Проект AP09259133 – Исследование микробиома желудочно-кишечного тракта крупного рогатого скота с целью уменьшения выбросов парниковых газов

Актуальность проекта

Метан вырабатывается в рубце жвачных животных археями (метаногены). С увеличением производства мясной продукции увеличивается количество парниковых газов. На животноводство приходится от 9% до 18% общих антропогенных выбросов парниковых газов, из которых около 44% выбросов животноводства, через отрыжку скота, находятся в форме метана (CH₄). Потеря энергии у жвачных является следствием производства метана. Производство метана в рубце составляет 2–12% от общего количества потребляемой энергии, которая могла бы быть использована для увеличения массы тела животных. Следовательно, включение кормов, снижающих выработку метана, важно для снижения потерь энергии у животных. Снижение выбросов метана принесёт пользу, как окружающей среде, так и животноводству. 

Цель проекта

Снижение выбросов метана (парниковых газов) от мясного скота за счёт внедрения технологии содержания и откорма.

Задачи проекта

1) определение археев в рубце крупного рогатого скота с последующей разработкой рациона, способствующего снижению выработки метана;

Будет определен исходный состав содержимого рубца для идентификации присутствия метаногенов. Будет разработан рацион для крупного рогатого скота, способствующий уменьшению выбросов метана и увеличению массы тела скота. Животные будут разделены на экспериментальные группы и скармливаться различными диетами. После скармливания скота разработанным и контрольным рационами, будет собрано рубцовое содержимое для последующего анализа микробиома при помощи секвенирования нового поколения.

2) сбор образцов кишечного содержимого крупного рогатого скота, из разных географических регионов Казахстана, от местных и импортных пород мясного скота;

Для получения достоверных результатов метагеномного исследования, образцы фекалий будут ректально отобраны у крупного рогатого скота из различных географических и климатических регионов Республики Казахстан, с учётом породы животных (казахская белоголовая, абердин — ангус), для изучения динамики изменения микробиома в зависимости от рациона кормления и технологии содержания.

3) исследование микробного содержимого желудочно-кишечного тракта крупного рогатого скота метагеномным анализом для обнаружения бактерий, которые снизят выбросы метана и улучшат продуктивность животных;

Будет проведена пробоподготовка содержимого желудочно-кишечного тракта крупного рогатого скота и приготовлены генетические библиотеки из образцов. Будет проведен метагеномный анализ гипервариабельных участков V3 и V4 гена 16S рРНК бактерий путем секвенирования нового поколения (NGS) на приборе Illumina MiSeq. Секвенирование нового поколения способно обрабатывать сотни тысяч считываний последовательностей за один прогон прибора, что позволяет характеризовать как многочисленных, так и редких членов сообщества.

4) обработка полученных данных биоинформатическим методом.

Анализ первого уровня для всех образцов будет проводиться с помощью MiSeq Reporter Metagenomics Workflow (MSR, Illumina), чтобы получить представление о микробном сообществе для каждого образца. Затем набор данных будет проанализирован с использованием программного обеспечения CLC Genomics Workbench (Qiagen), включая проверку качества, оценку частоты ошибок, слияние прямого / обратного чтения, удаление химер, определение OTU и присвоение таксонов. Будет оцениваться альфа- и бета-разнообразие.     

Научная новизна и значимость проекта

У жвачных животных в рубце содержатся археи, которые выделяют метан. Метан относится к парниковым газам. Парниковые газы оказывают негативное влияние на экологию всего земного шара. Происходит глобальное изменение климата в сторону потепления. Необходимо решать данную проблему усилиями учёных со всех стран.

Исследование содержимого желудочно-кишечного тракта жвачных животных проводят обычно традиционным бактериологическим методом. Однако данный метод имеет много ограничений. Большая часть микробов не культивируется in vitro и не может быть выращена на лабораторных средах. Для воспроизведения естественной среды микробов необходимо селективное и обогащающее культивирование. Выращивание анаэробов довольно сложно из-за необходимости исключать кислород, медленного роста микробов. Krause et al., подсчитали, что только 20% микробиомы рубца можно культивировать с использованием стандартных методов, а совсем недавно McCabe et al., предположили, что культивируемые бактерии в рубце составляют менее 1% от всех видов микробов.

Независимые от культивирования методы, или, точнее, методы идентификации и обнаружения микроорганизмов на основе ДНК, позволяют исследовать микробные сообщества на молекулярном уровне. Метагеномный анализ позволяет описывать микробное сообщество с помощью высокопроизводительной технологии секвенирования. Методы, связанные с этим типом анализа, включают секвенирование ампликона консервативного гена 16S rRNA, используемое для определения бактериального состава или подсчета целевых микробов в сложной экосистеме без необходимости культивирования, поскольку это часто невозможно для образцов, полученных из сложных сред, таких как рубец. Секвенирование 16S является филогенетическим маркером, и имеется большая база данных последовательностей, помогающая в анализе данных.  Поскольку секвенирование гена 16S rRNA было впервые использовано для изучения микробных экосистем рубца, обширный охват видов с низкой численностью позволил провести анализ редких микробных сообществ, которые находятся в спящем или неактивном состоянии. NGS современная технология, которая продолжает улучшать нашу способность понимать сложные экосистемы, позволяет анализировать ранее не обнаруживаемые и некультивируемые микроорганизмы. Все эти методы используют биоинформатику как средство анализа для обработки больших наборов данных и могут использоваться для сравнения различных микроорганизмов в разнообразной экосистеме.

