Modélisation systémique appliquée aux ruminants

La réduction des émissions de méthane (CH4) des ruminants constitue un enjeu majeur pour le secteur de l’élevage. Une stratégie optimale de réduction du CH4 doit également induire des co-bénéfices tels que l’amélioration de la productivité et de la santé animale. Le CH4 est produit lors de la fermentation des aliments dans le rumen. Ce processus est réalisé par le microbiote ruminal (une communauté microbienne complexe) et est médié par l'hydrogène (H2). Nos connaissances sur les facteurs qui façonnent les flux d’hydrogène sont encore incomplètes. H2Rumen vise à générer des connaissances fondamentales sur les flux de H2 dans l'écosystème ruminal et à traduire ces connaissances dans des modèles mathématiques prédictifs de la fermentation ruminale. Nos résultats seront d’une grande valeur pour la conception optimale de stratégies de réduction du CH4 avec des co-bénéfices pour l’animal. Notre hypothèse est que la thermodynamique et les interactions microbiennes contrôlent conjointement les transactions d'hydrogène dans l'écosystème du rumen. H2Rumen répond à la question scientifique fondamentale suivante : où va le H2 ? Nous répondrons à cette question par une approche intégrative combinant expérimentations in vitro, modélisation in silico et approches omiques. Pour cela, H2Rumen rassemble une équipe interdisciplinaire couvrant des expertises sur la fermentation ruminale, la microbiologie ruminal et la modélisation métabolique. Outre l’impact sur l’levage des ruminants, nos méthodes pourraient être applicables à d’autres écosystèmes tels que l’intestin humain, des bioréacteurs et des écosystèmes alimentaires fermentés.

L'objectif du projet PAS-AGRO-PAS est d'augmenter la productivité, l'adaptabilité et la durabilité des systèmes agro-pastoraux méditerranéens, en valorisant toutes les dimensions de leur multifonctionnalité. L’approche systémique mobilisée dans ce projet favorisera l’identification des contraintes qui affectent actuellement la viabilité de ces systèmes pour mettre en œuvre des stratégies adaptées, leur permettant d’évoluer de systèmes agro-pastoraux vulnerables vers des systèmes résilients plus orientés vers la valorisation commerciale de leurs produits. Pour atteindre cet objectif, PAS-AGRO-PAS explorera 10 cas d’étude issus du Portugal, d'Espagne, de France, d'Italie, de Chypre, du Maroc, d'Egypte et de Tunisie, couvrant ainsi un large éventail de caractéristiques et de défis environnementaux, agro-écologiques, économiques, socioculturels et institutionnels; et appliquera une approche systémique de la ferme à l'échelle globale, mettant en interaction trois niveaux d’organisation: (i) Le niveau “agro-écosystème”, avec des interventions sur la productivité et la diversification des cultures, des pâturages et des ressources animales (telles qu'une meilleure valorisation des résidus de cultures, l’utilisation de nouvelles surfaces pâturées, l'utilisation de semences de prairies biodiversifiées, y compris les légumineuses fourragères en rotation avec les cultures, fourrages et variétés de cultures tolérantes à la sécheresse, traitement efficace du fumier, adéquation du cycle de production du bétail aux ressources alimentaires, etc.) favorisant la réduction des intrants, le maintien/l'augmentation de la biodiversité, l'amélioration de la fertilité des sols et la conservation de races locales adaptées – à court terme, et la réhabilitation des parcours et la réduction de la vulnérabilité au changement climatique – à long terme; (ii) Le niveau “composantes socio-économiques de l’agro-écosystème”, avec des interventions valorisant mieux les produits agro-pastoraux (en assurant la qualité, la sécurité et la typicité, ainsi que la création de cahiers de charges visant des signes officiels de l'origine ou de la qualitéde ces produits), favorisant leur intégration dans les marchés et une poussée vers une “vision plus orientée vers la commercialisation” des agro-pasteurs, afin de leur assurer de meilleurs revenus et faciliter le renouvellement générationnel; et (iii) Le niveau "système d'information", où les connaissances traditionnelles des agropasteurs seront sourcées et intégrées aux résultats du projet, dans le cadre d'un processus de co-construction multi-acteurs. La numérisation collaborative, fer de lance de l’Agriculture 4.0, permettra de gérer efficacement à la fois les ressources stockées et l'accès aux outils numériques d'aide à la décision. Par ailleurs, la réussite de PAS-AGRO-PAS, avec des impacts attendus aux échelles ferme, régionale et globale, s’appuiera sur deux piliers: (i) des "activités de renforcement de capacités" des agro-pasteurs basées sur les stratégies alimentaires, l'atténuation et l'adaptation au changement climatique, la qualité des produits, la durabilité économique, la commercialisation et l'entrepreneuriat, le développement inclusif mettant l’accent sur les femmes, les jeunes et les nouveaux arrivants; et des “activités de diffusion et communication” avec les principaux acteurs et décideurs politiques pour fournir des orientations facilitant des cadres structurels, économiques et institutionnels plus favorables aux systèmes agro-pastoraux; et (ii) le développement de la plateforme électronique PAS-AGRO-PAS Méditerranée qui fournira des éléments essentiels à la prise de décision des agro-pasteurs et des décideurs politiques, grâce à la mise à disposition des données, des rapports, des modèles et des applications Web pour l'allocation des ressources, la formulation des rations et la gestion des aliments, la prédiction optimale du poids à l'abattage et le commerce par internet.

