Investigating the developmental changes in the gut microbiome of naturally reared ostrich chicks.
Date
2021-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The South African ostrich industry has suffered losses due to premature losses of intensively
reared ostrich chicks because of gastrointestinal tract (GIT) infections. It is known that survival
increases with less GIT infections observed if a production system is used where chicks are raised
naturally with the hen. The purpose of this study was therefore to evaluate the change in gut
bacteria of naturally reared ostrich chicks during the first three months post hatch. To this end,
Ion Torrent 16S-fragment metagenomic sequencing was used in combination with the Ion Reporter
pipeline for analysis of sequence data. Different genomic (gDNA) isolation protocols were evaluated
as well as the use of a stabilising solution to allow for sampling in remote areas. Overall, the
protocol using the PSPĀ® Spin Stool DNA Plus Kit, outperformed the rest of the protocols regarding
time, efficiency and extracting the most and most highly diverse bacteria. Although the stabilising
solution improved the ease of sampling, repeated freezing and thawing reduced gDNA yield. Results
also indicated that the targeting of multiple 16S V-regions with Ion Torrent improved the
identification of
microbial taxa.
Analysis of samples at weeks 0, 2, 4, 6 and 12 after hatch from different sections of the ostrich
chick GIT indicated that the chicks already have a bacterial microbiome present within their GIT at
hatch. A substantial bacterial shift was observed between week 0 and week 2, and another from week
6-12. The changes from weeks 0-2 can be attributed to the change from yolk as main nutrient to feed
whilst the gradual stabilization in bacterial population from week 6-12 is the result of the chick
developing an adult-like hindgut fermenter. A comparison of microbiome of the different GIT
sections with each other, showed that the stool sample, colon and caecum had the same dominant
phyla (Figure 4.16: B), classes and families (Figure 4.19), however, at the genus level the
differentiation between the stool sample, colon and caecum became more distinct (Figure 4.20: A).
These changes between the different GIT sections are attributed to the unique physiological
environments within each GIT section. Thus, the extrapolation of the ostrich chick GIT microbiome
from a stool sample only must be done with caution.
The microbiome data obtained in this study could in future studies be compared to that obtained for
intensively reared ostrich chicks to shed some light on the impact of production
systems on the intestinal health of ostrich chicks.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die Suid-Afrikaanse volstruis bedryf het hewige verlies deur gemaak as gevolg van voortydige verliese van intensief grootgemaakte volstruiskuikens as gevolg van dermkanaal infeksies. Dit is bekend dat oorlewing verhoog, met minder dermkanaal infeksies waarneembaar, wanneer die kuikens natuurlik grootgemaak word saam met die hen. Die doel van hierdie studie was dus om die veranderinge in dermkanaal bakterieĆ« te evalueer van natuurlik grootgemaakte volstruiskuikens, gedurende die eerste drie maande na uitbroei. Sodoende was Ion Torrent 16S-fragment metagenomiese volgordebepaling gebruik in kombinasie met die Ion Reporter pyplyn vir data analise van die volgorde data. Verskillende genomiese DNA (gDNA) isolasie protokolle was geĆ«valueer asook die gebruik van ān stabilisering oplossing om in afgeleĆ« plekke bemonstering te kan doen. Oorhoofs, het die protokol van die āPSPĀ® Spin Stool DNA Plus Kitā die beste presteer relatief tot die res van die protokolle met betrekking tot tyd, effektiwiteit en isolasie van die meeste en hoogs diverse bakterieĆ«. Alhoewel die stabilisering oplossing die bemonstering proses vergemaklik het, het die gDNA opbrengs afgeneem wanneer dit herhaaldelik gevries en ontdooi was. Die resultate het ook aangetoon dat as veelvuldige 16S V-areas geteiken word met Ion Torrent verbeter die mikrobiese taksa identifikasie. Analise van monsters by week 0, 2, 4, 6 en 12 vanaf die verskillende dele van die volstruiskuiken se dermkanaal het aangedui