Целью проекта является поддержка международных усилий по разработке стратегий снижения выбросов метана и технологий адаптации рубца, а также инициирование исследований с использованием генома для понимания функции рубца, эффективности преобразования корма, метаногенеза и деградации стенок растительных клеток, чтобы найти баланс между производством продуктов питания и парниковыми газами. 

На территории Казахстана исследование содержимого желудочно-кишечного тракта крупного рогатого скота на основе технологии секвенирования нового поколения будет проводиться впервые. В литературе имеется много описаний микробиома крупного рогатого скота абердин- ангусской породы, однако исследованием микробиомы желудочно-кишечного тракта местных пород скота никто не занимался, также как и исследованием породы абердин- ангусс, предки которых были завезены ранее на территорию РК.

Понимание микробиома рубца и его связи со жвачными животными важно для производства качественной продукции, повышения прибыльности и снижения воздействия на окружающую среду.

Разложение растительной клетчатки происходит в результате гидролиза полисахаридов с высвобождением мономеров. Затем мономеры ферментируются посредством ацидогенеза, что приводит к образованию органических и короткоцепочечных жирных кислот. Также образуются водород (H₂) и углекислый газ (CO₂). Большинство метаногенов удаляют водород путём восстановления углекислого газа с образованием метана. Производство метана поддерживает низкую концентрацию водорода в рубце, позволяя метаногенам способствовать росту других видов бактерий и обеспечивая более эффективную ферментацию. Если жвачные животные не будут производить метан, pH рубца упадет, переваривание клетчатки станет невозможным. Необходимо в рамках проекта подобрать диету животным, которая бы перенаправила водородв другие продукты, а не в метан. Энергия, ранее расходуемая на производство метана, вместо этого будет использоваться хозяином для увеличения массы тела, т.е. увеличится продуктивность животных.

Свыше половины метана в атмосфере – это результат экстенсивного развития сельского хозяйства, прежде всего животноводства. Крупный рогатый скот является мощным источником выработки метана через отрыжку. Метан, приводит к большему париковому эффекту: он способен задерживать больше тепла, чем диоксид углерода. Желудочные газы в результате неправильного питания и пищеварения, становятся серьёзной проблемой стран с мощным сельским хозяйством. Чем меньше выделяется метана, тем медленнее темпы климатических изменений, связанных с потеплением. Чтобы уменьшить выбросы метана, необходимо изменять рацион коров.  В Казахстане с каждым годом увеличивается поголовье крупного рогатого скота, в связи с чем, выделяется больше метана. На сегодняшний день в Казахстане никто не занимается проблемой уменьшение выбросов метана от животных. Таким образом, в рамках данного проекта мы попытаемся решить проблему парниковых газов, которая является актуальной не только для Казахстана, но и для всего мирового сообщества.

Имена и фамилии членов исследовательской группы

Руководитель проекта Даугалиева А.Т. — кандидат ветеринарных наук, имеет опыт работы в ветеринарной сфере — 20 лет, из них в молекулярно-генетических исследованиях -14 лет. Имеет Индекс Хирша — 2. (Scopus ID 57201215163; Researcher ID O-1991-2017, ORCID ID0000-0002-7703-7798).  Прошла стажировку по освоению молекулярно-генетических методов в Instituto Zooprofilattico sperimentale, Италия, г.Турин; во Всероссийском НИИ сельскохозяйственной биотехнологии, Россия, г.Москва. Прошла курс обучения работе с оборудованием «Секвенатор нового поколения Illumina MiSeq». Специалист по идентификации инфекционных микроорганизмов методами ПЦР, РТ-ПЦР, секвенирования по Сенгеру, фрагментному анализу, а также 16S метагеномного анализа на секвенаторе Illumina MiSeq. Является автором более 100 научных работ. Направление работы в проекте – общее руководство экспериментами, анализ и обработка полученных данных, подготовка отчетной документации, научных статей. В проекте подбирает хозяйства для проведения совместной научно-исследовательской работы. Собирает образцы кишечного содержимого крупного рогатого скота из разных географических регионов Казахстана, от местных и импортных пород мясного скота. Собирает информацию по кормлению скота разных пород в хозяйствах разных регионов.

---

Ашанин А.И. — доктор сельскохозяйственных наук, профессор, имеет опыт работы в зоотехнической сфере — 51 лет. Разрабатывает рационы для крупного рогатого скота, способствующие снижению выработки метана. Анализирует полученные лабораторные результаты по исследованию кормов, собранных из различных географических регионов Казахстана. Участвует в оформлении результатов в виде статей и отчетов. Является автором более 175 научных работ, в т.ч. 16 рекомендаций, 4 книги в соавторстве. Автор 3 изобретений.

