Inter- and intra-domain functional redundancy in the rumen microbiome during plant biomass degradation

Abstract

BackgroundRuminant livestock is a major source of the potent greenhouse gas methane (CH4), produced by the complex rumen microbiome. Using an integrated approach, combining quantitative metatranscriptomics with gas- and volatile fatty acid (VFA) profiling, we gained fundamental insights into temporal dynamics of the cow rumen microbiome during feed degradation.ResultsThe microbiome composition was highly individual and remarkably stable within each cow, despite similar gas emission and VFA profiles between cows. Gene expression profiles revealed a fast microbial growth response to feeding, reflected by drastic increases in microbial biomass, CH4 emissions and VFA concentrations. Microbiome individuality was accompanied by high inter- and intra-domain functional redundancy among pro- and eukaryotic microbiome members in the key steps of anaerobic feed degradation. Methyl-reducing but not CO2-reducing methanogens were correlated with increased CH4 emissions during plant biomass degradation.ConclusionsThe major response of the rumen microbiome to feed intake was a general growth of the whole community. The high functional redundancy of the cow-individual microbiomes was possibly linked to the robust performance of the anaerobic degradation process. Furthermore, the strong response of methylotrophic methanogens is suggesting that they might play a more important role in ruminant CH4 emissions than previously assumed, making them potential targets for CH4 mitigation strategies.

Metagenómica y metatranscriptómica para mitigar las emisiones de metano por animales rumiantes

“…Una vez que el bolo alimenticio se encuentra en el rumen, la degradación anaeróbica de la biomasa vegetal se lleva a cabo en tres pasos clave: (I) degradación de los polisacáridos vegetales complejos; (II) fermentación de los carbohidratos a AGV y (III) metanogénesis (Söllinger et al, 2018). En el rumen, esta conversión del material alimenticio a CH 4 involucra las actividades integradas de diferentes especies microbianas que incluyen bacterias, arqueas, hongos y protozoarios, el paso final se lleva a cabo por estos microorganismos metanogénicos (Boadi, Benchaar, Chiquette & Massé, 2011).…”

“…os rumiantes son mamíferos herbívoros y tienen el estómago compuesto de cuatro cavidades, por lo que también se les llama poligástricos, algunos ejemplos son la vaca, la cabra y la oveja (Servicio de Introducción L Información Agroalimentaria y Pesquera, 2017). La ganadería de rumiantes tiene un doble papel, por un lado, el consumo de estos animales provee a los humanos de proteínas de alta calidad, vitaminas y minerales que no son fáciles de encontrar en otros alimentos (Wyness, 2016), pero también son la principal fuente antropogénica de metano (CH 4 ), un gas de efecto invernadero (GEI) que tiene un poder de calentamiento 34 veces mayor que el dióxido de carbono (CO 2 ) (Söllinger et al, 2018).…”

“…Se ha calculado que cada año estos animales liberan alrededor de 125 millones de toneladas de CH 4 a la atmósfera (Seshadri et al, 2018). A pesar de esto, se estima que la producción de carne se ha cuadruplicado en los últimos 50 años y a nivel mundial se espera que las demandas de leche y carne de vaca se dupliquen para el año 2050 (Söllinger et al, 2018).…”