RT Dissertation/Thesis
T1 Entwicklung und ernährungsphysiologische Bewertung mikrobieller Hybrid-Phytasen
A1 Metten,Alexander
WP 2023/05/24
AB Um den organischen Phosphatspeicher der Pflanzen bestmöglich zu erschließen, ist es notwendig, die Phytaseeffizienz in vivo zu erhöhen. Dabei helfen sowohl ein besseres Verständnis für die Einflussfaktoren, welche den Phytatabbau in vivo limitieren, als auch eine stetige Verbesserung der biochemischen Eigenschaften von Phytasen, um an die Bedingungen im Verdauungstakt der Nichtwiederkäuer bestmöglich angepasst zu sein. Das Hauptziel der Arbeit war daher, mit Hilfe einer gerichteten Rekombination bekannter Phytasegene sequenziell neuartiger Hybrid-Phytasen zu erzeugen, welche die biochemischen Eigenschaften der eingesetzten Wildtyp-Phytasen übertreffen. Im Fokus dieser Arbeit stand dabei die biochemische- und ernährungsphysiologische Bewertung der neu erzeugten Hybrid-Phytasen hinsichtlich ihrer Eignung als Futterzusatz.
Alle untersuchten Hybrid-Phytasen zeigten bei einem pH-Wert von 3,0 einen effizienteren InsP6-Abbau als bei einem pH-Wert von 5,5, obwohl die eingesetzte Phytaseaktivität bei beiden pH-Werten gleich war. Während das InsP6 in vielen Fällen bei einem pH-Wert von 3,0 bis zum InsP1-2 dephosphoryliert wurde, kam es bei einem pH-Wert von 5,5 zu einer Akkumulation des Ins(1,2,5,6)P4-Isomers. In einem in vitro Modell zeigten Hybrid-Phytasen mit einer hohen sequenziellen Homologie zur E. coli und C. braakii-Phytase eine hohe Akkumulation von InsP4-Isomeren. Interessant war, dass diese Phytasen bevorzugt das Ins(1,2,5,6)P4-Isomer bildeten. Andere Hybrid-Phytasen konnten hingegen alle InsP4-Isomere abbauen und bildeten zum Teil hohe InsP2-Konzentrationen. In einem weiteren in vitro- Versuch mit einer komplexen Futtermatrix, bestehend aus Soja- und Rapsextraktionsschroten sowie Weizen mit einem hohen Mineralstoffanteil wurde das im Futter enthaltene InsP6 von allen eingesetzten Phytasen deutlich schlechter abgebaut als bei einer Futtermatrix mit einem geringen Mineralstoffgehalt. Während eine Hybrid-Phytase das InsP6 der Futtermatrix basierend auf Mais und Soja bis zum InsP3- Isomer vollständig dephosphorylieren konnte und hohe InsP2-Konzentrationen bildete, waren bei Verwendung der komplexeren Futtermatrix noch InsP6-Konzentrationen nachweisbar, trotz ansonsten identischer Reaktionsbedingungen.
In einem abschließenden Fütterungsversuch mit Broilern wurde eine der Hybrid-Phytasen gleichzeitig mit einer kommerziellen Phytase in je zwei Dosierungen (500- und 1500 FTU/kg) eingesetzt, um ihre Eignung als Futterzusatz bewerten zu können. Es wurde ein Versuchsfutter auf Mais- und Sojabasis und ohne Zulage von Monocalciumphosphat verwendet, um einen möglichst effizienten Phytatabbau zu erreichen. Die Zulage der Hybrid-Phytase führte zu einer dosisabhängigen Zunahme der Leistungsdaten der Broiler im Vergleich zu der Basalration ohne Enzymzugabe. Außerdem konnte der Fußaschegehalt bei einer Dosierung von 1500 FTU/kg Phytase um 21,6 % erhöht werden, was für eine verbesserte Knochenmineralisierung durch das freigesetzte InsP6-Phosphat spricht. Durch die Analyse der InsP6-Konzentration und dessen Abbauprodukte in verschiedenen Segmenten des Verdauungstraktes konnte ein effizienter InsP6-Abbau in vivo beobachtet werden. Im Gegensatz zu den in vitro-Versuchen konnte keine Akkumulation von InsP3-4-Isomeren nachgewiesen werden. Neben einer hohen exogenen Phytaseaktivität spricht dieses Ergebnis ebenso für eine hohe endogene Phytase- sowie Phosphataseaktivität im Verdauungstrakt der Broiler. Es ist anzunehmen, dass der Verzicht auf MCP in den experimentellen Versuchsrationen die Expression endogener Phytasen sowie Phosphatasen begünstigt haben könnte. Diese Vermutung wird durch den praecaecalen InsP6- Abbau in vivo bestätigt, welcher in der Basalration ohne Phytasezugabe bei 63,5 % lag. Nichtsdestotrotz konnte die Zugabe der Hybrid-Phytase den praecaecalen InsP6-Abbau auf 76,3 % signifikant erhöhen. Die hohe Phytaseeffizienz spiegelte sich auch in der gemessenen praecaecalen Phosphor-Verdaulichkeit wider, die im Vergleich zur Basalration um 6,8 % erhöht wurde. Die eingesetzte kommerzielle Phytase zeigte eine vergleichbare Verbesserung der Leistungsdaten der Broiler wie die nicht optimierte Hybrid-Phytase.
In diesem Projekt wurde eine Vielzahl sequenziell einzigartiger Hybrid-Phytasen durch die Rekombination bekannter Wildtyp-Phytasegene entwickelt, welche in einigen relevanten Aspekten die biochemischen Eigenschaften der Wildtyp-Phytasen übertrafen. Einige der Phytasen zeigten bei der Simulation des Verdauungstraktes von Broilern in vitro einen sehr effizienten Phytatabbau. Ebenso konnte die Eignung der getesteten Hybrid-Phytase als Futterzusatz anhand der gesteigerten Leistungsdaten der Broiler nachgewiesen werden. Die höheren Leistungsdaten der Broiler konnten auf einen effizienten Phytatabbau zurückgeführt werden. Um einen maximalen InsP6-Abbau zu erreichen, müssen die futterbedingten- und tierbezogenen Faktoren auf die Phytaseeffizienz in vivo noch besser verstanden und die InsP6-Verfügbarkeit erhöht werden.
K1 Phytate
K1 Hydrolyse
K1 Phytase
K1 Broiler
K1 Broiler
PP Hohenheim
PB Kommunikations-, Informations- und Medienzentrum der Universität Hohenheim
UL http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2023/2160