冷熱應(yīng)激對肉牛生理指標(biāo)及基因表達(dá)影響的研究進(jìn)展

王 瀟,張 昊,欒慶江,李 慧,楊 鼎,王婷月,田 菁,趙 濛,陳 陸,田如剛*

(內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院,呼和浩特 010031)

應(yīng)激反應(yīng)是指動物在受到外界頻率較大,持續(xù)時間較長(或短但變化劇烈)的刺激時,機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定性、生理指標(biāo)等發(fā)生改變,進(jìn)而影響到機(jī)體健康程度的一種反應(yīng),產(chǎn)生的主要原因包括極端溫度、運(yùn)輸和轉(zhuǎn)場等方面[1],而由外界溫度變化產(chǎn)生的冷熱應(yīng)激,是諸多應(yīng)激反應(yīng)中較為常見的一種,可從多個方面對機(jī)體健康產(chǎn)生不利影響。

在肉牛產(chǎn)業(yè)中,飼養(yǎng)環(huán)節(jié)既是基礎(chǔ)部分,又是最重要的環(huán)節(jié),而在飼養(yǎng)過程中產(chǎn)生的冷熱應(yīng)激,可對肉牛的能量代謝產(chǎn)生影響并降低群體健康狀況。已有研究發(fā)現(xiàn),在熱應(yīng)激狀態(tài)下肉牛群體的采食量、生長效率較非應(yīng)激狀態(tài)普遍降低[2-3],而嚴(yán)重的冷應(yīng)激也會對干物質(zhì)攝入量(DMI)和耗水量產(chǎn)生負(fù)面影響[4]?？傊?冷熱應(yīng)激可從生產(chǎn)效能、存活率、繁殖率等多個方面造成經(jīng)濟(jì)損失,進(jìn)而影響肉牛產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。所以,如何降低冷熱應(yīng)激對機(jī)體產(chǎn)生的影響,改善肉牛冷熱應(yīng)激情況下的健康狀況,是肉牛產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟需解決的問題。

在動物體內(nèi),生理生化和免疫指標(biāo)可表征機(jī)體的生理功能狀況與健康程度。在應(yīng)激狀態(tài)下,動物個體的內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定性會發(fā)生變化,進(jìn)而造成血液生理生化和免疫指標(biāo)較非應(yīng)激狀態(tài)下出現(xiàn)顯著差異[5]。本文從冷熱應(yīng)激的評判標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)生地域入手,基于冷熱應(yīng)激的產(chǎn)生機(jī)制,對冷熱應(yīng)激下不同地區(qū)、不同品種的肉牛血液內(nèi)分泌、免疫、抗氧化等生理生化指標(biāo)變化情況進(jìn)行概述,挖掘?qū)錈釕?yīng)激起到調(diào)控作用的基因和調(diào)控因子,討論并展望了緩解肉牛冷熱應(yīng)激的可行性方法,從而為促進(jìn)我國肉牛產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展提供理論參考。

1 冷熱應(yīng)激的評判標(biāo)準(zhǔn)及調(diào)控機(jī)理

1.1 肉牛冷熱應(yīng)激的評判標(biāo)準(zhǔn)

外界溫度變化是否對機(jī)體產(chǎn)生冷熱應(yīng)激的辨別標(biāo)準(zhǔn)包括溫濕度指數(shù)(temperature humidity index,THI)和綜合氣候指數(shù)(comprehensive climatic index,CCI)等[6-7]。

THI可基于溫度和濕度評價肉牛機(jī)體應(yīng)激狀況,其計算公式為THI=(Td + Tw) + 40.6(Td為干球溫度;Tw為濕球溫度),當(dāng)THI<72時,肉牛群體為無應(yīng)激狀態(tài);當(dāng)THI>72時,可分為輕度(72～79)、中度(79～88)和嚴(yán)重?zé)釕?yīng)激(大于88)3個程度。不同程度的高溫高濕氣候可導(dǎo)致肉牛的自身散熱功能受到不同程度的阻礙,進(jìn)而產(chǎn)生非特異性的生理防御應(yīng)答,并導(dǎo)致熱應(yīng)激的產(chǎn)生[6,8]。

而CCI的評價方法,除了考慮溫度和濕度,還將風(fēng)速和陽光輻射度考慮在內(nèi),在評價冷應(yīng)激時,更具有說服意義[4]。此外,風(fēng)寒指數(shù)(wind chill index,WCI)和熱負(fù)荷指數(shù)(heat load index,HLI)也可分別用來評判冷、熱應(yīng)激[9]。

