КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-76-10008

НазваниеРазработка и комплексная оценка кормовых добавок для крупного рогатого скота на основе фитохимических веществ как аналогов кормовых антибиотиков

РуководительАтландерова Ксения Николаевна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный центр биологических систем и агротехнологий Российской академии наук", Оренбургская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2025 

Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки, 06-204 - Животноводство

Ключевые словажвачные животные, пищеварение, рубец, фитохимические вещества, микробиом

Код ГРНТИ68.03.05

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Фитохимические вещества включают в себя широкий спектр химических компонентов, которые влияют на ресурсную компетентность и биологические преимущества различных видов растений (в том числе лекарственных) в различных экосистемах. Эти природные соединения также часто действуют как химические вещества, защищающие растения от патогенных микробов, насекомых и травоядных животных. Они могут модулировать или усугублять микробные процессы в желудочно-кишечном тракте и физиологические реакции в микробиомах жвачных животных. Чтобы использовать их характеристики, повышающие производительность, фитохимические вещества активно исследуются в качестве кормовых добавок для управления пищеварением и проявления других профилактических (профилактика болезней животных), терапевтических (лечение болезней животных) и ростостимулирующих функций. Однако взаимодействия фитохимических веществ с хозяином, точный механизм действия и их последствия требуют более глубокого разъяснения, чтобы дать окончательные рекомендации по их использованию в животноводстве. В этой связи исследования планируемые в представленном проекте являются актуальными. Кроме того, актуальность решения обозначенной проблемы подтверждается в том числе реализацией задач приоритета научно-технологического развития Российской Федерации, а именно – «переход к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству, разработку и внедрение систем рационального применения средств химической и биологической защиты сельскохозяйственных растений и животных, хранение и эффективную переработку сельскохозяйственной продукции, создание безопасных и качественных, в том числе функциональных, продуктов питания» и распоряжения Правительства Российской Федерации № 2045-р (2017 г.) о принятии «Стратегии предупреждения распространения антимикробной резистентности в Российской Федерации на период до 2030 года», направленного в том числе на замещение традиционных антимикробных препаратов новыми природными химическими соединениями растительного происхождения. Научная значимость задачи определяется недостатком объективной информации об отдельном и совместном действии фитохимических веществ (обнаруженных в лекарственных растениях), а именно коричный альдегид, кверцетин, кумарин, ванилин, в том числе проявлении синергетического действия, добавленных к различным субстратам, на ферментацию in vitro, рубцовый метаногенез и метаболом, а также на численность и разнообразие микробных популяций. Научная новизна проекта состоит в том, что впервые будут изучены механизмы действия фитохимических веществ на формирование более эффективных микробных путей рубца, что позволит в перспективе разработать принципиально новые кормовые добавки для управления микробиологическими процессами у жвачных, а также использование естественных растительных и микробных механизмов подавления систем «кворум сенсинга» зоопатогенных бактерий.

