Analisis Dinamika Populasi Mikroba dan Profil Metabolit Rumen Sapi Peranakan Ongole yang Diberi Probiotik dan Asam Amino Terproteksi

Abstract

Industri Sektor peternakan di Indonesia menghadapi tantangan dalam menyediakan sapi berkualitas untuk memenuhi kebutuhan protein hewani. Salah satu sapi yang sering dibudidayakan di Indonesia adalah sapi Peranakan Ongole (PO). Rumen merupakan organ pencernaan unik dan juga kompleks pada hewan ruminansia yang memiliki berbagai jenis mikroorganisme termasuk didalamnya yang paling dominan adalah bakteri dan arkea. Asosiasi antara mikroorganisme kompleks didalam rumen dapat menghasilkan berbagai metabolit seperti asam lemak volatil yang digunakan sebagai sumber energi bagi inangnya. Memahami dinamika mikroba dan profil metabolit di dalam cairan rumen sangat penting untuk efisiensi pakan dan kesehatan hewan yang secara langsung berdampak terhadap produktivitas sapi. Keterbatasan kualitas nutrisi dalam pakan berpotensi mengubah ketidakseimbangan mikroba dan metabolit yang dihasilkan yang dapat menghambat efisiensi pencenaan pakan maupun kesehatan hewan. Selain kualitas pakan yang rendah permasalahan lain yang juga turut berkontribusi yaitu produksi gas metan oleh kelompok arkea metanogen di dalam rumen sapi. Salah satu alternatif yang dapat dilakukan dalam upaya mengurangi permasalahan yang terjadi yaitu memperbaiki kualitas pakan dengan penambahan pakan aditif. Pakan aditif yang dapat diberikan yaitu probiotik bakteri asam laktat (Lactiplantibacillus plantarum) yang diketahui mampu merangsang mikroflora rumen dan mengurangi populasi arkea. Selain itu penambahan asam amino lisin dan metionin penting untuk menunjang pertumbuhan sapi secara keseluruhan. Pemberian asam amino ini perlu diproteksi menggunakan tanin untuk menghindari degradasi bakteri rumen sehingga dapat diserap secara langsung oleh sapi. Kombinasi pakan aditif dapat juga diberikan dengan penambahan premix berupa enzim dan mineral untuk meningkatkan laju degradasi pakan dan menunjang kesehatan inang. Penelitian bertujuan untuk mengetahui dinamika populasi mikroba dan profil metabolit sapi PO yang diberi kombinasi feed additive menggunakan analisis metagenomik dan metabolomik. Penelitian ini menggunakan empat ekor sapi jantan fistula PO. Setiap sapi menerima empat perlakuan aditif pakan yang berbeda per 1 periode percobaan dengan istirahat diet basal menggunakan desain crossover. Perlakuan yang digunakan adalah semua mendapatkan pakan basal G1 (60% konsentrat dan 40% hijauan) dengan penambahan masing-masing feed additive yang terdiri dari G2: probiotik (L. plantarum), G3: premix, G4: G2+G3 + asam amino lisin dan metionin, G5: G2+G3 + asam amino terproteksi oleh tanin. Sebelum perlakuan, dilakukan persiapan pembuatan probiotik kering L. plantarum. Cairan rumen hasil perlakuan dikoleksi dan diekstrasi DNAnya kemudian dilanjutkan analisis dinamika mikroba menggunakan Nanopore NGS dan quantitative PCR (qPCR). Cairan rumen juga dilakukan analisis lebih lanjut untuk melihat profil metabolit menggunakan headspace GC-MS. Penelitian ini juga menganalisis hubungan antara kelimpahan mikroba target dengan qPCR dan metabolit yang dihasilkan. Hasil perhitungan populasi probiotik yang digunakan didapatkan 2,35 x 108 CFU/ml dengan pH rata-rata cairan rumen berkisar antara 6,98-7,02. Hasil analisis Nanopore NGS berupa keanekaragaman alfa dan beta pada perlakuan G1, G2, G3, dan G5 menunjukkan kekayaan dan keanekaragaman spesies hampir sama dengan dominasi filum Bacteroidota, Bacillota dan genus Prevotella Perlakuan G5 memiliki keragaman mikrobiba melimpah dan berkontribusi terhadap penurunan populasi Methanobacteriales dan Methanosarcinales yang diketahui sebagai penghasil metan. Pakan G4 memiliki komposisi yang sangat berbeda, dengan tersuksesinya filum Bacteroidota dan meningkatya Bacillota, Butyrivibrio. Pakan G4 ini menunjukkan tingginya bakteri pemanfaat asam amino sehingga distribusi kelimpahan berbeda pada empat perlakuan lainnya. Profil metabolit yang terdeteksi pada sampel cairan rumen yaitu sebanyak 28 senyawa (VIP>1). Senyawa prenol lipid merupakan senyawa paling dominan muncul pada saat diberikan perlakuan feed additive dan melimpah pada pakan G5. Anggota senyawa ini diketahui memiliki sifat antioksidan yang baik, antibakterial, dan dapat berkontribusi dalam penurunan populasi arkea metanogenik di dalam rumen. Dalam penelitian ini, Methanosarcinales tampaknya memiliki korelasi negatif yang dominan dengan prenol lipid. Metagenomik NGS, analisis qPCR, dan headspace menggunakan GCMS dapat mendeteksi perubahan struktur komunitas bakteri dan metabolitnya sebagai respons terhadap variabel yang berbeda.

