FACTORS AFFECTING ON GUT MICROBIOTA AND IMMUNE-RELATED GENE EXPRESSION OF DUCK IN THAILAND

Abstract

The poultry industry, particularly the production of commercial ducks, has been studied for its structural and bacterial population in the gastrointestinal tract (GIT). Bacteria have increased in both quantity and type, paralleling bird growth performance. There are differences in the quantity and type of cecal microbes based on age, breed, management, diet, and environment. In this study, we investigated the breed and environment factors from the rearing system on immune-related gene expression and cecal microbiota diversity in laying and meat ducks. Ducks were randomly assigned to 2 x 2 factorial in a complete randomized design (CRD) with two breeds (laying and meat ducks) and two rearing systems (extensive and intensive systems). Samples were collected from the spleen and cecal contents of five birds in each group (n = 20). The results showed that IFN-β gene expression levels were higher in meat ducks raised in intensive systems than in those raised in extensive systems (P < 0.05). In laying ducks raised in the extensive system, there was a significant increase in IFN-ϒ and IL-10 gene expression (P < 0.05), but a significant decrease in TLR3 gene expression (P < 0.05). The expression of IFN-α, IFN-β, IL-6, IL-10, and Mx genes was not affected (P > 0.05). Furthermore, the abundance of the Spirochaetes phylum was found to be higher in the extensive system for both laying and meat breeder ducks compared to the intensive system. This phylum is known to be associated with Avian Intestinal Spirochetosis (AIS), a disease affecting the intestinal tract of birds. In order to investigate the effects of supplementing probiotics (Bacillus toyonensis BCT-7112T) on growth performance, small intestinal morphology, immune-related gene expression and cecal microbiota in meat ducks. Two hundred day-old Barbary ducks were randomly allotted to four treatments with five replicates of 10 birds on the basis of equal average body weight in CRD. Dietary treatments were T1 basal diet; control, T2-4; basal diet supplemented with 200, 500 and 1000 mg/kg B. toyonensis BCT-7112T. At 3 weeks, B. toyonensis supplementation at 500 mg/kg improved body weight gain (BWG) and average daily gain (ADG) compared to the control group (P < 0.05). For the results of meat quality, the percentage of meat at the thigh of the B. toyonensis BCT-7112T 500 mg/kg group was higher than the control group (P < 0.05), but a lower thawing loss percentage was found in the breast muscle of the B. toyonensis 500 mg/kg group than the control group (P < 0.05). There was no difference in small intestine morphology between groups of B. toyonensis BCT-7112T (P > 0.05). Furthermore, gene expression of the major pro-inflammatory cytokines IFN-α, IFN-β, IL-6, TLR3 and Mx decreased in ducks fed a B. toyonensis BCT-7112T diet compared to the control group (P < 0.05). This study indicated that ducks fed diets supplemented with B. toyonensis BCT-7112T, Firmicutes, Bacteroidetes, Proteobacteria, Fusobacteria and Deferribacteres were the top five most abundant phyla. The results of α and β diversity analyses show that the B. toyonensis BCT-7112T supplements affected composition and diversity of the microbial population in the ceca of ducks. Therefore, B. toyonensis BCT-7112T supplementation will benefit host activity and increase the richness of cecal meat ducks.

In conclusion, the rearing system and diet affect the cecal microbes of ducks and growth performance. This study provide an important information for the quantity and diversity of cecal microbes in ducks among breed, diet and environment factors.