---

Даугалиева С.Т. — кандидат ветеринарных наук, имеет опыт работы в ветеринарной сфере — 22 года, из них в молекулярно-генетических исследованиях — 10 лет. Имеет Индекс Хирша — 1. (Scopus ID 57211979869; Researcher ID AAQ-3821-2020, ORCID ID 0000-0002-8826-3942). Проводит молекулярно-генетические исследования микробиомы КРС. Выделяет ДНК из образцов рубцового и кишечного содержимого от крупного рогатого скота. Подготавливает генетические библиотеки для 16S метагеномного анализа. Исследует микробное содержимое желудочно-кишечного тракта крупного рогатого скота метагеномным анализом на приборе MiSeq Illumina методом секвенирования нового поколения (NGS). Проводит первичную обработку данных с помощью программного обеспечения MiSeq Reporter.Участвует в оформлении результатов в виде статей и отчетов.

---

Арынгазиев Б.С. — кандидат сельскохозяйственных наук, имеет опыт работы в зоотехнической сфере — 19 лет. Подбирает хозяйства для совместной работы. Организует работу в опытных группах животных, содержащихся в отгонном участке «Курозек», по кормлению, измерению метана. Анализирует и обрабатывает полученные данные, будет участвовать в подготовке научных статей.

---

Лаврентьева Т.А. – практический ветеринарный врач, имеет опыт работы в ветеринарной сфере — 9 лет. Устанавливает фистулы животным контрольной и исследуемой групп Жамбылского района, с. Жайсан (отгонный участок «Курозек») для последующего взятия содержимого рубца и исследование его метогеномным анализом. Реабилитирует скот после операции. Скармливает разработанным и контрольным рационами скот и собирает их рубцовое содержимое через фистулу и пищеводные зонды. Проводит эксперимент по влиянию рациона на рубцовое содержимое и привес скота в опытной и контрольных группах. Производит замеры выделяемого метана газоанализатором. Собирает образцы кишечного содержимого крупного рогатого скота из разных географических регионов Казахстана, от местных и импортных пород мясного скота. Собирает информацию по кормлению скота разных пород в хозяйствах разных регионов.

---

Сембаева А.И. — магистр зоотехнии, имеет опыт работы в зоотехнической сфере — 14 лет. Принимает участие в оформление научной документации. Ведет веб-страницу на сайте касательно проекта. Собирает образцы кишечного содержимого крупного рогатого скота из разных географических регионов Казахстана, от местных и импортных пород мясного скота. Собирает информацию по кормлению скота разных пород в хозяйствах разных регионов

---

Симоне Пелетто — доктор ветеринарной медицины DVM, доктор философии PhD, научный сотрудник лаборатории генетики и продвинутых методов Omics. Работает в Instituto Zooprofilattico Sperimentale Piemonte Liguria and Valle d’Aosta (IZS PLVA) (г.Турин, Италия), имеет опыт работы в молекулярно-генетических исследованиях -17 лет. Доктор Пелетто занимается изучением генетической резистентности животных к инфекционным заболеваниям, а также молекулярным типированием микроорганизмов, филогенетическими и филогеографическими исследованиями. Доктор Пелетто имеет навыки в технологии секвенирования нового поколения, позволяющей применять геномный подход к исследованиям. Индекс Хирша – 21. (Scopus ID 22986339200; ResearcherID Web of Science: K-2005-2016).  В проекте его обязанности будут заключаться в участии в планировании экспериментов, проведении биоинформатического анализа, поддержке в интерпретации результатов.

---

Мусаев Саят Абайдиллаевич  —  бакалавр, по специальности ветеринарная санитария, младший научный сотрудник. Собирает образцы кишечного содержимого крупного рогатого скота из разных географических регионов Казахстана, от местных и импортных пород мясного скота. Собирает информацию по кормлению скота разных пород в хозяйствах разных регионов.Производит отбор проб кормов для проведения химического анализа.

---

Ерғали Бекарыс Бақдаулетұлы — бакалавр, по специальности ветеринарная медицина, младший научный сотрудник. Собирает образцы кишечного содержимого крупного рогатого скота из разных географических регионов Казахстана, от местных и импортных пород мясного скота. Собирает информацию по кормлению скота разных пород в хозяйствах разных регионов. Производит отбор проб кормов для проведения химического анализа.

Публикации научного руководителя проекта

1. Аida Daugaliyeva, Simone Peletto, Akhmetzhan Sultanov, Sholpan Baramova, Pier Luigi Acutis, Akmaral Adambaeva, Oralkan Tusipkanuly, Bekbolat Usserbayev. Development of a Differential PCR Assay for Detection of Brucella abortus and Brucella melitensis// Journal of Food Quality and Hazards Control 3 (2016). Р. 53-59. Процентиль — 27. Цитирование — 3.

2. Аida Daugaliyeva, Akhmetzhan Sultanov, Bekbolat Usserbayev, Sholpan Baramova, Paola Modesto, Akmaral Adambayeva, Pier Luigi Acutis, Simone Peletto,Genotyping of Brucella melitensis and Brucella abortus strains in Kazakhstan using MLVA-15 Infection, Genetics and Evolution. Volume 58, March 2018, Pages 135–144. Процентиль — 86. Цитирование — 5

3. Berik Aryngaziyev, Chiara Beltramo, Alessandro Dondo, Talgat Karymsakov, Katia Varello, Maria Goria, Alessia Di Blasio, Sabrina Nodari, Silvia Colussi, Paola Modesto, Aida Daugaliyeva, Pier Luigi Acutis, Saule Daugaliyeva, Simone Peletto. Polymorphisms associated to bovine paratuberculosis:investigation of their role in DNA-protein interactions and transcriptional regulation. DOI: 10.12834/VetIt.2325.13205.1. https:// Veterinaria Italiana journal 2020 Aug 6; 56 (2). PLoS. Процентиль — 62.

