熱應(yīng)激對種公牛精液質(zhì)量影響及應(yīng)對策略

王彥平，常卓，王麗云，張海濤，麻柱

1.北京奶牛中心，北京 100192；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部奶牛遺傳育種與繁殖重點實驗室，北京 100192；3.奶牛遺傳育種與繁殖北京市重點實驗室，北京 100192；4.北京市畜牧總站，北京 100101）

1 公牛體溫調(diào)節(jié)機理

公牛睪丸位于陰囊的鞘膜腔內(nèi)，呈卵圓形，左右各一。睪丸外面蓋著一層白膜，由白膜向睪丸實質(zhì)中央伸出許多小梁（間隔），將睪丸實質(zhì)分為很多小室或小葉（100～300個)。Kastelic等[1]測定了雜交肉牛陰囊表面溫度、陰囊皮下溫度以及睪丸內(nèi)溫度，從上到下溫差分別為1.6℃、0.4℃和-0.2℃。而睪丸具有互補溫度梯度，所以睪丸內(nèi)溫度相對均勻[2]。公牛附睪頭的溫度高于尾狀體的溫度，附睪尾是精子儲存的重要部位，其溫度比睪丸實質(zhì)略低。

在哺乳動物中，一般睪丸溫度維持在32℃左右，這對正常的精子發(fā)生非常重要。牛的睪丸和附睪在腹部以下，位于陰囊，為了正常的精子發(fā)生，通常睪丸溫度比體溫低4～5℃[3]。為了有利于精子生成及儲存，陰囊通過三種機制調(diào)節(jié)睪丸及附睪溫度。一種是通過陰囊皮膚收縮陰囊朝向腹部或遠(yuǎn)離腹部來應(yīng)對冷暖變化。第二種是通過血管系統(tǒng)，廣泛的血管系統(tǒng)和睪丸淋巴管排列與陰囊淺血管有助于消除睪丸的熱量。炎熱會引起這些小動脈的血管擴張，從而減少或增加陰囊的血液供應(yīng)[4]。第三種是通過汗腺調(diào)節(jié)，汗腺可以調(diào)節(jié)睪丸的溫度，因為陰囊皮膚表面汗腺比身體其他部位的皮膚更密集[5]。因此，種公牛有足夠的陰囊周長可以應(yīng)對熱應(yīng)激的影響。

2 熱應(yīng)激及影響因素

當(dāng)動物暴露在炎熱、潮濕環(huán)境下，或不能通過行為機制減少高溫的影響，會導(dǎo)致熱應(yīng)激。在奶牛上表現(xiàn)為采食量減少、體增重減少或牛奶產(chǎn)量下降、種公牛精液質(zhì)量下降。

熱應(yīng)激對生殖系統(tǒng)影響更大，主要通過影響下丘腦-垂體-卵巢軸以及腎上腺-下丘腦-垂體-性腺軸，進而影響繁殖性能[6]。有研究表明，熱應(yīng)激可能改變精漿蛋白的合成[7]，從而影響精子功能。

許多環(huán)境因素都會引起熱應(yīng)激，比如溫度、相對濕度和太陽輻射等，而風(fēng)速和降雨可能會減輕其影響[8]。溫度和相對濕度通常被認(rèn)為是熱應(yīng)激最重要的影響因素。

3 熱應(yīng)激對公牛繁殖性能的影響

3．1 熱應(yīng)激影響公牛繁殖性能的機理

當(dāng)調(diào)節(jié)體溫的正常生理機制無法應(yīng)對外界條件時，就會發(fā)生熱應(yīng)激。熱應(yīng)激發(fā)生在溫度超過生理范圍時，對精子運動、形態(tài)和生育能力有不利影響，其影響程度與持續(xù)時間有關(guān)。而睪丸溫度短暫性達到39～40℃，不會加速生殖細(xì)胞死亡。

熱應(yīng)激對生殖的影響主要體現(xiàn)在四個方面：一是通過凋亡破壞生殖細(xì)胞。睪丸溫度升高，會影響所有類型的睪丸細(xì)胞，生殖細(xì)胞比支持細(xì)胞或間質(zhì)細(xì)胞對熱應(yīng)激更敏感，更容易受到損傷，其中初級精母細(xì)胞、精細(xì)胞和附睪精子是最敏感的生殖細(xì)胞[9]。通常，處于減數(shù)分裂后發(fā)育階段的精子更容易受到熱應(yīng)激的影響。在此期間，組蛋白修飾和過度乙?；膹V泛結(jié)合使染色質(zhì)變成不穩(wěn)定的構(gòu)象。這些不穩(wěn)定形式的染色質(zhì)更容易受到熱應(yīng)激的影響，這可能對精子的染色質(zhì)凝聚產(chǎn)生影響。

二是生成過多的活性氧，造成氧化應(yīng)激。環(huán)境溫度升高導(dǎo)致睪丸溫度升高，引起缺氧和新陳代謝的副產(chǎn)品活性氧生成增加。呼吸頻率和深度增加，導(dǎo)致堿中毒加重，抑制組織的氧氣輸送[10]。熱應(yīng)激對精子質(zhì)量造成影響，進而可能會對精卵融合造成影響。研究表明夏季高溫暴露會損害精子的抗氧化系統(tǒng)[11]。

