The nasal microbiota under different scenarios associated with polyserositis in piglets

Abstract

La poliserositis és una malaltia freqüent de la producció porcina, principalment en el període post-deslletament, causada per la disseminació sistèmica dels colonitzadors primerencs nasals porcins, principalment Glaesserella parasuis, Mycoplasma hyorhinis o Streptococcus suis. Estudis previs han demostrat el paper de la microbiota respiratòria en el desenvolupament de poliserositis causades per G. parasuis (malaltia de Glässer), però no s’ha estudiat la relació microbiota nasal i altres agents etiològics de la malaltia. En la present Tesi (Estudi I), es va analitzar la composició de la microbiota nasal de garrins de granges amb problemes recurrents de poliserositis associada a M. hyorhinis (MH) o malaltia de Glässer (GD) i es va comparar amb granges sanes (HC). Els animals de les granges MH o GD tenien una microbiota nasal amb una diversitat més baixa que aquells de les HC. La composició de la microbiota nasal dels garrins de les granges MH va ser diferent dels de granges GD suggerint que diferents desequilibris de la microbiota poden predisposar a diferents infeccions sistèmiques. En l’estudi es van trobar variants de seqüències dels patògens associats a la corresponent malaltia, destacant la importància d’estudiar el microbioma amb resolució a nivell de soca. El tractament amb antibiòtics és una estratègia per controlar les malalties bacterianes, però pot tenir un impacte negatiu en la microbiota. En l’Estudi II, es van seguir un lot de garrins fins a les 8 setmanes d’edat per tal d’avaluar l’efecte del ceftiofur en la colonització dels patògens nasals com en la composició de la microbiota nasal, quan el tractament es donava a les mares o als garrins. L’administració de ceftiofur va induir un increment inesperat i temporal de la diversitat alfa al dia 7 degut a la colonització per tàxons ambientals. També va tenir un impacte a la microbiota nasal dels garrins més durader quan va ser administrat a les mares gestants, que quan ho va ser directament a ells. Aquets estudi també va demostrar, la possibilitat de modificar la microbiota nasal del garrí inoculant al naixement, un grup de colonitzadors nasals. La combinació del tractament a les mares amb la colonització dels garrins va reduir els signes clínics durant el període de la transició. Aquest fet es podria explicar per a la reducció de la transferència de patògens des de la mare i a la restauració de la microbiota per part dels colonitzadors. La vacunació és una altre estratègia per controlar les malalties infeccioses, incloent la malaltia de Glässer. En un tercer estudi, es va investigar l’efecte en la microbiota nasal dels garrins de la vacunació de les truges en front a soques virulentes de G. parasuis. En aquest estudi, es va trobar que la composició de la microbiota nasal era diferent entre garrins nascuts de mares vacunades i els de no vacunades. També, el grup vacunat tenia una diversitat més baixa i una forta divergència envers al grup no vacunat en la diversitat beta. Aquest estudi també va descriure que la vacunació de mares tenia un efecte important en la microbiota dels garrins que anava més enllà del patògen d’interés. Els mecanismes darrera aquests canvis podrien incloure alteracions a la xarxa de la microbiota deguts a la eliminació dels patògen i/o canvis nivell immunològics. En conjunt, aquesta dissertació destaca la importància de compendre el paper de la microbiota nasal dels garrins en relació a la prevenció i control de les poliserositis en la producció porcina. La present tesis també ofereix informació relevant sobre l’impacte del tractament antibiòtic i de la vacunació de les truges en la microbiota nasal dels garrins i suggereix potencials intervencions de la microbiota per millorar la salut dels animals.