1.2 冷熱應(yīng)激出現(xiàn)的范圍

冷應(yīng)激根據(jù)環(huán)境低溫程度和機(jī)體暴露在寒冷氣候的時長,可進(jìn)一步分為急性冷應(yīng)激和慢性冷應(yīng)激2種類型[10],這2種冷應(yīng)激均會對肉牛群體的健康情況產(chǎn)生影響。我國大部分地區(qū)屬于大陸性季風(fēng)氣候,冬季受到西伯利亞冷氣團(tuán)的控制,氣候寒冷,在內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市、赤峰市、通遼市、錫林郭勒盟等地,以及新疆、黑龍江、吉林等一些緯度可達(dá)北緯45°左右的重要肉牛養(yǎng)殖地區(qū),冬天的室外溫度會降至-20 ℃以下,部分地區(qū)甚至可達(dá)-30 ℃～-40 ℃,不同品種的肉牛在此環(huán)境下,均會產(chǎn)生冷應(yīng)激現(xiàn)象。而在國外如加拿大阿爾巴塔省、安大略省,以及美國俄亥俄州五大湖附近等同緯度的部分地區(qū),冬季極端低溫和頻繁出現(xiàn)的暴風(fēng)雪也可導(dǎo)致肉牛群體出現(xiàn)冷應(yīng)激狀況,而在更高緯度的加拿大北部的魁北克省和俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)緯度可達(dá)50°以上,極端溫度會降至更低,且一天內(nèi)暴露在極冷環(huán)境下的時間更長,造成的冷應(yīng)激現(xiàn)象較低緯度地區(qū)就更為嚴(yán)重。

肉牛群體熱應(yīng)激現(xiàn)象在我國大部分地區(qū)夏季均會出現(xiàn)。主要分布在北緯30°附近及以南的四川、重慶、云南河谷以及長江中下游平原等地,這些地區(qū)夏季的平均溫度均可達(dá)到30 ℃左右,濕度可達(dá)70%以上,且持續(xù)時間可達(dá)20 d以上,長時間的高溫高濕可對肉牛機(jī)體內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生影響,進(jìn)而產(chǎn)生熱應(yīng)激。而在赤道附近如東南亞的印度北方邦、中央邦等地區(qū),以及非洲尼日利亞等國家的部分地區(qū),這些地區(qū)年平均氣溫更高,且濕度更大,熱應(yīng)激現(xiàn)象常年都會出現(xiàn),嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)厝馀．a(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1.3 冷熱應(yīng)激的調(diào)控機(jī)理

機(jī)體在受到外界刺激產(chǎn)生應(yīng)激后,可通過下丘腦-垂體-腎上腺軸(hypothalamic-pituitary-adrenal axis,HPA)、下丘腦-垂體-甲狀腺軸(hypothalamus-pituitary-thyroid axis,HPT)和交感神經(jīng)-腎上腺髓質(zhì)軸(sympathetico-adrenomedullary,SAM)對應(yīng)激進(jìn)行調(diào)節(jié)[11-13]。

由HPA軸組成的調(diào)節(jié)系統(tǒng)為機(jī)體最主要的應(yīng)激響應(yīng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)[14],其作用機(jī)制為下丘腦接受到外界刺激后,產(chǎn)生促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素(corticotropin releasing hormone,CRH),CRH可刺激垂體前葉產(chǎn)生腎上腺皮質(zhì)激素(adrenocorticotropic hormone,ACTH),ACTH可促進(jìn)腎上腺皮質(zhì)產(chǎn)生更多的糖皮質(zhì)激素(glucocorticoid,GC),GC可提高機(jī)體肝糖原的異生作用,降低細(xì)胞因子的表達(dá)量,進(jìn)而維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定[15](圖1)。

圖1 HPA軸調(diào)節(jié)冷、熱應(yīng)激的機(jī)制Fig.1 The mechanism of HPA axis regulating cold and heat stress