三是熱應(yīng)激對精漿蛋白的影響。除了對精子的影響外，熱應(yīng)激可能還會影響精漿蛋白，從而影響精子的形成質(zhì)量[12]。此外，不同季節(jié)精漿蛋白亦有差異，有研究顯示磷酰膽堿結(jié)合蛋白夏季含量低于冬季[13]。

四是熱應(yīng)激會引起激素失衡。熱應(yīng)激會導(dǎo)致StAR（甾體生成性急性調(diào)節(jié)蛋白）基因和蛋白的下調(diào)[14]，這種酶的活性降低會導(dǎo)致血液中睪酮水平下降，進而影響精子發(fā)生和維持睪丸完整性[15]。熱應(yīng)激會對支持細(xì)胞及間質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生影響，這兩種細(xì)胞的主要功能是支持生殖細(xì)胞并產(chǎn)生睪酮，保持生殖細(xì)胞正常發(fā)育。因此，它們的功能受損可能會干擾雄性生殖細(xì)胞的產(chǎn)生，降低睪丸雄激素結(jié)合蛋白（ABP）的產(chǎn)生，長時間熱應(yīng)激會導(dǎo)致隱睪。

3．2 熱應(yīng)激對公牛精液的影響

種公牛在遭受熱應(yīng)激后7d，精子畸形率增加。14d后，精子脂質(zhì)過氧化作用增強，線粒體膜功能、精子活力和質(zhì)膜完整性降低。熱應(yīng)激后21d仍有熱應(yīng)激效應(yīng)，28d后精子DNA碎片增加。因此，熱應(yīng)激的最初影響（即增加精子畸形和脂質(zhì)過氧化）表明精液中存在氧化應(yīng)激，從而改變了線粒體功能、精子活力、血漿膜完整性，以及帶來的DNA斷裂[16]。

公牛陰囊保溫48h后，附睪精子受到不利影響，表現(xiàn)為冷凍保存后精子運動性和頂體完整性下降[17]。形態(tài)缺陷包括遠(yuǎn)端中段反射、近端和遠(yuǎn)端液滴和多節(jié)的頂體，這些缺陷在保溫后11～18d達到峰值，陰囊保溫后21～23d，精液中有小頭和畸形精子、核空泡和梨狀頭，以及盤繞的尾巴精子比例增加[18]。熱應(yīng)激后，公牛的陰囊/睪丸溫度增加，形態(tài)正常精子數(shù)量減少。精子頭部和中段異常的百分比增加[19]。熱應(yīng)激后，荷斯坦公牛和比利時藍公牛的正常精子數(shù)量減少，頭部缺陷發(fā)病率較高，尤其是核空泡和染色質(zhì)缺陷增多。

西門塔爾公牛夏季精子缺陷多于冬季，年輕公牛多對環(huán)境溫度升高敏感。與其他季節(jié)相比，春季精子質(zhì)量有較高的細(xì)胞膜完整性和較低的DNA斷裂指數(shù)[20]。另據(jù)報道，熱應(yīng)激影響蛋白質(zhì)的合成，其次是DNA和RNA[21]。同時，熱應(yīng)激誘導(dǎo)熱休克轉(zhuǎn)錄因子（HSFs）的激活能夠產(chǎn)生熱休克蛋白（HSPs），從而減少熱應(yīng)激的有害影響[22]。

4 緩解熱應(yīng)激影響的應(yīng)對措施

4．1 品種與年齡選擇

避免熱應(yīng)激最有效的方法是選擇能很好地適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境氣候的品種。有研究表明，安格斯公牛和荷斯坦公牛比印度牛品種更能抵抗熱應(yīng)激的影響[23]。熱應(yīng)激下，青年公牛精子的運動能力、膜完整性和精子線粒體電位高于老齡公牛[24]，但畸形率亦高于高齡公牛。

4．2 加強飼養(yǎng)管理

緩解熱應(yīng)激的管理措施完全取決于環(huán)境，通過采取噴淋/強制通風(fēng)措施，有助于降低環(huán)境溫度。降低公牛頭部或頸部溫度，可促進采食量增加，對降低睪丸溫度有直接作用。

研究人員根據(jù)熱應(yīng)激導(dǎo)致的氧化應(yīng)激、生殖細(xì)胞凋亡、精子質(zhì)量損傷和睪丸損傷四個方面，研究了大量降低睪丸氧化應(yīng)激，減少或防止細(xì)胞凋亡，促進睪丸組織的恢復(fù)和恢復(fù)精子質(zhì)量的方案[25]。如給種公牛飼喂各種物質(zhì)或添加到精液中，如氨基酸、抗生素、抗氧化劑、酶抑制劑、激素、礦物質(zhì)、酚類化合物、傳統(tǒng)草藥和維生素。維生素E可以單獨或者與硒、鋅或褪黑素結(jié)合使用。這些物質(zhì)能夠減少睪丸氧化應(yīng)激，有助于睪丸快速恢復(fù)組織和恢復(fù)精子質(zhì)量特征[26]。

4．3 計劃公犢牛出生時間

奶牛妊娠晚期避開炎熱季節(jié)，所產(chǎn)公犢牛在頭幾個月的生長速度比其他犢牛高。早期的生長速度或營養(yǎng)水平會影響采精后精子質(zhì)量[27]。因此，妊娠期的熱應(yīng)激應(yīng)該盡量避免。有研究表明，秋季出生的犢牛很可能在妊娠期子宮內(nèi)受到熱應(yīng)激，春季出生的小牛犢比秋季出生的小牛犢成年后產(chǎn)生的精子質(zhì)量高。