อุตสาหกรรมการผลิตสัตว์ปีกโดยเฉพาะในเป็ดทางการค้ามีการศึกษาโครงสร้างประชากรของแบคทีเรียในทางเดินอาหาร การเพิ่มปริมาณและชนิดของแบคทีเรียจะไปพร้อม ๆ กับการเจริญเติบโตของตัวสัตว์ ซึ่งชนิดและปริมาณของแบคทีเรียจะแตกต่างกันตามชนิด อายุ พันธุกรรมสัตว์ การจัดการ อาหาร และสภาพแวดล้อม โดยการศึกษาที่ 1 เป็นการศึกษาผลของปัจจัยด้านพันธุกรรมและสภาพแวดล้อมจากรูปแบบการเลี้ยงเป็ดที่มีต่อการแสดงออกของยีนที่เกี่ยวข้องกับภูมิคุ้มกัน และความหลากหลายของประชากรจุลินทรีย์ในระบบทางเดินอาหารในเป็ดเนื้อและเป็ดไข่ โดยวางแผนการทดลองแบบ 2 x 2 แฟกทอเรียลสุ่มสมบูรณ์ มี 2 ปัจจัย ซึ่งปัจจัยแรก คือ สายพันธุ์เป็ดเนื้อและเป็ดไข่ และปัจจัยที่สอง คือ รูปแบบการเลี้ยง 2 รูปแบบ ได้แก่ รูปแบบโรงเรือนเปิดและรูปแบบโรงเรือนปิด สุ่มเก็บตัวอย่างม้ามและไส้ติ่งมาอย่างละ 5 ตัว รวมทั้งสิ้น 20 ตัวอย่าง พบว่า เป็ดเนื้อที่มีการเลี้ยงแบบโรงเรือนปิดมีระดับการแสดงออกของยีน IFN-β สูงกว่าเป็ดเนื้อที่มีการเลี้ยงแบบโรงเรือนเปิด (P < 0.05) สำหรับในเป็ดไข่ที่เลี้ยงแบบโรงเรือนเปิดมีระดับการแสดงออกของยีน IFN-ϒ และ IL-10 สูงขึ้น แต่ระดับการแสดงออกของยีน TLR3 ลดลง (P < 0.05) เมื่อเปรียบเทียบรูปแบบการเลี้ยงเป็ดทั้ง 2 รูปแบบ พบว่ารูปแบบการเลี้ยงแบบปิดมีระดับการแสดงออกของยีน IFN-ϒ สูง และการแสดงออกของยีน TLR3 ลดลง (P < 0.05) แต่ไม่มีอิทธิพลต่อการแสดงออกของยีน IFN-α, IFN-β, IL-6, IL-10 และ Mx (P > 0.05) นอกจากนี้ยังพบว่าการเลี้ยงแบบโรงเรือนเปิดทั้งเป็ดเนื้อและเป็ดไข่จะพบไฟลัม Spirochaetes ที่เป็นสาเหตุของโรค Avian Intestinal Spirochetosis (AIS) มากกว่ารูปแบบการเลี้ยงโรงเรือนปิด ส่วนการศึกษาที่ 2 เป็นการศึกษาผลของปัจจัยด้านอาหารโดยการเสริมโพรไบโอติก Bacillus toyonensis BCT-7112T ต่อลักษณะประสิทธิภาพการผลิต สัณฐานวิทยาของลำไส้ การแสดงออกของยีนที่เกี่ยวข้องกับภูมิคุ้มกัน และความหลากหลายของประชากรจุลินทรีย์ในทางเดินอาหารของเป็ดเนื้อ โดยทำการศึกษาในเป็ดเนื้อสายพันธุ์บาบารี่ จำนวน 200 ตัว วางแผนการทดลองแบบ CRD แบ่งออกเป็น 4 กลุ่มทดลอง ในแต่ละกลุ่มทดลองมี 5 ซ้ำ ๆ ละ 10 ตัว อาหารทดลองแบ่งออกเป็น 4 กลุ่ม โดยกลุ่มที่ 1 เป็นอาหารควบคุมไม่มีการเสริมโพรไบโอติก และกลุ่มที่ 2-4 เป็นควบคุมที่มีการเสริม B. toyonensis BCT-7112T ในอาหาร 3 ระดับ คือ 200, 500 และ 1000 mg/kg เก็บน้ำหนักตัวและปริมาณอาหารที่กินทุก ๆ สัปดาห์ เป็นเวลา 8 สัปดาห์ จากการศึกษาพบว่า ในสัปดาห์ที่ 3 เป็ดเนื้อที่ได้รับการเสริม B. toyonensis 500 mg/kg มีน้ำหนักตัวเพิ่มขึ้น (BWG) และมีอัตราการเจริญเติบโตต่อวัน (ADG) มากกว่าเป็ดเนื้อกลุ่มอาหารควบคุม (P < 0.05) นอกจากนี้เป็ดเนื้อที่ได้รับการเสริม B. toyonensis 500 mg/kg มีน้ำหนักร้อยละของเนื้อสะโพกสูง แต่ในเนื้ออกมีน้ำหนักร้อยละของการสูญเสียน้ำจากการละลายต่ำกว่าเป็ดเนื้อกลุ่มอาหารควบคุม (P < 0.05) ส่วนการเสริม B. toyonensis BCT-7112T ไม่มีผลต่อสัณฐานวิทยาของลำไส้เล็กทั้ง 3 ส่วน เมื่อพิจารณาเป็ดเนื้อที่ได้รับการเสริม B. toyonensis มีการแสดงออกของยีนไซโตไคน์ที่ก่อให้เกิดการอักเสบ IFN-α, IFN-β, IL-6, TLR3 และ Mx มีค่าลดลงเมื่อเทียบกับเป็ดเนื้อกลุ่มอาหารควบคุม (P < 0.05) และพบว่าไส้ติ่งเป็ดเนื้อทุกกลุ่มการทดลองที่ได้รับการเสริม B. toyonensis BCT-7112T มีไฟลัมหลัก 5 อันดับแรก คือ Firmicutes, Bacteroidetes, Proteobacteria, Fusobacteria และ Deferribacteres ตามลำดับ จากการวิเคราะห์แบบ α-diversity และ β-diversity แสดงให้เห็นว่าเป็ดเนื้อที่ได้รับการเสริม B. toyonensis BCT-7112T มีผลต่อองค์ประกอบและความหลากหลายของจุลินทรีย์ ดังนั้น การเสริม B. toyonensis BCT-7112T นี้จึงเป็นประโยชน์ต่อการทำงานของโฮสต์ และความอุดมสมบูรณ์ที่เพิ่มขึ้นในไส้ติ่งของเป็ดเนื้อ ผลจากการศึกษาในครั้งนี้ชี้ให้เห็นว่า รูปแบบการเลี้ยงและอาหารมีผลต่อจุลินทรีย์ในไส้ติ่งของเป็ด ซึ่งสามารถเป็นข้อมูลพื้นฐานใช้ในการอ้างอิงสำหรับชนิดและปริมาณของจุลินทรีย์ในไส้ติ่งของเป็ดในด้านปัจจัยทางพันธุกรรม อาหาร และสภาพแวดล้อมได้