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Capre tibetane: modificando il microbiota intestinale si adattano agli ambienti estremi

Le capre tibetane hanno instaurato una relazione stabile ed evolutivamente favorevole tra la flora batterica del rumine e l’organismo stesso per poter sopravvivere nell’ecosistema dell'altopiano del Tibet.
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Capre tibetane: modificando il microbiota intestinale si adattano agli ambienti estremi

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Stato dell’arte
Il più alto altipiano al mondo, il Qinghai-Tibet è l’unico a essere utilizzato come pascolo per gli ovini durante tutte le stagioni. Il suo ecosistema è unico per l’altitudine, i bassi livelli di ossigeno, l’elevata esposizione ai raggi ultravioletti e le forti variazioni che riguardano la disponibilità di foraggio a seconda della stagione. Le pecore tibetane sono una tra le poche specie che vivono e si riproducono in questo ambiente estremo.

Cosa aggiunge questo studio
Questo studio di follow-up a lungo termine è il primo a identificare e correlare le caratteristiche della fermentazione nel rumine delle capre che vivono sull’altopiano del Tibet con il loro microbiota e con l’espressione genica delle cellule epiteliali poste nel rumine, in relazione al periodo dell’anno.

Conclusioni
Grazie ai dati ricavati, è stato possibile identificare le modifiche volte a mantenere l’omeostasi e la salute dell’ambiente del rumine degli ovini in base alla quantità ed alla qualità di nutrimento disponibile.


Lo studio è stato effettuato sui campioni di fluidi di rumine ottenuti da 15 capre, che vivevano a un’altezza di 3.300 metri sull’altopiano del Qinghai-Tibet, prelevati nei mesi di febbraio, aprile, giugno, agosto, ottobre e dicembre.

Le varie analisi di correlazione effettuate hanno mostrato che esistono delle interazioni tra il tipo di fermentazione del rumine, il microbiota e l’espressione genica, soprattutto attraverso modificazioni dei pathway del metabolismo degli amminoacidi ed energetici volti a massimizzare la produzione di energia.

È emerso anche come i cambiamenti del “core microbiota” del rumine siano funzionali al mantenimento del corretto sviluppo e dell’omeostasi del rumine che, a loro volta, rendono gli ovini tibetani adattabili all’ambiente estremo dell’altopiano tibetano, soprattutto nei mesi invernali.

Queste le conclusioni dello studio condotto da un’équipe di ricercatori cinesi e pubblicato sulla rivista Animals.

Altopiano del Quinghai-Tibet, un posto unico al mondo

L’altopiano del Quinghai-Tibet rappresenta uno degli ecosistemi più estremi per la vita e la sopravvivenza di uomini ed animali, comprese le capre. Queste ultime rappresentano  una delle poche specie che si sono adattate a questo ambiente e che qui riescono a vivere ed a riprodursi.

I cambiamenti della vegetazione autoctona dei pascoli in relazione al periodo dell’anno influenzano molto l’ecosistema e gli allevamenti così come il microbioma intestinale degli animali.

Il tipo e l’abbondanza di microbi che colonizzano l’intestino delle pecore è stato messo in relazione alla loro crescita, al fenotipo ed allo stato di salute. Infatti, il microbiota presente nel rumine è responsabile della degradazione del foraggio per la produzione di nutrienti necessari e subito utilizzabili dall’ospite. Inoltre, il tipo di microbiota determina ed attiva specifici meccanismi fermentativi nell’ovino volti a ricavare la maggior quantità energia dalle fonti di carbonio ed azoto disponibili in quel momento. 

A questo si aggiunge che il microbiota consente di decomporre molecole complesse come cellulosa ed emicellulosa, impossibili da utilizzare direttamente, fornendo ulteriori fonti energetiche all’ospite.

Anche l’epitelio del rumine rappresenta un ulteriore terreno di scambio ed interazione tra ospite e microbiota. Le cellule dell’epitelio intestinale sono considerate delle cellule con funzioni immunitarie, collegate tra loro grazie a complesse giunzioni (tight junctions, TJ) formate da proteine come la Claudina-4 (CLN-4) e la Zonula Occludens-1 (ZO1). L’espressione di queste ultime, in relazione al metabolismo ed ai processi fermentativi, può variare in modo da prevenire la diffusione di molecole dall’interno della cellula all’esterno oppure il contrario, in relazione al fabbisogno energetico.

Scopo di questa ricerca è fare luce sui cambiamenti nel rumine delle capre tibetane per quanto riguarda la biochimica dei processi fermentativi, del microbiota e dell’espressione genica nelle cellule epiteliali, in relazione alla disponibilità ed alla qualità del nutrimento nelle stagioni calda e fredda, ma anche valutare come i pathway metabolici delle pecore si modificano per fornire all’animale in ogni condizione e periodo dell’anno il massimo quantitativo di energia.

Lo studio sul microbiota delle capre tibetane

Parametri fermentativi del rumine

La concentrazione di acidi grassi a catena corta (SCFAs, short chain fatty acids) risulta significativamente aumentata in ottobre. In dettaglio, la concentrazione di acetato e propionato risulta massima in ottobre e minima in giugno; il butirrato risulta significativamente aumentato in agosto ed ottobre rispetto a giugno, quando è al suo minimo, mentre l’isobutirrato, l’isovalerato ed il valerato raggiungono la loro massima concentrazione in febbraio ed aprile e la minima in dicembre.

Il livello di NH3-N (ammonio non ionizzato) nel fluido del rumine risulta significativamente aumentato in giugno ed agosto e minimo in febbraio.

