Particularités du microbiote et son activité lors de la déviation de la biohydrogénation ruminale de l'acide linoléique de la voie trans-11 à la voie trans-10

La biohydrogénation (BH) ruminale des acides gras polyinsaturés (AGPI) est à l'origine de la production d'intermédiaires trans retrouvés dans les productions de ruminants (essentiellement le lait). Il existe deux voies de BH produisant des acides gras (AG) trans qui auraient des propriétés différentes : les isomères t11 auraient des effets bénéfiques pour la santé des consommateurs et les isomères t10 seraient responsables d'une forte diminution du taux butyreux du lait, représentant une contrainte majeure pour les éleveurs. Dans des conditions physiologiques normales, la voie t11 est fortement majoritaire, par contre avec des rations à base d'ensilage de maïs, riches en concentrés et surtout si elles comprennent des suppléments lipidiques riches en AGPI, une déviation de la voie t11 à la voie t10 peut se produire avec une augmentation significative des isomères t10 au détriment des isomères t11. L'objectif de cette thèse est d'expliquer les modalités de cette déviation, afin de mieux la maîtriser en élevage. Nos travaux permettent de conclure que les facteurs alimentaires de maîtrise de la déviation de la voie t11 vers la voie t10, sont la teneur en amidon rapidement fermentescible et la teneur en c9,c12-C18:2. Lorsque la quantité de c9,c12-C18:2 présente dans le rumen est faible, même avec une ration riche en amidon et un pH bas dans le rumen, la déviation n'a pas lieu, la voie t11 suffisant à assurer l'hydrogénation des AGPI puisque dans ces conditions, la ∆9 isomérisation est elle aussi peu efficace à pH bas. En revanche, lorsqu'en plus de l'amidon, du c9,c12-C18:2 est ajouté dans la ration, la voie t11 devient insuffisante et c'est la voie t10 qui prend le relais. Le pyroséquençage 454 couplé à une régression multiple SPLS nous ont permis d'établir des corrélations entre les taxons identifiés et la proportion d'AG (t10 ou t11) dans le rumen. Il s'avère que les genres bactériens corrélés fortement et positivement aux AG t10 sont plus ou moins impliqués dans le métabolisme ruminal du lactate ainsi qu'au faible pH ruminal. Cependant, l'identification des taxons les plus corrélés aux AG t11 était moins précise, elle s'arrête à l'ordre des Clostridiales. Enfin, dans des conditions de déviation de la voie t11 à la voie t10, l'addition de vitamine E dans la ration des vaches n'a pas permis de restaurer un ratio déjà élevé. Ces résultats ont abouti à une meilleure compréhension de cette déviation et orientent vers une meilleure maîtrise en élevage. ABSTRACT : Rumen biohydrogenation (BH) of polyunsaturated fatty acids (PUFA) is responsible of the production of trans intermediates found in ruminant products (mainly milk). There are two BH pathways leading to trans fatty acids (FA) with different biological properties: t11 isomers have beneficial effects for consumer's health and t10 isomers result in low milk fat content, representing a major constraint for farmers. In most conditions, t11 FA are the major trans FA, but in some conditions, especially with diets based on corn silage and including lipid supplements rich in PUFA, a shift from t11 to t10 pathway can occur with a significant increase of t10 isomers at the expense t11 isomers. The objective of this work was to explain modalities of this shift to better control it in animal production. Our results demonstrated that dietary factors responsible of the shift from t11 to t10 pathway are starch rapidly fermentable and c9, c12-C18:2 contents. When the amount of c9, c12-C18:2 present in the rumen is low, even though the diet is rich in starch and the pH is low in the rumen, the shift does not occur, t11 pathway being sufficient to ensure the hydrogenation of PUFA since in these conditions, the 9 isomerization is also poorly effective at low pH. However, when c9, c12-C18:2 is supplemented to the diet in addition to starch, t11 pathway becomes insufficient for FA BH, and t10 pathway becomes dominant. 454 pyrosequencing coupled to a multiple sPLS regression allowed us to establish correlations between some identified taxa and FA proportions (t10 or t11) in the rumen. It appears that bacterial genera that are strongly and positively correlated with t10 FA are more or less involved in the metabolism of ruminal lactate and also positively correlated with a low ruminal pH. However, identification of taxa correlated with t11 FA was less accurate, stopping at Clostridiales order. Finally, once the shift occurred, the subsequent addition of vitamin E was not able to counteract this process. These results lead to a better understanding of this shift to better control it in animal livestock

