光照對動物季節(jié)性繁殖影響的研究進(jìn)展

劉懿慧，周宇橋，周 智，張佩華*

(1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410128；2. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410128)

自然界環(huán)境的變化呈現(xiàn)季節(jié)性(周期性)波動狀態(tài)。生物體具有感知外部環(huán)境變化并靈活調(diào)整個體狀態(tài)的能力，該能力源于機(jī)體內(nèi)部存在生物鐘系統(tǒng)[1]。生物鐘受氣候、溫度、光照、進(jìn)食等多種外源節(jié)律因子調(diào)節(jié)[2]，同時也具有內(nèi)源節(jié)律性，即不受外源節(jié)律因子影響也會產(chǎn)生節(jié)律性波動，且周期為24 h，因此也被稱為晝夜節(jié)律[3]。內(nèi)源節(jié)律與外源節(jié)律往往是同步的，當(dāng)這種平衡被破壞后，機(jī)體將會受到負(fù)面影響，出現(xiàn)代謝紊亂、疾病等現(xiàn)象[4]。

光周期(24 h中黑暗與光照的時間分配比例)作為機(jī)體內(nèi)源節(jié)律響應(yīng)外源節(jié)律變化最敏感的線索[3]，極大程度上影響著動物的生理和行為活動，其中很典型的是動物季節(jié)性繁殖現(xiàn)象。本文分別梳理光照調(diào)控動物繁殖活動的通路，以便更好的理解不同類別脊椎動物的繁殖機(jī)制，并就畜禽生產(chǎn)中人工光照應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行歸納，為在畜禽生產(chǎn)中科學(xué)應(yīng)用光照提供參考。

1 動物的季節(jié)性繁殖現(xiàn)象

動物的繁殖活動受下丘腦-垂體-性腺軸(hypothalamic-pituitary-gonadalaxis，HPGA)的調(diào)控[5](圖1)。當(dāng)光照時長達(dá)到或超過臨界值時，HPGA被激活，導(dǎo)致性腺發(fā)生變化。有研究表明，倉鼠處于12.5 h或更長時間的光照才能看到睪丸生長；日本鵪鶉超過11.5 h的光照時間可以刺激睪丸生長[6]；揚州鵝的繁殖活動也受長光照調(diào)控[7]；這與嚙齒動物和禽類在春、夏長日照季節(jié)繁殖的現(xiàn)象相一致。家畜中呈季節(jié)性繁殖最明顯的動物是羊，繁殖活動主要發(fā)生在秋季；其性腺也是在短光照條件下更大[8]；馬、兔的繁殖雖無明顯的季節(jié)性,但長光照條件更能促進(jìn)繁殖活動[9-10]。當(dāng)光照時長不處于臨界范圍時(繁殖季節(jié)過后)，它們的HPGA自動關(guān)閉，性腺也開始退化[11]，繁殖活動暫時停止。動物間不同的繁殖特性都是為了確保后代可以在氣候適宜、食物充足的季節(jié)出生，繼而提高繁殖成功率及后代生存率。但現(xiàn)在僅依靠動物季節(jié)性繁殖無法滿足市場對畜禽產(chǎn)品的需求，通過調(diào)控光照、注射激素等方法可以提高動物繁殖力，使畜禽產(chǎn)品產(chǎn)量滿足市場需求，進(jìn)而獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益[12]。

圖1 下丘腦-垂體-性腺軸

關(guān)于光照調(diào)控動物季節(jié)性繁殖的研究方向一直處于穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(tài)(圖2)，隨著光化學(xué)與動物學(xué)等相關(guān)研究的深入，研究者們進(jìn)一步確定動物季節(jié)性繁殖能力受光照具體參數(shù)-光強(qiáng)度與光波長(光色)影響，且光照調(diào)控哺乳動物與禽類的季節(jié)性繁殖機(jī)制還存有差別。