Le attività di enzimi come la cellulasi (CL, cellulase) e xilanasi acida (ACX, acid xilanase) differiscono anch’esse in relazione al periodo dell’anno: l’attività della CL è massima a febbraio e minima ad agosto ed ottobre, mentre l’attività di ACX è massima ad aprile e minima ad agosto.

Caratteristiche della flora del rumine

L’analisi tramite sequenziamento del 16S rRNA è stata effettuato su 36 campioni di fluido prelevati dal rumine delle capre tibetane i in mesi differenti.

Il numero più elevato di unità operative tassonomiche (OTU, Operative Tassonomic Units) è stato identificato nei campioni prelevati nel mese di ottobre ed è risultato minimo in giugno. Inoltre, i campioni prelevati ad agosto ed ottobre sono risultati simili in quanto a diversità microbica, ma sostanzialmente diversi da quelli prelevati in giugno.

I phyla più rappresentati nei campioni prelevati in ogni mese sono risultati i Bacteroides e Firmicutes. Il rapporto Firmicutes:Bactoeroidetes (F:B) è risultato significativamente più alto in agosto rispetto ad aprile e dicembre. Inoltre, i Patescibacteria risultano significativamente più bassi in giugno rispetto a febbraio e dicembre mentre i Kiritimatiellaeota seguono un andamento inverso. Elusimicrobia e Cyanobacteria sono al loro minimo in giungo e al loro massimo in febbraio ed aprile.

A livello di genere, quelli più rappresentati sono Prevotella e Rikenellaceae, indipendentemente dal mese considerato.

Sono state identificate 12,5 e 12 specie batteriche la cui abbondanza varia in relazione alla stagione, ovvero tra aprile ed agosto (erba tenera vs erba matura), tra aprile e dicembre (erba tenera vserba appassita) e tra agosto e dicembre (erba matura vs erba appassita).

Per esempio, Ruminiclostridium, Family_XIII_UCG-001 e Acinetobacter differiscono significativamente tra aprile ed agosto mentre Rikenellaceae, Coprococcus e Acinetobacter differiscono significativamente tra agosto e dicembre.

La funzione dei microrganismi presenti nel rumine delle pecore

Grazie ad analisi bioinformatiche sono stati identificati 17 geni, tutti coinvolti in pathway metabolici, differentemente espressi in relazione alla stagione. In particolare, è stato notato che il metabolismo dei carboidrati è massimo nel mese di agosto e ai minimi nel mese di aprile mentre i pathway del metabolismo degli aminoacidi e del metabolismo energetico seguono un andamento opposto. Inoltre, il trasporto dei coenzimi è ai massimi ad aprile e minimo ad agosto.

Per quanto riguarda l’espressione dei geni che codificano per proteine barriera a livello dell’epitelio del rumine, la Claudina-4 è la più espressa in tutti i mesi dell’anno. Il trend di espressione di CLN4 e ZO1 è lo stesso: massima espressione in aprile e minima in agosto e dicembre. Al contrario, il cotrasportatore di membrana del sodio e del glucosio (SGLT1, Sodium-GLUcose Transporter), è espresso ai massimi livelli in agosto e ai minimi in aprile e dicembre.

Correlando le 20 specie più rappresentate nel rumine delle pecore tibetane con i parametri relativi ai processi fermentativi e l’espressione genica, è emersa una correlazione positiva tra 33 generi microbici ed i parametri fermentativi e negativa tra 20 generi e gli stessi parametri considerati.

Per esempio, la presenza di acetato correla positivamente con i generi Fretibacterium, Ruminococcaceae e Rikenellaceae; il propionato, a sua volta, correla positivamente con Prevotellaceae e negativamente con Ruminococcus; il butirrato, invece, correla positivamente con Prevotella e Succiniclasticum e negativamente con Rikenellaceae e Ruminococcus.

I livelli di NH3-N sono significativamente e positivamente correlati con Ruminococcaceae e Succiniclasticum e negativamente con Rikenellaceae. L’attività di ACX correla positivamente con Ruminococcus e Rikenellaceae e negativamente con Prevotellaceae.

A livello di correlazione tra l’espressione dei geni barriere a specie microbiche, si è osservata una correlazione positiva tra Ruminococcaceae e Succiniclasticum e SGLT1 e negativa con Rikenellaceae e Ruminococcus. L’espressione di CLN-4 e ZO1 correla positivamente con Succiniclasticum e negativamente con Fretibacterium e Rikenellaceae.

Conclusioni

Dallo studio è emerso che le capre tibetane hanno instaurato una relazione stabile ed evolutivamente favorevole tra la flora batterica presente nel rumine e l’organismo stesso per poter sopravvivere nell’ecosistema dell’altopiano del Tibet. 

In base ai dati raccolti, risulta che l’abbondanza e la diversità microbica è massima ad agosto e ottobre e minima ad aprile e giugno e che agosto è il mese più favorevole per lo sviluppo del rumine e la crescita dell’animale.

È emerso che la differente presenza e abbondanza microbica nel rumine è funzionale alla scelta e all’attivazione di diverse vie metaboliche ed energetiche influenzando così le vie anaboliche e cataboliche a carico di carboidrati e aminoacidi che, a loro volta, possono influenzare l’espressione genica nelle cellule epiteliali del rumine degli ovini, soprattutto per quanto riguarda trasportatori e proteine necessarie per lo scambio di metaboliti.

Gloria Negri
Laureata in Biotecnologie mediche e farmaceutiche cum laude, e dopo un dottorato di ricerca in genetica molecolare, lavora ora come biologa in una biotech company leader nel capo della terapia genica e cellulare.

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