Die Piggeldat-Datenbank als Fundament zur Untersuchung der Auswirkungen von Nahrungsfaktoren bei Ferkeln

Abstract

Die Auswirkung eines Nahrungsfaktors beim Hausschwein, Sus scrofa domestica, hängt von einem komplexen Zusammenspiel zwischen den Bestandteilen der Ernährung, der gastrointestinalen Mikrobiota und der Reaktion des Wirts ab. Die Untersuchung der Auswirkung eines Nahrungsfaktors profitiert hierdurch besonders von der Integration von Messdaten aus den Bereichen Metagenomics, Metaproteomics, Metatranscriptomics und Metabolomics. Der Sonderforschungsbereich 852 führte in den Jahren 2010 bis 2013 sieben Tierversuche durch, um die Auswirkung des Probiotikums Enterococcus faecium NCIMB 10415 und des Zusatzes von Zink auf die Entwicklung des Ferkels zu untersuchen. Die Projektgruppen des SFB 852 bestimmten dabei unter anderem die Zusammensetzung der gastrointestinalen Mikrobiota, die Expression immunrelevanter Gene, die Zusammensetzung von Immunzellpopulationen und physiologische Parameter. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte die Installation und die Administration der Piggeldat-Datenbank zur Verwaltung und zur Archivierung der diversen Forschungsdaten des SFB 852. Die Piggeldat-Datenbank enthält die Metadaten von insgesamt 490 Ferkeln, 57 Messungen, 1244 Merkmalen und sie enthält insgesamt 81060 Messwerte. Damit bietet die Piggeldat- Datenbank den Zugriff auf die Forschungsdaten von 17 wissenschaftlichen Veröffentlichungen an. Die dokumentierten Daten sind innerhalb des Forschungsprojekts frei verfügbar und können bei Bedarf über die Piggeldat- Website veröffentlicht werden. Die zentrale Speicherung der Daten unterstütze die Durchführung von mehreren statistischen und bioinformatischen Datenanalysen, womit vielfältige Auswirkungen der Fütterung der beiden Nahrungsfaktoren gezeigt werden konnten. Die integrative Analyse der Messdaten aus einem Fütterungsversuch zeigte das veränderte Zusammenspiel zwischen gastrointestinaler Mikrobiota und dem Immunsystem des Wirts durch die Fütterung mit dem Probiotikum Enterococcus faecium NCIMB 10415. Zur Installation der Piggeldat-Datenbank erfolgte die Programmierung der Datenbankanwendung Catria. Catria basiert auf dem Content-Management-System Drupal und dient zur Verwaltung von Forschungsdaten aus Fütterungsversuchen über eine Website. Hierbei bietet Catria die vier Funktionen der Nutzerverwaltung, Datenintegration, Datenverwaltung und Datenansicht an. Das Catria-Datenmodell unterstützt die Integration von allgemeinen Multi-Omics Messdaten aus Fütterungsversuchen und liefert damit ein allgemeines Muster zur strukturierten Publikation von Forschungsdaten aus Fütterungsversuchen. Nach der Integration der Forschungsdaten können die Nutzer die Daten mit anderen Nutzern teilen oder die eigenen Messdaten öffentlich publizieren. Catria ist frei verfügbar und lässt sich in zukünftigen Projekten zur Datenverwaltung einsetzen. Die Integration von Messdaten aus unterschiedlichen biologischen Organisationsebenen diente zur explorativen Untersuchung der Auswirkung des Probiotikums Enterococcus faecium NCIMB 10415 auf das Zusammenspiel zwischen Ernährung, gastrointestinaler Mikrobiota und Wirt beim Ferkel. Insgesamt war die Auswirkung der Fütterung des Probiotikums auf die gemessenen Merkmale relativ gering. Die Anwendung einer Hauptkomponentenanalyse zeigte, dass starke Alterseffekte die Varianz im gesamten Datensatz dominierten. Hierbei konnten vier verschiedene Muster der Altersentwicklung identifiziert werden. Nichtsdestotrotz zeigte die Fütterung des Probiotikums einen signifikanten Effekt auf die Gesamtheit der gemessenen Merkmale. Bei den 26 Tage alten Ferkeln und 34 Tage alten Ferkeln konnte der deutlichste Unterschied zwischen den Behandlungsgruppen beobachtet werden. Dabei unterschieden sich die Auswirkungen des Probiotikums zwischen den vier Messzeitpunkten deutlich. Besonders ausgeprägt war der Effekt der Probiotikum-Fütterung auf die Zusammensetzung und die Aktivität der gastrointestinalen Mikrobiota und auf die Reaktion des Immunsystems. Die Untersuchung der Korrelationen zwischen den gemessenen Merkmalen zeigte ein verändertes Zusammenspiel zwischen der gastrointestinalen Mikrobiota und der Reaktion des Immunsystems. Des Weiteren erhöhte Enterococcus faecium NCIMB 10415 den Zusammenhang der gastrointestinalen Mikrobiota zwischen Ileum und Colon.

