苦馬豆素對(duì)母畜繁殖機(jī)能的影響及防控

孫一丹 (西北農(nóng)林科技大學(xué) 動(dòng)物醫(yī)學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

豆科棘豆屬(Oxytropis) 和黃芪屬(Astragalus)植物能夠以相似的毒害機(jī)理引起動(dòng)物以神經(jīng)功能紊亂為主的慢性中毒，人們將這類有毒植物統(tǒng)稱為瘋草[1]。瘋草一詞最早是由西班牙語(yǔ)Loco衍生而來(lái)，意指能夠使動(dòng)物發(fā)瘋的毒草。瘋草被認(rèn)為是危害草原畜牧業(yè)最為嚴(yán)重的一類毒草，每年我國(guó)因瘋草中毒而死亡的動(dòng)物占畜牧養(yǎng)殖總量的近1/10[2]，造成西部草原畜牧業(yè)年幾十億元以上的嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失[3]，嚴(yán)重影響了我國(guó)畜牧業(yè)的發(fā)展。采食瘋草的動(dòng)物常表現(xiàn)以神經(jīng)調(diào)節(jié)機(jī)能紊亂為主的慢性中毒，這種中毒病又稱為瘋草病[4]。眾多研究證明，苦馬豆素(1,2,8-trihyroxyindolizidine,swainsonine,SW)是瘋草植物中主要毒性成分，SW中毒動(dòng)物主要表現(xiàn)出精神沉郁，食欲不振甚至部分特征性中樞神經(jīng)癥狀等[5]。而SW中毒的母畜還會(huì)表現(xiàn)生殖機(jī)能障礙：母畜發(fā)情周期紊亂、難以受孕，孕畜出現(xiàn)流產(chǎn)、早產(chǎn)，產(chǎn)死胎、畸胎等現(xiàn)象[6]，嚴(yán)重破壞動(dòng)物群體的繁殖力[2]，降低新生仔畜的出生率，導(dǎo)致草原畜牧養(yǎng)殖業(yè)重大經(jīng)濟(jì)損失，不利于我國(guó)西部草原畜牧產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

現(xiàn)主要從瘋草毒素SW對(duì)母畜繁殖性能、生殖器官以及體內(nèi)生殖激素的影響進(jìn)行綜述，并提出切實(shí)有效的防控措施，旨在探究SW對(duì)母畜生殖系統(tǒng)的危害，以期加深人們對(duì)瘋草危害動(dòng)物繁殖能力的重視程度，為保護(hù)草原動(dòng)物珍稀物種及畜牧育種產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期持續(xù)發(fā)展提供防控建議。

1 瘋草的主要毒性成分SW

國(guó)內(nèi)外學(xué)者依據(jù)瘋草對(duì)動(dòng)物毒性的作用不同，可將瘋草的有毒成分分為3類：黃芪屬植物含有的脂肪族硝基化合物，經(jīng)機(jī)體吸收其消化道的水解產(chǎn)物3-硝基-1-丙醇(3-NPOH)或其代謝物3-硝基丙酸(3-NPA)在體內(nèi)發(fā)生毒性作用[7-9]；某些黃芪屬植物具有聚硒作用，是北美土壤富硒地區(qū)家畜發(fā)生慢性中毒的原因之一[7]，因采食富硒黃芪植物出現(xiàn)的中毒癥狀不同于瘋草中毒，學(xué)者認(rèn)為此種富硒黃芪植物并非瘋草的一種；多數(shù)學(xué)者研究表明瘋草內(nèi)生物堿是引起動(dòng)物急慢性中毒的主要成分，同時(shí)也是我國(guó)報(bào)道的瘋草中毒的主要原因[10]。一系列研究表明，瘋草主要毒性成分是吲哚里西啶生物堿類的SW[7,11]，且SW亦是引起動(dòng)物瘋草中毒特征癥狀的唯一毒素。目前瘋草內(nèi)生真菌的代謝產(chǎn)物已被證明為瘋草中SW的主要來(lái)源[12]，人們現(xiàn)已從豆類絲核菌、金龜子綠僵菌和Undifilum屬內(nèi)生真菌[12]發(fā)酵液中提取到SW[13]，并逐步探索通過(guò)真菌發(fā)酵培養(yǎng)方式開(kāi)發(fā)SW工業(yè)化生產(chǎn)[14]，旨在解決瘋草植物提取SW及化學(xué)合成SW方法上技術(shù)和效率的不足。