圖2 光照調(diào)控動物季節(jié)性繁殖研究發(fā)展趨勢(2012-2021)

2 動物的光感受器

2.1 哺乳動物的光感受器

哺乳動物對光的感知僅依賴于視網(wǎng)膜中的光感細(xì)胞[11]。其中，含有視紫紅質(zhì)的視桿細(xì)胞與含有視錐蛋白的視錐細(xì)胞主要發(fā)揮著成像作用，而能夠合成OPN4(視黑蛋白，一種非視覺蛋白)的自主感光視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cells，ipRGCs)則在晝夜節(jié)律調(diào)控中扮演著重要角色[13]。

2.2 禽類的光感受器

禽類的光感受器較哺乳動物復(fù)雜，包括眼部感光器和大腦深部感光器[14]。研究者最先在禽類松果體(pineal gland，PG)和下丘腦上發(fā)現(xiàn)了OPN4的存在[15]，之后VA-opsin(脊椎動物古老視蛋白)和OPN5(神經(jīng)視蛋白)也相繼被發(fā)現(xiàn)存在于下丘腦中[16]。經(jīng)過一系列致盲、戴帽、松果體切除、局部照射等試驗后，確定與禽類季節(jié)性繁殖相關(guān)的腦深部光感受器存在于下丘腦中[17]。

OPN4雖然存在于下丘腦中，但表達(dá)量低于PG且其光譜最大敏感度為476～484 nm[18]，這一范圍不在繁殖光譜范圍(483～492 nm)[19]，所以排除了OPN4神經(jīng)元負(fù)責(zé)繁殖光周期反應(yīng)的可能性。VA-opsin神經(jīng)元和OPN5神經(jīng)元作為控制季節(jié)性繁殖的光感受器有很強(qiáng)的相關(guān)性證據(jù)[20]。Nakane等[16]通過系列試驗推測OPN5在禽類季節(jié)性繁殖中發(fā)揮著作用；首先，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)OPN5的光譜最大敏感度約在420 nm，確定了OPN5為一種短波敏光色素；接著他們利用短波光處理，發(fā)現(xiàn)鵪鶉(戴著眼罩且已進(jìn)行松果體切除術(shù))睪丸依舊呈現(xiàn)發(fā)育狀態(tài)，進(jìn)而驗證了OPN5是調(diào)節(jié)鵪鶉季節(jié)性繁殖周期的大腦深層光感受器。VA-opsin光譜最大敏感度約為490 nm[21]；而且研究者們發(fā)現(xiàn)VA-opsin與促性腺激素釋放激素(gonadotropin releasing hormone，GnRH)神經(jīng)元共定位，光信號可直接調(diào)節(jié)GnRH在禽類中的表達(dá)，因此推測VA-opsin在該細(xì)胞群體中的共存可以控制禽類季節(jié)性繁殖[22]。由上述內(nèi)容可以看出，禽類具有全波段的光感視蛋白；而且禽類視網(wǎng)膜上近乎均勻的鑲嵌著5種視錐細(xì)胞[23]，所以禽類擁有著驚人的色彩感知力(圖3)；繼而禽類可以利用多種光波段來測量光周期。針對禽類這一特性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)光色對禽類的影響不具有普適性，藍(lán)、綠光對肉雞的影響效果較佳，可以促進(jìn)其生長[24]；而對于更重視繁殖能力的蛋雞則紅光效果更好[25]。

圖3 豬、雞視覺光譜對比[26-27]

3 動物的季節(jié)性繁殖機(jī)制

動物的季節(jié)性調(diào)控過程受生物鐘系統(tǒng)調(diào)控，可歸納為感知、傳遞、調(diào)控的過程。光感受器將感知到的光信號傳遞到生物鐘中樞振蕩器引發(fā)內(nèi)分泌系統(tǒng)激素分泌，進(jìn)而調(diào)控外周振蕩器活動[5]。

