熱應(yīng)激對奶牛繁殖性能的影響研究進(jìn)展

張志登，劉 影，王 玲

（寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏銀川 750021）

在夏季，奶牛群的繁殖率顯著下降，這與熱應(yīng)激加劇有關(guān)[1]；奶牛乏情期天數(shù)增加也會導(dǎo)致奶牛的受孕率降低[2]，夏季奶牛受胎率和妊娠率降低了20%～30%[3]。熱應(yīng)激對奶牛受孕率的最大負(fù)面影響是在受精后7～21 d[3]。夏季遭受熱應(yīng)激的奶牛排卵失敗的風(fēng)險比冬季高出3.9倍[4]。與涼爽季節(jié)相比，炎熱夏季懷有單胎或雙胎的奶牛流產(chǎn)比例增加3.7～5.4 倍[5]，卵巢囊腫發(fā)生的概率也有所增加。熱應(yīng)激導(dǎo)致奶牛出現(xiàn)嗜睡行為、大量飲水和采食量減少[6]。夏季熱應(yīng)激對奶牛的損害是一個積累的過程，即使環(huán)境溫度下降，奶牛不再遭受熱應(yīng)激，但遭受的熱應(yīng)激損害會持續(xù)到秋天[7]，因此秋季繁殖率較低與夏季奶牛遭受熱應(yīng)激有很大關(guān)系。本文綜述了熱應(yīng)激對奶牛繁殖性能產(chǎn)生影響的代謝和生殖機(jī)制，了解這些機(jī)制有助于實(shí)施提高奶牛夏季繁殖率的措施。

1 奶牛的最適溫度

奶牛的舒適環(huán)境溫度為5～25℃，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到25℃以上時會影響奶牛的生理機(jī)能和繁殖性能[8]，這種負(fù)面影響不僅出現(xiàn)在高溫時期，而且會持續(xù)到秋季[7]。直腸溫度大于39.0℃，呼吸速率大于60 次/min 時，表明奶牛正在遭受熱應(yīng)激，這將影響奶牛生產(chǎn)水平和繁殖能力[9]。高溫對奶牛的不利影響會因?yàn)闈穸鹊脑黾佣觿?，在高產(chǎn)奶牛中表現(xiàn)尤為明顯[8]。因此，決定奶牛熱應(yīng)激水平的不僅僅是溫度本身，而是濕度和溫度的綜合作用最終決定了奶牛的熱應(yīng)激水平。溫度和濕度的綜合作用可以用溫度濕度指數(shù)（THI）來表示。THI是由Thom[10]提出的用于評判奶牛遭受熱應(yīng)激水平的指標(biāo)。有研究表明，在受精后的6～35 d 中，相比較于THI＜72 環(huán)境下的奶牛，THI ≥72 環(huán)境下的奶牛受胎率降低約30%[11]。Schüller 等[12]報(bào)道，在756 d 的試驗(yàn)中，THI ≥72 有162 d，奶牛懷孕率從31%下降到12%。除溫濕度外，風(fēng)速和輻射都可能會影響奶牛熱應(yīng)激水平和機(jī)體產(chǎn)熱量從而影響生產(chǎn)。此外，由于牧場的環(huán)境狀況不同，風(fēng)扇、噴淋和通風(fēng)設(shè)備的使用效果在不同畜群中差別很大[13]。因此，只考慮THI 或者以72 為THI 閾值作為評定奶牛熱應(yīng)激水平需要進(jìn)一步論證。這一系列研究強(qiáng)調(diào)了即使在溫帶地區(qū)熱應(yīng)激產(chǎn)生的影響仍需受到關(guān)注。近年來，熱應(yīng)激對繁殖率的負(fù)面影響有所增加，如果奶牛的生產(chǎn)水平超出現(xiàn)有高產(chǎn)奶牛，熱應(yīng)激的危害很可能會進(jìn)一步增加。此外，全球氣候變化會使熱應(yīng)激的程度和持續(xù)時間增加。