HPT軸作用機(jī)制為在機(jī)體受到外界刺激產(chǎn)生應(yīng)激后,下丘腦釋放促甲狀腺激素釋放激素(thyrotropin-releasing hormone,TRH),TRH可刺激垂體產(chǎn)生促甲狀腺激素(thyroid stimulating hormone,TSH),TSH可作用于甲狀腺調(diào)控三碘甲狀腺原氨酸(triiodothyronine,T3)和四碘甲狀腺原氨酸(thyroxine,T4)激素的分泌水平[16-17],而T3和T4可調(diào)節(jié)細(xì)胞對糖原的利用,進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)機(jī)體機(jī)能、改善應(yīng)激狀況的目的(圖2)。此外,血液中的血清素可通過調(diào)節(jié)SAM軸對肉牛的冷、熱應(yīng)激產(chǎn)生影響[18]。

圖2 HPT軸調(diào)節(jié)冷、熱應(yīng)激的機(jī)制Fig.2 The mechanism of HPT axis regulating cold and heat stress

2 冷熱應(yīng)激對肉牛血液生理生化指標(biāo)的影響

2.1 冷熱應(yīng)激對肉牛血液內(nèi)分泌相關(guān)指標(biāo)變化的影響

當(dāng)外界溫度刺激導(dǎo)致機(jī)體產(chǎn)生冷熱應(yīng)激后,體內(nèi)的交感神經(jīng)系統(tǒng)可降低生殖系統(tǒng)和腎上腺系統(tǒng)的血流量,增加腦部、心臟和肌肉的血流量,從而緩解機(jī)體的應(yīng)激情況,達(dá)到維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的目的[19]。這種途徑可通過機(jī)體內(nèi)HPA軸和HPT軸的調(diào)節(jié)完成,與之相關(guān)的激素表達(dá)量也隨之發(fā)生變化。

在冷應(yīng)激對肉牛血液內(nèi)分泌相關(guān)指標(biāo)影響的研究中,陳浩等[16]通過比對秋季和冬季錫林郭勒盟蘇尼特左旗地區(qū)蒙古母牛血清中T3、T4、ACTH、GH、GC等激素指標(biāo),發(fā)現(xiàn)在冬季冷應(yīng)激情況下,蒙古牛血清中ACTH、GC、T3、T4的含量顯著升高,表明蒙古牛可通過HPA軸和HPT軸增強(qiáng)機(jī)體的糖原異生作用,從而提高機(jī)體對低溫環(huán)境的抵抗力和適應(yīng)性。此外,同一地區(qū)的西門塔爾牛在冷應(yīng)激情況下與非冷應(yīng)激情況相比,ACTH和GC的含量也會顯著增高,表明西門塔爾牛也可通過HPA軸緩解冷應(yīng)激[20],此外,已有研究發(fā)現(xiàn)荷斯坦牛在寒冷的環(huán)境下也可通過HPA軸調(diào)控冷應(yīng)激[21]。

熱應(yīng)激同樣會引起到血液內(nèi)分泌指標(biāo)的改變。蒙古牛和西門塔爾牛在發(fā)生熱應(yīng)激時,體內(nèi)的T3、T4、ACTH、GC含量較熱應(yīng)激恢復(fù)期均出現(xiàn)不同程度的下降[20,22-23],表明這2個品種的肉牛均可通過降低體內(nèi)代謝的方法緩解熱應(yīng)激。羅宗剛等[24]檢測不同品種的雜交肉牛熱應(yīng)激后的內(nèi)分泌指標(biāo),發(fā)現(xiàn)熱應(yīng)激情況下的紅西本肉牛T4值顯著低于其它群體,且部分體征指標(biāo)較其它雜交群體和純種群體相比趨于正常,表明此類雜交牛對熱應(yīng)激有更強(qiáng)的適應(yīng)性,既肉牛品種與冷熱應(yīng)激之間可能存在一定聯(lián)系。此外,Johnson和Vanjonack[25]研究發(fā)現(xiàn),在31～35 ℃下的熱應(yīng)激時期,荷斯坦牛的甲狀腺活動情況顯著低于16.8 ℃的非應(yīng)激時期,表明荷斯坦牛也可通過降低體內(nèi)代謝率的方法減少產(chǎn)熱,從而增加機(jī)體對炎熱環(huán)境的適應(yīng)性。