4. Chiara Beltramo, Talgat Karymsakov, Alessandro Dondo,  Berik Aryngaziyev, Aida Daugaliyeva, Katia Varello, Pier Luigi Acutis, Saule Daugaliyeva, Simone Peletto. Validation of suitable reference genes for quantitative expression analysis by qPCR in bovine terminal ileum and ileocecal valve 2021.  https:// Vet Ital journal 2021 Oct 6; doi: 10.12834/VetIt.2607.16055.1. – 57(3).- Р. 209-214. Процентиль — 62.

5. Кухар Е.В., С.Т.Даугалиева, А.Т.Даугалиева, А.К. Мусаева, Н.Н.Егорова, Усербаев Б.С. Микробиом слизистой оболочки носовой полости жеребенка. — Вестник науки Казахского агротехнического университета им. С. Сейфуллина. — №1(96) . -Астана, 2018. –С 94-102

6. А.Ж. Орналиева, Ж.С.Киркимбаева, С.Т. Даугалиева., Г.Н. Аймухамбет, А.Т. Даугалиева, А.Б. Ибраимов, Г.К. Таубекова. Изучение состава микробиома кишечника собак при парвовирусной инфекции. — Микробиология и вирусология — №2 (29) -Алматы, 2020. –С 52-59.

7. С.Т. Даугалиева., А.Т. Даугалиева, Е.А. Олейникова, А.Б. Ибраимов, Г.К. Таубекова. Применение технологии секвенирования нового поколения для определения микробного состава кумыса. — Наука и аграрное производство Казахстана. — Алматы, 2020. -с.73-78.

Предыдущие исследования с настоящим проектом связывают подходы в изучении микробиома – применение метода 16S метагеномного анализа. Нами отработаны методики пробоподготовки, секвенирования и первичной обработки информации для описания микробиома в различных объектах.

Публикации основного персонала исследовательской группы

1. Даугалиева С.Т., Айткельдиева С.А., Шаповалов И.С., Кулназаров Б.А. Идентификация бактерий методом секвенирования вариабельных регионов 16S rRNA гена на приборе MiSeq // Материалы Межд. науч.-пр. конф. «Вклад микробиологии и вирусологии в современную биоиндустрию». Алматы, 2016. С. 179-183.

2. Жазылбеков Н.А., Калмагамбетов М.Б., Алимханов Е.М., Сембаева А.И. Продуктивность племенного молодняка мясного скота при адресном скармливании премикса в составе концентрата. — Зоотехния, 2017.- №8.- С.28-30.

3.Кинеев М.А., Арынгазиев Б.С., Абдулаев К.Ш., Рамазанов А.У., Сембаева А.И. Рекомендации по кормлению мясного скота РК в региональном аспекте. — Изд. дом «Альманах». МСХ РК, НАО «НАНОЦ», ТОО «КазНИИЖиК».-Алматы, 2019. — 13 С.

4. Арынгазиев Б.С., Кинеев М.А., Кенжебаев Т.Е., Шынбаев К., Шонов О.Б., Сембаева А.И. «Модельдік» шаруашылық құру жолымен етті ірі қара малын өсіру тиімділігін арттыру. — МСХ РК, Ұлтық аграрлық ғылыми — білім беру орталығы, коммерциялық емес акционерлік қоғамы.- Алматы, 2019. — 24 Б.

5. Ж.Султанулы, Б.Арынгазиев, Т.Ларентьева, Б.Канапин. Лечение послеродовогогнойно-катарального эндометрита КРС в племенных хозяйствах РК.-// Мат. Межд. Науч.-пр. конф. «Научное обеспечение животноводства Сибири». – Красноярск, 2020. -С. 457-460.

6. А.Т. Даугалиева, Б.С.Арынгазиев, Б.К. Жусипбеков. Обеспечение биобезопасности и организация профилактических противоэпизоотических мероприятий в хозяйствах, содержащих КРС. — Наука и аграрное производство Казахстана.-Алматы, 2020. -с.59-68.

7. Кинеев М.А., Арынгазиев Б.С., Сембаева А.И. К вопросу о полноценности кормления мясного скота в хозформированиях Казахстана. — Наука и аграрное производство Казахстана.-Алматы, 2020. -с.24-26.

8. Даугалиева С.Т., Кухар Е.В., Исанов Т.Ш. Результаты NGS-секвенирования консорциума микроорганизмов нового пробиотического препарата // Материалы Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы биоразнообразия и биотехнологии», посвящённой году молодёжи в Республике Казахстан. — Нұр-Сұлтан, 2019. -С. 78-80.

Публикации зарубежного ученого Симоне Пелетто:

1. Nicola I, Cerutti F, Grego E, Bertone I, Gianella P, D’Angelo A, Peletto S, Bellino C. Characterization of the upper and lower respiratory tract microbiota in Piedmontese calves. Microbiome. 2017, 21;5(1):152. (Web of Science Q1).

