雛禽體溫調(diào)節(jié)機能的發(fā)育規(guī)律及神經(jīng)內(nèi)分泌機制

趙景鵬　焦洪超　王曉鵑　林　海

(山東農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，山東省動物生物工程與疾病防治重點實驗室，泰安 271018)

禽胚的溫度受制于外部環(huán)境，在孵化過程中，體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)不斷發(fā)育完善，直至出殼后數(shù)周才具備成熟的機能[1-3]。不同于大多數(shù)野生鳥類(屬晚成雛，孵化期短，出殼時身體裸露無羽，閉眼，不能獨立生活，需留巢保溫，由親鳥哺育一段時間，典型代表是雀形目)，雞、鴨等家禽是早成雛(孵化期長，出殼時被羽，睜眼，腿腳有力，在絨毛干燥后就能跟隨親鳥活動、覓食，典型代表是雁形目和雞形目)，即一出生就具有較高的產(chǎn)熱能力[4]。雛禽體溫調(diào)節(jié)機能的完善過程從禽胚神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育開始，經(jīng)產(chǎn)熱和散熱機制的分化(使這些神經(jīng)元控制器運轉(zhuǎn)起來)，到出殼后生長改變體表面積與體積比(surface to volume ratio)和絕熱性，進而增強保溫性能結(jié)束[3,5-7]。雛禽在出生前后的體溫調(diào)節(jié)反應顯著影響后期體熱平衡和生產(chǎn)性能[8-12]，欲弄清這種獲得性環(huán)境適應的表觀遺傳機制，需先了解體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)在孵化階段和生命早期的發(fā)育規(guī)律及調(diào)控機理。

1　雛禽體溫調(diào)節(jié)機能的發(fā)育階段

從種蛋入孵到出生后體溫調(diào)節(jié)機能發(fā)育成熟，雛禽需要經(jīng)歷4個階段(圖1)，才能擺脫對外界環(huán)境溫度的依賴性[3,13]。

1.1　阿倫尼烏斯(Arrhenius)限制期

第1個階段是在禽胚啄殼前，其神經(jīng)控制系統(tǒng)和外周產(chǎn)熱、散熱機制(效應器)都不健全，無體溫調(diào)節(jié)能力。雖然它的代謝率隨胚齡增加而不斷提高，但仍處于較低水平，且與環(huán)境溫度直接相關(guān)[14]。如果環(huán)境溫度降低，禽蛋就會變涼，禽胚代謝瞬間減弱。以雞胚為例，其在24 ℃時的代謝率(以耗氧量計)僅為37 ℃時的40%。這種變化與描述溫度對化學反應速率常數(shù)影響的Arrhenius方程相符，故該階段被稱作Arrhenius限制期，溫度效應系數(shù)Q10(基于禽胚代謝率是溫度的指數(shù)函數(shù)，即前者的對數(shù)與后者呈線性關(guān)系，Q10表示溫度升高10 ℃時代謝率的變化倍數(shù))大約為2[15]。

圖1　早成雛(a)與晚成雛(b)體溫調(diào)節(jié)機能的發(fā)育階段

1.2　氧氣(O2)傳導限制期

第2個階段是從禽胚啄殼到破殼，此時其已被覆皮膚和羽毛，大腦和骨骼肌組織(尤其是腿肌)表現(xiàn)出生命活力[16]。因為禽胚仍在蛋內(nèi)，故機體產(chǎn)熱量受制于蛋殼(外部擴散屏障)和尿囊絨毛膜(內(nèi)部擴散屏障)對O2攝取的阻礙。在蛋溫降低時，如果禽胚的基礎(chǔ)代謝率低于O2傳輸?shù)南拗?，耗氧量就會增加；如果基礎(chǔ)代謝率已經(jīng)達到O2傳輸?shù)南拗?，耗氧量就會保持穩(wěn)態(tài)。不過，在一定時間內(nèi)，如果禽胚的產(chǎn)熱量不足以使自身體溫超過環(huán)境溫度，禽蛋就會變涼；隨蛋溫下降，體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)會逐漸“關(guān)閉”，繼而進入Arrhenius限制期[17]。相比早成雛，晚成雛的體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)在出殼前不會得到有效發(fā)育，故其一直處于Arrhenius限制期，不會經(jīng)歷O2傳導限制期[18]。

