Effects of Feather Pecking and Ingestion on Intestinal Microbiota and Microbial Metabolites in Pullets and Laying Hens

Abstract

Feather pecking in laying hens is a serious behavioral problem that is often associated with feather eating. The aim of the first study was to investigate the influence of ingested feathers on the gut microbiome and its metabolism and to identify keratinolytic gut microbiota. Therefore two different diets, with or without 5% ground feathers, were fed to raising Lohmann- Selected Leghorn chicks. They were divided into 3 feeding groups: group A (control), B (5% ground feathers in the diet), and C, in which the control diet was fed until week 12 and then switched to the 5% feather diet to study the effect of time of first feather ingestion. The gut microbiota was analyzed by cultural methods and by denaturing gradient gel electrophoresis of the ileum and cecum digesta. Short-chain fatty acids, ammonia, and lactate concentrations were measured as microbial metabolites. The concentration of keratinolytic bacteria increased after feather ingestion in the ileum (P < 0.001) and cecum (P = 0.033). Bacterial species that hydrolyzed keratin were identified as Enterococcus faecium, Lactobacillus crispatus, Lactobacillus reuteri-like species (97% sequence homology), and Lactobacillus salivarius-like species (97% sequence homology). Molecular analysis of cecal DNA extracts showed that the feather diet lowered the bacterial diversity indicated by a reduced richness (P < 0.001) and shannon (P = 0.012) index. The pattern of microbial metabolites indicated changes, especially in the cecum. Ammonia concentration and the molar ratio of propionate, i-butyrate, i-valeriate and n-valeriate were higher in pullets with feathers in the diet compared to the controls. The second study was conducted with adult laying hens of a selected high and a low feather pecking line based on six generations and affirmed in a controlled behavioral study. The number of whole feathers, feather parts and feather particles in the gizzard and the intestinal microbial metabolites (biogenic amines, short-chain fatty acids, ammonia and lactate) in the ileum and ceca were determined. In the gizzard the number of feather particles was higher in the hens with high pecking activity (P = 0.012). The pattern of intestinal microbial metabolites was affected. Putrescine and cadaverine concentrations were higher in the ileum of the hens with low pecking activity (P < 0.001, and P = 0.012). Ammonia was higher in the ileum and cecum in this line (P < 0.001, and P = 0.004). In the cecum of the laying hens with high pecking activity higher amounts of L-lactate, D-lactate, total lactate, SCFA and higher molar ratios of propionate and n-butyrate were determined (P = 0.007, P = 0.005, P = 0.006, P < 0.001, P < 0.001, and P = 0.034). Acetate, i-butyrate, i-valerate and n-valerate all present higher molar ratios in the cecum of the hens with low pecking activity (P = 0.001, P = 0.003, P = 0.001, and P < 0.001). It was shown that the intake of feathers lead to an altered composition of the gut microbiota and to a different metabolite spectrum in pullets and those adult laying hens, differing in their feather pecking behavior, had a different pattern of bacterial metabolites in the intestine. We could identify gut bacteria being able to use keratin as substrate. Further studies are warranted, studying the relationship between the gut microbiome and behavior in hens. To what extend a targeted manipulation of the gut microbiome, e.g. by the use of probiotics, could help to solve the problem of feather pecking will be an intriguing question in the future.