The objective of ADAPT-HERD is to develop management simulation tools to implement innovative strategies for resilience and efficiency (R&E) in small ruminants herds, based on harnessing animal adaptive capacities. These tools will address a wide range of current feed resource constraints in the Mediterranean area (Egypt, France, Spain and Tunisia) and the future perturbations induced by climate change. The locally tailored management solutions will improve the ability of livestock systems to adapt to climate change by: i) managing early-life nutrition to safeguard adult adaptive capacities; ii) managing reproduction to find the best match between feed supply and herd demand; iii) tailoring group feeding strategies depending on animals’ adaptive capacities and iv) managing herd demography with replacement and culling to adjust feed demand. To achieve this, ADAPT-HERD brings together information from animal and herd levels with: i) a fine-grained experimental approach (adaptive mechanisms and trade-offs); ii) field phenotyping of local breeds (adaptation to local conditions) and iii) local production environment characterization. These multi-level information will be used to develop computer models and test scenarios. Interfacing and disseminating project’s deliverables as a user-friendly toolbox will be achieved with a participatory modelling framework. The toolbox will help to adapt agricultural practices to change in resource availability by proposing different technical solutions of herd management aimed at facing feed resource perturbations induced by climate change. The challenge is not to find an optimal strategy for R&E, but to explore how management strategies impact the relationship between R&E. These strategies will be grounded in a deep understanding of how local breeds adapt to feed resource constraints. They will be complementary to on-going projects that focus on genetic selection and breeding solutions to improve R&E in small ruminants.

Le secteur des productions animales est particulièrement sensible au contexte alimentaire mondial, à la fois par l’augmentation attendue de la demande des produits animaux, dont le lait, et par son empreinte écologique qui doit être réduite. L’amélioration de l’efficacité alimentaire (FE) des vaches laitières contribuerait à réduire certaines des émissions directes de GES grâce à la meilleure conversion des aliments, mais aurait aussi un impact positif sur les émissions induites associées aux grandes cultures. L’amélioration génétique de la FE constitue une stratégie particulièrement intéressante car elle peut concerner la plupart des élevages laitiers avec un coût limité. La diminution de l’utilisation d’aliments grâce à ces gains d’efficacité donnera un avantage compétitif au secteur de la production laitière, mais contribuera également à réduire ses impacts sur l’environnement. Ainsi, ce projet devrait fournir des éléments essentiels à des stratégies de sélection génétique sur la FE des vaches laitières. Il correspond au 5ème défi sociétal majeur de l’ANR et à la priorité de recherche d’APIS-GENE sur l’efficacité alimentaire et la réduction des émissions de GES par les ruminants. Sélectionner sur la FE est plus difficile qu’il n’y parait. La robustesse et la capacité adaptative, en particulier pour les femelles reproductrices, peuvent être contre-sélectionnées par des stratégies d’amélioration de l’efficacité alimentaire. Ainsi, le choix des indicateurs utilisés pour estimer la FE est particulièrement important, et il est essentiel de vérifier et de valider les bénéfices escomptés de telles stratégies sur l’amélioration à long terme de l’efficience. Un autre enjeu majeur consiste à mieux valoriser les nouvelles possibilités de mesure afin de cibler les caractères qui contribuent à la FE. Ces caractères ont rarement été étudiés car ils sont difficiles à phénotyper. Ce projet va ainsi utiliser de nouvelles technologies de phénotypage pour développer une sélection sur l’utilisation efficiente des réserves corporelles, tout en limitant les effets indésirables sur les autres fonctions. Deffilait va tout d’abord développer de nouvelles méthodes de phénotypage à haut-débit pour les caractères biologiques qui sont directement impliqués dans la FE. Il va produire de nouveaux outils pour caractériser l’état corporel, la morphologie et l’efficacité digestive pour des études avec des effectifs d’animaux importants. Ces mesures phénotypiques permettront aussi d’améliorer les possibilités de conseil en fermes, de monitoring dans les élevages qui sont autant de leviers de l’amélioration de l’efficience à l’échelle de l’exploitation laitière. Pour étudier les déterminants majeurs de la FE, le projet élaborera une base de données originale de lactations de vaches laitières incluant de nombreux phénotypes capables de décrire les principales sources de transformation de l’énergie, pour expliquer la variabilité de FE observée entre animaux. Cette base de données sera ensuite utilisée pour quantifier la contribution des différents mécanismes dans la variabilité de FE et pour tester l’aptitude de différents indicateurs et stratégies pour l’amélioration de la FE. La mobilisation des réserves corporelles en début de lactation fera l’objet d’un focus spécial pour évaluer ses composantes génétiques et les corrélations avec les autres caractères en utilisant une grande base de données impliquant des fermes commerciales. Le projet développera ensuite des outils de simulation pour prédire les conséquences à court et long terme de différentes stratégies de sélection dans différents environnements d’élevage. Les résultats attendus contribueront à une meilleure définition des stratégies de sélection combinant efficience et robustesse. Ce projet fournira un cadre cohérent pour entreprendre une sélection génétique équilibrée sur ces caractères et apportera ainsi une contribution significative et durable à l’amélioration de l’efficacité alimentaire.

