Stress effects on ovine behaviour, physiology and the gastrointestinal microbiota
Effets du stress sur le comportement, la physiologie et le microbiote gastrointestinal des ovins
Résumé
Studies across different species have demonstrated the presence of an interplay between the brain, the gut and the microbiome, most commonly referred to as the gut-brain axis. Furthermore, it has been well documented that stress can affect neuroendocrinological and immunological systems, resulting in altered behaviours, as well as physiological dysregulations. In the past few decades, the effects of stress on the microbiome and the implications of the microbial community structure for the host have been the focus of many studies, aiming to shed light on this intricate and multi-pathway relationship. Despite this, most studies have been conducted on humans and rodents, with very few on farm animals, particularly ruminants. In ruminants, as in monogastrics, the gut accommodates high microbial concentrations and facilitates host-microbial interactions. What differentiates ruminants is the presence of the rumen, which hosts an equally important microbial community. This organ acts as a primary location for fermentation of feed and plays a pivotal role in animal metabolism, immunity and overall homeostasis. The effects of stress susceptibility, and more specifically psychological or behavioural stress, have been poorly explored in ruminants, despite their well-recognised and important effects on other aspects of animal health and welfare. This project therefore aimed to explore: 1) the effect of genetic predisposition to stress; 2) the long-term effect of prenatal and early life stressful events; and 3) effects of repeated and unpredictable management stress on the ovine gastrointestinal microbiome in conjunction with various physiology and behavioural aspects. The first experiment investigated genetic differences in gut and rumen microbial community structure and blood cortisol concentrations in 58 adult Romane ewes, previously selected on the basis of divergent reactivity to stress (30 ewes with high reactivity; 28 ewes with low reactivity). The two groups differed in their behavioural reactivity towards a temporary separation from congeners based on bouts of high bleats. Despite extensive analyses of the microbiota at the phylum, order and genus level, there were only small significant differences in the rumen and faecal microbiota, even when including cortisol levels in the analyses. For example, higher levels of cortisol were positively correlated with Ruminococcus abundance in faecal samples and Lactobacillus in the rumen, while Rikenellaceae abundance was positively correlated with reactive EBV scores in faecal samples. The second experiment investigated long-term effects of three prenatal stress treatments (Control, Negative and Alternative) and the effect of two early-life treatments (Isolation or Ewe Recognition tests) on the rumen microbial community structure of 35 8-month-old Scottish Mule lambs, at a stage when the rumen microbiome had assumed a relative stable and mature form. Sex and diet effects were confounded, while Prenatal Treatment did not appear to have an effect. Neonatal Treatment had an effect on relative abundances at the phylum level. The abundance of several bacterial species was correlated with higher or lower cortisol levels, such as Lactobacillus in Isolated females and Proteobacteria in Isolated males; these significant negative correlations suggested long-lasting effects of early life events. Finally, in the third experiment, we explored the effect of a 6-week mild unpredictable Chronic Stress paradigm on various behavioural (i.e., time budgets, reactions to a suddenness test) and physiology aspects (i.e. hormonal levels, heart rate and VFAs), as well as the rumen and gut microbiota structure. Forty-eight female Romane lambs were separated into two treatments: Non-Treated (NT, n = 24) and Mild Chronically Stressed Animals (MCS, n = 24). Amongst the most interesting results, indicating a treatment effect, were differences in synchronisation of animals resting and sleeping, duration of resting time, and reactions to novelty, as expressed by latency to approach the ball and contact time with the ball in the suddenness test. Microbiota diversity indices, particularly for the non-treated group, indicated a different development of the microbial community. In MCS animals, cortisol and serotonin levels indicated that several bacteria proliferate in the presence/absence of these hormones, but correlation scores were generally non-significant. In conclusion, it appears that the microbiota community structure in the rumen is not significantly affected by management stress or stress susceptibility, although the communication pathways between rumen bacteria and host behaviour warrant further exploration.