2. Cerutti F, Modesto P, Rizzo F, Cravero A, Jurman I, Costa S, Giammarino M, Mandola ML, Goria M, Radovic S, Cattonaro F, Acutis PL, Peletto S. The microbiota of hematophagous ectoparasites collected from migratory birds. PLoS One. 2018, 13(8):e0202270(Scopus 62).

3. Peletto S, Caruso C, Cerutti F, Modesto P, Biolatti C, Pautasso A, Grattarola C, Giorda F, Mazzariol S, Mignone W, Masoero L, Casalone C, Acutis PL. Efficient isolation on Vero.DogSLAMtag cells and full genome characterization of Dolphin Morbillivirus (DMV) by next generation sequencing. Sci Rep. 2018, 16;8(1):860.

4. Amoroso MG, Cerutti F, D’Alessio N, Lucibelli MG, Cerrone A, Acutis PL, Galiero G, Fusco G, Peletto S. First identification of porcine parvovirus 3 in a wild boar in Italy by viral metagenomics — Short communication. Acta Vet Hung. 2019, 67(1):135-139. (Web of Science Q3; Scopus 65).

5. Cerutti F, Caruso C, Modesto P, Orusa R, Masoero L, Acutis PL, Peletto S. The genome of Border disease virus genotype 8 from chamois by next generation sequencing. Vet Ital. 2019, 55(1):103-105.

 

Библиографический список публикаций, полученных в результате выполнения темы

1. Даугалиева А.Т., Даугалиева С.Т., Арынгазиев Б.С., Сембаева А.И., Т.А.Лаврентьева. Изучение микробиома желудочно-кишечного тракта местного и импортированного крупного рогатого скота// Мат. Межд. Науч.-пр. конф. «Актуальные проблемы и тенденции развития современной аграрной науки и ветеринарии», посвященной памяти доктора ветеринарных наук, профессора Пионтковского В.И.». -Костанай, 2021. — С.291-303.
2. Даугалиева А.Т., Даугалиева С.Т., Арынгазиев Б.С., Сембаева А.И. Исследование микробиома желудочно-кишечного тракта крупного рогатого скота Республики Казахстан // Наука и аграрное производство Казахстана. — Алматы, 2021 г.- №2. -С.58-65
3. Даугалиева А.Т., Даугалиева С.Т., Арынгазиев Б.С., Лаврентьева Т.А. Исследование микробиома желудочно-кишечного тракта крупного рогатого скота породы Абердин- ангус // Микробиология и вирусология. — Алматы, 2021 г.- №3. -С. 37-45.
4. Даугалиева А.Т., Даугалиева С.Т., Кинеев М.А., Арынгазиев Б.С., Сембаева А.И., Лаврентьева Т.А. Сравнительная характеристика кишечного микробиома местного крупного рогатого скота и скота абердин-ангусской породы, импортированного в Казахстан// Ветеринария сегодня. — Владимир, 2022 г.- №1 (11). — С. 51-61 DOI: 10.29326/2304-196X-2022-11-1-53-60
5. Daugaliyeva A, Daugaliyeva S, Ashanin A, Kanatbayev S, Beltramo Ch and Peletto S. Study of cattle microbiota in different regions of Kazakhstan using 16S metabarcoding analysis. Scientific reports (2022) 12: 16410. Р 1-11. 91 percentile, Q2. https:// doi: 10.1038/s41598-022-20732-4. Daugaliyeva A., Daugaliyevа S.,* Ashanin A., Beltramo Ch., Mamyrova L., Yessembekova Z. and Peletto S. Prokaryotic Diversity of Ruminal Content and Its Relationship with Methane Emissions in Cattle from Kazakhstan. Life-Basel (2022) 12, 1911. Р 1-13. Q2. https://doi.org/10.3390/life12111911.

Исследовательская среда

В институте имеется аккредитованный по СТ РК /ISO/IEC 17025-2018 Испытательный центр (№ KZ.T.02.0377 от 23 апреля 2020 г. до 23 апреля 2025 г.). На базе института имеется оборудование для проведения молекулярно — генетических исследований: весы лабораторные электронные, центрифуга-вортекс, вортекс, термостат сухоблочный, система очистки воды, многофункциональная центрифуга, мини-центрифуга, амплификатор для ПЦР, ПЦР-бокс, УФ настольный бокс для ПЦР работ в чистой зоне, камера для горизонтального электрофореза,  источник тока для электрофореза, гельдокументирующая система, генетический анализатор. Навыки для работы с научно-исследовательским оборудованием имеют Даугалиева А.Т. и Даугалиева С.Т.

В качестве члена исследовательской группы в проекте принимает участие доктор философии, доктор ветеринарной медицины Simone Peletto (Италия). Он осуществляет биоинформатическую обработку данных секвенирования с помощью специального программного обеспечения, имеющегося в лаборатории генетики и перспективных омических методов экспериментального института зоопрофилактики Пьемонта.

Метагеномный анализ выполняет Даугалиева С.Т. на секвенаторе Illumina MiSeq в ТОО «НПЦ микробиологии и вирусологии», сотрудником, которого она является.

Ожидаемые результаты

Результаты исследований будут опубликованы в трех зарубежных статьях в рецензируемых научных изданиях, входящих в 1, 2  или 3 квартили в базе Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 50 и в одной  статье в рецензируемом зарубежном или отечественном издании, рекомендованном КОКСОН.