3.1 哺乳動物的季節(jié)性繁殖機(jī)制

哺乳動物的中樞振蕩器為下丘腦視交叉上核(suprachiasmatic nucleus，SCN)[28]；ipRGCs將感知到的光信號傳遞到SCN上，通過多突觸連接將光信號傳遞到PG，引發(fā)褪黑素(melatonin，MLT)分泌活動的變化[29]。研究表明，MLT是最具有晝夜節(jié)律分泌特性的激素[30]，在哺乳動物的季節(jié)性繁殖調(diào)控中發(fā)揮核心作用[31]；其通過介導(dǎo)HPGA調(diào)節(jié)相關(guān)激素分泌，影響生殖腺與繁殖能力[32]。光周期可以通過MLT調(diào)節(jié)繁殖相關(guān)神經(jīng)遞質(zhì)——甲狀腺激素(thyroid hormone，TH)、親吻素(Kisspeptin)、RF酰胺相關(guān)肽-3(RF amide-related Peptide，RFRP-3)的節(jié)律性表達(dá)，影響GnRH神經(jīng)元對GnRH的分泌，繼而調(diào)控動物繁殖活動(圖4)。

圖4 哺乳動物季節(jié)性繁殖機(jī)制

3.1.1 促甲狀腺激素參與調(diào)控哺乳動物的季節(jié)性繁殖 垂體結(jié)節(jié)部(pars tuberalis，PT)是MLT協(xié)調(diào)季節(jié)功能的中心靶點[33]。MLT通過涉及轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子EYA3的機(jī)制響應(yīng)光周期，該機(jī)制在長光照條件下會促使PT的促甲狀腺激素β亞單位(thyroid stimulating hormone Beta，TSHβ)輸出增加[34]，TSHβ與促甲狀腺激素受體(TSHR)結(jié)合，調(diào)節(jié)下丘腦內(nèi)側(cè)基底部(mediobasal hypothalamus，MBH)伸展細(xì)胞中2型甲狀腺素脫碘酶基因(Type 2 Iodothyronine Deiodinase，DIO2)和3型甲狀腺脫碘酶基因(Type 3 Iodothyronine Deiodinase，DIO3)的表達(dá)和轉(zhuǎn)換，繼而改變MBH的TH分泌量[35]。長光照誘導(dǎo)DIO2編碼甲狀腺激素激活酶，將四碘甲腺原氨酸(T4)轉(zhuǎn)化為高生物活性的三碘甲腺原氨酸(T3)，而短光照誘導(dǎo)的DIO3則鈍化T3、T4；即長光照能夠加速T3的積累[36]。T3與受體結(jié)合引起正中隆起部GnRH神經(jīng)元末梢與神經(jīng)膠質(zhì)末梢間形態(tài)的變化，進(jìn)而影響GnRH的釋放，介導(dǎo)HPGA調(diào)節(jié)動物的繁殖活動；上述過程經(jīng)歷了從垂體到下丘腦逆行信號的傳遞，因此被稱為逆向調(diào)節(jié)通路[37]。