Federpicken ist ein bedeutendes Problem in der Haltung von Legehennen und die Federn werden dabei häufig aufgenommen. Das Ziel der ersten Studie war es, den Einfluss der aufgenommenen Federn auf die intestinale Mikrobiota und den mikrobiellen Metabolismus zu untersuchen und keratinabbauende Bakterien zu identifizieren. Dafür wurden zwei verschiedene Rationen, mit bzw. ohne 5 % zerkleinerten Federn, an Junghennen der Rasse Lohmann- Selected-Leghorn verfüttert. Die Tiere wurden einer der folgenden Fütterungsgruppenzugeordnet: Gruppe A (Kontrolle), Gruppe B (5 % zerkleinerte Federn im Futter) and Gruppe C, die zunächst das Futter der Kontrollgruppe erhielt und ab der 13. Lebenswoche das Futter mit 5 % zerkleinerten Federn. Auf diese Weise sollte der Effekt des Zeitpunkts der ersten Federaufnahme untersucht werden. Die intestinale Mikrobiota wurde mittels kultureller Nachweisverfahren und denaturierender Gradientengelelektrophorese der Ileum- und Zäkumdigesta untersucht. Als mikrobielle Metaboliten wurden kurzkettige Fettsäuren, Ammonium und Laktat bestimmt. Die Konzentration von keratinabbauenden Bakterien war nach der Aufnahme von Federn im Ileum (P < 0.001) und Zäkum (P = 0.033) erhöht. Bakterielle Spezies, die in der Lage waren, Keratin abzubauen wurden als Enterococcus faecium, Lactobacillus crispatus, Lactobacillus reuteri-ähnlich (97 % Sequenzhomologie) und Lactobacillus salivarius-ähnlich (97 % Sequenzhomologie) identifiziert. Die molekulare Analyse von DNA- Extrakten aus der Zäkumdigesta ergab, dass die bakterielle Vielfalt nach Federaufnahme verringert war, was durch eine reduzierte Richness (P < 0.001) und einen niedrigeren Shannon-Index (P = 0.012) angezeigt wurde. Das Muster der mikrobiellen Metaboliten zeigte besonders im Zäkum Veränderungen. Die Konzentrationen von Ammonium und die molaren Anteile von Propionat, n-Butyrat, i- und n-Valeriat waren bei den Junghennen, die Federn in ihrer Ration hatten, im Vergleich zur Kontrollgruppe höher. Die zweite Studie wurde mit adulten Hühnern aus jeweils einer stark bzw. einer schwach federpickenden Linie, selektiert über sechs Generationen, durchgeführt, die in einer kontrollierten Verhaltensstudie phänotypisch bestätigt wurden. Die Anzahl an ganzen Federn, Federteilen und Federteilchen in Muskelmagen und die mikrobiellen Metaboliten (biogene Amine, kurzkettige Fettsäuren, Ammonium und Laktat) in Ileum und Zäkum wurden bestimmt. Im Muskelmagen war die Anzahl an Federteilchen bei den Hennen mit starker Pickaktivität größer (P = 0.012). Das Muster der mikrobiellen Metaboliten war verändert. Die Konzentrationen von Putrescin und Cadaverin waren im Ileum der schwachen Federpicker höher (P < 0.001, und P = 0.012). Der Gehalt an Ammonium war im Ileum und Zäkum dieser Linie höher (P < 0.001, and P = 0.004). Im Zäkum der Tiere mit starker Pickaktivität wurden höhere Konzentrationen an L-Laktat, D-Laktat, Gesamtlaktat, kurzkettigen Fettsäuren und höhere molare Anteile von Propionat und n-Butyrat gemessen (P = 0.007, P = 0.005, P = 0.006, P < 0.001, P < 0.001, und P = 0.034). Die molaren Anteile von Azetat, i-Butyrat, i-Valerat and n-Valerat waren in den Hennen mit schwacher Pickaktivität erhöht (P = 0.001, P = 0.003, P = 0.001, und P < 0.001). Es wurde gezeigt, dass die Federaufnahme zu einer Beeinflussung der intestinalen Mikrobiota führt und der mikrobielle intestinale Metabolismus sowohl bei Junghennen als auch bei Legehennen, die genetisch auf unterschiedliches Federpickverhalten selektiert sind, beeinflusst ist. Wir konnten intestinale Bakterien identifizieren, die in der Lage sind, Keratin abzubauen. Weitere Studien wären sinnvoll, um die Beziehung von intestinalem Mikrobiom und Verhalten bei Hennen zu untersuchen. Inwieweit eine gezielte Manipulation des intestinalen Mikrobioms, z. B. durch die Anwendung von Probiotika, dazu beitragen könnte, das Problem des Federpickens zu lösen, ist eine faszinierende Frage für die Zukunft.