Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

Linus Klingenberg

Campylobacter jejuni-Infektionen bei Broilern:

Zusammenwirken von Aminosäurenversorgung,

Futteraufnahmeverhalten und Infektionsdynamik unter

Berücksichtigung des Mikrobioms

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-109232

title (eng.)

Campylobacter jejuni infection of broiler chicken: Interrelations of amino acid supply, feed intake and infection dynamics considering the microbiome

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2016

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/klingenbergl_ws16.pdf

abstract (deutsch)

In der vorliegenden Studie sollten mögliche Zusammenhänge zwischen der Protein- und Aminosäurenversorgung, dem Futteraufnahmeverhalten, dem Mikrobiom in den Caeca und den Exkrementen und einer experimentellen Infektion von Broilern mit Campylobacter (C.) jejuni untersucht werden.

In zwei Versuchsansätzen wurden jeweils 300 Broiler der Zuchtlinie Ross 308 beider Geschlechter über 14 Tage gemeinsam aufgezogen und anschließend in jeweils vier Gruppen à fünf Untergruppen zu je 15 Tieren aufgeteilt. Es folgte eine siebentägige Adaptationsphase an die Versuchsbedingungen und die im Versuch eingesetzten Futtermittel. Im ersten Versuchsansatz wurde die Auswirkung verschiedener Gehalte an Rohprotein (Rp) im Alleinfuttermittel auf eine Infektion mit C. jejuni untersucht. Neben einem konventionellen Alleinfuttermittel für Broiler (Kontrollration; 212 g Rp/kg Trockensubstanz [TS]) wurde eine proteinreduzierte Ration (190 g Rp/kg TS) gefüttert. Durch den Zusatz von synthetischen Aminosäuren wurde das Aminosäurenmuster der proteinreduzierten Ration so modifiziert, dass ein geringerer Anteil der für den Stoffwechsel von C. jejuni bedeutsamen Aminosäuren Asparaginsäure, Glutaminsäure, Prolin und Serin, jedoch mit der Kontrollration vergleichbare Gehalte der für das Wachstum der Broiler essentiellen Aminosäuren enthalten waren. Nach der Adaptationsphase wurde eine Gruppe (n = 75) eines jeden Fütterungskonzepts an Tag 21 experimentell mit C. jejuni infiziert. Zu diesem Zweck wurden in den entsprechenden Untergruppen jeweils drei Tieren eine C. jejuni-Infektionsdosis von 4,17 ±0,09 log10 koloniebildenden Einheiten (KbE) C. jejuni pro Tier oral verabreicht.    
Im zweiten Versuchsansatz wurden die Konsequenzen einer Infektion von Broilern mit C. jejuni auf das Futteraufnahmeverhalten der Tiere untersucht. Einerseits wurde ein konventionelles Alleinfuttermittel (216 g Rp/kg TS) mit identischer Zusammensetzung zum konventionellen Alleinfuttermittel des ersten Versuchsansatzes gefüttert. Zum anderen wurde eine Wahlration aus zwei verschiedenen Mischfuttermitteln mit unterschiedlichen Rohproteingehalten (109 g Rp/kg TS bzw. 286 g Rp/kg TS) eingesetzt. Diese Mischfuttermittel basierten auf dem Alleinfuttermittel, modifiziert in ihrem Gehalt an Weizen und Sojaextraktionsschrot. Eine Aufnahme der beiden Mischfuttermittel im Verhältnis 1:1,5 resultierte in einer Zusammensetzung der aufgenommen Ration, die mit dem Alleinfuttermittel vergleichbar war. Im zweiten Versuchsansatz wurde an Tag 21 ebenfalls eine Gruppe (n = 75) aus jedem Fütterungskonzept mit C. jejuni infiziert. Zu diesem Zweck wurden wie im ersten Versuchsansatz drei Seeder in jeder Untergruppe mit einer Infektionsdosis von 5,26 ±0,08 log10 KbE C. jejuni pro Seeder experimentell infiziert. Die beiden anderen Gruppen stellten eine Negativkontrolle dar, um die Unterschiede zwischen infizierten und nichtinfizierten Tieren zu beobachten.           
Die Rohproteinaufnahme der Tiere wurde in beiden Versuchsansätzen ermittelt. Als ein Indikator für die intestinale Freisetzung von Muzinen, einer Substratquelle für C. jejuni, wurde der Gesamtgehalt an Muzinen in den Exkrementen bestimmt. Weiterhin wurden der C. jejuni-Ausscheidungsstatus mittels Kloakentupfer und die C. jejuni-Keimzahlen in den Exkrementen zu verschiedenen Zeitpunkten kulturell bestimmt. Zudem wurde auch die Fußballengesundheit der Tiere zu Beginn und am Ende der Versuchsphase beurteilt. Das Ende der Versuchsphase stellte Tag 42 mit anschließender Sektion dar. Hier wurden die Keimzahlen von C. jejuni im Caecuminhalt sowie die Anzahl der Becherzellen in den Krypten der Caeca ermittelt. Zudem wurden 16 S rRNA‑Analysen der mikrobiellen Flora in den Exkrementen an Tag 23 und Tag 32 und dem Inhalt der Caeca zum Zeitpunkt der Sektion durchgeführt.