2.2 冷熱應(yīng)激對肉牛血液抗氧化相關(guān)指標(biāo)變化的影響

動物機(jī)體在產(chǎn)生冷熱應(yīng)激時,會導(dǎo)致體內(nèi)產(chǎn)生大量自由基,這些自由基導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化物改變,進(jìn)而產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng)[26]。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)是機(jī)體內(nèi)重要的抗氧化酶,可通過清除體內(nèi)多余的超氧陰離子自由基達(dá)到阻止細(xì)胞損傷的目的[27-28]。此外,由脂質(zhì)過氧化物反應(yīng)產(chǎn)生的丙二醛(malondialdehyde,MDA)也與機(jī)體抗氧化程度存在密切聯(lián)系[29],而總抗氧化能力(Total antioxidant capacity,T-AOC)和谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)等指標(biāo)的值也可反映機(jī)體的抗氧化能力水平[30]。

一般情況下,冷應(yīng)激會造成不同年齡段肉牛血清中SOD和GSH-Px含量下降,MDA和T-AOC含量上升[31]。孟祥坤等[32]研究了慢性冷應(yīng)激對西門塔爾雜交犢牛的影響,得到了相同的結(jié)論,并發(fā)現(xiàn)犢牛月齡越大,其對溫度變化的適應(yīng)越好。

熱應(yīng)激研究方面,鄭海英等[33]對在夏季科爾沁肉牛的抗氧化指標(biāo)進(jìn)行檢測,發(fā)現(xiàn)在夏季熱應(yīng)激情況下,科爾沁肉牛血液中SOD、T-AOC、GSH-Px含量較春季非應(yīng)激情況下降,但MDA含量上升,表明機(jī)體為維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定,SOD等大部分抗氧化酶被大量消耗,且發(fā)生脂質(zhì)反應(yīng),從而導(dǎo)致MDA含量增加。此外,科爾沁肉牛與同地區(qū)的科爾沁牛相比,熱應(yīng)激時SOD、T-AOC、GSH-Px等抗氧化指標(biāo)要明顯偏高,表明科爾沁肉牛有更強(qiáng)的熱應(yīng)激適應(yīng)性。也有研究發(fā)現(xiàn),蒙古牛與西門塔爾牛和安格斯牛相比,具有更強(qiáng)的免疫性能和抗氧化性能[34-35]。以上研究可表明,熱應(yīng)激對抗氧化指標(biāo)影響與肉牛品種有關(guān),黃德均等[36]對紅安格斯牛和其它肉牛雜交品種的研究也證實了該結(jié)果,而Tejaswi等[37]通過對印度不同品種瘤牛的研究也得到了相同結(jié)論。

2.3 冷熱應(yīng)激對肉牛血液免疫相關(guān)指標(biāo)變化的影響

動物機(jī)體在受到外界冷熱刺激后,體內(nèi)的免疫球蛋白A(IgA)、免疫球蛋白M(IgM)、免疫球蛋白G(IgG)等表達(dá)量上升,起到調(diào)節(jié)機(jī)體的作用,但過度的冷熱應(yīng)激會導(dǎo)致血清中IgA、IgM、IgG含量下降,從而導(dǎo)致免疫機(jī)能的下降。此外,機(jī)體在受到冷熱應(yīng)激時,體內(nèi)的Toll樣受體(toll-like receptors, TLR)可產(chǎn)生抗原呈遞細(xì)胞,這些細(xì)胞可對機(jī)體固有的免疫應(yīng)答產(chǎn)生關(guān)鍵調(diào)控,進(jìn)而導(dǎo)致TLR2和TLR4、IL2和IL4等調(diào)控因子釋放出預(yù)炎癥因子,引起宿主的免疫反應(yīng)[38-39]。

冷應(yīng)激主要影響的免疫指標(biāo)包括IL-2、IL-4、IgG[40]。Ebrahimi和Towhidi[41]通過對比西門塔爾牛、三河牛和荷斯坦牛在冷應(yīng)激下免疫指標(biāo)的變化,發(fā)現(xiàn)3個品種肉牛血液中IL-2、IL-4、IgG的含量均出現(xiàn)一定程度的下降,格日樂其木格[10]的研究也發(fā)現(xiàn)冬季冷應(yīng)激時期的西門塔爾母牛較秋季非應(yīng)激時候相比,IL-2、IgG指標(biāo)變化顯著,二者均證實了冷應(yīng)激可對肉牛機(jī)體的免疫性能產(chǎn)生影響。