2 SW對(duì)母畜繁殖性能的影響

瘋草毒素SW具有家畜繁殖毒性，能夠影響動(dòng)物的生殖系統(tǒng)，降低動(dòng)物的繁殖性能指標(biāo)，不利于動(dòng)物育種及品種優(yōu)化。SW中毒的成年母畜表現(xiàn)出異常的發(fā)情行為，發(fā)情周期延長(zhǎng)以及不孕不育的現(xiàn)象；懷孕母畜會(huì)發(fā)生流產(chǎn)、胎兒浸溶甚至誕下死胎、弱胎、畸形胎等。這不僅影響草場(chǎng)牲畜的繁殖性能，也妨礙了優(yōu)良畜種的改良，不利于我國(guó)畜牧業(yè)穩(wěn)定發(fā)展。過(guò)去調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，因采食甘肅棘豆[15]、黃花棘豆[16]等而發(fā)生SW中毒的山羊多表現(xiàn)發(fā)情周期紊亂、性欲下降，甚至孕山羊的陰道流出白色黏液，發(fā)生流產(chǎn)等異常癥狀，造成適齡母羊難以受孕、不孕不育的現(xiàn)象；而SW中毒孕羊多發(fā)流產(chǎn)，產(chǎn)出死胎、腐敗胎、畸形胎，流產(chǎn)胎兒出現(xiàn)水腫、全身皮下出血等癥狀[17]，而分娩羔羊體質(zhì)量明顯低于正常山羊所產(chǎn)幼羔，有些出現(xiàn)四肢細(xì)弱無(wú)力、畸形甚至雙目失明。而以小花棘豆中毒母羊乳汁為食的羔羊也出現(xiàn)精神沉郁、頭頸部不自主水平震顫及后肢彎曲、難以行走等神經(jīng)及運(yùn)動(dòng)障礙[18]。除山羊易發(fā)生SW的繁殖毒性外，SW中毒的綿羊、牛、馬鹿及家兔均出現(xiàn)不孕不育、孕畜流產(chǎn)或產(chǎn)死胎的繁殖障礙[19]。實(shí)驗(yàn)室研究中，王毅[20]通過(guò)構(gòu)建SW中毒小鼠模型發(fā)現(xiàn)癥狀與SW中毒山羊臨床癥狀表現(xiàn)相似，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)組小鼠的各項(xiàng)繁殖性能指標(biāo)顯著低于對(duì)照組指標(biāo)，SW的處理能夠明顯降低雌性小鼠的性欲及受孕能力，而剖檢SW中毒妊娠16 d小鼠，發(fā)現(xiàn)其胚胎發(fā)育不良甚至發(fā)生胎兒浸溶，中毒孕鼠即使能夠正常分娩，其吸吮中毒母鼠乳汁的仔鼠體質(zhì)量和成活率相較對(duì)照組均有明顯下降。而WU等[17]研究也表明SW中毒小鼠出現(xiàn)發(fā)情延遲或停止。臨床調(diào)查及實(shí)驗(yàn)室研究均證明，SW能夠影響動(dòng)物的發(fā)情期及繁殖能力，降低雌性動(dòng)物的繁殖性能指標(biāo)如性欲、受孕能力、仔畜成活率等，嚴(yán)重危害草原畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，探討SW影響雌性動(dòng)物繁殖性能的機(jī)制對(duì)保護(hù)優(yōu)良草原種畜、優(yōu)化家畜品種具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3 SW對(duì)母畜生殖器官的組織影響