Wesentliche Ergebnisse des 1. Versuchsansatzes
Durch Fütterung der proteinreduzierten Ration konnte die Rohproteinaufnahme von Broilern signifikant (p < 0,0001) reduziert werden (31,5 ±1,20 g Rp/Tier/Tag bzw. 27,7 ±0,71 g Rp/Tier/Tag) bei gleichzeitig konstanter Aufnahme der wachstumslimitierenden Aminosäuren. Diese Reduktion der Proteinaufnahme resultierte in einem signifikant (p < 0,05) geringeren Gesamtmuzingehalt in den Exkrementen (51,9 ±7,62 g/kg TS) im Vergleich zur Fütterung des konventionellen Alleinfuttermittels (55,7 ±8,23 g/kg TS). Weiterhin war auch die Anzahl der Becherzellen in den Krypten der Caeca zum Zeitpunkt der Sektion signifikant (p < 0,05) geringer bei Fütterung der proteinreduzierten Ration (15,1 ±5,71 bzw. 13,6 ±5,91 Becherzellen/Krypte). Schließlich konnte bei Fütterung der proteinreduzierten Ration eine signifikant geringere C. jejuni-Ausscheidung um 1,9 log10‑Stufen mit den Exkrementen an Tag 23 beobachtet werden (p < 0,05). Zudem war auch die Ausbreitung der Infektion in der Tiergruppe bei Fütterung der rohproteinreduzierten Ration verzögert, wobei sich dies an Tag 25 besonders deutlich zeigte: Hier war die Prävalenz der C. jejuni-Ausscheidung mit 53,3 % signifikant (p < 0,05) geringer als in der Gruppe mit Fütterung des konventionellen Alleinfuttermittels (75,7 %).

Wesentliche Ergebnisse des 2. Versuchsansatzes
Im Wahlversuch konnte im Vergleich zu nichtinfizierten Tieren nach der experimentellen Infektion mit C. jejuni eine signifikant höhere Aufnahme des rohproteinreichen Mischfuttermittels beobachtet werden. Dies resultierte in einem höheren Rohproteingehalt in der aufgenommenen Ration der mit C. jejuni infizierten Tiere (198 ±3,09 g Rp/kg TS bzw. 208 ±8,57 g Rp/kg TS; p < 0,0001). Unmittelbar nach der experimentellen C. jejuni-Infektion unterschied sich die Rohproteinaufnahme zwischen den beiden infizierten Gruppen daher nicht wesentlich (26,3 ±0,40 g Rp/Tier/Tag bzw. 27,1 ±1,03 g Rp/Tier/Tag). Weiterhin konnte eine signifikant (p < 0,0001) schlechtere Fußballengesundheit bei einer Infektion der Tiere mit C. jejuni festgestellt werden. In den mit C. jejuni infizierten Gruppen wurden bei 29,1 % der Tiere makroskopisch erkennbare pathologische Fußballenveränderungen in Form von Läsionen oder Nekrosen festgestellt, während dies in den Gruppen ohne eine solche Infektion bei 18,0 % der Tiere der Fall war. In den meisten Fällen wurden vor allem oberflächliche Läsionen und kleine punktförmige Nekrosen der Fußballen beobachtet, während schwerwiegendere Veränderungen die Ausnahme darstellten. 

