Exploring the development, structure, and role of the nasal microbiota in piglets

Abstract

La microbiota animal està estretament vinculada a la salut de l’hoste, ja que participa en processos metabòlics, la regulació immunitària i la defensa contra patògens. Tot i que la microbiota nasal juga un paper rellevant en la salut respiratòria, ha rebut menys atenció que la gastrointestinal. És per això, que la seva investigació representa una estratègia prometedora per millorar la prevenció i el control de les malalties respiratòries. Aquesta tesi explora l’establiment de la microbiota nasal en porcs, la seva composició detallada i la seva associació amb el sistema immunitari de l’hoste.

El primer objectiu fou optimitzar l’anàlisi de la microbiota nasal dels garrins mitjançant un protocol basat en hisops nasals i la seqüenciació massiva d’un fragment del gen 16S rRNA. Aquest protocol inclou diversos passos de processament per assignar la taxonomia, calcular l’abundància relativa de cada tàxon i realitzar anàlisis de diversitat i composició microbiana.

Tot seguit, es va estudiar l’impacte del contacte de la truja amb els garrins durant els primers dies de vida, comparant la microbiota nasal dels garrins al deslletament en condicions ambientals controlades però amb diferents durades de contacte amb la truja. Aquest contacte va resultar ser un factor determinant. Aquells garrins amb contacte total van desenvolupar una microbiota nasal semblant a la d’animals sans de granja, mentre que el contacte limitat o nul va conduir a microbiotes alterades dominades per tàxons atípics.

En diversos estudis s’ha observat freqüentment la presència de bacteris anaerobis típics de l’intestí, com els Bacteroidales i Clostridiales, a la cavitat nasal dels porcs domèstics Tot i això, aquesta presència és poc compresa. Els resultats d’aquesta tesi no només van confirmar l’origen fecal d’aquests bacteris, sinó també la seva que la seva detecció no és artefactual. A més a més, anàlisis de cDNA del rRNA 16S van revelar activitat metabòlica en aquests bacteris.

Entre els microorganismes detectats, els patobionts, microorganismes potencialment patògens, tenen un interès especial. Es van comparar els genomes de soques de Mycoplasma hyorhinis procedents de diferents contextos clínics per identificar determinants de virulència. Tot i que la majoria de gens es compartien, es va identificar un grup de soques associades amb animals sans amb marcadors diferencials prometedors.

Finalment, en l’actual context de reducció de l’ús d’antibiòtics en producció animal, la vacunació és clau. No obstant això, la variabilitat individual en la resposta d’anticossos continua sent poc entesa. Encara que s’ha vinculat la microbiota a la resposta immunitària, no s’havia estudiat aquest vincle en la microbiota nasal dels porcs. En aquest treball, els garrins amb respostes d’anticossos més intenses presentaven microbiotes nasals i rectals més diverses. A més a més, colonitzadors nasals habituals com Bacteroidales, Clostridiales, Moraxella, Staphylococcus i Neisseria s’associaren a nivells més elevats d’anticossos. A l’intestí, Clostridiales va mostrar una associació positiva i Enterobacteriales, negativa.

En conjunt, aquesta tesi aporta nous coneixements sobre el desenvolupament, la composició i la rellevància immunològica de la microbiota nasal en porcs, i obre la porta a noves estratègies per promoure la salut respiratòria.

La microbiota animal está estrechamente ligada a la salud del hospedador, ya que participa en distintos procesos metabólicos, la regulación del sistema inmunitario y la defensa frente a patógenos. Aunque la microbiota nasal desempeña un papel relevante en la salud respiratoria, ha recibido considerablemente menos atención que la gastrointestinal. Por lo tanto, su estudio representa una estrategia prometedora para mejorar la prevención y el control de enfermedades respiratorias. Esta tesis explora el establecimiento de la microbiota nasal en cerdos, su composición detallada y su asociación con el sistema inmunitario del hospedador.

El primer objetivo fue optimizar el análisis de la microbiota nasal en lechones, desarrollando un protocolo mejorado basado en muestras de hisopados nasales y secuenciación masiva de un fragmento del gen 16S rRNA. Este protocolo incluye varios pasos de procesamiento para asignar la taxonomía, calcular la abundancia relativa de cada taxón y realizar análisis de diversidad y composición microbiana.

A continuación, se estudió el impacto del contacto con la madre en la vida temprana de los lechones, comparando su microbiota nasal al destete en condiciones ambientales controladas, pero con diferente duración en el contacto con sus madres. El contacto con la madre demostró ser un factor clave. Aquellos lechones con contacto normal hasta el destete desarrollaron una microbiota similar a la de animales de granja sanos, mientras que el contacto limitado o nulo condujo a microbiotas alteradas dominadas por taxones atípicos.

