牛冷凍精液的應(yīng)用研究進(jìn)展

郝 鵬,王 紅,解廣勤,胡建宏＊,楊海濤,賈永宏

(1.陜西省家畜改良站,陜西涇陽(yáng) 713702;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院 ,陜西 楊凌 712100; 3.武警陜西省總隊(duì)后勤部農(nóng)副業(yè)基地,陜西西安 712200)

早在20世紀(jì)50年代左右,英國(guó)、丹麥、美國(guó)、日本等畜牧業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家普遍推行牛的人工授精技術(shù)。我國(guó)牛的人工授精技術(shù)于20世紀(jì)70年代在生產(chǎn)中得到普及推廣,對(duì)促進(jìn)我國(guó)養(yǎng)牛業(yè)的發(fā)展發(fā)揮了重大作用。牛精液的冷凍保存在家畜冷凍精液研究中最為成功,尤其是目前所有的奶牛場(chǎng)均利用冷凍精液,通過(guò)人工授精技術(shù)繁育后代。雖然如此,我國(guó)牛冷凍精液的研究水平與國(guó)外同類研究相比比較落后,精子活率低于國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)。本文就牛冷凍精液的發(fā)展歷程以及牛精液冷凍保護(hù)劑和評(píng)定指標(biāo)等進(jìn)行綜述,以期對(duì)牛冷凍精液的研究有所借鑒,進(jìn)一步提高牛冷凍精液的質(zhì)量。

1 牛冷凍精液的發(fā)展歷程

家畜精液冷凍保存最早可追溯到1776年,意大利人Spallanzanei首先發(fā)現(xiàn)自然界中的低溫物質(zhì)(冰雪)可對(duì)人精子的活動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生影響。1949年,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了甘油對(duì)雞精液的冷凍保護(hù)作用,促使精液的冷凍保存技術(shù)取得了較大進(jìn)展。隨后Polge和Smith等[1]對(duì)牛羊精液進(jìn)行了試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)稀釋液中加入15%～20%的甘油,并以10℃/min的降溫速度由0℃緩慢降至-79℃時(shí),精子存活率會(huì)有很大提高。

1950年,美國(guó)用經(jīng)冷凍過(guò)的良種公牛精液給38頭母牛輸精,懷孕率為79%,并首次獲得來(lái)自冷凍精液的犢牛,這是家畜中最早利用冷凍精液進(jìn)行人工授精獲得成功的報(bào)道。雖然后來(lái)人們又做了大量的輸精試驗(yàn),但受胎率很低。為了提高冷凍精液輸精時(shí)母牛的受胎率,Polge和Rowso等[2]通過(guò)改變精液的處理程序,極大地提高了精子的存活率和受胎率。冷凍—解凍后精子的復(fù)蘇率可達(dá)70%～80%,并用-79℃冷凍保存2 h至8 d后的精液給38頭母牛輸精,其中30頭受胎。Polge[3]以冷凍保存1～5周的精液輸精208頭母牛,平均受胎率達(dá)65%。從此以后,許多科學(xué)家就稀釋液配方、稀釋倍數(shù)和稀釋方法、甘油濃度、精液平衡溫度和時(shí)間、降溫速度以及解凍方法等精液冷凍的各個(gè)步驟進(jìn)行了大量研究,致使冷凍精液的應(yīng)用取得快速發(fā)展。精液的超低溫冷凍保存技術(shù)越來(lái)越受到各國(guó)的重視,許多國(guó)家相繼建立了牛、豬、羊及人類的精子庫(kù)。

2 牛精液冷凍保存的基本原理

精子具有受溫度變化直接影響其本身活動(dòng)力和代謝能力的生物學(xué)特性[4]。精子保存在超低溫狀態(tài)下,其代謝活動(dòng)完全受到抑制,生命以相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)保持下來(lái),一旦升溫又能復(fù)蘇而不失去受精能力。精子之所以能夠復(fù)蘇的關(guān)鍵在于精液在冷凍過(guò)程中,在冷凍劑的保護(hù)下,防止了精子水分冰晶化對(duì)精子的破壞,而盡可能形成玻璃化。

