SeaCow: Promoting efficient, low emitting cows through nutritional manipulation of the rumen microbiome

Det er 1.5 milliarder kyr på jorda, som sammen står for 5% av det globale drivhusgass-utslippet. Om vi skal lykkes i å redusere klimaavtrykket fra landbruket, og samtidig mette det økende antall mennesker på jorda må vi finne nye måter å drive matproduksjon på. Dette har resultert i økt forskningsinteresse for å avdekke strategier som gjør at drøvtyggere produsere mindre enterisk metan, og flere studier har dokumentert at noen typer tang og tare, og særlig rødalger, kan være en potensiell løsning. Årsaken er at rødalger har en naturlig produksjon av bromoform, som hemmer et av nøkkel-enzymene i metan-syntesen. Metan dannes under mikrobielle nedbrytningen av plantefiber i vomma, og i tillegg til å være en svært potent drivhusgass, kan metanproduksjonen utgjøre et energi-tap for kua på så mye som 10%. Dersom metanproduksjonen hemmes, er en av teoriene at denne energien i stedet brukes til å produsere mer kortkjedet fettsyrer som tas opp og utnyttes som næringsstoff av kua. Mens bromoform sin hemmende virkning på metanproduksjon er dokumentert, har kunnskapen rundt hvordan dette påvirker det komplekse og delvis ukjente mikrobielle økosystemet i kuvomma vært svært begrenset. I SeaCow-prosjektet har vi tilsatt rød-algen Asparagopsis taxiformis i foret til melkekyr av rasen Norsk Rødt Fe (NRF), noe som reduserte metanproduksjonen med ~22%. Resultatene viser en endring i sammensetningen av fettsyrer i vomma, og økt innhold av laktose i melka. Vi har deretter gjort et dypdykk ned i kuvomma for å undersøke de underliggende funksjonene i mikrobesamfunnet. Gjennom avansert high-throughput multi-omics analyser har vi funnet at en reduksjon i metanproduksjon ikke bare påvirker mikroorganismer som produserer metan, men også andre funksjonelle grupper i mikrobesamfunnet. SeaCow-prosjektet har generert ny, grunnleggende informasjon om hvordan det mikrobielle samfunnet i vomma reagerer på diverse fôrkomponenter, en informasjon kan føre til nye metoder for mikrobiell manipulering gjennom tilsetning av f.eks, metanhemmere til fôret.

Å teste ulike metanhemmere under norske forhold er en viktig del av arbeidet med å redusere klimagassutslipp fra landbruket, ettersom effekten kan variere avhengig av faktorer som kurase, fôrtype og fôringsstrategier. Resultatene fra fôringsforsøket i SeaCow-prosjektet forventes derfor å ha en stor nytteverdi for landbruksnæringen og samfunnet generelt. Selv om prosjektets overordnede mål har en anvendt karakter, har analysene av den mikrobielle økologien en sterk forankring i grunnforskning på et internasjonalt nivå. Resultatene vil bidra til å øke forståelsen av samspillet mellom ulike mikroorganismer, samt mellom mikrobiom og vertsdyr. En dypere innsikt i hvordan mikrobielle samfunn i kuvomma responderer når metanproduksjonen hemmes, kan også være overførbare til andre metanhemmere.

According to UN forecasts, there will 10 billion people to feed by 2050, which is a major challenge. To securely meet this challenge, society must produce more food whilst using fewer resources and reducing its carbon footprint. Agriculture is the world's single largest provider of food, yet it is also accountable for a significant part of our anthropogenic carbon emissions, including production of methane gas by cows. Nutritional manipulation of methane production is considered a feasible strategy that, however, still is relatively unexplored and where rationalization is still far off. Notably, feeding seaweed to cows has recently emerged as a promising strategy for reducing methane production. Understanding of this effect requires a holistic insight into the maze of metabolic routes that constitutes the rumen microbiome, an elaborate community comprised of bacteria, archaea, viruses and eukaryotes. Despite the rumen microbiome being key in solving the cow-methane problem, definitive links between what the cows eat, their microbiome, their methane emissions and their productivity remain largely unknown. SeaCow's main objectives are to characterize the microbiome-host interactions that underlie the metabolic transformation during inhibition of enteric methane production in cows using novel seaweed-based nutritional manipulation strategies. Animal feeding trials will elucidate the real effect of seaweed additives on Norwegian Red cattle, whereas a unique state-of-the-art characterization of the rumen microbiome will model metabolic routes and keystone microbial populations that drive host performance and methane emissions. Importantly, this approach entails focus on emerging less studied members of the rumen microbiota (such as eukaryotes). Ultimately, the outcome of the SeaCow project will enhance our understanding of the feed-microbiome-host axis that is crucial to optimize feeding regimes in agriculture to promote an efficient and low methane emitting livestock.