1.3　熱力限制期和體溫恒定期

第3個階段是從雛禽破殼到出生后大約10日齡，此時它的代謝率不再受限于蛋殼，因為機體氣體交換的場所由尿囊絨毛膜轉(zhuǎn)向肺臟，進而在O2充足的條件下，其可以獲得最大產(chǎn)熱量[19]。在這一時期，受肝臟、消化道等組織發(fā)育的成熟性和甲狀腺活性的影響，多數(shù)雛禽的產(chǎn)熱能力仍不足以抵消熱損耗，故難以脫溫。不過，也有一些家禽從一出殼就具有良好的體溫調(diào)節(jié)能力，可以繞開“熱力限制期”，直接進入“體溫恒定期”，如綠頭鴨(野鴨)和灌叢火雞等[20]。最后一個階段從出生后10～13日齡開始，一直延伸至成年期[1,21]。在絕緣(如皮下脂肪)、產(chǎn)熱、散熱(如肺臟、腎臟、血管)、神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合、共同作用下，雛禽從生理、形態(tài)及行為方面完全適應外界環(huán)境溫度變化，最終實現(xiàn)體熱平衡。

2　雛禽體溫調(diào)節(jié)機能發(fā)育的神經(jīng)機制

與哺乳動物類似，家禽體溫的神經(jīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)由3部分組成，分別是溫度感受和溫覺傳入通路、中樞神經(jīng)系統(tǒng)對溫覺信號的整合、啟動自主性和行為性調(diào)節(jié)的效應途徑。

2.1　雛禽溫覺的形成

在皮膚、舌、喙等外周組織和腹腔內(nèi)臟等深部器官，家禽都具有溫度感受器[22]。雞外周神經(jīng)系統(tǒng)的分化始于孵化早期，在2～3胚齡，面神經(jīng)節(jié)感覺纖維就開始進入大腦[18]。在8胚齡，當環(huán)境溫度降低或增加0.3 ℃后，雞胚的產(chǎn)熱量會在短期內(nèi)(<16 min)升高或減少[23]。在大約11胚齡，外周神經(jīng)長出髓鞘[18]。

在出殼前后，一些學者利用局部或全身致冷、加溫的方法，間接證實了外周和深部體溫感受器的生成。例如，泄殖腔受涼會使1周齡雛雞顫抖，低溫增加禽胚尿囊絨毛膜、下丘腦一氧化氮(NO)釋放，減少新生仔雞活動[24-26]。從禽胚啄殼起，即破殼前3～4 d，它們相互之間就可進行聲音通訊，其中一種叫聲屬于求救信號[27]。將美洲家鴨(番鴨)的胚蛋一浸入涼水(20～22 ℃)中，求救聲就會增多；取回復溫后，求救聲就會減少[28]。以上研究表明，雛禽從一出生就具有良好的溫度感知功能，其在新生期不能維持體溫恒定(怕冷)的原因與溫覺無關(guān)。

2.2　溫覺信號的中樞整合

2.2.1腦部結(jié)構(gòu)

視前區(qū)-下丘腦前部(PO/AH)是溫度感受器與效應器的中央耦合器，不僅含有冷敏神經(jīng)元和熱敏神經(jīng)元[29-31]，精細調(diào)控體溫的正常變異，還存在少量“護溫”神經(jīng)元(temperature guardian neurons)[30-31]，使腦部溫度在體溫失常時維持在36～42 ℃。雛雞的腦部發(fā)育從2胚齡開始，歷經(jīng)整個孵化期，一直持續(xù)到出生后3周[32]。在3胚齡，間腦分化啟動。在9胚齡，間腦的解剖結(jié)構(gòu)達到新生仔雞水平[33]。在出殼前，早成雛的腦部生長比晚成雛更充分[34]，這可能是其在新生期具有更強的體溫調(diào)節(jié)能力的原因之一。