3.1.2 Kisspeptin參與調(diào)控哺乳動物的季節(jié)性繁殖 Kisspeptin為KISS1基因編碼的一種神經(jīng)肽，由位于第三腦室周圍區(qū)域(rostral periventricular region of the third ventricle，RP3V)和弓狀核(hypothalamic arcuate nucleus，ARC)的兩個主要神經(jīng)元群產(chǎn)生[38]。Revel等[39]在研究過程中發(fā)現(xiàn)，短光照處理的金色倉鼠中Kisspeptin表達(dá)比長光照處理的個體低，Mason等[40]的研究結(jié)果與之一致，繼而證明Kisspeptin的表達(dá)受光周期調(diào)節(jié)；但切除PG后，短光照處理并沒有引發(fā)Kisspeptin表達(dá)的下降[39]，因此確定Kisspeptin的表達(dá)是受MLT調(diào)節(jié)的；而在ARC區(qū)并沒有發(fā)現(xiàn)MLT受體[41]，故此調(diào)節(jié)方式為間接調(diào)節(jié)。有研究指出，Kispeptin神經(jīng)元還可通過SCN神經(jīng)元投射精氨酸加壓素進(jìn)行直接調(diào)節(jié)[42]。同時，Kisspeptin的表達(dá)還受下游性激素的反饋調(diào)節(jié)，具體表現(xiàn)為促進(jìn)RP3V中的Kispeptin神經(jīng)元，抑制ARC中的Kispeptin神經(jīng)元，上、下游通路共同調(diào)控Kisspeptin的表達(dá)[43]。被激活的Kisspeptin與分布在GnRH神經(jīng)元上的受體(GPR54)結(jié)合，作用于GnRH神經(jīng)元，刺激GnRH分泌，介導(dǎo)HPGA調(diào)節(jié)動物的繁殖活動[44]。近期，研究者在Kisspeptin神經(jīng)元上發(fā)現(xiàn)TH受體的存在[45]，因此人們推測TH為MLT調(diào)控Kisspeptin的中間介質(zhì)。

3.1.3 RFRP-3參與調(diào)控哺乳動物的季節(jié)性繁殖 RFRP-3是當(dāng)前哺乳動物體內(nèi)唯一被發(fā)現(xiàn)的HPGA抑制因子[46]，與鵪鶉體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的促性腺激素抑制激素(gonadotropin inhibitory hormone，GnIH)同源，能夠抑制GnRH的釋放[47]。研究證實，RFRP神經(jīng)元受SCN神經(jīng)元與光照周期調(diào)節(jié):SCN通過投射血管活性腸肽直接抑制RFRP神經(jīng)元活動[48]；MLT介導(dǎo)光周期間接調(diào)節(jié)RFRP神經(jīng)元活動(中間介質(zhì)為TH)[49]，同時光周期可能會影響性激素調(diào)節(jié)RFRP神經(jīng)元活動的敏感性[50]。RFRP-3與受體(GPR147、GPR74)結(jié)合，阻斷GnRH的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路抑制繁殖活動[51]。在GnRH細(xì)胞和Kisspeptin細(xì)胞上有GPR147和GPR74表達(dá)，由此，提出一種假設(shè):Kisspeptin可能位于RFRP信號環(huán)路的下游，這需要進(jìn)一步研究驗證。最新研究指出動物體重波動與季節(jié)性繁殖相同步[52]，Kisspeptin、RFRP在其中扮演著重要角色[46,53]。

MLT是光周期調(diào)控哺乳動物繁殖最重要的介導(dǎo)因子。因此在哺乳動物繁殖調(diào)控中，除了利用光照間接調(diào)控MLT含量以改變動物繁殖狀態(tài)外，還常通過直接給予外源性MLT(埋置、注射、飼喂)的方式調(diào)節(jié)機(jī)體內(nèi)MLT含量，影響動物繁殖活動[54]。

