Metagenomic approach to rumen, intestine and milk in relation to the environment and quality of products: the summer Alpine transhumance as case study

Transhumance is an ancient practice of pastoralism that consists of the seasonal migration of flocks and shepherds in the Mediterranean and the Alps. In mountainous regions there is a vertical transhumance of livestock as there is a change in altitude. It begins with the ascent to high altitude for herding, between late May and mid-June, and ends with the moved back to the valley floor or plains in mid-September. This herding practice shapes the relationships between people, animals, and ecosystems; it has played a key role in proper landscape management, biodiversity conservation, soil protection, and maintenance of traditions. Transhumant herders have an in-depth knowledge of the environment, ecological balance and climate change, as well as the types of handicrafts and food production that result from them; in fact, it is one of the most sustainable and efficient farming methods. In itself, mountain animal husbandry is defined as multifunctional and multidisciplinary, it is able in addition to integrating the environmental aspect also the economic aspect that reflects on tourism and social culture of the place, still ensuring the maintenance and vitality of the mountain. Mountain animal husbandry has to cope with lower average temperatures, resulting in a shorter growing season, greater soil slopes, lower soil fertility, the need for longer working time and specific and expensive machinery. All these conditions lead to lower productivity of both land and animals. In addition, there is also the difficulty of access and the small size of mountain summer facilities that occur in many remote areas, which then also translates into high transportation costs. With the advent of modern agrarian practises and intensive animal farming in the valley, to date transhumance activity has been greatly reduced, with consequences on large-scale abandonment of mountain areas and reforestation, loss of local traditions and culture. Therefore, the present dissertation as a general objective aims to study the evolution of individual metagenomics of milk and rumen by considering high altitude mountain farming as a case study. Specifically, the first two contributions aim to study in detail the ruminal microbiota, the first, and the milk microbiota, the second. In these two studies of compare a group that implements summer transhumance in high altitude pastures, with a control group that remains in indoor housing for the duration of the trial (6 cows/each). In the first contribution they went to investigating the complex relationships among the end products of rumen fermentation, the predicted methane, microbiological count and rumen metagenomics traits. While in the second contribution is aimed at the study in detail of the milk microbiota with its possible relationships with milk quality and technological properties, with special focus on bacterial taxa related to various specific activities, such as cheese-making, health maintenance, milk spoilage and pathogenesis, as well as always taking into account the effects of summer transhumance. The third contribution, on the other hand, concerns the comparison of milk from 26 cows from 4 herds during summer transhumance and then later during housing in valley floor barns. In this work, individual milk metagenomics associated with milk composition and quality, udder health, milk B vitamin content and microbiological counts were studied in detail. Finally, the fourth and last contribution aimed at evaluating the relationship between intestinal metagenomics and milk quality and metagenomics of 4 herds (5-7 cows/each) during the summer Alpine transhumance, and after returning to the lowland permanent valley farm. Overall, the results of the thesis offer interesting insights into the evolution of the dairy cattle microbiome in mountainous areas using this innovative approach that compares livestock data with microbiology.

La transumanza è un’antica pratica della pastorizia che consiste nella migrazione stagionale di greggi e pastori nel Mediterraneo e nelle Alpi. Nelle regioni montane si effettua una transumanza verticale del bestiame, in quanto si ha un cambiamento di quota. Inizia con la salita in quota per la monticazione, tra la fine di maggio e metà di giugno, e termina con la demonticazione, cioè la ridiscesa nel fondovalle o pianura verso la metà di settembre. Questa pratica di allevamento modella le relazioni tra persone, animali ed ecosistemi; ha avuto un ruolo fondamentale per la corretta gestione del paesaggio, la conservazione della biodiversità, la protezione del suolo, il mantenimento delle tradizioni. I pastori transumanti hanno una conoscenza approfondita dell’ambiente, dell’equilibrio ecologico e dei cambiamenti climatici, oltre alle tipologie di artigianato e alle produzioni alimentari che ne derivano, si tratta infatti di uno dei metodi di allevamento più sostenibili ed efficienti. Di per sé la zootecnia montana si definisce multifunzionale e multidisciplinare, è in grado in integrare oltre l’aspetto ambientale anche quello economico che si riflette su turismo e cultura sociale del luogo, assicurando ancora il mantenimento e vitalità alla montagna. La zootecnia montana deve far fronte a temperature medie inferiori, con conseguente periodo vegetativo più breve, maggiori pendenze dei terreni, minore fertilità dei suoli, la necessità di tempi di lavoro più lunghi e macchinari specifici e costosi. Tutte queste condizioni portano ad avere una minore produttività sia della terra, ma anche degli animali. Inoltre, c’è da tenere in considerazione anche delle difficoltà di accesso e delle ridotte dimensioni di strutture estive di montagna che si verificano in molte zone remote, che si traducono poi anche in costi elevati di trasporto. Con l’avvento della moderna zootecnia e dell’allevamento intensivo, ad oggi l’attività della transumanza si è fortemente ridotta, con conseguenze su abbandono dei pascoli e rimboschimento, perdita di tradizioni locali. Pertanto, la presente tesi di dottorato come obiettivo generale mira a studiare l’evoluzione della metagenomica individuale di latte e rumine prendendo in considerazione come caso studio l’allevamento di montagna di alta quota. Nello specifico i primi due contributi hanno come obiettivo lo studio dettagliato del microbiota ruminale, il primo, e il microbiota del latte, il secondo. In questi due studi di mettono a confronto un gruppo che attua la transumanza estiva in pascoli di alta quota, con un gruppo di controllo che rimane in stabulazione interna per tutta la durata della prova. Nel primo contributo si sono andate a ricercare le possibili relazioni tra microbiota ruminale e VFA ruminali, qualità del latte. Mentre nel secondo contributo è volto allo studio in dettaglio del microbiota del latte con le sue possibili relazioni con la qualità del latte e le proprietà tecnologiche, con particolare focus ai taxa batterici legati a varie attività specifiche, come caseificazione, mantenimento della salute, deterioramento del latte e patogenesi, oltre sempre a tenere in considerazione anche gli effetti della transumanza estiva. Il terzo contributo invece riguarda il confronto del latte di 26 vacche provenienti da 4 aziende durante la transumanza estiva e poi successivamente durante la stabulazione in stalla di fondovalle. In questo lavoro si è andati a studiare in dettaglio la metagenomica individuale del latte associata alla composizione e qualità del latte, salute della mammella, contenuto di vitamine B nel latte e conte microbiologiche. Infine, il quarto e ultimo contributo riguarda le complesse relazioni tra la metagenomica intestinale e la qualità e metagenomica del latte di 4 aziende (con 5-7 vacche ciascuna) durante la transumanza estiva e dopo il ritorno all’allevamento di fondovalle in pianura.