2 熱應(yīng)激對奶牛代謝系統(tǒng)的影響

熱應(yīng)激通過幾種可能涉及生殖和營養(yǎng)代謝的機(jī)制對奶牛的繁殖力產(chǎn)生影響。熱應(yīng)激最重要的影響之一是奶牛采食量減少，這是導(dǎo)致產(chǎn)后能量負(fù)平衡的主要原因[14]。West 等[15]觀察到熱應(yīng)激泌乳奶牛的干物質(zhì)攝入量明顯減少。高產(chǎn)奶牛由于對干物質(zhì)需要量以及肝臟代謝強(qiáng)度的增加，采食量降低對繁殖的負(fù)面影響更大。從代謝角度來看，由于散熱方式改變，奶牛血液中的酸堿平衡在熱應(yīng)激時通常會發(fā)生改變。奶牛對蒸發(fā)散熱方式的依賴增加了呼吸頻率，導(dǎo)致水分蒸發(fā)和二氧化碳呼出量增加以及鈉（Na）、鉀（K）等電解質(zhì)離子大量流失，減少了唾液對瘤胃發(fā)酵的緩沖作用，打破了維持血液pH 所必需的碳酸鹽與碳酸氫鹽的平衡[16]。

在熱應(yīng)激期間，由于奶牛干物質(zhì)采食量下降，使正常卵泡發(fā)育所需的關(guān)鍵代謝激素和生長因子在血液中的濃度降低。De Rensis 等[17]研究表明，夏季奶牛產(chǎn)后血漿中胰島素、胰島素生長因子-1（IGF-I）和葡萄糖濃度比冬季低。奶牛關(guān)鍵代謝激素和生長因子濃度減少是奶牛妊娠率降低的機(jī)制之一，因?yàn)橐葝u素是卵泡正常發(fā)育所必需的，對卵母細(xì)胞的發(fā)育有促進(jìn)作用，IGF-I 和葡萄糖通常都能促進(jìn)卵泡生長，葡萄糖主要為卵巢代謝提供能量[18]。葡萄糖也直接參與了下丘腦促黃體生成素（LH）的分泌。熱應(yīng)激可以改變新陳代謝和破壞繁殖能力的另一個因素是由于活性氧（ROS）的產(chǎn)生[19]。硫代巴比妥酸活性物質(zhì)(TBARS)是脂質(zhì)氧化指標(biāo)，反映脂肪氧化產(chǎn)生次級產(chǎn)物丙二醛含量的多少，相比較于涼爽的天氣，在高溫時期奶牛血液TBARS 濃度更高[20]，并且ROS 可以破壞卵母細(xì)胞發(fā)育和胚胎附植。

研究表明，奶牛在產(chǎn)犢后15 d 左右開始補(bǔ)充β-胡蘿卜素，補(bǔ)充90 d 可以增加產(chǎn)后120 d 懷孕奶牛的比例[21]。但在其他研究中，抗氧化劑維生素E 或維生素E 和微量元素硒或β-胡蘿卜素組合使用不能提高熱應(yīng)激奶牛的受胎率[22]。由此可以得出結(jié)論，抗氧化劑的使用可能會保護(hù)卵巢卵母細(xì)胞免受熱應(yīng)激的損傷，但總體而言，需要更多的研究來確定可以有效利用的抗氧化劑。

3 熱應(yīng)激對奶牛內(nèi)分泌系統(tǒng)的影響

研究發(fā)現(xiàn)，熱應(yīng)激對生殖功能的影響不僅受到采食量減少及其相關(guān)代謝作用的影響，而且熱應(yīng)激與生殖內(nèi)分泌系統(tǒng)之間也存在直接聯(lián)系[23]。在夏季，熱應(yīng)激可通過影響下丘腦-垂體-卵巢軸（HPO 軸），主要是使促性腺激素釋放激素（GnRH）的分泌減少，從而抑制卵巢活動，使促性腺激素分泌減少。Rees 等[24]研究表明，熱應(yīng)激對HPO 軸的直接影響在一定程度上與分泌的皮質(zhì)醇濃度有關(guān)，在奶牛處于急性熱應(yīng)激時皮質(zhì)醇濃度增加。在慢性熱應(yīng)激時期，奶牛分泌的皮質(zhì)醇濃度減少，皮質(zhì)醇是反芻動物體內(nèi)主要的應(yīng)激激素，皮質(zhì)醇分泌減少使機(jī)體抵御熱應(yīng)激的能力減弱，是導(dǎo)致血液葡萄糖減少的主要因素，在一定程度上降低了妊娠率[25]。另一種可能與夏季繁殖率較低有關(guān)的激素是催乳素。催乳素是一種對溫度敏感的激素，其濃度在夏季增加[23]。催乳素可能通過增加熱量損失和汗腺功能使奶牛適應(yīng)環(huán)境，但其幫助動物適應(yīng)熱應(yīng)激的機(jī)理仍不清楚。催乳素影響卵泡以及卵母細(xì)胞的發(fā)育，哺乳行為促使催乳素分泌是哺乳動物產(chǎn)后發(fā)情延長的原因。因此，一方面高濃度催乳素可能有助于使奶牛適應(yīng)熱環(huán)境，而另一方面這可能導(dǎo)致遭受熱應(yīng)激奶牛的卵巢功能延遲恢復(fù)。