Ожидаемые результаты
В ходе реализации проекта будут получены экспериментальные данные общего токсического действия, антибактериальной и кворум-регулирующей активностей фитохимических веществ; биологической активности рубцовой жидкости, при реализации теста ингибирования бактериальной биолюминисценции генно-инженерных люминесцирующих штаммов Echerichia coli K12 TG1, конститутивно экспрессирующего luxCDABE-гены природного морского микроорганизма Photobacterium leiongnathi 54D10; показатели метаболома на фоне введения фитохимических веществ с низкой молекулярной массой (коричный альдегид, кверцетин, кумарин, ванилин) (модель рубца in vitro, in situ) с использованием системы капиллярного электрофореза, оптической эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой и др. методов (показатели азотистого, углеводного, минерального обмена); экспериментальные данные влияния фитохимических веществ с низкой молекулярной массой и их комбинаций на ферментацию, метаногенез (модель рубца in vitro) на фоне различного соотношения субстратов (корм: концентрат); результаты исследования по изучению действия препаратов на элементный статус рубцового содержимого методом масс-спектрометрией с индуктивно связанной плазмой (МС-ИСП) и атомно-эмиссионной спектрометрией с индуктивно связанной плазмой (АЭС-ИСП) на квадрупольном масс-спектрометре Nexion 300D («PerkinElmer» США) и атомно-эмиссионный спектрометр Optima2000 DV, («PerkinElmer» США); результаты таксономических исследований микробиоценоза рубца методами single-cell ПЦР и метагенномного секвенирования на платформе lllumina (MiSeq) на фоне введения фитохимических веществ с низкой молекулярной массой; результаты оценки дозозависимого эффекта действия фитохимических веществ с низкой молекулярной массой на процессы ферментации (показатели метаболома) в рубце (in vitro). Будет опубликовано не менее 8 научных статей в т.ч. в периодических изданиях WOS / Scopus не менее 3. Новизна исследований будет подтверждена не менее 2 заявками на изобретение (патент РФ). Научная значимость проекта заключается в получении новых фундаментальных знаний механизмов действия фитохимических веществ с низкой молекулярной массой с целью снижения образования метана при сохранении / улучшении ферментации в рубце крупного рогатого скота увеличении эффективности использования энергии корма сельскохозяйственными животными, регулирования развития условно-патогенных и патогенных микроорганизмов в желудочно-кишечном тракте животных.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Целью проекта является изучение влияния фитохимических веществ на динамические изменения в метаболоме рубца, микробиома и метаболической сети у молодняка крупного рогатого скота. Для достижения указанной цели на отчетном этапе проекта (в период с июня 2022 по май 2023 года) решен комплекс экспериментальных задач, связанных с исследованием токсичности различных фитохимических веществ (коричный альдегид, кверцетин, кумарин, ванилин) с использованием в качестве тест-объектов lux-биосенсора E. coli MG1655 pXen7, Echerichia coli K12 TG1 и тест-системы Stylonychia mytilus, а также влияния фитохимических соединений на сигнальные молекулы системы «Quorum sensing» бактерий (на примере рекомбинантного биосенсора Escherichia coli pAL103) с использованием рубцовой жидкости крупного рогатого скота. Получены результаты исследования по изучению кворум-регулирующей активностей фитохимических веществ, согласно которым из всех веществ только кверцетин во всем использованном диапазоне концентраций и времени воздействия не оказал влияния на уровень свечения lux-биосенсора. Наибольшим токсическим эффектом обладал коричный альдегид. Экспериментальные работы по изучению действия фитохимических веществ на фоне изменения показателей метаболома, динамики переваримости компонентов корма в режиме реального времени, в т.ч. показатели азотистого, углеводного, минерального обмена (модель искусственного рубца), выполнены на моделях in vitro (фистулированные животные Bos Taurus). Проведены исследования результативности синергетического эффекта фитохимических веществ в различных сочетаниях. В соответствии с планом работ дана оценка биологической активности рубцовой жидкости, содержащей фитохимические вещества, при реализации теста ингибирования бактериальной биолюминисценции генно-инженерных люминесцирующих штаммов Echerichia coli K12. Проведенное исследование позволило установить минимальные ингибирующие концентрации фитомолекулярных комплексов, включающих ванилин (ВН), 7-гидроксикумарин (КМ), транс-коричный альдегид (КА) и кверцетин дигидрат (КВ) при их воздействии на бактериальный штамм Escherichia coli K12 TG1. При решении задач, обозначенных в проекте проведена оценка данных механизма действия фитохимических веществ на фоне изучения показателей метаболома (модель рубца in vitro): оценка динамики переваримости компонентов корма в режиме реального времени, с использованием искусственного рубца. По результатам исследований in vitro установлено, что переваримость сухого вещества кормового субстрата увеличивается при добавлении фитохимических веществ в различных дозировках. Получены данные влияния фитохимических веществ на формы азота, в экспериментальных данных выявили понижение содержания небелкового азота, что благоприятно отражается в скорости усвоения азота микробиотой рубца. Проведена серия экспериментов по изучению углеводного и минерального обмена с выявлением наиболее выгодного распределения концентраций для контроля процессов благоприятно воздействующий на микробиоценоз рубца. На основании результатов отчетного выполненного этапа проекта (2022-2023 гг.) подготовлены 4 публикации, в том числе в рецензируемых научных журналах, индексируемых в международных базах Scopus и Web of Science, RSCI. Разработана «Кормовая добавка для крупного рогатого скота» (№ 2023111137 от 28.04.2023), для повышения рубцового пищеварения».

 

Публикации

1. Власенко Л.В., Атландерова К.Н. Assessment (in vitro) toxicity of small molecules of plant origin E3S Web of Conferences, - (год публикации - 2023)

2. Власенко Л.В., Атландерова К.Н., Дускаев Г.К., Шошин Д.Е. ВЛИЯНИЕ ФИТОХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ НА СИГНАЛЬНЫЕ МОЛЕКУЛЫ СИСТЕМЫ «QUORUM SENSING» У БАКТЕРИЙ Международный вестник ветеринарии, - (год публикации - 2023)

3. Шошин Д.Е., Атландерова К.Н., Дускаев Г.К., Сизова Е.А. МАЛЫЕ МОЛЕКУЛЫ В ТЕСТЕ ИНГИБИРОВАНИЯ БАКТЕРИАЛЬНОЙ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ Siberian Journal of Life Sciences and Agriculture, - (год публикации - 2023)

4. Шошин Д.Е., Дускаев Г.К., Атландерова К.Н., Власенко Л.В. Влияние фитомолекулярных комплексов на бактериальную люминесценцию, in vitro ВЕТЕРИНАРИЯ И КОРМЛЕНИЕ, - (год публикации - 2023)