SW中毒的母畜易發(fā)生流產(chǎn)，產(chǎn)弱胎、死胎、畸形胎等癥狀，其原因在于多種組織的細(xì)胞受到損傷，特別是卵巢黃體細(xì)胞[21]、卵泡細(xì)胞及胎盤絨毛膜上皮細(xì)胞表現(xiàn)不同程度的空泡變性以及因毒素刺激誘導(dǎo)胎盤滋養(yǎng)層細(xì)胞凋亡等病理變化[22]。SW的繁殖毒性及胚胎毒性主要在母畜的卵巢、子宮及胎盤等生殖器官發(fā)揮作用，導(dǎo)致中毒母畜明顯的生殖機(jī)能紊亂、病理性流產(chǎn)與胚胎損傷。湯承等[23]剖檢黃花棘豆中毒的流產(chǎn)孕山羊，病理組織學(xué)剖檢發(fā)現(xiàn)其卵巢黃體細(xì)胞發(fā)生顆粒變性和空泡變性，同時(shí)胎盤充血、胎盤絨毛膜上皮細(xì)胞發(fā)生空泡變性[24]。絹毛棘豆中毒的山羊胎盤發(fā)育不良、子宮血管發(fā)育不良，孕羊產(chǎn)出畸形胎。

多種研究結(jié)果證明，瘋草中的主要毒性成分SW通過(guò)抑制α-甘露糖苷酶的生物活性，阻止蛋白質(zhì)合成過(guò)程，最終導(dǎo)致卵巢黃體細(xì)胞及胎盤絨毛膜上皮細(xì)胞發(fā)生空泡變性和壞死。研究發(fā)現(xiàn)SW陽(yáng)離子的幾何空間結(jié)構(gòu)與甘露糖陽(yáng)離子的半椅狀結(jié)構(gòu)具有一定的相似性[25]，且SW對(duì)α-甘露糖苷酶具有較高親和性[26]，當(dāng)SW特異性結(jié)合于α-甘露糖苷酶的活性作用位點(diǎn)時(shí)會(huì)導(dǎo)致其水解活性喪失。α-甘露糖苷酶主要參與胞內(nèi)糖蛋白N-聚糖加工過(guò)程的修飾，對(duì)細(xì)胞蛋白質(zhì)的加工、修飾具有重要意義。SW能夠抑制溶酶體內(nèi)α-甘露糖苷酶的正常生理活性，N-糖基化異常繼而甘露糖不斷累積，糖蛋白的合成異常而產(chǎn)生大量的混合天冬酰胺低聚糖，并堆積于溶酶體內(nèi)，干擾溶酶體正常生理功能，引起細(xì)胞廣泛性空泡變性及壞死[7,25]。若動(dòng)物生殖器官細(xì)胞發(fā)生空泡化，影響生殖細(xì)胞正常生理功能的發(fā)揮，生殖器官也隨著受損，造成動(dòng)物繁殖性能下降。除此以外，SW同樣可以抑制細(xì)胞內(nèi)高爾基體α-甘露糖苷酶Ⅱ的活性，通過(guò)阻止去除糖蛋白α6臂上的甘露糖來(lái)導(dǎo)致雜化聚糖的產(chǎn)生，引起N-聚糖糖基化異常及特殊膜蛋白的表達(dá)，改變了細(xì)胞膜上的低聚糖結(jié)構(gòu)，從而造成細(xì)胞內(nèi)N-糖基化蛋白的加工及轉(zhuǎn)運(yùn)等過(guò)程的異變[27]，引起機(jī)體生殖系統(tǒng)中糖蛋白激素的正常合成及分泌。N-糖基化作為細(xì)胞蛋白翻譯修飾過(guò)程中不可或缺的過(guò)程，對(duì)維持蛋白質(zhì)構(gòu)象，受體的識(shí)別與結(jié)合均發(fā)揮著舉足輕重的作用，并對(duì)動(dòng)物機(jī)體的生殖繁衍機(jī)能有重要意義。而SW作為一種α-甘露糖苷酶的特殊抑制劑，能夠影響α-甘露糖苷酶Ⅰ和α-甘露糖苷酶Ⅱ的表達(dá)活性[20]，引起溶酶體α-甘露糖苷貯積癥和細(xì)胞內(nèi)糖蛋白合成異常，造成細(xì)胞空泡變性，影響機(jī)體正常生理活動(dòng)。有研究證明，SW在高爾基體內(nèi)發(fā)揮的抑制作用顯著高于溶酶體[28]，細(xì)胞內(nèi)糖蛋白的N-糖基化合成與修剪過(guò)程受到抑制，產(chǎn)生了多種雜合型糖鏈結(jié)構(gòu)，從而改變細(xì)胞膜上的低聚糖結(jié)構(gòu)，損傷細(xì)胞正常生理結(jié)構(gòu)，機(jī)體的繁殖功能也隨之出現(xiàn)異常。