3.1 GnRH、LH、促卵泡素（FSH）和抑制素 熱應(yīng)激會影響HPO 軸的活動。Kadokawa[26]研究表明，與涼爽季節(jié)相比，炎熱季節(jié)LH 分泌受到抑制。這可能與HPO 軸溫度的升高有直接關(guān)系，也可能是由于皮質(zhì)醇、催乳素、雌二醇或孕酮的循環(huán)濃度變化，或者是由于采食量下降導(dǎo)致能量負(fù)平衡產(chǎn)生的間接影響[27]。熱應(yīng)激可能會通過對LH 分泌產(chǎn)生負(fù)面影響，破壞排卵機(jī)制并增加發(fā)情和排卵間隔的變化[28]。由此可以推測，在夏季，大部分的授精時間都是錯誤的。此外，LH 分泌減少增加了排卵失敗[4]和卵巢囊腫的風(fēng)險。Ronchi 等[23]研究發(fā)現(xiàn)，受高溫影響的奶牛血液中FSH 或雌二醇濃度沒有變化。然而，其他研究表明，在夏季由于卵巢抑制素分泌減少，血漿FSH 濃度增加，并且FSH 濃度增加改變了卵泡囊腫的產(chǎn)生機(jī)制，導(dǎo)致不排卵的牛數(shù)量增加[29]。

3.2 雌二醇和雄烯二酮 Gwazdauskas 等[30]研究發(fā)現(xiàn)，遭受熱應(yīng)激損害的奶牛和對照組奶牛的血液雌二醇濃度結(jié)果不一致。有大量證據(jù)表明[29]，熱應(yīng)激降低了體外培養(yǎng)的顆粒細(xì)胞分泌類固醇的能力，導(dǎo)致血液中雌二醇濃度降低。血液中雌二醇濃度降低使卵泡發(fā)育受損，排卵機(jī)制發(fā)生改變，降低了卵母細(xì)胞和胚胎的質(zhì)量[29]。由于熱應(yīng)激使卵泡雌二醇分泌減少以及卵泡發(fā)育受阻，導(dǎo)致發(fā)情時間減少、發(fā)情強(qiáng)度降低，并且沉默排卵的發(fā)生概率增加[30]。

與雌二醇相似，受熱應(yīng)激影響，奶牛雄烯二酮的分泌也減少。泌乳荷斯坦奶牛遭受熱應(yīng)激12 h，在熱應(yīng)激后28 d 收集卵泡分離培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)雄烯二酮比正常值低[31]。雄烯二酮可以作為合成雌二醇的底物，其分泌減少可以間接降低生育力。

3.3 黃體素和孕酮 熱應(yīng)激對奶牛血漿中孕酮濃度影響不一，或減少[32]、增加[33]或未改變[34]。這些差異可能與應(yīng)激類型（急性和慢性）、發(fā)情周期的階段或動物的代謝狀態(tài)有關(guān)。在夏季，將孕酮給藥時間從9 d 縮短到5 d，對奶牛產(chǎn)后受胎率的提高有促進(jìn)作用[35]。這些觀察結(jié)果證實(shí)了先前研究[36]，表明熱應(yīng)激導(dǎo)致生育能力下降的部分原因可能是由于黃體功能受損和子宮內(nèi)的激素環(huán)境對胚胎存活有害。此外，由于在泌乳期間代謝需求旺盛，尤其是高產(chǎn)奶牛肝臟代謝率升高，血液中孕酮濃度降低[37]。另一個影響因素是受熱應(yīng)激影響奶牛體內(nèi)的血漿孕酮濃度降低，可能會增加子宮內(nèi)膜對前列腺素F2a（PGF2a）的分泌，導(dǎo)致黃體過早溶解[38]。Friedman 等[39]報(bào)道，在夏季奶牛人工授精后進(jìn)行孕酮給藥可以提高低體況評分或提高產(chǎn)后有繁殖障礙母牛群體的生殖能力。