新生美洲家鴨(番鴨)下丘腦的溫度敏感性呈階段性變化，從28胚齡到出生后第5天，PO/AH中含有較多的冷敏神經(jīng)元(30%)和較少的熱敏神經(jīng)元(5%)；出生后5～10日齡，前者的比例下降(14%)，后者的比例增加(15%)[30,35]。在成年北京鴨中，冷敏神經(jīng)元和熱敏神經(jīng)元的比重分別為6.2%和58.3%[36]。由此表明，在雛禽體溫調(diào)節(jié)機能發(fā)育成熟過程中，下丘腦的冷敏性降低，熱敏性提高。雛雞的體溫和腦溫是年齡的冪函數(shù)，兩者以不同速率(前者>后者)上升，在大約10日齡時達到成年水平[37]。在這期間，它們的溫差隨年齡增長而直線增加，眼異網(wǎng)(頭部顱外血管網(wǎng)，通過動靜脈熱交換使流經(jīng)腦部的血液變涼)的發(fā)育可能對此起到了關(guān)鍵調(diào)控作用[38]。

2.2.2脊髓

家禽脊髓含有冷敏神經(jīng)元和熱敏神經(jīng)元，其中頸髓和胸髓參與溫度感受過程[22]。除了感知局部體溫，脊髓還是體表和體核溫覺傳入中樞系統(tǒng)的通道，且整合部分溫度信號。在孵化第1周，雞胚的脊髓就開始分化[39]。最早在5胚齡，可觀察到神經(jīng)突觸。從4～5胚齡開始，脊髓表現(xiàn)出電生理活性。在7胚齡，脊髓束發(fā)育健全。盡管脊髓的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在孵化期就發(fā)育完成，但是，在出殼前后，尚不知其是否具有成熟的溫度信號傳導和整合功能。

2.3　體溫調(diào)節(jié)的效應途徑

體溫調(diào)節(jié)反應的最終觸發(fā)依賴于完善的效應途徑，后者與交感和副交感神經(jīng)系統(tǒng)交互作用，激活內(nèi)分泌系統(tǒng)即甲狀腺和腎上腺[40]。對雞而言，在6胚齡，大多數(shù)運動神經(jīng)元(即外導神經(jīng)元，負責將脊髓和大腦發(fā)出的信息傳到肌肉和內(nèi)分泌腺，支配效應器官的活動)形成。最早在10胚齡，可觀察到反映局部本體感覺傳出活動能力的肌肉反射[39]。

3　雛禽體溫調(diào)節(jié)機能發(fā)育的內(nèi)分泌機制

自20世紀60年代至今，關(guān)于激素在雛禽體溫調(diào)節(jié)機能發(fā)育中的作用研究主要圍繞下丘腦-垂體-甲狀腺(HPT)軸展開。從孵化后期(雞18胚齡)起，下丘腦-垂體-腎上腺(HPA)軸與HPT軸表現(xiàn)出互作效應[41]。

3.1　下丘腦、垂體和甲狀腺

入孵后6.5～13.5 d，雞胚下丘腦神經(jīng)元促甲狀腺激素釋放激素(TRH)陽性核周體的數(shù)量逐漸增加[42]。在11.5～16.0胚齡，下丘腦的功能開始成熟。從14胚齡到出殼，下丘腦TRH的水平增加10倍，而生長激素釋放抑制激素(SRIH)的水平僅翻一番；從啄殼到破殼，雞胚下丘腦TRH的水平增加2倍[43]。最早在6.5胚齡，可在雞胚垂體遠側(cè)部觀察到促甲狀腺激素細胞[44]。從14胚齡到出殼，促甲狀腺激素(TSH)的水平降低；但從出生到成年，TSH水平逐漸升高[43]。