Wesentliche Ergebnisse der 16 S rRNA-Analysen          
Bei Fütterung der rohproteinreduzierten Ration konnte ein größerer Anteil der Familien der Turicibacteraceae (0,49 % bzw. 9,35 %; p < 0,05) sowie ein geringerer Anteil der Clostridiaceae (7,64 % bzw. 6,50 %; p < 0,05) in den Exkrementen an Tag 23 beobachtet werden. Zudem waren auch die Enterobacteriaceae bei Fütterung der proteinreduzierten Ration in der Tendenz reduziert (2,89 % bzw. 0,57 %, p > 0,05). Weiterhin konnte bei einer C. jejuni-Infektion von Broilern im Mikrobiom der Exkremente zwischen Tag 23 und Tag 32 eine Abnahme der Lactobacillaceae von 68,6 % auf 44,4 % (p < 0,05) sowie eine Zunahme der Clostridiaceae von 7,07 % auf 18,6 % (p < 0,05) und der Turicibacteraceae von 1,14 % auf 8,55 % (p < 0,05) festgestellt werden.

Zusammenfassend wurde in dieser Studie ein Einfluss des Rohproteingehalts in der Ration von Broilern auf eine C. jejuni-Infektion der Tiere beobachtet. Es besteht weiterer Forschungsbedarf, um die Aminosäurenzusammensetzung der Ration von Broilern gegebenenfalls noch weiter zu optimieren. Diese Optimierung könnte letztlich dazu beitragen, möglicherweise in Kombination mit anderen Ansatzpunkten, eine effiziente Strategie zur Reduktion der C. jejuni-Prävalenz in Broilerherden zu entwickeln und somit die potentielle Exposition des Verbrauchers gegenüber C. jejuni durch kontaminierte Geflügelfleisch­produkte zu verringern.

Weiterhin konnte in dieser Studie ein Einfluss einer C. jejuni-Infektion von Broilern auf das Futteraufnahmeverhalten und die Fußballengesundheit der Tiere sowie die Zusammensetzung der intestinalen Mikroflora der Tiere festgestellt werden. Diese Ergebnisse geben einen Hinweis darauf, dass die komplexen Mechanismen die einer C. jejuni-Infektion von Broilern zugrunde liegen noch nicht in einem ausreichenden Maße bekannt sind. Entsprechend besteht auch hier weiterer Forschungsbedarf, um das Infektionsgeschehen von C. jejuni-Infektionen bei Broilern besser zu verstehen und möglicherweise effizient beeinflussen zu können.

abstract (englisch)

The objective of the present study was to investigate potential interrelations of protein and amino acid intake, feed intake, microbiome of cecum and excreta and an experimental Campylobacter (C.) jejuni infection of broiler chicken.

Two different trials were conducted with a total of 300 broilers line Ross 308 of both sexes per trial. Broilers were reared together (hatch - d14), then separated into four different groups, including five replications of 15 chickens and were adapted to the experimental diet for another seven days.    
In the first trial, potential effects of different crude protein (XP) levels in complete feed for broilers on infection dynamics of C. jejuni were investigated. Therefore, a conventional diet (212 g XP/kg dry matter [DM]) and a protein reduced test diet (190 g XP/kg DM) were fed. The protein reduced diet contained less soybean meal while synthetic essential amino acids were supplemented up to the level of the conventional diet. This resulted in a modified aminogram of the test diet which allowed chickens growth with a minus of those amino acids, preferentially utilized by C. jejuni, such as aspartate, glutamate, proline and serine. One group of each feeding-concept was artificially infected with C. jejuni at day 21 by apply of an oral C. jejuni-suspension containing 4.17 ±0.09 log10 colony forming units (CFU) of C. jejuni to 3 (Seeders) per 15 chickens.

In the second trial, the potential effects of C. jejuni infections of broilers on feed intake were investigated. Therefore, a conventional diet (216 g XP/kg DM) was fed, comparable to the conventional diet of the first trial. Furthermore two choice diets with different levels of crude protein (109 g XP/kg DM and 286 g XP/kg DM, respectively) were fed. These choice diets were based on the conventional diet, modified in content of wheat and soybean meal. An intake of both choice diets in a ratio of 1:1.5 resulted in a composition of consumed feed ration comparable to the conventional diet. One group of each feeding concept was artificially infected with C. jejuni, analogically to the first trial. Therefore, 3 Seeders per 15 chickens were inoculated with an infectious dose of 5.26 ±0.08 log10 CFU of C. jejuni per Seeder orally. Other groups were negative-controls to look at the differences between infected to not infected animals.