The effect of a nutritional factor on piglets depends on a complex cross-talk between nutrition, intestinal microbiota and the host reaction. The analysis of nutritional factors benefits especially from the integration of measurement data from the fields of metagenomics, metaprotomics, metatranscriptomics and metabolomics. The collaborative research group SFB 852 performed seven animal trials between 2010 and 2013 to analyse the effects of the probiotic Enterococcus faecium NCIMB 10415 and of the addition of zinc to growing piglets. The project groups of the SFB 852 performed diverse measurements to determine the composition and activity of the intestinal microbiota, expression of immune-related genes, composition of immune cells and physiological parameters. In the context of this work the Piggeldat database was installed and administered in order to manage and archive diverse measurement data from the SFB 852. The Piggeldat database contains metadata about 490 piglets, 57 measurements, 1244 attributes and it contains 81060 measurement values. With this, the Piggeldat database provides access to measurement data from 17 scientific publications. The documented data is freely available to all members of the research group and may be published online on the Piggeldat website on demand. The central storage of measurement data supported the application of several statistical and bioinformatical data analyses, which resulted in the identification of diverse effects of the two nutritional factors. For instance, an integrative analysis of measurement data from one feeding trial identified an effect of the probiotic Enterococcus faecium NCIMB 10415 on the interplay between microbial community and immune system. The database software Catria was implemented in order to install the Piggeldat database. Catria is based on the content management system Drupal and allows for the management of research data from feeding trials via a website. Thereby, Catria provides the separate functions of user administration, data integration, data management and data view. The Catria data-model permits the integration of diverse types of multi-omics data from feeding trials. With this, Catria provides a general pattern for the structured publication of measurement data from feeding trials. After data integration, users may share their data with other users or give public access to their data sets. Catria is freely available and may be used for data management in other projects. A comprehensive data set with measurements from different levels of biological areas was used for an exploratory data analysis to elucidate effects of the probiotic Enterococcus faecium NCIMB 10415 on the interplay between nutrition, intestinal microbiota and host in growing piglets. The overall effect of the probiotic treatment on the whole dataset was relatively low. The application of a principle component analysis indicated dominant age effects that were separated into four distinct patterns. Nevertheless, the analysis identified a significant probiotic effect. The difference between the treatment groups was strongest for piglets between 26 and 34 days old but the effect of the probiotic treatment varied between piglets from different age groups. Enrichment analysis indicated that the effect of the probiotic treatment was most recent on the activity and composition of the intestinal microbiota as well as on the reaction of the immune system. Correlation analyses identified altered associations between intestinal microbial communities and immune system reactions by probiotic supplementation. Furthermore, Enterococcus faecium NCIMB 10415 increased the association of the intestinal microbiota between ileum and colon.