The livestock industry in Indonesia encounters significant challenges in providing high-quality cattle to meet the burgeoning demand for animal protein. One of the prominent breeds reared in Indonesia is the Ongole (PO) crossbreed cattle. The rumen, a unique and intricate digestive organ in ruminants, harbors a diverse array of microorganisms, predominantly bacteria and archaea. The synergistic interactions among these microorganisms in the rumen yield various metabolites, such as volatile fatty acids, which serve as crucial energy sources for the host. A comprehensive understanding of the microbial dynamics and metabolite profiles in rumen fluid is imperative to optimizing feed efficiency and ensuring animal health, both of which directly influence cattle productivity. Inadequate nutritional quality of feed can disrupt microbial equilibrium and alter metabolite production, thereby impairing feed digestion efficiency and compromising animal health. Additionally, methane gas produced by methanogenic archaea in the rumen poses another significant challenge. Enhancing feed quality through the incorporation of feed additives offers a viable solution to these issues. The inclusion of probiotic lactic acid bacteria (Lactiplantibacillus plantarum) can stimulate rumen microflora and mitigate archaea populations. Furthermore, the supplementation of essential amino acids, lysine and methionine, is vital for promoting overall bovine growth. These amino acids must be protected with tannins to prevent degradation by rumen bacteria, ensuring their direct absorption by the cattle. A combination of feed additives can also include a premix of enzymes and minerals to enhance the rate of feed degradation and support host health. This research aims to determine the dynamics of the microbial population and the metabolite profile of PO cattle given a combination of feed additives, using metagenomic and metabolomic analysis. This study utilized four Fistula PO bulls, each subjected to four different feed additive treatments per experimental period, employing a crossover design with a basal diet break. All treatments included a basal feed of G1 (60% concentrate and 40% forage) with the addition of specific feed additives: G2: probiotic (L. plantarum), G3: premix, G4: a combination of G2 and G3 with amino acids lysine and methionine, and G5: a combination of G2 and G3 with tannin-protected amino acids. Before treatment, dried probiotic L. plantarum was prepared. Rumen fluid was collected post-treatment and then DNA extracted for microbial dynamics analysis using Nanopore NGS and quantitative PCR (qPCR). The rumen fluid was also analyzed to determine the metabolite profile using headspace GC-MS. Additionally, this research examined the relationship between target microbes (qPCR) and the metabolites. The results indicated that the probiotic population used was 2.35 x 10^8 CFU/ml, with the average pH of rumen fluid ranging from 6.98 to 7.02. Nanopore NGS analysis of alpha and beta diversity in treatments G1, G2, G3, and G5 revealed similar species richness and diversity, with a predominance of the phyla Bacteroidota, Bacillota, and the genus Prevotella. Treatment G5 exhibited significant microbial diversity and contributed to a reduction in Methanobacteriales and Methanosarcinales populations, known methane producers. The G4 feed displayed a distinct microbial composition, characterized by an increase in the phylum Bacteriodota and Bacillota, and a notable rise in the genus Butyrivibrio. This treatment showed a high prevalence of amino acid-utilizing bacteria, resulting in a distribution profile distinct from the other four treatments. The metabolite profile detected in the rumen fluid consisted of 28 compounds (VIP > 1). The prenol lipid compound was the most dominant in response to the feed additive treatments and was particularly abundant in the G5 feed. This compound is known for its potent antioxidant and antibacterial properties and its ability to reduce methanogenic archaea populations in the rumen. In this study, Methanosarcinales exhibited a strong negative correlation with prenol lipids. NGS metagenomics, qPCR, and headspace analysis using GC-MS effectively detected changes in the structure of bacterial communities and their metabolites in response to different feed additive treatments.