冰晶化是水在降溫過(guò)程中的一定溫度條件下,水分子重新按照幾何圖形排列形成冰晶的過(guò)程。冰晶改變了精子膜的溶質(zhì)濃度和滲透壓,造成精子脫水,發(fā)生不可逆的化學(xué)毒害而死亡。冰晶化只有當(dāng)溫度在0～-60℃溫度范圍內(nèi)緩慢降溫時(shí)形成,降溫越慢冰晶越大,-15～-25℃形成冰晶最多。玻璃化的冰凍狀態(tài)是水在超低溫下,水分子仍然保持原來(lái)自然的一種無(wú)次序的排列狀態(tài),形成玻璃樣的堅(jiān)硬而均勻的冰結(jié)[5]。在此狀態(tài)下,精子不會(huì)發(fā)生細(xì)胞脫水,結(jié)構(gòu)維持正常。為避免冷凍過(guò)程中精子發(fā)生冰晶化,必須盡快通過(guò)危險(xiǎn)溫區(qū),形成玻璃化凍結(jié)。該過(guò)程具有不穩(wěn)定的可逆性,精液冷凍的降溫和升溫均應(yīng)快速處理。

3 牛冷凍精液的冷凍保護(hù)劑

甘油作為稀釋液中常用的冷凍保護(hù)劑,一方面對(duì)精子有保護(hù)作用,另一方面又對(duì)精子具有損傷作用,因而新型抗凍劑的開發(fā)一直備受關(guān)注。昝林森等[6]研究證明,海藻糖和牛血清白蛋白單獨(dú)和配伍使用都能對(duì)凍后精子品質(zhì)產(chǎn)生明顯影響;胡傳活等[7]探索了乳鐵蛋白在牛精液冷凍中的效果,發(fā)現(xiàn)乳鐵蛋白對(duì)精子凍后活力、運(yùn)動(dòng)性能、畸形率、頂體完整率及質(zhì)膜完整性均沒(méi)有顯著影響。冷凍稀釋液充當(dāng)精子載體的作用,包含很多能夠調(diào)節(jié)精子受精能力的因子,并為精子提供代謝物質(zhì)的功能。因此,對(duì)精子稀釋液的組成物質(zhì)以及精子與環(huán)境物質(zhì)的作用關(guān)系,有必要進(jìn)行更多研究。

由于使用動(dòng)物冷凍保護(hù)劑可能導(dǎo)致疾病的傳播與病菌的感染,近年來(lái)科學(xué)家一直在探索使用植物冷凍保護(hù)劑。Moussa等[8]報(bào)道,以蛋黃中提取的低密度脂蛋白(LDL)代替卵黃冷凍牛精液,其效果比商業(yè)用的稀釋液好。Bucak等[9]研究了蛋氨酸、肌醇和肉堿對(duì)凍融后牛精子各種參數(shù)(活力、異常率、DNA的完整性和受胎率)和氧化應(yīng)激指標(biāo)(脂質(zhì)過(guò)氧化、谷胱甘肽和總抗氧化能力水平)的作用。結(jié)果表明,在冷凍前添加抗氧化劑可以維持精子DNA的完整性,使其免受冷凍損傷。Tuncer等[10]研究了半胱氨酸和谷胱甘肽對(duì)凍融后牛精子氧化應(yīng)激指標(biāo)的影響。結(jié)果表明,半胱氨酸和谷胱甘肽對(duì)精子形態(tài)并沒(méi)有顯著的影響,但可以降低冷凍過(guò)程對(duì)精子DNA的損害。Ansari等[11]研究證明,在稀釋液中添加丁羥甲苯可以顯著提高牛精液活力、質(zhì)膜完整性和生存能力。