Des études menées sur différentes espèces ont démontré l'existence d'une interaction entre le cerveau, l'intestin et le microbiome, communément appelée l'axe intestin-cerveau. En outre, il est bien établi que le stress peut affecter les systèmes neuroendocrinologiques et immunologiques, entraînant une modification des comportements ainsi que des dérégulations physiologiques. Au cours des dernières décennies, les effets du stress sur le microbiome et les implications de la structure de la communauté microbienne pour l'hôte ont fait l'objet de nombreuses études, visant à mettre en lumière cette relation complexe et à voies multiples. Malgré cela, la plupart des études ont été menées sur des humains et des rongeurs, et très peu sur des animaux de ferme, et encore moins sur les ruminants. Chez les ruminants, comme chez les monogastriques, l'intestin accueille des concentrations microbiennes élevées et facilite les interactions entre l'hôte et les microbes. Ce qui différencie les ruminants, c'est la présence du rumen, qui héberge une communauté microbienne tout aussi importante. Cet organe est le lieu principal de fermentation des aliments et joue un rôle essentiel dans le métabolisme, l'immunité et l'homéostasie générale de l'animal. Les effets de la sensibilité au stress, et plus spécifiquement du stress psychologique ou comportemental, ont été peu étudiés chez les ruminants, malgré leurs effets importants et bien connus sur d'autres aspects de la santé et du bien-être des animaux. Ce projet visait donc à explorer 1) l'effet de la prédisposition génétique au stress ; 2) l'effet à long terme du stress prénatal et du stress au début de la vie ; 3) l'effet d'un stress psychologique sur le microbiome gastro-intestinal ovin en conjonction avec divers aspects physiologiques et comportementaux. La première expérience a porté sur les différences génétiques dans la structure de la communauté microbienne de l'intestin et du rumen et sur les concentrations sanguines de cortisol chez 58 brebis adultes de race Romane, préalablement sélectionnées sur la base d'une réactivité divergente au stress (30 brebis à forte réactivité ; 28 brebis à faible réactivité). Les deux groupes différaient dans leur réactivité comportementale face à une séparation temporaire des congénères basée sur des épisodes de bêlements élevés. Malgré des analyses approfondies du microbiote au niveau du phylum, de l'ordre et du genre, il n'y avait que de petites différences significatives dans le microbiote du rumen et des fèces, même en incluant les niveaux de cortisol dans les analyses. Par exemple, des niveaux plus élevés de cortisol étaient positivement corrélés avec l'abondance de Ruminococcus dans les échantillons fécaux et de Lactobacillus dans le rumen, tandis que l'abondance de Rikenellaceae était positivement corrélée avec les scores EBV réactifs dans les échantillons fécaux. La deuxième expérience a étudié les effets à long terme de trois traitements de stress prénatal (contrôle, négatif et alternatif) et l'effet de deux traitements en début de vie (tests d'isolement ou de reconnaissance des brebis) sur la structure de la communauté microbienne du rumen de 35 agneaux mulets écossais âgés de 8 mois, à un stade où le microbiome du rumen a pris une forme relativement stable et mature. Les effets du sexe et de l'alimentation ont été confondus, tandis que le traitement prénatal n'a pas semblé avoir d'effet. Le traitement néonatal a eu un effet sur les abondances relatives au niveau du phylum. L'abondance de plusieurs espèces bactériennes était corrélée à des niveaux de cortisol plus élevés ou plus bas, comme Lactobacillus chez les femelles isolées et Proteobacteria chez les mâles isolés ; ces corrélations négatives significatives suggèrent des effets à long terme des événements de la vie précoce. Enfin, dans la troisième expérience, nous avons exploré l'effet d'un paradigme de stress chronique léger et imprévisible de 6 semaines sur divers aspects comportementaux (budgets temps, réactions à un test de soudaineté) et physiologiques (niveaux hormonaux, fréquence cardiaque et AGV), ainsi que sur la structure du microbiote du rumen et de l'intestin. Quarante-huit agneaux femelles de race Romane ont été répartis en deux traitements : Non traités (NT, n = 24) et Animaux soumis à un stress chronique léger (MCS, n = 24). Parmi les résultats les plus intéressants, indiquant un effet du traitement, figurent les différences dans la synchronisation des animaux au repos et au sommeil, la durée du temps de repos et les réactions à la nouveauté, exprimées par la latence d'approche de la balle et le temps de contact avec la balle dans le test de soudaineté. Les indices de diversité du microbiote, en particulier pour le groupe non traité, indiquent un développement différent de la communauté microbienne. Chez les animaux MCS, les niveaux de cortisol et de sérotonine indiquent que plusieurs bactéries prolifèrent en présence/absence de ces hormones, mais les scores de corrélation étaient généralement non significatifs. En conclusion, il semble que la structure de la communauté microbienne dans le rumen ne soit pas significativement affectée par le stress de gestion ou la susceptibilité au stress, bien que les voies de communication entre les bactéries du rumen et le comportement de l'hôte méritent d'être explorées plus avant.
Mots clés
- 16S rRNA
- Brain-Derived Neurotropic Factor BHB: Beta-hydroxy-butyrate BLUP: Best Linear Unbiased Prediction Electrocardiogram ELISA: Enzyme-Linked Immunosorbent Assay Hypothalamic-Pituitary-Adrenocortical HPAA: Hypothalamic-Pituitary-Adrenocortical Axis Irritable Bowel Syndrome Pituitary Adenylate Cyclase-Activating Polypeptide QBA: Qualitative Behaviour Assessment QTL: Quantitative Trait Locus Ribonucleic Acid rRNA: Ribosomal Ribonucleic Acid Sympathetic-Adrenal-Medullary xliv 7 5 3 2 Faecal relative abundances
- Brain-Derived Neurotropic Factor BHB: Beta-hydroxy-butyrate BLUP: Best Linear Unbiased Prediction Electrocardiogram ELISA: Enzyme-Linked Immunosorbent Assay Hypothalamic-Pituitary-Adrenocortical HPAA: Hypothalamic-Pituitary-Adrenocortical Axis Irritable Bowel Syndrome Pituitary Adenylate Cyclase-Activating Polypeptide QBA: Qualitative Behaviour Assessment QTL: Quantitative Trait Locus Ribonucleic Acid rRNA: Ribosomal Ribonucleic Acid Sympathetic-Adrenal-Medullary
- xliv 7
- 5
- 3
- 2 Faecal relative abundances
- Microbiome
- Gastrointestinal
- Rumen
- Sheep
- Stress
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