the total costs in the meat rabbit industry. The articles included in the present thesis have generated knowledge about the meat rabbit intestinal microbiota: a new phenotype related to individual variation in feed efficiency. The study of the influence of different environmental factors and the genetic determinism of this phenotype has allowed investigating its role in the host’s feed efficiency, unraveling its underlying biological processes, and exploring the possibility of predicting and improving such a complex phenotype. In the first study, an assessment of the microbial populations inhabiting the rabbit cecum and hard feces of 21 young specimens subjected to two different feeding regimes was performed through sequencing of 16S rRNA gene amplicons. The results of such analysis revealed a predominant presence of bacterial phyla Firmicutes (76%), Tenericutes (8%), and Bacteroidetes (7%). Although no variations in terms of microbial richness and diversity were found between both sampling origins, compositional differences for the relative abundance of a large number of taxa were revealed. The second study evaluated the influence of the environment offered by two different facilities, the administration of antibiotics and the level of feeding on the cecal microbial diversity and composition of 425 kits. Although results determined that the farm environment exerted the largest impact, the other analyzed factors shaped the relative abundances of certain microorganisms. This study highlights the importance of offering a controlled breeding environment that minimizes cecal microbiota alterations that could potentially affect animal performance. In the third study, original approaches based on the traditional animal mixed model and alternative definitions and expansions of the microbial relationship matrix were proposed. Such approaches enabled us to determine that an important proportion of the phenotypic variance of traits related to feed efficiency is attributable to cecal microbiota. Moreover, the inclusion of microbial information significantly increased the predictive capacity of the models, even for cage-average phenotypes on which cecal microbiota had not been characterized in all the individuals involved in the record. In the fourth study, the use of the Bayes factor as a measure of statistical relevance demonstrated that rabbit cecal microbiota is under host genetic control. The evidence of such control was decisive for genera Bacteroides, Parabacteroides, Dehalobacterium, and Butyricimonas for which heritability estimates were 0.27-0.35. In the last study, a simulation highlighted the limited statistical power of the available data (412 kits) to detect genomic regions responsible for the variation of rabbit cecal microbiota through genome-wide association studies. Despite these limitations, more than 300 variants spread across 10 chromosomes were cautiously declared to be associated with the variation of 19 microbial traits. Given their implication in metabolic and immunological processes, 44 genes within these regions were proposed as candidates for the modulation of cecal microbiota. These findings demonstrate the contribution of the holobiont system (host-gut microbiota-environment) to rabbit feed efficiency and lay the foundations for a new line of research of scientific and practical interest for the meat rabbit industry.