The udder microbiota in dairy cows: importance for animal health and welfare, mastitis and milk quality

Kyr med friske jur produserer melk av høy kvalitet, som er utgangspunktet for meieriprodukter av høy kvalitet. Juret kan også være en mulig kilde til melkas melkesyrebakterier, som kan brukes til fremstilling av fermenterte meieriprodukter. Friske jur ble tidligere antatt å inneholde bare et fåtall ubetydelige mikroorganismer, men det fins nå indikasjoner på at juret har en kompleks sammensetning av bakterier som antas å ha en beskyttende rolle mot infeksjoner. Mastitt er en smertefull jurinfeksjon som gir unormal melk og redusert melkeytelse og dermed redusert fortjeneste. Antimikrobiell behandling kurerer vanligvis mastitt, men dessverre forstyrres samtidig den naturlige mikrobiotaen i både juret og andre steder i kroppen. På grunn av det økende internasjonale problemet med antibiotikaresistens har det oppstått et stort fokus på å redusere bruken av antibiotika. Det er derfor et behov for økt kunnskap om hvordan jurets mikrobiota påvirker jurhelsen. Melkeproduksjonssystemene i Norge er på mange måter annerledes enn i andre land, og det vil derfor være nyttig for norske melkeprodusenter at jurets mikrobielle sammensetning blir studert i norske kyr. I Jurfrisk-prosjektet er det gjennomført to hovedstudier for å undersøke sammensetningen og tidsmessige endringer av jurmikrobiotaen i Norsk rødt fe. I den første studien ble over 400 prøver av melk fra jur analysert for å fastslå hvilke bakterietaxa som dominerer mikrobiotaen hos friske kyr. Det ble identifisert to hovedbakteriefamilier som var til stede i alle kyrne. Disse to familiene, Corynebacteriaceae og Staphylococcaceae, har tidligere blitt rapportert i andre pattedyrmikrobiomer som epitel og nasal, og de kan betraktes som en del av den kommensal mikrobiotaen. I tillegg fremhevet studiet av jurmikrobiotaen en høy forekomst av dysbiose, endring av den sunne mikrobielle sammensetningen, på kjertelnivå (juret er delt inn i fire adskilte kjertler) hos friske kyr. Disse resultatene ble publisert i Scientific reports journal. Undersøkelser av endringer i sammensetningen av jurmikrobiotaen viste at en eller flere av de fire kjertlene i juret hos friske kyr også kan være utsatt for tidsmessige forstyrrelser. I løpet av en seks måneders periode ble det oppdaget forandringer i mengde og type av potensielle patogene taxa i juret, som for eksempel Staphylococcaceae og Streptococccaceae. Disse dynamiske endringene var signifikante mellom forskjellige kuer og mellom kuer med høyt og lavt somatisk celletall. En artikkel som omhandler dette er for tiden under vurdering i tidsskriftet Animal Microbiome. Pågående aktiviteter i prosjektet er nå rettet mot tilstedeværelsen av antibiotikaresistente mikrober i juret til ku med divergerende somatisk celletall. Denne delen av prosjektet vil ha som mål å identifisere hvilke taxaer som er i stand til å overleve en antibiotikabehandling og dominere mikrobiotaen etter behandling. Videre undersøkes metabolismen til bakterier som vanligvis er til stede i juret og vil fremheve hvordan mikrober klarer å overleve i juret og bruke melk som substrat for vekst. Antibiotika er den hyppigst brukte behandlingen mot klinisk mastitt. Denne typen behandling står for omtrent 50-60 % av det totale antibiotika forbruket i meieriindustrien. Det er viktig å forstå at antibiotikabehandling forstyrrer det naturlige mikrobielle samfunnet i juret og ellers i kroppen, og at behandling sannsynligvis vil reduseres jurets evne til å beskytte seg mot en ny infeksjon. En ny tilnærming ble tatt i bruk for å undersøke hvordan behandling med antibiotika kan påvirke mikrobiotaen i juret. Melkeprøver samlet under de to foregående prøveuttakene ble inokulert i steril melk med de to mest brukte antibiotika preparatene i meieriindustrien (Penicillin G og Amoxicillin/klavulansyre) for å undersøke hvilke bakterier som vil kunne overleve og dominere i juret ved antibiotikabehandling. Amplikonsekvensering og isolering av mikrober med påfølgende undersøkelser av minimal inhiberingskonsentrasjon viste at antibiotikaresistente arter liknet de man vanligvis finner i juret. Dette indikerer at antibiotikabehandling mot mastitt forstyrrer det naturlige mikrobielle samfunnet ved å redusere dets diversitet og ved å selektere for resistente bakterier som blir den dominerende taxa i juret.