Feed and water intake were measured in both trials. As an indicator of intestinal synthesis of mucin, a substrate for C. jejuni, the content of crude mucin in excreta was analyzed. Cloacal swabs were taken at several times and were microbiologically examined for presence of C. jejuni. Furthermore, CFU of C. jejuni per gram excreta of Seeders were determined several times. Footpad health was determinded before and after infection period. At the end of the trials (day 42), all broilers were dissected and both, the bacterial count of C. jejuni in ceca and numbers of goblet cells in cecal crypts were analyzed. In addition, 16 S rRNA-analyses of microbiome were conducted in excreta at day 23 and day 32 and in content of caeca at day of dissection.

Essentials of 1.Trial 
Feeding of a protein reduced diet resulted in a significant (p < 0.0001) reduction of XP-intake (31.5 ±1.20 g XP/broiler/day and 27.7 ±0.71 g XP/broiler/day, respectively) with a constant intake of growth limiting amino acids for broilers. Due to the reduced XP-intake a significant (p < 0.05) decrease of crude mucin in excreta (55.7 ±8.23 g/kg DM and 51.9 ±7.62 g/kg DM, respectively) and a significant (p < 0.05) decrease of goblet cell number in crypts of ceca (15.1 ±5.71 vs. 13.6 ±5.91 goblet cells/crypt) could be observed. Compared to the conventional diet, the excretion of C. jejuni was significantly (p < 0.05) reduced by 1.9 log10 CFU at day 23 and the spread of infection was also delayed by feeding the protein reduced diet. At day 25, prevalence of C. jejuni in cloacal swabs amounted 53.3 % in the group fed the proteinreduced diet and 75.7 % in the conventional fed group respectively (p < 0.05).

Essentials of 2.Trial
In the second trial, C. jejuni infected broilers chose a higher amount of the high protein choice diet in comparison to C. jejuni negative broilers. This resulted in a significant (p < 0.0001) higher content of crude protein in the comsumed diet in the C. jejuni infected group (198 ±3.09 g XP/kg DM and 208 ±8.57 g XP/kg DM, respectively). For this reason, XP‑intake was comparable among infected groups in the second trial (26.3 ±0.40 g XP/broiler/day and 27.1 ±1.03 g XP/broiler/day). In groups with C. jejuni infection, food pad health was decreased signficantly (p < 0.0001) so that 29.1 % of the infected broilers showed footpads with pathological lesions or necrosis compared with 18.0 % in groups without C. jejuni infection. Most commonly, there were small lesions or necrosis on the foodpads surface with grave lesions exceptionally.

Essentials of 16 S rRNA-analyses  
Feeding of the protein reduced diet was associated with an increase of Turicibacteraceae (0.49 % vs. 9.35 %; p < 0.05) and a decrease of Clostridiaceae (7.64 % vs. 6.50 %; p < 0.05). In addition, the number of Enterobacteriaceae was in tendency decreased (2.89 % vs. 0.57 %, p > 0.05) in excreta of the broilers with the protein reduced diet. Furthermore a decrease of Lactobacillaceae between day 23 and day 32 (68.6 % to 44.4 %; p < 0.05) and an increase of Clostridiaceae (7.07 % to 18.6 %; p < 0.05) and Turicibacteraceae (1.14 % to 8.55 %; p < 0.05) in excreta of C. jejuni infected broilers could be detected.

In summary, an effect of different crude protein contents in broiler feed on a C. jejuni infection of broilers was seen in this study. There is a need for further research to optimize the amino acid composition in compound feed for broiler. This optimization could possibly contribute to a development of an effective feeding strategy to reduce the prevalence of C. jejuni infection in chicken.

Furthermore, this study showed an influence of C. jejuni infection of broilers on feed intake and footpad health of broilers as well as on composition of intestinal microbiota. These results confirm the fact, that the complex mechanisms of C. jejuni infections in chickens are not completely understood yet. Therefore, further research will be necessary for a better understanding of the mode of infection and an effective interference on C. jejuni infections of broilers. 

keywords

Campylobacter jejuni; Aminosäurenversorgung; Mikrobiom; broiler; amino acid supply; microbiome

kb

2.722