Particularités du microbiote et son activité lors de la déviation de la biohydrogénation ruminale de l'acide linoléique de la voie trans-11 à la voie trans-10

La biohydrogénation (BH) ruminale des acides gras polyinsaturés (AGPI) est à l'origine de la production d'intermédiaires trans retrouvés dans les productions de ruminants (essentiellement le lait). Il existe deux voies de BH produisant des acides gras (AG) trans qui auraient des propriétés différentes : les isomères t11 auraient des effets bénéfiques pour la santé des consommateurs et les isomères t10 seraient responsables d'une forte diminution du taux butyreux du lait, représentant une contrainte majeure pour les éleveurs. Dans des conditions physiologiques normales, la voie t11 est fortement majoritaire, par contre avec des rations à base d'ensilage de maïs, riches en concentrés et surtout si elles comprennent des suppléments lipidiques riches en AGPI, une déviation de la voie t11 à la voie t10 peut se produire avec une augmentation significative des isomères t10 au détriment des isomères t11. L'objectif de cette thèse est d'expliquer les modalités de cette déviation, afin de mieux la maîtriser en élevage. Nos travaux permettent de conclure que les facteurs alimentaires de maîtrise de la déviation de la voie t11 vers la voie t10, sont la teneur en amidon rapidement fermentescible et la teneur en c9,c12-C18:2. Lorsque la quantité de c9,c12-C18:2 présente dans le rumen est faible, même avec une ration riche en amidon et un pH bas dans le rumen, la déviation n'a pas lieu, la voie t11 suffisant à assurer l'hydrogénation des AGPI puisque dans ces conditions, la ∆9 isomérisation est elle aussi peu efficace à pH bas. En revanche, lorsqu'en plus de l'amidon, du c9,c12-C18:2 est ajouté dans la ration, la voie t11 devient insuffisante et c'est la voie t10 qui prend le relais. Le pyroséquençage 454 couplé à une régression multiple SPLS nous ont permis d'établir des corrélations entre les taxons identifiés et la proportion d'AG (t10 ou t11) dans le rumen. Il s'avère que les genres bactériens corrélés fortement et positivement aux AG t10 sont plus ou moins impliqués dans le métabolisme ruminal du lactate ainsi qu'au faible pH ruminal. Cependant, l'identification des taxons les plus corrélés aux AG t11 était moins précise, elle s'arrête à l'ordre des Clostridiales. Enfin, dans des conditions de déviation de la voie t11 à la voie t10, l'addition de vitamine E dans la ration des vaches n'a pas permis de restaurer un ratio déjà élevé. Ces résultats ont abouti à une meilleure compréhension de cette déviation et orientent vers une meilleure maîtrise en élevage

In vitro study of dietary factors affecting the biohydrogenation shift from trans-11 to trans-10 fatty acids in the rumen of dairy cows