Будут организованы семинары с участием сотрудников Ветеринарных служб, профессиональных ветеринаров, зоотехников и фермеров для иллюстрации результатов проекта и информирования их о воздействии парниковых газов на окружающую среду.

Результаты проекта будут применяться в зоотехнии, ветеринарии и экологии, так как выполнение задач будет способствовать снижению выбросов метана, повышению продуктивности животных и поддержанию стойкого благополучия скота.

Будет проведён метагеномный анализ рубцового содержимого мясного скота, скармливаемого разными диетами. Будет определено влияние разработанного рациона на микробиому рубца, а именно уменьшение количества метагенов поможет снизить негативное воздействие на окружающую среду, а также повысит эффективность животноводства. Будет выявлены бактерии, которые смогут перенаправить водород для производства других конечных продуктов, а не метана.

Будет проведён сравнительный анализ кишечного содержимого местного и привозного скота из разных географических зон Республики Казахстан, для обнаружения бактерий, которые снизят выбросы метана и улучшат продуктивность животных.

Экологический эффект связан с уменьшением выбросов парниковых газов в атмосферу (метан выходит с отрыжкой крупного рогатого скота), экономический эффект связан с тем, что увеличивается привес животного, в связи с расходованием энергии не на выработку метана, а на увеличение массы тела скота.

Полученные результаты     

2021 год

Животные в животноводческом участке «Курозек» ТОО «КазНИИЖиК», в Мынбаевском с/о, Жамбыльского района, Алматинской области, имели одинаковый рацион питания. Было собрано их кишечное содержимое для проведения метагеномного анализа, затем животные были разделены на 3 группы по 4 головы в каждой. Первая группа содержалась на концентратно-силосном рационе, вторая на сено- концентратном, а третья выпасалась на пастбище. Были установлены фистулы животным контрольной и исследуемой групп для последующего взятия содержимого рубца и исследование его метогеномным анализом. Прошла реабилитация скота после операции.

Анализ рубцового содержимого показал, что концентратно-силосный рацион, способствовал снижению выработки метана крупным рогатым скотом и увеличению привеса скота.

Был проведен сбор образцов кишечного содержимого крупного рогатого скота, из разных географических регионов Казахстана, от местных и импортных пород мясного скота. Был проведен сбор информации по кормлению скота разных пород в хозяйствах разных регионов. Был произведен отбор кормов для проведения химического анализа в испытательном центре ТОО «КазНИИЖиК».

Северный регион — ТОО «Береке Акжар», Акжарский район (после завоза в Казахстан из Ирландии) и ТОО «Алабота», Тайыншинский район, Северо-Казахстанская область (стойловый период);

Западный регион- к/х «Сибат», к/х «Шовда», к/х «Шунайбеков», к/х «Шканов», Байтерекский район, Западно-Казахстанская область (пастбищный период);

Юго-восточный регион — ТОО «Байсерке-Агро», Талгарский район (стойловый период); к/х «Бимуратов», Ескельдинский район (стойловый период); к/х «Акылбай», Кербулакский район (пастбищный период);  ОПХ«Курозек», ТОО «КазНИИЖиК», Жамбылский район, Алматинская область (стойловый и пастбищный периоды);

Южный регион — СПК «Ет-Арк Манкент» и МПК «Курбанов», Сайрамский район, Туркестанская область (стойловый период).

Были выделены ДНК из микробиомы рубца и кишечника. Было исследовано микробное содержимое желудочно-кишечного тракта крупного рогатого скота метагеномным анализом.  Были обработаны полученные данные биоинформатическим методом.

2022 год

Был проведен сбор образцов кишечного содержимого крупного рогатого скота, из разных географических регионов Казахстана,  от местных и импортных пород мясного скота. Был проведен сбор информации по кормлению скота разных пород в хозяйствах разных регионов. Был произведен отбор кормов для проведения химического анализа в испытательном центре ТОО «КазНИИЖиК».

Центральный  регион — ТОО «Журавлевское»,  Буландынский  район (стойловый и пастбищный периоды), ТОО «KzaHorse Mugalzhar», Ерейментауский район  (пастбищный период) Акмолинская область; ТОО «Атамура Табыс», Каркалинский  район  (пастбищный период), Карагандинская область ;

Западный регион- к/х «Сибат», к/х «Шовда», к/х «Шунайбеков», к/х «Шканов», Байтерекский район (стойловый период), Западно-Казахстанская область;

Юго-восточный регион — к/х «Бимуратов», Ескельдинский район (пастбищный период); к/х «Кулдыбаев Даулетгали», Каратальский район (стойловый период); к/х «Надиров», Енбекшиказахский район (стойловый и пастбищный периоды) Алматинская область;

Северный регион — ТОО «Береке Акжар», Акжарский район и ТОО «Алабота», Тайыншинский район  (пастбищный период) Северо-Казахстанская область.

Были выделены ДНК из микробиомы рубца и кишечника. Было исследовано микробное содержимое желудочно-кишечного тракта крупного рогатого скота метагеномным анализом.