La poliserositis es una enfermedad común en la producción porcina, principalmente tras el destete. Esta enfermedad está causada por la diseminación sistémica por los colonizadores tempranos del tracto respiratorio superior del cerdo, principalmente Glaesserella parasuis, Mycoplasma hyorhinis o Streptococcus suis. Estudios previos han demostrado el papel de la microbiota respiratoria en el desarrollo de la poliserositis causada por G. parasuis (enfermedad de Glässer), pero no se ha estudiado la relación de la microbiota nasal con los demás agentes etiológicos de esta enfermedad. En la presente Tesis (Estudio I), se analizó la composición de la microbiota nasal de lechones de granjas con problemas recurrentes de poliserositis asociada a M. hyorhinis (MH) o enfermedad de Glässer (GD) y se comparó con granjas sanas control (HC). Los animales de granjas HM o GD tenían una menor diversidad en la microbiota nasal que los de las granjas HC. Curiosmanete, la composición de la microbiota nasal de los lechones de las granjas MH fue diferente a la de los animales provenientes de las granjas GD. Estos resultados sugieren que distintos desequilibrios de la microbiota pueden predisponer a infecciones sistémicas diferentes. Además, se encontraron variantes de secuencias de los patógenos que se asociaron con la enfermedad correspondiente, destacando la importancia de estudiar el microbioma a nivel de cepa. Los antibióticos se usan comúnmente para el control de las infecciones bacterianas, pero pueden tener un impacto negativo sobre la microbiota. En el Estudio II, un lote de lechones se siguió durante las primeras 8 semanas de vida para evaluar el efecto del ceftiofur en la colonización nasal de los patógenos, así como en la composición de la microbiota nasal, cuando el tratamiento se administró a cerdas o a sus camadas. La administración de ceftiofur indujo un aumento temporal inesperado en la diversidad alfa al día 7 debido principalmente a la colonización por taxones ambientales. Además, este tratamiento con antibióticos tuvo un impacto más prolongado cuando se administró a las cerdas que directamente a los lechones. Se demostró también, por primera vez, la modificación de la microbiota nasal mediante la inoculación de colonizadores nasales al nacimiento. La combinación del tratamiento de las cerdas y la colonización de lechones resultó en menos signos clínicos durante la transición. Esto se podría explicar por una reducción en la transferencia de patógenos desde las cerdas (debida al tratamiento con antibióticos) y la restauración de la microbiota por los colonizadores. La vacunación es otra estrategia para controlar las enfermedades infecciosas, incluida la enfermedad de Glässer. La vacunación de cerdas contra cepas virulentas de G. parasuis modificó la microbiota nasal de sus crías (Estudio III). La composición de la microbiota nasal del grupo vacunado mostró una menor diversidad y una fuerte divergencia respecto al grupo control en el análisis de diversidad beta. Este estudio también mostró que el efecto de la vacunación de las cerdas fue más allá de la reducción del patógeno frente al cual la vacuna iba dirigida. Los mecanismos subyacentes a estos cambios podrían incluir la alteración de la red de microbiota debido a la eliminación del patógeno y/o a cambios inmunológicos. En conjunto, esta disertación destaca la importancia de comprender el papel de la microbiota nasal de los lechones en relación con la prevención y el control de la poliserositis en la cría de cerdos. La presente Tesis también proporciona información relevante sobre el impacto del tratamiento con antibióticos y la vacunación de las cerdas en la microbiota nasal de los lechones y sugiere intervenciones de la microbiota para mejorar la salud del animal.

Polyserositis is a common disease during the postweaning period of swine production, mainly caused by systemic invasion of the early colonizers of the upper respiratory tract Glaesserella parasuis, Mycoplasma hyorhinis or Streptococcus suis. Previous studies have demonstrated the role of the respiratory microbiota in the development of the polyserositis caused by G. parasuis (Glässer’s disease), but the relation of the nasal microbiota with the other etiological agents of this disease has not been studied. In the present Thesis (Study I), the composition of the nasal microbiota of piglets from farms with recurrent problems of polyserositis associated with M. hyorhinis (MH) or Glässer’s disease (GD) was analyzed and compared to piglets from healthy control farms (HC). Animals from MH or GD farms had a nasal microbiota with lower diversity than those from the HC farms. Interestingly, the composition of the nasal microbiota of piglets from MH farms was different from the one of animals from GD farms. These results suggested that divergent microbiota imbalances may predispose the animals to different systemic infections. In addition, the sequence variants of the pathogens associated with the corresponding disease were detected, highlighting the importance of studying the microbiome at strain-level resolution. Antibiotic treatment is a strategy to control bacterial diseases, but it may have a negative impact on the microbiota. In Study II, piglets were followed from birth to 8 weeks of age (lactation to nursery) to assess the effect of ceftiofur on the pathogen’s nasal colonization, as well as on the nasal microbiota composition, when the treatment was administered to pregnant sows or their newborn piglets. The administration of ceftiofur induced an unexpected temporary increase in alpha diversity at day 7 mainly due to colonization by environmental taxa. Moreover, this antibiotic treatment had a longer impact on the nasal microbiota of piglets when administered to the sows before farrowing than directly to them. This study also demonstrated, for the first time, the possibility of modifying the piglet nasal microbiota by inoculating, at birth, a pool of nasal colonizers. The combination of sow treatment and colonization of piglets resulted in lower clinical signs during the nursery period. This can be probably explained by a reduction of pathogen transfer from the sows (due to the antibiotic treatment) and restoration of the altered microbiota by the beneficial colonizers. Vaccination is another strategy to control diseases, including Glässer’s disease. A third study investigated the effect of sow vaccination against virulent strains of G. parasuis on the nasal microbiota of their offspring. This study found that the composition of the nasal microbiota was different between piglets born to vaccinated or unvaccinated sows, with lower diversity in the vaccinated group and a strong clustering of the groups in beta diversity analysis. This study also reported that vaccination of the sows had a large effect on the microbiota composition of their offspring that went beyond the effect on the targeted pathogen. The mechanisms underneath these changes may include alteration of the microbiota network due to the elimination of the targeted pathogen and/or immunological changes. Taken together, this dissertation highlights the importance of understanding the role of the nasal microbiota of piglets in the prevention and control of polyserositis disease in swine farming. The present Thesis also provides relevant insights into the impact of antibiotic treatment and sow vaccination on the piglet nasal microbiota and suggests potential strategies for microbiota interventions to improve animal health.