在懷孕的牛[29]、綿羊和山羊[30]體內(nèi)試驗(yàn)研究證明攝入含SW的植物可降低動(dòng)物血液中孕酮的濃度，繼而破壞卵巢功能，并伴有發(fā)情延遲，發(fā)情周期延長(zhǎng)，不孕等臨床癥狀。HUANG等[31]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)體外添加低濃度SW不會(huì)引起黃體細(xì)胞損傷，反而會(huì)通過(guò)影響孕酮合成關(guān)鍵酶來(lái)促進(jìn)孕酮的分泌；而高濃度SW可以誘導(dǎo)小鼠黃體細(xì)胞凋亡并抑制其分泌孕酮。WU等[17]構(gòu)建SW中毒小鼠模型發(fā)現(xiàn)SW易在子宮內(nèi)高濃度蓄積，子宮嚴(yán)重受損，病理組織學(xué)表現(xiàn)子宮內(nèi)膜固有層中存在含鐵血黃素沉積，并且SW可以通過(guò)胎盤屏障和乳汁途徑損傷后代小鼠。

已有研究表明，動(dòng)物采食含SW的有毒植物后會(huì)破壞其胎盤組織結(jié)構(gòu)并引起滋養(yǎng)層細(xì)胞病變甚至凋亡。董峰等[22]通過(guò)TUNEL 試驗(yàn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)SW能夠選擇性的誘導(dǎo)山羊胎盤組織中的滋養(yǎng)層細(xì)胞凋亡，這提示SW對(duì)胎盤組織中的滋養(yǎng)層細(xì)胞可能具有較強(qiáng)的敏感性。部分生理或非生理刺激因素均可誘導(dǎo)滋養(yǎng)層細(xì)胞發(fā)生凋亡，這在整個(gè)妊娠期間均可發(fā)生。而SW作為一種毒素刺激，能夠通過(guò)調(diào)節(jié)Bcl-2蛋白家族的表達(dá)激活線粒體介導(dǎo)的凋亡途徑，引起胎盤滋養(yǎng)層細(xì)胞發(fā)生凋亡[22]。胎盤滋養(yǎng)層細(xì)胞的凋亡造成家畜胎盤的損傷，妨礙孕畜胚胎發(fā)育中妊娠識(shí)別、胚胎附植等過(guò)程，引發(fā)流產(chǎn)或弱胎、畸形胎。

4 SW對(duì)母畜生殖激素的影響

SW影響母畜繁殖性能和生殖器官的主要原因是由體內(nèi)生殖激素分泌紊亂引起的。SW在損傷母畜生殖細(xì)胞的同時(shí)，也干擾了卵巢和胎盤對(duì)雌激素及孕酮的合成，進(jìn)一步影響家畜繁殖性能。動(dòng)物機(jī)體內(nèi)存在的下丘腦-垂體-性腺軸是由下丘腦、垂體和性腺器官在促性腺激素釋放激素、促性腺激素及性激素調(diào)節(jié)分泌過(guò)程中實(shí)現(xiàn)反饋與負(fù)反饋調(diào)節(jié)發(fā)情和生殖行為的一種內(nèi)分泌系統(tǒng)，也是保持雌性動(dòng)物正常生殖機(jī)能及繁殖性能的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)有多種試驗(yàn)證明SW能夠通過(guò)直接影響生殖激素分泌[32]或通過(guò)影響激素受體的結(jié)構(gòu)妨礙下游激素的分泌[33]。