3.2 禽類的季節(jié)性繁殖機(jī)制

禽類具有三個中樞振蕩器，包括SCN、視網(wǎng)膜與PG。值得注意的是，不同品種的禽類體內(nèi)起主導(dǎo)地位的中樞振蕩器有所不同[55]。光信號通過光感受器傳達(dá)到主中樞振蕩器引發(fā)相關(guān)激素分泌，影響禽類繁殖活動(圖5)。與哺乳動物相同，TH在禽類的季節(jié)性繁殖調(diào)控中發(fā)揮著重要作用[56]；但這一過程不確定是否有MLT參與調(diào)控。關(guān)于MLT作為核心因子介導(dǎo)光照調(diào)控禽類繁殖活動的觀點始終存有爭議性。起初，人們認(rèn)為MLT僅表達(dá)在視網(wǎng)膜與PG中[57]，因此在發(fā)現(xiàn)PG切除術(shù)沒有對盲禽的繁殖活動造成影響后，斷定MLT不是光照調(diào)控禽類繁殖活動的介導(dǎo)因子。隨著檢測手段的精進(jìn)，研究者發(fā)現(xiàn)切除鵪鶉PG，會導(dǎo)致GnIH前導(dǎo)肽mRNA和成熟肽水平下降，而給予外源MLT可復(fù)原此現(xiàn)象[58]，由此確定MLT是光照調(diào)控禽類繁殖活動的介導(dǎo)因子。禽類GnIH神經(jīng)元中存在MLT受體,MLT直接誘導(dǎo)下丘腦中GnIH的表達(dá)與成熟GnIH神經(jīng)肽的分泌,進(jìn)而影響HPGA，實現(xiàn)對禽類繁殖活動的調(diào)控[59]。但目前僅能確定GnIH是介導(dǎo)MLT調(diào)控禽類繁殖的重要激素，MLT是否影響TH通路需進(jìn)一步研究確定。

圖5 禽類季節(jié)性繁殖機(jī)制

4 人工光照在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用

最初畜禽生產(chǎn)中燈光的應(yīng)用主要是為了方便養(yǎng)殖人員管理。而隨著實際生產(chǎn)中人們發(fā)現(xiàn)光照條件是影響畜禽生長、繁殖的重要因素，畜禽生產(chǎn)中人工補(bǔ)光技術(shù)才受到重視。

4.1 人工光照在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用歷程

早期畜禽生產(chǎn)中選擇的人工光源是白熾燈，其利用燈絲電加熱到白熾狀態(tài)，以熱電輻射發(fā)出光。因其光色接近太陽光且價格實惠，被養(yǎng)殖業(yè)高度認(rèn)可并廣泛應(yīng)用；但其使用壽命短、發(fā)光效率低、耗能高，提高了養(yǎng)殖成本，逐漸被市場淘汰。熒光燈利用低氣壓下的汞蒸氣通電后釋放紫外線激發(fā)熒光粉而發(fā)出可見光；其優(yōu)點在于使用壽命長、發(fā)光效率高、耗能低，光色可隨熒光材料的不同而變化，但幾乎所有熒光燈無法實現(xiàn)全優(yōu)光譜；并不適用于禽類養(yǎng)殖照明(禽類可響應(yīng)多種光波段)[60]。LED燈是目前最新的人工光源，通過半導(dǎo)體器件將電能直接轉(zhuǎn)化為可見光。LED燈價格較高，但發(fā)光效率高、更加節(jié)能、使用壽命長，從長遠(yuǎn)性分析會大大降低養(yǎng)殖成本[61]，在養(yǎng)殖業(yè)中使用率逐漸上升[62]。而且LED燈涵蓋全光譜范圍，能夠滿足禽類養(yǎng)殖光照條件的要求，在禽類養(yǎng)殖中使用率最高(圖6)。目前，大型禽類養(yǎng)殖場采用了更為科學(xué)的光控系統(tǒng)，將LED燈與調(diào)光器結(jié)合使用，平穩(wěn)調(diào)節(jié)光的輸出強(qiáng)度，避免強(qiáng)光與弱光突然轉(zhuǎn)換造成禽類應(yīng)激反應(yīng)[60]。然而有研究指出燈具的頻閃問題會影響機(jī)體健康；研究者不斷的開發(fā)、探索，設(shè)計出頻閃范圍在人體適應(yīng)區(qū)間(人眼最大感知值為25 Hz)的燈具[63]，并廣泛的應(yīng)用在各個領(lǐng)域(包括養(yǎng)殖業(yè))，但禽類對頻閃感知的范圍更大(可感知205 Hz)，人類無法感知的頻閃也會對禽類造成影響，所以這種燈具并不適合于禽類養(yǎng)殖(圖7)。由上述內(nèi)容可知，LED燈是目前最適用于畜禽生產(chǎn)的人工光源，在實際生產(chǎn)中應(yīng)進(jìn)一步推廣，并且為進(jìn)一步促進(jìn)禽類健康養(yǎng)殖，應(yīng)針對禽類特性制作專業(yè)的LED養(yǎng)殖燈。