New scientific knowledge has been uncovered with regards to the composition of the bovine udder microbiota. Results from the project point to the importance of the udder microbiome in the health and disease of the dairy cow. Identification of the core microbiota showed that taxa adapted to the udder environment have the possibility to persist over a long period and that this core microbiota is diverse between quarters, farm location and period of the year. In addition, a highly diverse udder microbiota might be implicated in the protection of the udder from new bacterial species that might otherwise develop to mastitis. This result can be exploited as a support tool for decision regarding the handling of mastitis. Mapping the udder microbiota at cow level would provide better knowledge on the possibility of a more precise monitoring of mastitis. More precise monitoring of mastitis is important in forming treatment recommendations by the dairy industry to farmers and the continuation of selective breeding against mastitis and high cell counts. Furthermore, better monitoring of mastitis benefits animal health, diagnostics, veterinary care and improved application of antimicrobials (targeted antimicrobial treatment). The study of antibiotic resistance among the udder microbiota provided knowledge of which microbial species are potentially able to survive the treatment currently used in the dairy farming system. At the same time, this provides insights to what extent the microbiota balance is destroyed by antimicrobial treatment. With this knowledge and novel method for quickly identify mastitis pathogens (such as Nanopore sequencing), treatments of mastitis can be performed with a higher precision toward bacteria which are not resistant to antibiotics. This will reduce the overall usage of antimicrobials in dairy farming. Metabolism and milk quality during growth of selected lactic acid bacteria and mastitis pathogens showed diverse mechanisms used to grow in milk. This gave insights into how these microorganisms contribute to changes in the milk whilst in the udder. Development of methods for detection of metabolites and biomarkers produced by LAB and mastitis pathogens could be exploited to obtain quick identification of problematic animals with reduce milk quality and presence of subclinical mastitis. Future works on microbe-microbe interactions and microbe-host interactions are of great interest to identify mechanisms of defense and pathogenicity within the bovine udder and during mastitis.

Mastitis is a production-limiting and economically important inflammatory disease of the bovine udder and generally has an infectious origin. The healthy udder, previously regarded to contain only small numbers of insignificant microorganisms, has in recent reports been shown to have its own microbiota, which might have a role in protecting the udder from infections. Antibiotics generally cure mastitis but will also detrimentally affect the microbiota of not only the udder and also elsewhere in the body. As part of the international drive to reduce the use of antibiotics, in order to slow down the development of resistant microorganisms, research on the udder microbiota in health and disease is needed. The udder microbiota is underresearched and more knowledge is needed to understand how the natural microbiota has a role against mastitic infections. Milk production systems in Norway differ to other countries and studying the effect on udder microbiota is important for the Norwegian dairy industry. This research project is a collaboration between NMBU, both at Ås and Adamstuen. The microbiota of the udder of cows from two dairy herds will be analysed and correlated to factors such as different anatomical locations in the udder, previous medical history, lactation time and previous antibiotic treatment. The microbiota in healthy cows and those with clinical and sub-clinical mastitis will be compared, using the very latest molecular techniques. This will provide new insights into the udder microbiota. Selected strains of lactic acid bacteria isolated from udder samples, will be investigated for their metabolism in milk and compared to strains used in dairy fermentations. The microbiota results will also be compared with some international studies, where different animal husbandry is practiced. In addition, links to the milk and animal health research environment at SLU, Sweden and PhD mobility will be encouraged. This will increase the impact of the research.