Dans un contexte de changement climatique et de tension sur les ressources naturelles, un défi en productions animales est de fournir de la nourriture à une population en augmentation, en respectant l’équilibre entre qualité des produits, sécurité du consommateur et bien-être animal. Dans la perspective de promouvoir des systèmes alimentaires sains et durables, réduire l’usage des antibiotiques en élevage est identifié comme un enjeu majeur dans les années à venir, afin de réduire les risques d’antibiorésistance. En effet, le transfert de gènes dans l’environnement et la chaine alimentaire peut favoriser le développement de bactéries résistantes aux traitements antibiotiques, susceptibles de causer des problèmes majeurs en santé publique comme en élevage. En élevage porcin, la période du sevrage est souvent accompagnée d’une perte de croissance due à une alimentation irrégulière et des diarrhées, qui pourraient être associées à un déséquilibre de la flore intestinale (dysbiose) et/ou à des infections intestinales opportunistes. Pendant cette période, afin de réduire les risques de morbidité et de mortalité, l’usage des antibiotiques est fréquent. De fait, réduire l’usage prophylactique des antibiotiques lors du sevrage est une question de tout premier ordre et l’identification d’alternatives une nécessité. Dans ce contexte, nous avons construit un partenariat public-privé qui rassemble des acteurs de l’INRA et des industriels de l’alimentation animale et de la sélection porcine. PigletBiota est un projet précompétitif qui cible l’étude des bases physiologiques et génétiques de la sensibilité au sevrage, pré-requis indispensable à l’identification de leviers pour adapter les animaux et les systèmes de production à une réduction de l’usage des antibiotiques. Le projet PigletBiota propose une approche de biologie intégrative pour identifier les principaux facteurs qui impactent la variabilité individuelle de la sensibilité au sevrage. Nous étudierons des porcelets jeunes depuis la naissance jusqu’au post-sevrage. D’une part nous mesurerons des paramètres de l’hôte (surveillance clinique, paramètres immuns et de stress, paramètres zootechniques, génotypes) et, d’autre part, nous caractériserons le microbiote intestinal pendant cette période de transition. Les porcelets seront élevés sans antibiotiques dans différents environnements (fermes expérimentales et commerciales) et sevrés à plusieurs âges. Environ 1000 animaux seront suivis cliniquement, mesurés pour des paramètres de production, d’immunité et de stress, et génotypés avec une puce SNP haute densité. Les paramètres génétiques de sensibilité au sevrage seront estimés et des études d’association génétique seront entreprises pour identifier les régions du génome qui influent sur la variation du phénotype. Les échantillons de fèces seront prélevés avant et après sevrage pour analyser la dynamique de changement du microbiote intestinal et étudier son influence sur la réponse individuelle des porcelets au sevrage. Les données de l’animal et de son microbiote seront intégrées verticalement pour étudier les interactions entre l’hôte et son microbiote dans une vision systémique, et identifier des indicateurs de la sensibilité au sevrage. Une étape de criblage fonctionnel est prévue pour permettre d’identifier des molécules actives à tester in vivo dans des populations conventionnelles et chez des porcelets axéniques. Le consortium mis en place pour PigletBiota favorisera le transfert des connaissances et l’émergence d’innovations.

This multidisciplinary project seeks to integrate and extend existing state of the art technologies to ensure sustainable and responsible management of dairy units, with focus on cow health, milk quality and reduced emissions. We shall focus on milk metabolomic methods for determination of metabolic health, biomarker technologies for assessment of systemic health and accelerometer collars for measuring various activities including feeding behaviour, and hence intake. We shall also have access to NIR technology for feed quality assessment and rumen-bolus technology for measurment of rumen pH. We have advanced teleonomic technologies that will enable us to integrate these input data into decision support tools. Our technologies will monitor animals and environment, detect deviations from the normal state and either respond automatically to restore the normal state or issue an alert to husbandry staff. We have access to a range of dairy units for evaluation of the technologies.