On the basis of the isomer-specific effects of trans fatty acids (FA) on human health, and the detrimental effect of t10,c12-conjugated linoleic acid (CLA) on cows’ milk fat production, there is a need to identify factors that affect the shift from trans-11 to trans-10 pathway during ruminal biohydrogenation of FA. This experiment was conducted in vitro and aimed at separating the effects of the diet of the donor cows from those of the fermentative substrate, which is necessary to prevent this shift. A total of four dry Holstein dairy cows were used in a 434 Latin square design. They received 12 kg of dry matter per day of four diets based on maize silage during four successive periods: the control diet (22% starch, ,3% fat); the high-starch diet, supplemented with wheat plus barley (35% starch, ,3% crude fat); the sunflower oil diet, supplemented with 5% of sunflower oil (20% starch, 7.6% crude fat); and the high-starch plus oil diet (33% starch, 7.3% crude fat). Ruminal fluid of each donor cow was incubated for 5 h with four substrates having similar chemical composition to the diets, replacing sunflower oil by pure linoleic acid (LA). The efficiency of isomerisation of LA to CLA was the highest when rumen fluids from cows receiving dietary oil were incubated with added LA. The shift from trans-11 to trans-10 isomers was induced in vitro by high-starch diets and the addition of LA. Oil supplementation to the diet of the donor cows increased this shift. Conversely, the trans-10 isomer balance was always low when no LA was added to incubation cultures. These results showed that a large accumulation of trans-10 FA was only observed with an adapted microflora, as well as an addition of non-esterified LA to the incubation substrate

The ruminal ratio of trans-10/trans-11 fatty acids obtained in vitro reflects in vivo values and strongly depends on the diet of the donor cow

Composition of fatty acids (FA) of ruminant products has a potential impact on human health. Among them, trans FA, which are intermediates of the ruminal biohydrogenation of dietary unsaturated FA, deserve interest, in particular trans-10 and trans-11 isomers, which would have negative and positive effects on human health, respectively (Tricon et al., 2004). A large variability in the ratio of trans-10 to trans-11 isomers (t10/t11) has been observed (Shingfield et al., 2006). Some dietary factors shifting from t11 to t10 have been identified, like the proportion of concentrate (Griinari et al., 1998), or the addition of oil (Roy et al., 2006). The use of in vitro systems to simulate rumen fermentation presents technical, economical and ethical advantages compared to in vivo experiments, and allows screening studies. The aim of the present study was to investigate if the ruminal fluid of a cow having the t11 to t10 deviation results in the same deviation during in vitro batch incubation and if the pathway of biohydrogenation in vitro depends mainly on the donor cow or on the fermentative substrate. This study showed that the t10/t11 ratio of the ruminal fluid after 5 hours in vitro incubation reflects the in vivo values. This ratio in vitro did not depend on cultures substrates, but related to the diet of the donor cows, suggesting a major importance of the ruminal inoculum on the biohydrogenation pathway. This might be due to the short incubation time preventing the bacterial communities to evolve according to the in vitro substrate. As a consequence, short duration batch in vitro cultures cannot be used to study the dietary conditions of the t11 to t10 shift. Nevertheless, they could possibly be used for the study of the effects of feed additives on the t10/t11 ratio

Starch plus sunflower oil addition to the diet of dry dairy cows results in a trans-11 to trans-10 shift of biohydrogenation

Trans fatty acids (FA), exhibit different biological properties. Among them, cis-9,trans-11 conjugated linoleic acid has some interesting putative health properties, whereas trans-10,cis-12 conjugated linoleic acid has negative effects on cow milk fat production and would negatively affect human health. In high-yielding dairy cows, a shift from trans-11 to trans-10 pathway of biohydrogenation (BH) can occur in the rumen of cows receiving high-concentrate diets, especially when the diet is supplemented with unsaturated fat sources. To study this shift, 4 rumen-fistulated nonlactating Holstein cows were assigned to a 4 × 4 Latin square design with 4 different diets during 4 periods. Cows received 12 kg of dry matter per day of 4 diets based on corn silage during 4 successive periods: a control diet (22% starch, <3% crude fat on DM basis), a high-starch diet supplemented with wheat plus barley (35% starch, <3% crude fat), a sunflower oil diet supplemented with 5% of sunflower oil (20% starch, 7.6% crude fat), and a high-starch plus sunflower oil diet (33% starch, 7.3% crude fat). Five hours after feeding, proportions of trans-11 BH isomers greatly increased in the rumen content with the addition of sunflower oil, without change in ruminal pH compared with the control diet. Addition of starch to the control diet had no effect on BH pathways but decreased ruminal pH. The addition of a large amount of starch in association with sunflower oil increased trans-10 FA at the expense of trans-11 FA in the rumen content, revealing a trans-11 to trans-10 shift. Interestingly, with this latter diet, ruminal pH did not change compared with a single addition of starch. This trans-11 to trans-10 shift occurred progressively, after a decrease in the proportion of trans-11 FA in the rumen, suggesting that this shift could result from a dysbiosis in the rumen in favor of trans-10-producing bacteria at the expense of those producing trans-11 or a modification of bacterial activities

