Introduzione

Le vacche da latte si sono evolute attraverso uno stretto rapporto simbiotico con un vasto insieme di microbi del rumine (il microbiota). Questi microbi conferiscono ai bovini da latte importanti capacità metaboliche tra cui quella di digerire alimenti ricchi di cellulosa  per convertirli in una vasta gamma di composti importanti per la manutenzione del corpo e la produzione di latte. Mantenere un  microbiota ruminale stabile e sano è essenziale anche per il mantenimento delle vacche in salute (Nocek 1997. Emmanuel et al 2008) e per produrre latte di elevata qualità (Jenkins e McGuire 2006). I sistemi di gestione dei prodotti lattiero-caseari intensivi di oggi incoraggiano l’inserimento di grandi quantità di cereali nella dieta di bovini da latte per sostenere un’elevata produzione di latte di alta qualità e migliorare l’efficienza economica. L’orzo è un cereale caratterizzato da una rapida degradazione del suo amido nel rumine e viene ampiamente utilizzato nel Canada occidentale e altrove come una delle principali componenti energetiche nella dieta delle vacche da latte (15-40% nella dieta sostanza secca) e dei bovini da carne (40-85%). Tuttavia, questa pratica alimentare spesso porta all’accumulo di grandi quantità di acidi grassi a catena corta (SCFA) e l’acidificazione del fluido ruminale. Questo spesso crea una condizione patologica comunemente indicata come acidosi ruminale acuta o sub-acuta (ARA o SARA; Nocek 1997). Comunque, le diete ricche di carboidrati molto degradabili sono associate con le principali modifiche al microbiota ruminale e sono causa di cambiamenti significativi delle vie metaboliche del rumine (Tajima et al 2000;. Khafipour et al 2009). Diverse evidenze supportano il ruolo che ha un metabolismo ruminale alterato (a causa di razioni con molti cereali autunno-vernini e relativamente basso contenuto di fibre) nello sviluppo di diverse condizioni patologiche tra cui la laminite (Nocek 1997), la lipidosi epatica (Ametaj et al. 2005), l’ infiammazione sistemica (Emmanuel et al 2008) e la sindrome della depressione del grasso del latte (Jenkins e McGuire 2006; Zebeli e Ametaj 2009). Anche se le interrelazioni tra metabolismo del rumine e lo stato di salute dell’ospite sono state ampiamente chiarite non è ancora chiaro quali dei composti generati dall’attività del microbiota ruminale, in condizioni di stress indotto dalla dieta (ad esempio l’alimentazione alta di cereali) siano significativi per la salute della bovina. Inoltre si sa poco delle variazioni microbiche sul metabolismo ruminale con concentrazioni crescenti di cereali nella dieta. Finora, la maggior parte degli studi convenzionali sul metabolismo ruminale si sono concentrati sugli effetti della dieta su una singola classe di composti del rumine, come gli acidi grassi a corta catena (SCFA) e non hanno tentato una caratterizzazione metabolomica completa del rumine delle bovine da latte. La metabolomica è un settore emergente delle cosiddette “scienze omiche ” che utilizzano approcci “high-throughput”, come ad esempio la spettroscopia H-NMR accoppiata con l’analisi multivariata, per estrarre informazioni metaboliche complete e misurare fenotipi metabolici nei mammiferi, piante e microbi (Vinayavekhin et al., 2010). La metabolomica ha aperto nuove prospettive nel campo della ricerca nutrizionale permettendo agli scienziati di esplorare le vie metaboliche complesse in risposta alla dieta (Wishart 2008a). A nostra conoscenza solo pochi studi hanno utilizzato le moderne tecniche di metabolomica per risolvere i problemi nutrizionali dei ruminanti. Uno studio ha esaminato gli effetti dell’infusione intra-ruminale di SCFA in giovenche non allattanti (Bertram et al. 2005). Un altro studio ha esaminato il metabolismo del tessuto epiteliale ruminale di vitelli appena nati (Bertram et al. 2009) e un terzo studio ha utilizzato la metabolomica  per osservare la qualità del latte commercializzato (Boudonck et al. 2010). Recenti ricerche hanno anche dimostrato che la metabolomica può essere utilizzata per caratterizzare i profili metabolici a livello intestinale. Questi studi permettono di esplorare la complessità simbiotica tra l’ospite e il suo microbiota e com’è influenzata dalla dieta e di rimuovere gli effetti della dieta sullo sviluppo delle malattie metaboliche (Dumas et al. 2006). Dato questo potenziale abbiamo ipotizzato che l’uso della metabolomica fornirebbe una visione più completa sui cambiamenti del metabolismo ruminale a dosi crescenti di cereali ad alta degradabilità. Tale studio potrebbe migliorare la nostra comprensione del metabolismo del rumine legato alla dieta e dare ulteriori indicazioni circa le associazioni metabolita/malattia nei bovini da latte. Per questa indagine abbiamo usato la spettroscopia H-NMR  con statistiche multivariate per determinare l’influenza  alimentare di  grandi quantità  orzo sui metaboliti ruminali nelle bovine in lattazione.

Abstract

Questo studio presenta la prima applicazione della metabolomica per valutare le variazioni dei metaboliti ruminali delle vacche da latte alimentate con concentrazioni  crescenti  d’ orzo (vale a dire, 0, 15, 30, e il 45% della sostanza secca nella dieta). E’ stata utilizzata la spettroscopia  H-NMR per analizzare i campioni di liquido ruminale che rappresentano le 4 diverse diete. I risultati hanno mostrato che nelle vacche alimentate con il  30% e il 45% d’orzo sono stati osservati aumenti della concentrazione  ruminale di metilammina , glucosio, alanina, maltosio, propionato, uracile, valerato, xantina, etanolo e fenilacetato. Questi studi hanno anche rivelato una minore concentrazione ruminale di 3-fenilpropionato nelle bovine nutrite con una maggiore quantità di cereali. Inoltre i test ANOVA hanno mostrato incrementi notevoli nella concentrazione ruminale di N-nitrosodimetilammina, dimetilammina, lisina, leucina, phenylacetylglycine, nicotinato, glicerolo, fumarato, butirrato e valina nelle  diete ricche di cereali. Utilizzando le analisi delle componenti principali è stato trovato anche che ciascuno dei 4 gruppi a cui sono state assegnate  diete diverse potrebbe essere individuato sulla base dei metaboliti misurati nel rumine. I due gruppi simili corrispondevano a diete con orzo allo 0 e 15% mentre diete al 45% d’orzo danno valori significativamente diversi . Livelli elevati  di metaboliti potenzialmente tossici sono stati trovati nel rumine di bovine alimentate con diete al 30 e 45% di cereali. Questi risultati possono avere una serie di implicazioni per quanto riguarda l’influenza dei  cereali sulla salute generale delle vacche da latte.

 

B.N. AMETAJ ED AL. METABOLOMICS REVEALS UNHEALTHY ALTERATIONS IN RUMEN METABOLISM WITH INCREASED PROPORTION ON CEREAL GRAIN IN DIET OF DAIRY COWS. Metabolomics (2010) 6: 583-594