4.1 SW對(duì)促性腺激素的影響SW作為一種N-聚糖合成抑制劑，因其分子學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能夠競(jìng)爭(zhēng)性地抑制N-聚糖加工過(guò)程中的關(guān)鍵酶活性[34]，破壞N-聚糖糖鏈結(jié)構(gòu)，從而改變其糖基化修飾[35]，影響糖蛋白的正常分子結(jié)構(gòu)及其生理活性。促黃體素(luteotropic hormone,LH)和促卵泡素(follicle-stimulating hormone,FSH)是母畜體內(nèi)對(duì)分泌性激素和維持繁殖性能具有重要意義的兩個(gè)促性腺激素。作為垂體分泌的一類糖蛋白激素，其結(jié)構(gòu)均是由糖基化的α和β亞基以非共價(jià)鍵形式連接的異質(zhì)二聚體[36-37]，其中,β亞基是識(shí)別并結(jié)合靶組織的特異受體的結(jié)構(gòu)。未經(jīng)N-聚糖糖基化修飾的糖蛋白不具有其生物學(xué)活性[36,38]，糖蛋白激素的分泌也會(huì)受到影響。SW通過(guò)抑制α-甘露糖苷酶的活性來(lái)妨礙體內(nèi)促性腺激素等糖蛋白物質(zhì)的糖基化修飾過(guò)程，從而影響LH和FSH正常生理活性。GREGG等[39]及蘇忠超等[40]試驗(yàn)也證明了細(xì)胞中的α-甘露糖苷酶的活性受到SW的抑制。除α-甘露糖苷酶Ⅰ和α-甘露糖苷酶Ⅱ，亦有文獻(xiàn)證明N-乙酰葡萄糖胺轉(zhuǎn)移酶-Ⅰ和N-乙酰葡萄糖胺轉(zhuǎn)移酶-Ⅱ在形成N-糖鏈分支結(jié)構(gòu)過(guò)程中起著關(guān)鍵作用[41]，且SW也同樣能夠抑制該酶的活性。王毅[20]試驗(yàn)結(jié)果證明SW中毒的妊娠小鼠體內(nèi)的α-甘露糖苷酶I、α-甘露糖苷酶Ⅱ、N-乙酰葡萄糖胺轉(zhuǎn)移酶-Ⅰ及N-乙酰葡萄糖胺轉(zhuǎn)移酶-Ⅱ的蛋白表達(dá)量均顯著低于對(duì)照組。在N-聚糖加工過(guò)程中相關(guān)酶的活性受到抑制，則垂體糖蛋白N-聚糖糖鏈結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，細(xì)胞內(nèi)低聚糖大量蓄積，在破壞了生殖器官的細(xì)胞功能同時(shí)，也會(huì)引起促性腺激素分泌下降，引起母畜生殖機(jī)能障礙。

此外，生殖激素需與其受體結(jié)合才能有效發(fā)揮其生理活性，即使機(jī)體能夠正常分泌促性腺激素，若沒(méi)有相應(yīng)的受體表達(dá)也不能行使其正常生理機(jī)能。已有研究表明SW染毒小鼠體內(nèi)促性腺激素受體(FSHR、LHR)的基因及蛋白表達(dá)量均下降，導(dǎo)致FSH和LH難以通過(guò)卵巢上特異性受體所介導(dǎo)途徑發(fā)揮功能，造成機(jī)體生殖激素分泌紊亂[20]和生殖機(jī)能障礙。其原因在于FSHR和LHR含有N-糖基化修飾位點(diǎn)，它們的合成同樣受到糖苷酶與糖基轉(zhuǎn)移酶影響[42]，SW對(duì)糖基化的抑制則會(huì)造成該受體表達(dá)下降[32,43]，使生殖激素分泌水平進(jìn)一步降低。在SW影響糖蛋白類生殖激素分泌及降低其受體表達(dá)水平的雙重作用下，促性腺激素與受體的有效結(jié)合率下降，F(xiàn)SH和LH難以發(fā)揮其正常的生理活性，導(dǎo)致母畜出現(xiàn)生殖機(jī)能紊亂。