Effects of pH and donor cow diet on ruminal linoleic acid delta12- and delta9- isomerisation

Due to the different effects of trans fatty acids on human health and cows’ milk production, it is necessary to better understand the reactions of ruminal isomerisation of polyunsaturated fatty acids, which lead to different isomers. Linoleic acid can be isomerised by ruminal bacteria according to two isomerisation pathways (delta12 and delta9), leading to trans-11 and trans-10 isomers, respectively. This experiment was conducted in vitro at pH 5.5 or 7.0 with two enzymatic solutions originating from rumen fluids collected from two cows, one receiving a high-starch high-fat diet (33% starch, 7.3% fat, DM basis) inducing a high ruminal trans-10 isomers production and the other receiving a low-starch low-fat diet (22% starch, 3% fat, DM basis) inducing a high trans-11 isomers production. Before incubation, bacterial growth was inactivated in ruminal fluids with chloramphenicol. Then, 1 ml of each enzymatic solution was incubated with 1 ml of a buffer solution (pH 5.5 or 7.0) in vials containing 0.5 mg of pure linoleic acid (Sigma®) for 1 hour in four replicates. Fatty acids of incubated vials were analysed by gas chromatography. As expected, trans-11 isomers production was lower at pH 5.5 than at pH 7.0 (P < 0.01), but interestingly the low pH also resulted in a lower trans-10 isomers production (P < 0.01). The delta9-isomerisation was clearly expressed only in incubations prepared with rumen fluid from the high starch and high fat diet fed cow (P < 0.01). By contrast, the delta12-isomerisation was only slightly affected by the donor cow diet (P = 0.09). Our results make a contribution to the understanding of the two isomerisation pathways, showing that the enzymatic capacity of the ruminal fluid to produce trans-10 isomers depends on the cow’s diet but that a low pH does not directly promote the activity of the delta9 isomerase

Ruminal bacterial community change in response to diet-induced variation of ruminal trans-10 fatty acids

Trans fatty acids (FA) are produced during the biohydrogenation of linoleic acid in the rumen. Because of their health‐promoting properties, trans‐11 isomers, which are usually the most abundant biohydrogenation intermediates, are most desirable (1). However, in high yielding dairy cows, when high concentrate diets containing fat are fed to cows, a shift from trans‐11 to trans‐10 FA can occur, therefore, trans‐10 isomers can become the predominant biohydrogenation intermediates, inducing milk fat depression in dairy cows(2) and having possible detrimental effects on human health(3). The aim of this work was to study the bacterial community dynamics in response to diet‐induced trans‐10 FA shift

The ruminal level of trans-10 fatty acids of dairy cows is linked to the composition of bacterial community

The ruminal level of trans-10 fatty acids of dairy cows is linked to the composition of bacterial communit

Particularités du microbiote et son activité lors de la déviation de la biohydrogénation ruminale de l'acide linoléique de la voie trans-11 à la voie trans-10