圖6 不同燈光光譜對比

圖7 頻閃對禽類的影響

4.2 人工光照調(diào)控畜禽繁殖的效果

目前畜禽生產(chǎn)中補(bǔ)光主要從光周期、光強(qiáng)度與光色三個參數(shù)介入。有研究表明，對奶牛采取長光照處理可以對其繁殖性能起到促進(jìn)作用，并且在冬季進(jìn)行長光照會促使母畜發(fā)情和提高受孕率[64]。He等[65]通過試驗證實外源性褪黑素和光周期變換都會對母雞性成熟產(chǎn)生影響。朱勇等[66]發(fā)現(xiàn)20 lx光照強(qiáng)度有利于提高母羊發(fā)情率、受胎率和胎均產(chǎn)羔數(shù)；而20 lx的光照強(qiáng)度也可明顯提高蛋雞的產(chǎn)蛋性能[67]。艾堯天等[68]指出哺乳母兔在60 lx光照強(qiáng)度和波長較長的紅黃色光下，受胎率、產(chǎn)活仔數(shù)、初生窩重、泌乳力、仔兔平均日增重均呈現(xiàn)較好狀態(tài)；潘孝青等[69]的試驗也證實LED彩色光比白熾燈光更易促進(jìn)母兔同期發(fā)情率。對于揚州鵝來說，白光和紅光處理可促使產(chǎn)蛋率呈增高趨勢[70]。相關(guān)研究指出，不僅單一的光照參數(shù)會影響動物繁殖，復(fù)合光照參數(shù)也發(fā)揮著作用。胡平等[71]發(fā)現(xiàn)補(bǔ)光時間為4 h、強(qiáng)度為20.5 lx時，白羽王鴿產(chǎn)蛋性能較好。羅剛等[72]的試驗結(jié)果指出在強(qiáng)度為100 lx的綠光LED光環(huán)境下，飼養(yǎng)的母兔繁殖性能最佳。

4.3 養(yǎng)殖光照標(biāo)準(zhǔn)

研究的深入以及實際生產(chǎn)取得的應(yīng)用效果，使人們愈加認(rèn)可“光照在養(yǎng)殖中的重要性”。國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T32148-2015)、地方標(biāo)準(zhǔn)(DB21/T2740-2017等)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(T/SZFAA05-2020等)以及動物福利要求(TCAS242-2017等)均提出:在畜禽養(yǎng)殖中需制定科學(xué)的光照計劃并實施，然而內(nèi)容里并沒有準(zhǔn)確的說明光照系統(tǒng)全面的參數(shù)指標(biāo)。

5 小結(jié)與展望

科學(xué)化養(yǎng)殖技術(shù)的應(yīng)用源于堅實的理論基礎(chǔ)，目前光照影響動物季節(jié)性繁殖調(diào)控機(jī)制已基本明晰。PT來源的TSH是調(diào)節(jié)動物季節(jié)性繁殖的關(guān)鍵激素，MLT是調(diào)控哺乳動物季節(jié)性繁殖活動的核心激素，但通路中各調(diào)控因子間是否存在上下游介導(dǎo)關(guān)系還未確定，多種科研方法(轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等)的迅速發(fā)展為下一步研究提供了有力支持。

光照是調(diào)控動物季節(jié)性繁殖的重要環(huán)境因素，研究證明LED燈作為人工光源對畜禽繁殖影響效果較好。不同畜禽適用的最佳光照參數(shù)不同，需進(jìn)一步研究確定畜禽感光特性，并制定相應(yīng)的養(yǎng)殖光照參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為專業(yè)養(yǎng)殖燈的制作提供理論依據(jù)。