Hu等[12,13]發(fā)現(xiàn),牛冷凍精液稀釋液中添加維生素B12可以顯著提高精子活力、頂體完整率和質(zhì)膜完整率,而添加LDL顯著增加線粒體活性、頂體完整、膜的完整性以及DNA完整性。為了提高精子的抗氧化能力,Hu等[14,15]在牛冷凍稀釋液中添加維生素,發(fā)現(xiàn)可以有效減少由冷凍-解凍造成的氧化應(yīng)激,從而提高牛精子的凍后品質(zhì)。同時(shí)表明,抗氧化體系中超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽(GSH)含量和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(GSH-Px)對(duì)維持牛精子的活力和運(yùn)動(dòng)能力發(fā)揮重要作用。Hu等[16]檢測(cè)了海藻糖對(duì)牛精液質(zhì)量和凍融后抗氧化活性的影響。結(jié)果證明,稀釋液中添加海藻糖可以降低由凍融引起的氧化應(yīng)激,從而提高冷凍-解凍后的牛精液品質(zhì)。

4 牛冷凍精液的質(zhì)量檢測(cè)

目前已經(jīng)有很多種方法檢測(cè)精子的質(zhì)量,諸如精子活力、精子形態(tài)、精子存活時(shí)間等[4]。常規(guī)精液檢測(cè)主要包括精子形態(tài)、精子濃度和精子活力三個(gè)部分。計(jì)算機(jī)輔助精液分析(CASA)系統(tǒng)是近些年推出的利用計(jì)算機(jī)輔助精子運(yùn)動(dòng)圖像分析儀來(lái)檢測(cè)精子質(zhì)量的技術(shù)。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、客觀、快速、重復(fù)性好、準(zhǔn)確性高,能分析與精子運(yùn)動(dòng)功能相關(guān)的多種參數(shù)。流式細(xì)胞儀是檢測(cè)精子質(zhì)量的一種新的方法,與傳統(tǒng)的光學(xué)檢測(cè)或熒光顯微鏡染色技術(shù)相比,流式細(xì)胞儀檢測(cè)冷凍-解凍后精子的質(zhì)量具有高通量、準(zhǔn)確和簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。檢測(cè)指標(biāo)比較全面,能夠充分反應(yīng)精子的結(jié)構(gòu)和功能狀態(tài)。當(dāng)然,預(yù)測(cè)精子受精能力的最好評(píng)估手段是IVF試驗(yàn),即在體外條件下讓解凍后精子按一定的比例與卵母細(xì)胞共同孵育,檢查其第一極體排出率、2～4細(xì)胞發(fā)育率、囊胚和擴(kuò)張囊胚發(fā)育率等指標(biāo),并建立這些指標(biāo)與母牛不返情率之間的相關(guān)性。在評(píng)定凍后精子的受精能力時(shí),通過(guò)這些指標(biāo)的測(cè)定,對(duì)于預(yù)測(cè)使用冷凍精液人工授精后母牛的不返情率、受胎率等具有重要意義。精子各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性,利用其相關(guān)性客觀準(zhǔn)確的綜合評(píng)定凍后精子質(zhì)量,可為牛冷凍精液的應(yīng)用提供一定的依據(jù)。

雖然牛冷凍精液的研究相對(duì)比較成功,應(yīng)用也比較廣泛,但一般的研究?jī)H僅涉及不同稀釋液對(duì)精液冷凍質(zhì)量的影響,來(lái)探求最好的冷凍稀釋液配方。關(guān)于稀釋液中不同成分提高精子活力的機(jī)理,影響精子凍后活力的基因與蛋白及其相互作用和表達(dá)的信號(hào)途徑等,相對(duì)研究較少,從而對(duì)其作用機(jī)理不甚清楚。特別是我國(guó)牛冷凍精液的研究水平與國(guó)外相比仍然存在較大差距,例如目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的細(xì)管凍精解凍后精子活率僅達(dá)到30%左右,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)外活率達(dá)到50%的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。因此,我們要進(jìn)一步加大研究力度,建立精子低損傷冷凍技術(shù),切實(shí)提高牛冷凍精液的質(zhì)量水平。牛精液冷凍技術(shù)與人工授精、體外授精、性別控制等現(xiàn)代生物技術(shù)的有機(jī)結(jié)合,在新世紀(jì)必將對(duì)我國(guó)地方低產(chǎn)品種改良、保護(hù)優(yōu)良種質(zhì)資源以及大力發(fā)展畜牧業(yè)、提高人們的生活水平、拉動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)騰飛等發(fā)揮巨大作用,具有廣闊的應(yīng)用前景。

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