La biohydrogénation (BH) ruminale des acides gras polyinsaturés (AGPI) est à l'origine de la production d'intermédiaires trans retrouvés dans les productions de ruminants (essentiellement le lait). Il existe deux voies de BH produisant des acides gras (AG) trans qui auraient des propriétés différentes : les isomères t11 auraient des effets bénéfiques pour la santé des consommateurs et les isomères t10 seraient responsables d'une forte diminution du taux butyreux du lait, représentant une contrainte majeure pour les éleveurs. Dans des conditions physiologiques normales, la voie t11 est fortement majoritaire, par contre avec des rations à base d'ensilage de maïs, riches en concentrés et surtout si elles comprennent des suppléments lipidiques riches en AGPI, une déviation de la voie t11 à la voie t10 peut se produire avec une augmentation significative des isomères t10 au détriment des isomères t11. L'objectif de cette thèse est d'expliquer les modalités de cette déviation, afin de mieux la maîtriser en élevage. Nos travaux permettent de conclure que les facteurs alimentaires de maîtrise de la déviation de la voie t11 vers la voie t10, sont la teneur en amidon rapidement fermentescible et la teneur en c9,c12-C18:2. Lorsque la quantité de c9,c12-C18:2 présente dans le rumen est faible, même avec une ration riche en amidon et un pH bas dans le rumen, la déviation n'a pas lieu, la voie t11 suffisant à assurer l'hydrogénation des AGPI puisque dans ces conditions, la 9 isomérisation est elle aussi peu efficace à pH bas. En revanche, lorsqu'en plus de l'amidon, du c9,c12-C18:2 est ajouté dans la ration, la voie t11 devient insuffisante et c'est la voie t10 qui prend le relais. Le pyroséquençage 454 couplé à une régression multiple SPLS nous ont permis d'établir des corrélations entre les taxons identifiés et la proportion d'AG (t10 ou t11) dans le rumen. Il s'avère que les genres bactériens corrélés fortement et positivement aux AG t10 sont plus ou moins impliqués dans le métabolisme ruminal du lactate ainsi qu'au faible pH ruminal. Cependant, l'identification des taxons les plus corrélés aux AG t11 était moins précise, elle s'arrête à l'ordre des Clostridiales. Enfin, dans des conditions de déviation de la voie t11 à la voie t10, l'addition de vitamine E dans la ration des vaches n'a pas permis de restaurer un ratio déjà élevé. Ces résultats ont abouti à une meilleure compréhension de cette déviation et orientent vers une meilleure maîtrise en élevage.Rumen biohydrogenation (BH) of polyunsaturated fatty acids (PUFA) is responsible of the production of trans intermediates found in ruminant products (mainly milk). There are two BH pathways leading to trans fatty acids (FA) with different biological properties: t11 isomers have beneficial effects for consumer's health and t10 isomers result in low milk fat content, representing a major constraint for farmers. In most conditions, t11 FA are the major trans FA, but in some conditions, especially with diets based on corn silage and including lipid supplements rich in PUFA, a shift from t11 to t10 pathway can occur with a significant increase of t10 isomers at the expense t11 isomers. The objective of this work was to explain modalities of this shift to better control it in animal production. Our results demonstrated that dietary factors responsible of the shift from t11 to t10 pathway are starch rapidly fermentable and c9, c12-C18:2 contents. When the amount of c9, c12-C18:2 present in the rumen is low, even though the diet is rich in starch and the pH is low in the rumen, the shift does not occur, t11 pathway being sufficient to ensure the hydrogenation of PUFA since in these conditions, the 9 isomerization is also poorly effective at low pH. However, when c9, c12-C18:2 is supplemented to the diet in addition to starch, t11 pathway becomes insufficient for FA BH, and t10 pathway becomes dominant. 454 pyrosequencing coupled to a multiple sPLS regression allowed us to establish correlations between some identified taxa and FA proportions (t10 or t11) in the rumen. It appears that bacterial genera that are strongly and positively correlated with t10 FA are more or less involved in the metabolism of ruminal lactate and also positively correlated with a low ruminal pH. However, identification of taxa correlated with t11 FA was less accurate, stopping at Clostridiales order. Finally, once the shift occurred, the subsequent addition of vitamin E was not able to counteract this process. These results lead to a better understanding of this shift to better control it in animal livestock.TOULOUSE-ENSAT-Documentation (315552324) / SudocSudocFranceF

From high throughput 454 GS FLX data analysis process of 16S RNA gene sequences using barcoding to bacterial community exploration

From high throughput 454 GS FLX data analysis process of 16S RNA gene sequences using barcoding to bacterial community exploratio