Asimismo, frecuentemente se observa la presencia de bacterias anaerobias propias del intestino, como Bacteroidales y Clostridiales, en la cavidad nasal de cerdos domésticos No obstante, su presencia en esta localización es poco comprendida. Los resultados de esta tesis confirmaron no sólo el origen fecal de esas bacterias, sino que su detección en la nariz no es artefactual. Además, a través del análisis del cDNA del gen rRNA 16S se comprobó que estas baterias eran activas metabólicamente.

Entre los microorganismos detectados, los patobiontes, microorganismos potencialmente patógenos, suscitan especial interés. Se compararon los genomas de cepas de Mycoplasma hyorhinis procedentes de diferentes contextos clínicos para identificar determinantes de virulencia. Aunque la mayoría de los genes resultaron ser compartidos, se identificó un grupo de cepas asociadas a animales sanos con marcadores diferenciales prometedores.

Finalmente, en el contexto actual de reducción del uso de antibióticos en producción animal, la vacunación cobra especial relevancia. No obstante, la variabilidad individual en la respuesta de anticuerpos aún no se comprende completamente. Si bien la microbiota se ha vinculado con la respuesta inmunitaria, la participación específica de la microbiota nasal en cerdos no había sido explorada. En este estudio, los lechones con mejores respuestas de anticuerpos mostraron tener microbiotas nasales y rectales más diversas en el momento de la vacunación. Además, varios colonizadores nasales comunes como Bacteroidales, Clostridiales, Moraxella, Staphylococcus y Neisseria se asociaron con niveles más altos de anticuerpos. En el intestino, Clostridiales mostró una asociación positiva y Enterobacteriales, negativa.

En conjunto, esta tesis aporta nuevos conocimientos sobre el desarrollo, la composición y la relevancia inmunológica de la microbiota nasal en cerdos, y abre la puerta a futuras estrategias para promover la salud respiratoria.

The animal microbiota is closely linked to host health, contributing to metabolic processes, immune regulation, and defense against pathogens. The nasal microbiota has received relatively little attention compared with the gastrointestinal tract, despite its relevant role in respiratory health. Thus, investigating the nasal microbiota represents a promising strategy for improving the prevention and management of respiratory diseases. This thesis explores the establishment of the nasal microbiota in pigs, its detailed composition, and its association with the host immune system.

The first objective of this thesis was to improve the analysis of the nasal microbiota of piglets, resulting in an optimized pipeline, using DNA from nasal swabs and massive sequencing of a 16S rRNA gene fragment. Subsequently, it undergoes various processing steps to assign the taxonomy, calculate the relative abundance of each taxon, and perform different diversity and compositional analyses.

Next, to study the impact of sow-piglet contact in early life, the nasal microbiota of piglets in controlled environmental conditions but with varying durations of contact with their sows, was compared at weaning. Contact with sows proved to be a major factor affecting the nasal microbial composition of their offspring. Piglets with normal contact until weaning developed a nasal microbiota similar to that of healthy farm piglets, while limited or no contact led to altered microbiotas dominated by atypical taxa.

Besides, efforts to characterize the nasal microbiota composition of domestic pigs frequently report the presence of anaerobic bacteria typically found in the gut, such as Bacteroidales and Clostridiales, although their presence in the nasal cavity remains poorly understood. The findings in this thesis, not only confirmed the fecal origin of these bacteria, but also demonstrated that their detection in the nasal cavity is not artefactual. Furthermore, 16S rRNA cDNA analyses revealed that these taxa are metabolically active.

Among the microbes found in the microbiota, those with the potential of causing disease, called pathobionts, are of special interest. Here, the genomes of Mycoplasma hyorhinis strains coming from different clinical backgrounds were compared to identify virulence determinants. Despite most of the genes were shared across strains, we identified a cluster of health-associated strains with possible differential markers.

Finally, in the current scenario of antimicrobial use reduction in animal production, vaccination is critical. Nevertheless, individual variation in antibody response remains poorly understood. While the microbiota has been linked to antibody response, this has not yet been explored in the nasal microbiota of pigs. In this study, piglets with stronger antibody responses had more diverse nasal and rectal microbiotas. Moreover, swine core nasal colonizers, including Bacteroidales, Clostridiales, Moraxella, Staphylococcus and Neisseria were linked to higher antibody levels. In the gut, Clostridiales showed a positive and Enterobacteriales a negative association.

Globally, this thesis provides new insights into the development, composition, and immunological relevance of the nasal microbiota in pigs, paving the way for future strategies to promote respiratory health.