4.2 SW對(duì)性激素的影響前人的研究表明，在棘皮動(dòng)物性腺中分離純化的α-甘露糖苷酶能夠完全被SW所抑制，從而影響性激素分泌異常[44]。雌性動(dòng)物體內(nèi)主要的性激素有卵泡與胎盤細(xì)胞合成的雌激素(estrogen，E)以及黃體與胎盤細(xì)胞分泌的孕酮(progesterone，P)。兩者能夠維持機(jī)體妊娠，控制發(fā)情周期及分娩并促進(jìn)青年母畜第二性征的發(fā)育與成熟。而這些性類固醇類激素的合成與分泌又受到下丘腦分泌的促性腺激素釋放激素及垂體分泌的促性腺激素的調(diào)節(jié)。雌激素及孕酮主要由促性腺激素在調(diào)控相關(guān)激素合成關(guān)鍵酶(如固醇激素合成急性調(diào)節(jié)蛋白、細(xì)胞色素P450膽固醇側(cè)鏈切割酶等)表達(dá)的過(guò)程中完成分泌，而這些性類固醇激素又能夠反過(guò)來(lái)對(duì)促性腺激素起到負(fù)反饋調(diào)節(jié)的作用。SW通過(guò)抑制具有正常生理功能的促性腺激素分泌及其受體的表達(dá)水平，F(xiàn)SH和LH難以反饋至下丘腦-垂體-性腺軸，也就不能達(dá)到正常的性激素分泌水平。研究發(fā)現(xiàn)的SW中毒妊娠小鼠血液中FSH、LH、雌二醇和孕酮的表達(dá)量均顯著下降也同樣證實(shí)了這一點(diǎn)[32]。因此，在下丘腦-垂體-性腺軸及類固醇激素合成限速酶共同作用下，SW間接抑制體內(nèi)雌二醇和孕酮的分泌，最終引起母畜體內(nèi)生殖激素分泌紊亂，影響家畜的繁殖性能。

5 防控措施

瘋草作為我國(guó)草原畜牧業(yè)三大危害之首，嚴(yán)重限制了中國(guó)西部草原畜牧養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展前景。因此提出鏟除草原瘋草、防控家畜瘋草中毒的有效舉措變成目前草原管理部門及相關(guān)科研工作者刻不容緩的任務(wù)。許多研究提出通過(guò)在瘋草含毒量較低的時(shí)期放牧非易感性家畜如牦牛，利用家畜采食或踩踏等方式破壞了瘋草的生長(zhǎng)點(diǎn)[45]，使之難以生長(zhǎng)成熟并結(jié)實(shí)，能夠達(dá)到降低草場(chǎng)的瘋草密度、防治易感家畜中毒的目的，此外接種瘋草病原菌、引入食植性芫菁等昆蟲(chóng)等方法均可有效防控草場(chǎng)瘋草化。應(yīng)用合理的脫毒方法或與牧草間歇飼喂等途徑能夠在冬春缺乏新鮮牧草的時(shí)節(jié)為家畜，特別是妊娠母畜提供充足的飼料。這樣不僅能避免家畜發(fā)生瘋草中毒，還能給家畜提供豐富的營(yíng)養(yǎng)，極大地提高了草原養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益。

6 小結(jié)

瘋草中毒首次報(bào)道至今已近150年，瘋草的主要毒素SW引起動(dòng)物中毒機(jī)理現(xiàn)已研究較為全面、清楚，而對(duì)于SW影響母畜繁殖機(jī)能的機(jī)制仍缺乏系統(tǒng)性整理與討論。通過(guò)對(duì)SW對(duì)母畜的各項(xiàng)繁殖機(jī)能指標(biāo)、生殖器官的組織病理學(xué)變化以及體內(nèi)下丘腦-垂體-性腺軸相關(guān)的生殖激素的影響進(jìn)行綜述，總結(jié)了SW損害雌性動(dòng)物生殖系統(tǒng)的臨床表現(xiàn)、組織細(xì)胞損傷和對(duì)內(nèi)分泌系統(tǒng)的分子水平調(diào)控機(jī)制，探討SW中毒的母畜出現(xiàn)繁殖機(jī)能損傷的原因，旨在提高草原牧民與科研工作者對(duì)SW危害動(dòng)物繁殖能力的重視程度，為保護(hù)中毒母畜的繁殖性能，降低草原畜牧養(yǎng)殖業(yè)經(jīng)濟(jì)損失以及畜牧育種產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期持續(xù)發(fā)展提供防控建議。