dat die kuikens reeds met uitbroei ān bakteriese mikrobioom teenwoordig het in hulle dermkanaal. ān Groot verskuiwing van die bakterieĆ« was opgelet tussen week 0 en week 2, en dan weer vanaf week 6-12. Die verandering vanaf week 0-2 kan toegeskryf word aan die verandering vanaf eiergeel as hoof voedingstof na voer, terwyl die bakteriese populasie geleidelik stabiliseer vanaf week 6-12. Hierdie geleidelike stabilisering is as gevolg van die kuiken se dermkanaal wat ontwikkel in ān meer volwasse agterderm verteerder. Deur die verskillende dermdele met mekaar te vergelyk, het die mismonster, kolon en sekum dieselfde dominante fila (Figuur 4.16: B), klasse en familie (Figuur 4.19) gehad, maar op genus vlak kon die mismonster, kolon en sekum duidelik van mekaar onderskei word (Figuur 4.20: A). Hierdie veranderinge tussen die verskillende dermdele kan toegeskryf word aan die unieke fisiologiese omgewings in elk van die dermdele. Afleidings oor die volstruiskuiken se dermkanaal mikrobioom vanaf ān mismonster moet dus met omsigtigheid gedoen word. Die mikrobioom data verkry uit hierdie studie kan in die toekoms vergelyk word met dit verkry vanaf intensief grootgemaakte volstruiskuikens, om sodoende insig te kry oor die impak van produksie sisteme op die gesondheid van die volstruiskuikens se dermkanaal.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die Suid-Afrikaanse volstruis bedryf het hewige verlies deur gemaak as gevolg van voortydige verliese van intensief grootgemaakte volstruiskuikens as gevolg van dermkanaal infeksies. Dit is bekend dat oorlewing verhoog, met minder dermkanaal infeksies waarneembaar, wanneer die kuikens natuurlik grootgemaak word saam met die hen. Die doel van hierdie studie was dus om die veranderinge in dermkanaal bakterieĆ« te evalueer van natuurlik grootgemaakte volstruiskuikens, gedurende die eerste drie maande na uitbroei. Sodoende was Ion Torrent 16S-fragment metagenomiese volgordebepaling gebruik in kombinasie met die Ion Reporter pyplyn vir data analise van die volgorde data. Verskillende genomiese DNA (gDNA) isolasie protokolle was geĆ«valueer asook die gebruik van ān stabilisering oplossing om in afgeleĆ« plekke bemonstering te kan doen. Oorhoofs, het die protokol van die āPSPĀ® Spin Stool DNA Plus Kitā die beste presteer relatief tot die res van die protokolle met betrekking tot tyd, effektiwiteit en isolasie van die meeste en hoogs diverse bakterieĆ«. Alhoewel die stabilisering oplossing die bemonstering proses vergemaklik het, het die gDNA opbrengs afgeneem wanneer dit herhaaldelik gevries en ontdooi was. Die resultate het ook aangetoon dat as veelvuldige 16S V-areas geteiken word met Ion Torrent verbeter die mikrobiese taksa identifikasie. Analise van monsters by week 0, 2, 4, 6 en 12 vanaf die verskillende dele van die volstruiskuiken se dermkanaal het aangedui dat die kuikens reeds met uitbroei ān bakteriese mikrobioom teenwoordig het in hulle dermkanaal. ān Groot verskuiwing van die bakterieĆ« was opgelet tussen week 0 en week 2, en dan weer vanaf week 6-12. Die verandering vanaf week 0-2 kan toegeskryf word aan die verandering vanaf eiergeel as hoof voedingstof na voer, terwyl die bakteriese populasie geleidelik stabiliseer vanaf week 6-12. Hierdie geleidelike stabilisering is as gevolg van die kuiken se dermkanaal wat ontwikkel in ān meer volwasse agterderm verteerder. Deur die verskillende dermdele met mekaar te vergelyk, het die mismonster, kolon en sekum dieselfde dominante fila (Figuur 4.16: B), klasse en familie (Figuur 4.19) gehad, maar op genus vlak kon die mismonster, kolon en sekum duidelik van mekaar onderskei word (Figuur 4.20: A). Hierdie veranderinge tussen die verskillende dermdele kan toegeskryf word aan die unieke fisiologiese omgewings in elk van die dermdele. Afleidings oor die volstruiskuiken se dermkanaal mikrobioom vanaf ān mismonster moet dus met omsigtigheid gedoen word. Die mikrobioom data verkry uit hierdie studie kan in die toekoms vergelyk word met dit verkry vanaf intensief grootgemaakte volstruiskuikens, om sodoende insig te kry oor die impak van produksie sisteme op die gesondheid van die volstruiskuikens se dermkanaal.
Description
Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2021.