2022 — 2 полугодие

1) Собраны образцы кишечного содержимого крупного рогатого скота, из разных географических регионов Казахстана, от местных и импортных пород мясного скота. Собрана информация по кормлению скота разных пород в хозяйствах разных регионов:

• Туркестанская область, г. Кентау, с. Енбекшидихан, к/х «Маруф». Порода- Ангус 3 головы. Пастбищный период.
• Туркестанская область, Байдибекский район, с. Шаян, к/х «Абильмансур». Порода- Казахская белоголовая 3 головы. Пастбищный период.
• Алматинская область, Енбекшиказахский р/н, г.Иссык, ТОО «Рауан Агро». Порода- Казахская белоголовая 3 головы. Пастбищный период.

Собраны пробы кормов и проведен их химический анализ на качество.

• Акмолинская обл, Ерейментауский р-н, с. Новомарковка, ТОО «Жана-Береке». Порода- Казахская белоголовая 3 головы. Пастбищный период.
• Абайская обл, г.Семей, с/о Приречное, к/х «Ермек», Порода- Казахская белоголовая 3 головы. Стойловый период.
• Абайская обл, Жарминский район, с. Шалабай, ТОО «Шалабай» Порода- Казахская белоголовая 9 голов. Стойловый период.

Собраны пробы кормов и проведен их химический анализ на качество.

2) Выделена ДНК из микробиомы рубца и кишечника

Исследовано микробное содержимое желудочно-кишечного тракта крупного рогатого скота метагеномным анализом. Проведены молекулярно- генетические исследования микробиомы КРС из вышеперечисленных хозяйств по общепринятым методикам. Всего 27 проб.

3) Обработаны полученные данные биоинформатическим методом, оформлены результатов в виде статей.

У бычков 3-его месяца кормления льном на уровне класса наблюдается 6-кратное увеличение количества архей Methanobacteria и 285-кратное Methanomicrobia. На уровне семейства Methanocorpusculaceae увеличивалась в 255 раз и Mathanobacteriaceae — в 6 раз. Результаты показали 13-кратное увеличение Methanomethylophilaceae.

16S Метабаркодированный анализ микробиоты КРС

Показал, что на уровне класса метаногенов Methanobacteria, Methanomicrobia и Methanosarcinia были многочисленны в СКО и особенно в Алматинской области. При сравнении Алматинской и Акмолинской областей наблюдается 4-кратное увеличение метанобактерий (p = 0,02).

На уровне семейства были обнаружены различия для Mathanobacteriaceae, которые были многочисленны в сравнениях Алматинской и Акмолинской обл (в 7 раз), СКО и Акмолинской обл (в 3 раза), ЗКО и Акмолинской обл. (в 4 раза). Животные, содержащиеся на пастбищах, имели в 4,5 раза меньшего количества Mathanosarcinaceae, чем животные, содержащиеся в стойле.

На уровне рода различия были подтверждены для Methanobrevibacter в сравнении Алматинской с Акмолинской обл и Алматинской обл с ЗКО (7-кратное и 3-кратное увеличение в Алматы). В ЗКО Mathanosphaera была в 3 раза больше, чем в Акмолинской обл. В целом, микробиота алматинского скота, наиболее богата метаногенами, в то время как у акмолинского скота наоборот. Исключение составляет род Mathanocorpusculum, численность которого в СКО была в 4 раза меньше, чем в Акмолинской обл. Дифференциальный анализ численности на уровне рода показал снижение метаногенов при переходе от стойла к пастбищу, но только для Methanosphaera результат был статистически значимым.

Библиографический список публикаций, полученных в результате выполнения темы

1. Даугалиева А.Т., Даугалиева С.Т., Арынгазиев Б.С., Сембаева А.И., Т.А.Лаврентьева. Таксономическая характеристика микробиома желудочно-кишечного тракта местного и импортированного крупного рогатого скота // Мат. Межд. Науч.-пр. конф. «Актуальные проблемы и тенденции развития современной аграрной науки и ветеринарии», посвященной памяти доктора вет. наук, профессора Пионтковского В.И.». -Костанай, 2021. — С.291-303.
2. Даугалиева А.Т., Даугалиева С.Т., Арынгазиев Б.С., Сембаева А.И. Исследование микробиома желудочно-кишечного тракта крупного рогатого скота Республики Казахстан // Наука и аграрное производство Казахстана. — Алматы, 2021 г.- №2. (6).-С.58-65
3. Даугалиева А.Т., Даугалиева С.Т., Арынгазиев Б.С., Лаврентьева Т.А. Исследование микробиома желудочно-кишечного тракта крупного рогатого скота породы Абердин- ангус // Микробиология и вирусология. — Алматы, 2021 г.- №3 (34). -С. 37-45.
4. Даугалиева А.Т., Даугалиева С.Т., Кинеев М.А., Арынгазиев Б.С., Сембаева А.И., Лаврентьева Т.А. Сравнительная характеристика кишечного микробиома местного крупного рогатого скота и скота абердин-ангусской породы, импортированного в Казахстан// Ветеринария сегодня. — Владимир, 2022 г.- №1 (11). — С. 51-61 https:// doi:10.29326/2304-196X-2022-11-1-53-60
5. Daugaliyeva A, Daugaliyeva S, Ashanin A, Kanatbayev S, Beltramo Ch. and Peletto S. Study of cattle microbiota in different regions of Kazakhstan using 16S metabarcoding analysis // Scientific reports. — (2022).- 12, No.16410. — Р 1-11. 91 percentile, Q2. https:// doi: 10.1038/s41598-022-20732-4.
6. Daugaliyeva A., Daugaliyevа S.,* Ashanin A., Beltramo Ch., Mamyrova L., Yessembekova Z. and Peletto S. Prokaryotic Diversity of Ruminal Content and Its Relationship with Methane Emissions in Cattle from Kazakhstan // Life-Basel. — (2022). — 12, No. 1911. — Р 1-13. Q2. https://doi.org/10.3390/life12111911.
7. Daugaliyeva А.Т., Daugaliyeva C.Т., Kanatbayev C.G., Baitlessov E.U. Methane emission from cattle in the Republic of Kazakhstan //Ғылым және білім — Уральск, 2022. — №4-1 (69) –С. 173-181. https:doi: 10.56339/2305-9397-2022-4-1-173-181
8. Даугалиева С.Т., Даугалиева А.Т., Ашанин А.И., Ерғали Б.Б. Влияние скармливания семян льна на продуктивность и концентрацию архей в микробиоме желудочно-кишечного тракта бычков казахской белоголовой породы // Микробиология и вирусология. 2023.- №1.-С.230 — 239. https://doi.org/53729/MV-AS.2023.01.15.
9. Даугалиева А.Т., Даугалиева С.Т., Ашанин А.И., Канатбаев C.Г., Мамырова Л.К., Есембекова З.Т., Ерғали Б.Б. Разнообразие микробиоты кишечного содержимого крупного рогатого скота и ее влияние на выделение метана в РК //Ғылым және білім.- 2023.- №1. -С.87- 96. https:doi: 10.56339/2305-9397-2023-1-1-87-97.
10. Даугалиева А.Т., Ашанин А.И., Даугалиева С.Т., Канатбаев C.Г. 16s Метабаркодированный анализ микробиоты КРС //Сборник научных трудов КНЦЗВ.- 2023.- Т. 12 (1). -С.63- 68. https:doi:10.48612/sbornik-2023-1-15.