3.4 光照周期和褪黑激素 在夏季氣溫處于奶牛舒適范圍的地區(qū)，奶牛的繁殖率也會有下降情況。這表明除了溫度之外還有其他因素影響夏季奶牛的繁殖，如光周期。因?yàn)楣庹罩芷谂c溫度兩者相關(guān)聯(lián)，所以很難區(qū)分光照周期和溫度對奶牛繁殖率的影響。在夏季，光周期改變了奶牛的繁殖性能，可能是因?yàn)樵谙募就屎诩に胤置诘臏p少降低了GnRH 的脈沖頻率，從而降低了HPO 軸的活動[40]。Lacasse 等[41]發(fā)現(xiàn)，在產(chǎn)犢前用褪黑激素處理不會對奶牛的繁殖率造成影響；而在另一項(xiàng)研究中，觀察到夏季施用的褪黑激素減少了發(fā)情天數(shù)和奶牛的發(fā)病率，但是需要多次人工授精才能使奶牛懷孕[42]。此外，褪黑素具有抗氧化特性，對這些數(shù)據(jù)的解釋是困難的，因?yàn)橥屎谒貙Χ灸膛７敝陈实姆e極影響尚未被研究。褪黑素可能具有獨(dú)立于其抗氧化特性的作用，因?yàn)樗梢灾苯佑绊戭w粒細(xì)胞的功能[43]。血液中性粒細(xì)胞受到炎癥細(xì)胞因子和干擾素的影響能夠決定奶牛的妊娠結(jié)果[44]?？偟膩碚f，褪黑素可能在夏季奶牛的繁殖過程中發(fā)揮作用。

4 熱應(yīng)激對卵泡、卵母細(xì)胞和胚胎發(fā)育的影響

4.1 卵泡發(fā)育 熱應(yīng)激會影響奶牛體內(nèi)激素的分泌，并對卵泡發(fā)育有負(fù)面影響。受熱應(yīng)激影響的母牛其優(yōu)勢卵泡的大小和優(yōu)勢度降低[45]，而中等大小的次級卵泡數(shù)量增加[29]。高溫對小卵泡（2～5 mm）發(fā)育的影響仍不清楚；Das 等[46]研究表明熱應(yīng)激導(dǎo)致小卵泡數(shù)量減少。所有研究表明，熱應(yīng)激對卵泡的影響都可能會降低卵母細(xì)胞的質(zhì)量。熱應(yīng)激導(dǎo)致的卵泡優(yōu)勢減弱與第二波優(yōu)勢卵泡的早期出現(xiàn)有關(guān)。第二波優(yōu)勢卵泡的過早出現(xiàn)導(dǎo)致了長時期的卵泡優(yōu)勢，這與成熟卵泡的排卵有關(guān)，并且不能適時授精，增加人工授精失敗的概率。另一個觀點(diǎn)是原始卵泡需要16 周才能發(fā)育成優(yōu)勢卵泡[47]，而且由于秋季奶牛生育能力逐漸恢復(fù)，熱應(yīng)激會破壞早期卵泡發(fā)育過程中卵母細(xì)胞的發(fā)育。對這一觀點(diǎn)的支持來自于李孟偉等[45]觀察到通過快速去除遭受熱應(yīng)激損害的卵泡可以提高秋季奶牛的受胎率。特別是在秋季，通過增加卵泡的更新速度[45]，或通過刺激卵泡生長，或使用牛生長激素，可以促進(jìn)卵母細(xì)胞功能的恢復(fù)[48]。