5. Атландерова К.Н., Дускаев Г.К., Казаев К.А., Шошин Д.Е., Платонов С.А., Рахматуллин Ш.Г. Кормовая добавка для крупного рогатого скота «Федеральный институт промышленной собственности» (ФИПС), 2023111137 (год публикации - 2023)

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Задачей проекта является изучение механизмов действия фитохимических веществ с низкой молекулярной массой для синергетического или аддитивного снижения выбросов метана при сохранении или даже улучшении ферментации рубца крупного рогатого скота, выявление более результативных микробных путей, посредством влияния на определенные микроорганизмы рубца, обеспечивающие естественную альтернативу для улучшения систем производства жвачных животных. Для достижения указанных задач на отчетном этапе проекта (в период с июля 2023 по май 2024 года) проведен комплекс экспериментальных решений, связанных с исследованием и использованием фитохимических веществ (коричный альдегид, кверцетин, кумарин, ванилин) и их комбинаций на фоне различного соотношения субстратов (концентраты: грубый корм). Получены результаты исследований влияния фитохимических веществ на метаногенез, ферментацию рубцовой жидкости (модель искусственного рубца in vitro) с использованием фистулированных животных Bos Taurus, согласно которым, оптимальным по интенсификации ферментативной активности стал комплекс; с кормовым субстратом (50:50) кумарина с коричным альдегидом. В серии с кормовым субстратом (35:65) – кверцетин с ванилином. Проведены экспериментальные работы по изучению эффективности механизма действия фитохимических веществ на основе результатов таксономических исследований микробиоценоза рубца методами single-cell ПЦР и метагенномного секвенирования на платформе lllumina (MiSeq). Исследование позволило установить, что введение комбинаций фитохимических веществ влияют на филумы Bacillota и Bacteroidota, Proteobacteria с большой межиндивидуальной вариабельностью, с обратной корреляцией между численностью всех типов. В образцах с фитохимическими веществами, при экспозиции с рубцовой жидкостью уменьшается разнообразие бактериального состава относительно контрольного образца, определяющим фактором в этом процессе может быть меньшая бактериальная насыщенность, что приводит к более простой метаболической цепочке, за счет чего происходит увеличение ферментативной активности. Проведена серия экспериментов по изучению дозозависимого эффекта действия фитохимических веществ на процессы ферментации в рубце (in vitro), с использованием системы капиллярного электрофореза, оптической эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой, по результатам исследований установлено, ванилин способствует максимальному росту уровня алифатических, ароматических и оксимонокарбоновых АМК, а кверцетин и кумарин лучшим образом стимулирует накопление серосодержащего метионина. Выявлено наиболее выгодное распределение элементов в рубце, благоприятно воздействующее на микробиоценоз с нивелированием токсической нагрузки, тем самым подтверждается возможность использования представленных фитохимических веществ в качестве альтернативы кормовым антибиотикам в животноводстве. На основании результатов отчетного выполненного этапа проекта (2023-2024 гг.) подготовлены 5 публикаций, в том числе в рецензируемых научных журналах, индексируемых в международных базах Scopus, Web of Science, RSCI. Разработан «Способ регуляции пищеварительных процессов в организме крупного рогатого скота» (№2024111662 от 26.04.2024).

 

Публикации

1. Атландерова К.Н., Власенко Л.В., Дускаев Г.К. ОЦЕНКА ДЕЙСТВИЯ БИОВИТА И КОРИЧНОГО АЛЬДЕГИДА НА СТЕПЕНЬ ПЕРЕВАРИМОСТИ КОРМА И МИКРОБИОМ РУБЦА КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА Труды Кубанского государственного аграрного университета, - (год публикации - 2024)

2. Атландерова К.Н., Шошин Д.Е., Казаев К.А. Amino acid status and nitrogen forms of the rumen content in vitro when phytogenic components are introduced into the reaction medium E3S Web of Conferences, - (год публикации - 2024)

3. Власенко Л.В., Атландерова К.Н., Дускаев Г.К. ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ ВАНИЛИНА И КВЕРЦЕТИНА НА СТЕПЕНЬ ПЕРЕВАРИМОСТИ КОРМА И МИКРОБИОМ РУБЦА КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА Siberian Journal of Life Sciences and Agriculture, - (год публикации - 2024)

4. Власенко Л.В., Атландерова К.Н., Дускаев Г.К. Анализ микробиома рубца крупного рогатого скота и степени переваримости корма под действием умбеллиферона Ветеринария и кормление, - (год публикации - 2024)

5. Шошин Д.Е., Атландерова К.Н. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФИТОХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В КОРМЛЕНИИ КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА (обзор) Сельскохозяйственная биология, - (год публикации - 2024)

6. Атландерова К.Н., Платонов С.А., Елемесов Б.К., Левахин Г.И., Завьялов О.А. Способ регуляции пищеварительных процессов в организме крупного рогатого скота -, 2024111662 (год публикации - )