Phytase and carbohydrases in plant-based diets for tambaqui juveniles (Colossoma macropomum)

Abstract

With this study, we aimed to investigate the effects of dietary supplementation with phytase and exogenous carbohydrates on juvenile tambaqui (Colossoma macropomum) by evaluating growth performance, body composition, plasma biochemistry, activity of digestive enzymes, intestinal histomorphometry, intestinal microbiota, and gene expression analysis of liver tissue (RNA-seq). An extruded basal diet (307.8 g kg−1 of crude protein and 17.08 MJ kg−1 of gross energy), composed of vegetable ingredients, was used in the preparation of four experimental diets: CON = control diet without enzyme supplementation, PHY = diet supplemented with phytase, XB = diet supplemented with xylanase and β-glucanase, and PHY+XB = diet supplemented with phytase, xylanase, and β-glucanase. To achieve the proposed objectives, an 8-week experimental trial was conducted with juveniles weighing 1.01 ± 0.15 g. Enzyme supplementation did not significantly affect fish survival, final weight, weight gain, feed conversion rate, or visceral indices. However, fish fed PHY+XB showed a higher protein efficiency rate and lower visceral fat index compared to those fed CON. This suggests better protein utilization and reduced fat deposition. Furthermore, fish fed PHY+XB had higher body protein and Fe3+ content. Plasma biochemistry analysis revealed higher levels of HDL and lower levels of plasma protein in fish fed PHY+XB, along with reduced ALP levels, indicating potential metabolic benefits. Enzyme supplementation did not affect the activities of total proteases, lipase, and amylase in the fish intestine, nor did it alter the intestinal epithelial structure. High-throughput sequencing analysis revealed that the majority of reads derived from tambaqui digesta belong to the Firmicutes and Proteobacteria phyla. Fish fed the PHY+XB diet showed a greater number of enriched taxa compared to the other groups. However, in general, all treatments were enriched with bacteria responsible for the manipulation and utilization of carbohydrates and other nutrients, demonstrating a beneficial modulation for improved utilization of dietary nutrients. Differential analysis of the tambaqui transcriptome (RNA-seq) revealed a total of 138 differentially expressed genes (DEGs) between CON vs. PHY, 19 genes between CON vs. XB, and 77 genes between CON vs. PH + XB. Through Gene Ontology (GO) enrichment analysis, we identified that the PHY and PHY+XB diets modulated the expression of genes related to oxygen homeostasis and redox processes. The PHY diet also affected the fish's immune system. The XB diet mainly affects carbohydrate metabolism. In summary, supplementing with phytase and xylanase-β-glucanase has shown promise in enhancing dietary utilization, body composition, positively influencing the intestinal microbiota, and regulating essential metabolic processes epigenetically. Notably, the combination of these enzymes has proven to be more effective, emphasizing the significance of the synergy between the two compounds in enhancing the observed benefits. Keywords: Feed additive; Microbiota; Non-starch polysaccharides; Phytic acid; RNA-seq

Com este estudo objetivamos compreender os efeitos da suplementação dietética com fitase e carboidrases exógenas para juvenis de tambaqui (Colossoma macropomum) por meio da avaliação do desempenho produtivo, composição corporal, bioquímica plasmática, atividade das enzimas digestivas, histomorfometria intestinal, microbiota intestinal, e expressão gênica do tecido hepático (RNA-seq). Uma dieta basal extrusada (307,8 g kg−1 de proteína bruta e 17,08 MJ kg−1 de energia bruta), composta por ingredientes vegetais foi utilizada no preparo de quatro dietas experimentais: CON = dieta controle sem suplementação com enzimas, PHY = dieta suplementada com fitase, XB = dieta suplementada com xilanase e β-glucanase e PHY+XB = dieta suplementada com fitase, xilanase e β-glucanase. Para alcançar os objetivos propostos um ensaio experimental de 8 semanas foi realizado com juvenis de 1.01 ± 0.15 g. A suplementação enzimática não afetou significativamente a sobrevivência, o peso final, o ganho de peso, a taxa de conversão alimentar ou os índices viscerais dos peixes. Entretanto, peixes alimentados PHY+XB apresentaram maior taxa de eficiência proteica e menor índice de gordura visceral em comparação aquales alimentados com CON, indicando melhor utilização da proteína e menor deposição de gordura. Além disso, os peixes alimentados com PHY+XB apresentaram maior teor de proteína corporal e Fe3+. A análise da bioquímica plasmática revelou níveis mais elevados de HDL e níveis mais baixos de proteína plasmática em peixes alimentados com PHY+XB, juntamente com níveis reduzidos de ALP, indicando potenciais benefícios metabólicos. A suplementação enzimática não afetou as atividades das proteases totais, lipase e amilase no intestino dos peixes, nem alterou a estrutura epitelial intestinal. A análise de sequenciamento de alto rendimento revelou que a maioria das leituras derivadas da digesta do tambaqui pertencem aos filos Firmicutes e Proteobacteria. Peixes alimentados com a dieta PHY+XB apresentaram maior número de táxons enriquecidos em comparação aos demais grupos. Todavia, de modo geral, todos os tratamentos foram enriquecidos com bactérias responsáveis pela manipulação e utilização de carboidratos e outros nutrientes, demonstrando uma modulação benéfica para melhor utilização dos nutrientes dietéticos. A análise diferencial do transcriptoma do tambaqui (RNA-seq) revelou um total de 138 genes diferencialmente expressos (DEGs) entre CON vs. PHY; 19 genes entre CON vs. XB; e 77 genes entre CON vs. PH + XB. Através da análise de enriquecimento GO identificamos que as dietas PHY e PHY+XB modularam a expressão de genes relacionados à homeostase do oxigênio e processos redox. A dieta PHY também afetou o sistema imunológico dos peixes. A dieta XB afetou principalmente o metabolismo dos carboidratos. Em resumo, a suplementação com fitase e xilanase-β-glucanase se mostrou promissora na melhoria de utização da dieta, na composição corporal, na modulação positiva da microbiota intestinal, e na regulação epigenética de processos metabólicos essenciais. Notavelmente, a combinação dessas enzimas revelou ser mais eficaz, ressaltando a importância da sinergia entre os dois compostos para potencializar os benefícios observados. Palavras-chave: Aditivo alimentar; Ácido fítico; Microbiota; Polissacarídeos não-amiláceos; RNA-seq