熱應(yīng)激方面,Bharati等[42]的研究發(fā)現(xiàn)塔帕卡牛在經(jīng)過短期熱應(yīng)激刺激后其血液內(nèi)TLR2、TLR4、IL2和IL4的含量較非熱應(yīng)激時均出現(xiàn)明顯上升,表明這些指標(biāo)與熱應(yīng)激存在密切關(guān)系。但是陳浩等[22]通過對熱應(yīng)激狀況下西門塔爾牛的研究發(fā)現(xiàn),其IL-2的表達(dá)量與非熱應(yīng)激情況下相比含量顯著下降,IL-4無明顯變化,IL-6的表達(dá)量顯著上升,此外,IgA、IgM和IgG等球蛋白含量也出現(xiàn)下降,表明與塔帕卡牛相比,熱應(yīng)激對西門塔爾牛的免疫系統(tǒng)造成的影響更為顯著,且不同品種的牛在熱應(yīng)激下IL2和IL4的表達(dá)量之間存在差異性[43]。

3 冷熱應(yīng)激相關(guān)調(diào)控基因及分子機(jī)制

冷熱應(yīng)激的分子調(diào)控受到多個基因的共同調(diào)節(jié),在這些基因中,熱休克蛋白(heat shock proteins,HSPs)作為一個大的基因家族,在維護(hù)機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定、抵御冷熱應(yīng)激影響時發(fā)揮著重要作用[44-45]。目前,國內(nèi)外已有許多關(guān)于HSPs家族相關(guān)基因的研究,這些研究可為挖掘調(diào)控冷熱應(yīng)激的關(guān)鍵基因及其分子機(jī)制提供參考依據(jù)[46]。

HSPs家族基因最早發(fā)現(xiàn)于果蠅體內(nèi),主要功能包括體內(nèi)蛋白質(zhì)的折疊、運(yùn)輸和組裝等。其中,HSP70基因作為家族的代表性成員,是機(jī)體對冷熱應(yīng)激調(diào)節(jié)作用的分子標(biāo)志物[47],并在調(diào)控冷熱應(yīng)激方面發(fā)揮著重要作用。這種作用表現(xiàn)為當(dāng)機(jī)體受到外界冷熱應(yīng)激時,體內(nèi)的HSF被蛋白激酶磷酸化,并形成三聚體,這些HSF三聚體復(fù)合物進(jìn)入細(xì)胞核并與HSP70基因啟動子區(qū)域的熱休克元件(HSE)結(jié)合,使得機(jī)體內(nèi)HSP70 mRNA的表達(dá)量上調(diào)[48],高表達(dá)的HSP70 mRNA隨后被轉(zhuǎn)錄并離開細(xì)胞核進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)合成HSP70等熱休克蛋白,這些蛋白可輔助異常的蛋白質(zhì)恢復(fù)其構(gòu)象,還可激活抗細(xì)胞凋亡信號通路,從而降低機(jī)體受到的應(yīng)激損害[49](圖3)。在機(jī)體內(nèi),HSP70基因的表達(dá)存在時空差異性[50],隨著冷熱應(yīng)激的加重,體內(nèi)細(xì)胞受損或壞死,氧化應(yīng)激反應(yīng)出現(xiàn),此時胞內(nèi)的HSP70蛋白釋放到機(jī)體內(nèi),從而引起免疫系統(tǒng)的迅速反應(yīng)[51],達(dá)到調(diào)節(jié)冷熱應(yīng)激的效果,但是這種調(diào)節(jié)有一定限度,過度的冷熱應(yīng)激可使HSP70基因表達(dá)量下降,進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)體功能受損[52]。

圖3 體內(nèi)HSP70基因的調(diào)控機(jī)制[53]Fig.3 Regulation mechanism of HSP70 gene in vivo

HSP70家族包含HSPA1A、HSPA1B、HSPA6、HSPA7、HSPA8等8個以上的基因,其中HSPA1A、HSPA1B屬于誘導(dǎo)型基因,可在外界刺激的情況下實現(xiàn)誘導(dǎo)表達(dá)[54-55]。白丹丹等[56]以三河牛為研究對象,對HSP70家族的基因開展研究,發(fā)現(xiàn)受到冷熱應(yīng)激時,三河牛血液淋巴細(xì)胞中的HSPA1A、HSPA1B內(nèi)表達(dá)量較非應(yīng)激時顯著上升,李瑋等[57-58]的研究也獲得了同樣的結(jié)果。Kumar等[59]對印度瘤牛開展了研究,也發(fā)現(xiàn)與春季相比,夏季和冬季HSPA1A、HSPA1B基因的表達(dá)量顯著升高,Behl等[60]也獲得了相同的結(jié)果[61],且耐熱性越好的品種表達(dá)量變化越顯著。