СМИ

1. Даугалиева А.Т., Даугалиева С.Т., Ашанин А.И. Выбросы парниковых газов в животноводстве // Жайық ветеринары.- — № 3 (165). — С.2- 3.
2. Даугалиева А.Т., Канатбаев С.Г., Ашанин А.И., Даугалиева С.Т., Ерғали Б.Б.Батыс Қазақстан облысының Ауыл шаруашылығы құрылымдарының ірі қара малы мен жемшөп базасының сипаты // Жайық ветеринары.- — № 2 (176). — С.6- 7.

Рекомендации

Ашанин А.И., Даугалиева А.Т., Даугалиева  С.Т. Пути снижения эмиссии метана крупным рогатым скотом в РК. ISBN 978-601-7920-57-9. — 2023. — 40 стр.

Семинар

Даугалиева А.Т.Уменьшение выбросов парниковых газов от животных в РК.- ТОО «Рауан Агро», Алматинская область.-3-4 августа 2023

 

 

Полученные результаты

2023 год

Собраны образцы кишечного содержимого крупного рогатого скота, из разных географических регионов Казахстана, от местных и импортных пород мясного скота. Собрана информация по кормлению скота разных пород в хозяйствах разных регионов:

— Алматинская область, Енбекшиказахский р/н,  ТОО «Рауан Агро». Порода — Казахская белоголовая 3 головы. Стойловый период.

— Карагандинская область, Осакаровский р/н, к/х «Карлыгаш». Порода — Казахская белоголовая 6 голов. Стойловый и пастбищный периоды.

— Карагандинская область, Каркалинский р/н, к/х «Ардак». Порода — Абердин-Ангус. 3 головы. Стойловый период.

— Карагандинская область, Абайский р/н, к/х «Бота. Порода — Абердин-Ангус. 3 головы. Пастбищный период.

— Костанайская область, Карабалыкский р/н, к/х «Север Агро-Н». Порода- Абердин-Ангус. 3 головы. Стойловый период.

— Западно-Казахстанская область, Байтерекский р/н, к/х «Сибат». Порода- Абердин-Ангус. 3 головы. Стойловый период.

— Абайская область, Абайский р/н, к/х «Серик». Порода — Абердин-Ангус. 3 головы. Пастбищный  период.

— Абайская область, Жарминский р/н, ТОО «Шалабай». Порода — Казахская белоголовая. 3 головы. Пастбищный  период.

— Алматинская область, Енбекшиказахский р/н,  ТОО «Рауан Агро». Порода — Казахская белоголовая 3 головы. Стойловый период и пастбищный периоды.

-Жетысуйская область,  Ескельдинский р/н,  к/х «Бимуратов». Порода — абердин-ангус 3 головы. Пастбищный период.

Собраны пробы кормов и проведен их химический анализ на качество.

Выделена ДНК из микробиомы рубца и кишечника в количестве 164 образца за три года (1-ый год- 57; 2-ой год-64 и 3-ий год- 43).

Исследовано микробное содержимое желудочно-кишечного тракта крупного рогатого скота метагеномным анализом. Проведены молекулярно-генетические исследования микробиомы КРС.

Обработаны полученные данные биоинформатическим методом.

В результате проведенных исследований было установлено, что наименьшее количество метана выделяет казахская белоголовая порода, при сено- силосно-концентратном типе кормлении, при стойловом содержании, в западных регионах страны.

Рисунки биоинформатического анализа