4.2 卵母細(xì)胞發(fā)育 熱應(yīng)激影響卵母細(xì)胞發(fā)育的機(jī)制有多種。與熱應(yīng)激相關(guān)的內(nèi)分泌改變，如GnRH 分泌減少，使卵泡發(fā)育受到抑制，優(yōu)勢卵泡減少以及卵母細(xì)胞發(fā)育受損[45]。在夏季遭受熱應(yīng)激的奶牛中，卵母細(xì)胞的成熟受到損害，進(jìn)而影響了后續(xù)的受精和胚胎發(fā)育。溫度升高對成熟的卵母細(xì)胞也有直接影響[49]，包括刺激細(xì)胞凋亡和破壞細(xì)胞核成熟。卵母細(xì)胞對熱應(yīng)激的敏感性可持續(xù)很長時間。Je s Torres-Júnior 等[50]研究表明28 d熱應(yīng)激降低了卵母細(xì)胞質(zhì)量。

4.3 胚胎發(fā)育 雖然卵母細(xì)胞容易受到熱應(yīng)激的長期影響，但胚胎主要在附植期或發(fā)育過程中對熱應(yīng)激敏感[51]。胚胎在子宮內(nèi)膜上的附著至關(guān)重要，因?yàn)樵诟街矔r需要胎兒和母體組織之間建立復(fù)雜的信號聯(lián)系，因此，包括熱應(yīng)激在內(nèi)的任何應(yīng)激因素都有可能破壞這一過程。此外，新形成的胚胎在發(fā)育過程中對熱應(yīng)激特別敏感。熱休克蛋白（HSP）是胚胎發(fā)育過程中產(chǎn)生的第一種蛋白質(zhì)，對細(xì)胞功能至關(guān)重要[52]。最近在對奶牛的研究中，研究了個體細(xì)胞生產(chǎn)HSP 相關(guān)的基因機(jī)制，從這些研究結(jié)果中可以制定出保護(hù)胚胎免受高溫?fù)p害的方法[53]。Biggers 等[54]研究表明，熱應(yīng)激對胚胎發(fā)育的主要危害是在授精前17 d，這是產(chǎn)生干擾素的關(guān)鍵時間點(diǎn)。適量的干擾素對抑制PGF2a 的分泌、防止黃體溶解和維持妊娠至關(guān)重要[55]。除了對妊娠早期有直接影響外，熱應(yīng)激的后期效應(yīng)也被觀察到[55]。在妊娠第21～30 天THI 上升，奶牛在妊娠第90 天的妊娠風(fēng)險增加，遭受熱應(yīng)激的奶牛其單胎流產(chǎn)風(fēng)險、雙胎流產(chǎn)風(fēng)險分別為未遭受熱應(yīng)激奶牛的3.7、5.4 倍[56]。熱應(yīng)激對胚胎發(fā)育的影響因素多樣，但它們都與卵母細(xì)胞和黃體的質(zhì)量降低有關(guān)，已經(jīng)觀察到熱應(yīng)激與早期胚胎的存活具有直接關(guān)系。

5 結(jié) 論

熱應(yīng)激通過2 種可能的機(jī)制來降低妊娠率：第一，新陳代謝的改變和ROS 的存在；第二，生殖神經(jīng)內(nèi)分泌功能的改變。在熱應(yīng)激期間，采食量減少導(dǎo)致負(fù)能量平衡從而引起代謝激素分泌的改變，例如影響胰島素和IGF-I 和其他卵泡生長因子的分泌，這些激素代謝的改變可以直接降低奶牛的繁殖力。

在夏季，熱應(yīng)激對HPO 軸、皮質(zhì)醇和催乳素的分泌有直接影響。其一方面是促性腺激素（LH 抑制和FSH 刺激）分泌水平改變影響卵泡發(fā)育，從而增加了受精失敗的風(fēng)險，降低了卵母細(xì)胞的質(zhì)量，增加了妊娠失敗的風(fēng)險；另一方面是沉默排卵和卵泡囊腫發(fā)生的頻率增加。在夏季，抑制素分泌減少而FSH 分泌增加，導(dǎo)致優(yōu)勢卵泡發(fā)生改變，雙胎率增高；由于在胚胎發(fā)育過程中子宮環(huán)境遭受熱應(yīng)激影響，整個妊娠過程的復(fù)雜性增加。最后，由于光照周期的影響，褪黑激素分泌減少，這可能是影響夏季奶牛繁殖能力的另外一個因素。