已有研究報道,HSP70的SNP差異可影響到其表達(dá)量的高低,進(jìn)而對肉牛機(jī)體冷熱應(yīng)激的產(chǎn)生和調(diào)控造成影響。在三河牛體內(nèi),HSP70基因啟動子上游的SNP差異可影響其表達(dá)活性,進(jìn)而影響到冷應(yīng)激時體內(nèi)T3、T4指標(biāo)的變化[62]。印度塔帕卡牛HSP70基因的多態(tài)性與其耐熱性之間存在密切聯(lián)系,具有AA基因型的個體較具有BB和AB基因型個體的耐熱性強(qiáng),該位點A等位基因的頻率可作為此品種肉牛耐熱性的檢測指標(biāo)之一[63]。甘佳等[64]研究了蜀宣花牛、荷斯坦牛和娟荷雜交牛HSP70基因在熱應(yīng)激下的表達(dá)情況和個體間的SNP差異,發(fā)現(xiàn)HSP70基因存在3個SNPs位點,這些SNP位點可影響HSP70基因的表達(dá)量從而使蜀宣花牛對熱應(yīng)激有更好的耐受性。此外,利木贊牛、比利時藍(lán)牛和不同品種的瘤牛在HSP70基因啟動子和上游區(qū)域也存在基因多態(tài)性,導(dǎo)致其擁有不同的冷熱應(yīng)激耐受性,表明HSP70基因多態(tài)性可受到品種差異的影響[65-66]。從以上研究可以推斷出,HSP70基因在受到冷熱應(yīng)激時的高表達(dá)對維持機(jī)體正常功能和細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)具有重要作用,且不同品種間的SNP位點差異可對其表達(dá)量高低產(chǎn)生影響,進(jìn)而造成不同品種肉牛耐冷熱應(yīng)激能力的差異[67]。這些位點的基因多態(tài)性可作為肉牛抗冷熱應(yīng)激的分子標(biāo)記,用于肉牛分子育種和相關(guān)基因芯片的開發(fā)工作[68]。

HSP基因大家族的其它基因也可直接或間接影響到肉牛對冷熱應(yīng)激的耐受力。如HSP90基因家族表達(dá)的蛋白可通過對TLR2/TLR4和IL2/IL6的影響調(diào)節(jié)反芻動物的熱應(yīng)激[69-70],而在肉牛體內(nèi),HSP90家族的HSP90β與HSP70位于同一染色體上[46],可對HSP70家族基因的表達(dá)起到調(diào)控作用。在尼日利亞婆羅門牛體內(nèi),位于HSP90第三個外顯子上的SNP差異對其熱應(yīng)激的耐受力影響顯著[53]。HSF1作為一類調(diào)控因子,也可調(diào)控?zé)嵝菘说鞍椎谋磉_(dá)[71]。此外,不同品種肉牛micro RNA的表達(dá)差異,也可對熱應(yīng)激蛋白的表達(dá)起到調(diào)控作用,進(jìn)而影響其冷熱應(yīng)激耐受能力[72]。

除了HSP家族的基因,其它家族的基因也可對肉牛的冷熱應(yīng)激產(chǎn)生調(diào)控。Tian等[73]用全基因組測序的方法研究了65頭紅安格斯牛和45頭蒙古牛對冷熱應(yīng)激的適應(yīng)情況,最終篩選出TRPM8、NMUR1、PRKAA2、SMTNL2、OXR1等多個可能與冷應(yīng)激相關(guān)的基因。Jia等[74]對安格斯牛和印度瘤牛的MYO1A基因開展了研究,發(fā)現(xiàn)安格斯牛與印度瘤牛相比,隨著緯度由北向南的變化,MYO1A上有4個SNPs位點發(fā)生突變,并證明了這些突變均與熱應(yīng)激有直接或間接的關(guān)系。一些與細(xì)胞修復(fù)相關(guān)的基因也可對冷熱應(yīng)激起到調(diào)節(jié)作用,EIF2AK4基因已被證實能夠通過限制p53因子的表達(dá)水平和轉(zhuǎn)錄活性從而降低因冷熱應(yīng)激導(dǎo)致的細(xì)胞氧化造成的損傷[75-76],而Edea等[77]通過全基因組掃描的方法也發(fā)現(xiàn)該基因可能與牛的適應(yīng)性存在一定聯(lián)系。此外,DGAT1、PPP1R16A、SOD1、FOXH1、PRLH、PLEC等基因在山羊、奶牛等物種中做為機(jī)體調(diào)節(jié)冷熱應(yīng)激的候選基因已被證實[78-80],但在肉牛體內(nèi)的研究有待進(jìn)一步驗證。

4 討論與展望

肉牛機(jī)體在受到外界冷熱應(yīng)激刺激后,可作用于HPA、HPT、SAM等途徑,此時機(jī)體處于應(yīng)激狀態(tài),T3、T4、ACTH、GH、GC等血液內(nèi)分泌相關(guān)指標(biāo),SOD、MDA、T-AOC、GSH-Px等抗氧化相關(guān)指標(biāo),IgA、IgM、IgG、IL2、IL4等免疫相關(guān)指標(biāo)會產(chǎn)生變化,造成機(jī)體產(chǎn)生不良反應(yīng),進(jìn)而影響到肉牛的健康程度,降低生產(chǎn)效率。目前,可通過調(diào)節(jié)飼喂方式和分子育種改良的方法,提高肉牛機(jī)體對冷熱應(yīng)激的適應(yīng)性,從而降低相關(guān)損失。

已有研究證明,補(bǔ)充飼料添加劑和改變飼喂方式可調(diào)節(jié)機(jī)體內(nèi)免疫應(yīng)答,進(jìn)而達(dá)到降低冷熱應(yīng)激嚴(yán)重程度的目的。李進(jìn)春和何振富等[81-82]分別通過補(bǔ)充酒糟和復(fù)合酶菌制劑的方法,提高了西門塔爾牛IgA、IgG和IL2等免疫指標(biāo)的表達(dá)量,可從飼料添加劑角度為降低冷熱應(yīng)激提供參考,而在不同季節(jié)有針對性地改變飼養(yǎng)管理方式也可以緩解冷熱應(yīng)激,降低相關(guān)損失[83]。

不同品種肉牛表現(xiàn)出對冷熱應(yīng)激不同的耐受力,這種耐受力的調(diào)控是一個較為復(fù)雜的性狀,受到多個基因的共同影響,其中HSP70基因家族的基因在肉牛冷熱應(yīng)激的分子調(diào)控中起到重要作用,且這些基因在不同肉牛品種中存在SNP差異,進(jìn)而導(dǎo)致不同品種肉牛冷熱應(yīng)激耐受力的差異性。此外,HSP90家族的部分基因和HSF1等調(diào)控因子也可對肉牛的冷熱應(yīng)激耐受性產(chǎn)生影響,而HSP70、HSP90-α和HSP90-β等基因在綿羊、山羊等偶蹄動物的冷熱應(yīng)激調(diào)節(jié)中也起著很重要的作用[69]。對這些基因的研究有助于更好地挖掘和探索與冷熱應(yīng)激適應(yīng)性相關(guān)的分子因子及調(diào)控機(jī)制,從而進(jìn)一步改良肉牛對惡劣環(huán)境氣候的耐受性。生產(chǎn)實際中,可通過極進(jìn)雜交或?qū)腚s交等方法完成對冷熱應(yīng)激耐受力較差肉牛群體的遺傳改良。

目前,國外已有許多研究采用全基因組關(guān)聯(lián)分析(genome-Wide association study,GWAS)的方法將內(nèi)分泌、抗氧化、免疫指標(biāo)等表型數(shù)據(jù)和基因型進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,進(jìn)一步挖掘出與冷熱應(yīng)激相關(guān)的候選調(diào)控基因[84-86],但GWAS方法在我國肉牛冷熱應(yīng)激的研究中報道較少,后期可基于GWAS方法挖掘我國特有肉牛品種中與冷熱應(yīng)激等抗逆性相關(guān)的候選基因,并將這些基因作為分子標(biāo)記位點,開發(fā)相應(yīng)的基因芯片,并采用全基因組選擇(genomic selection,GS)的方法找到優(yōu)秀個體,通過雜交的方式構(gòu)建具有優(yōu)良抗逆性狀的肉牛群體,從而產(chǎn)生更好的經(jīng)濟(jì)和社會效益[87-88]。