雞甲狀腺的分化從咽喉基底部外翻開始，在5胚齡，分裂成兩葉；在8胚齡，均勻地布滿血管；在10胚齡，竇狀血管的發(fā)育達到最大化；在10～11胚齡，可觀察到甲狀腺濾泡；在10～15胚齡，甲狀腺的重量與體重成比例增長；在15胚齡，甲狀腺的組織結(jié)構(gòu)發(fā)育健全[45-46]。在孵化中、后期，早成雛(如雞和鵪鶉)的甲狀腺就表現(xiàn)出功能活性，即吸收碘和合成甲狀腺球蛋白、甲狀腺激素，而晚成雛(如鴿子)則在出殼后才表現(xiàn)出功能活性[47]。

在入孵后9～11 d，可在雞胚甲狀腺中觀察到酪氨酸碘化現(xiàn)象，這與甲狀腺濾泡出現(xiàn)的時間大致相同[48]。有研究在6.5胚齡檢測到四碘甲狀腺原氨酸(T4)的存在[49]，但不確定這是否來源于母體[50]。盡管甲狀腺至少要到5胚齡才能富集碘，但是，在11～13胚齡就能看到其對碘攝取明顯增多[48]。在孵化中期，雞胚血漿中的三碘甲狀腺原氨酸(T3)和T4的水平較低，隨后逐漸增加，在出殼時達到峰值，然后下降，從10日齡起趨于穩(wěn)定[51-52]。

在孵化早期(3～10胚齡)，腺垂體能夠自主調(diào)節(jié)甲狀腺，但在后期(16胚齡后)，需要下丘腦的參與[53]。從6.5胚齡起，垂體就受到TRH調(diào)控，往后(13.5胚齡后)愈發(fā)敏感[54]。類似地，從11.5胚齡起，甲狀腺的活性由自主調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)為垂體依賴，對TSH的反應性越來越強。不同于早成雛，晚成雛的垂體在胚胎期不具備生物學功能，對甲狀腺的活性無影響[47]。

3.2　HPT軸與體溫調(diào)節(jié)

在低溫(30 ℃)環(huán)境中，從脫離殼膜起，雞胚就表現(xiàn)出持續(xù)的代謝反應[55]。在冷暴露(20 ℃)條件下，給1日齡仔雞腹腔注射300 μg/kg T3或T4，可減緩直腸溫度的下降速率，證明了甲狀腺激素的生熱作用[56]。在出殼后14日齡，鵪鶉甲狀腺濾泡細胞的高度達到成年水平，同期耐冷力大增[57]。甲狀腺激素通過增加線粒體氧耗，促進ATP生成，進而調(diào)控基礎(chǔ)代謝率，即專性產(chǎn)熱。

通過外源導入甲狀腺激素，可使雛禽抵御冷應激?？墒?，在正常溫度下，腹腔注射T3僅對2周齡以上的大雞有生熱作用，而對1周齡以內(nèi)的小雞無效[58-60]。其原因可能是，在新生期，血液內(nèi)源T3的水平較高，受體的結(jié)合部位已經(jīng)飽和，也可能與雛雞肌肉組織或T3作用通路相關(guān)信號分子的發(fā)育不全有關(guān)。不過，使用碘番酸阻斷外周組織T4向T3的轉(zhuǎn)化后，1日齡雛雞的直腸溫度下降[61]，表明了T3對初生仔雞的體溫調(diào)節(jié)作用。

腦室注射TRH可增加雛雞(1～2周齡)體溫、呼吸頻率、耗氧量和二氧化碳(CO2)產(chǎn)量，但甲狀腺激素水平并無顯著變化[60]，表明TRH的生熱作用與T3或T4無關(guān)，其可能直接調(diào)控仔雞能量代謝。可是，將處理方式改為靜脈注射后，TRH則提高了甲狀腺激素水平[62]。關(guān)于TRH調(diào)節(jié)雛禽體溫的具體機制，有待深入研究。

3.3　HPT軸與HPA軸

腦室注射促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素(CRH)可顯著提高雛雞(2～4日齡)直腸溫度(注射后10、30和60 min)，增加耗氧量、CO2生成量和產(chǎn)熱量[58,63]，提示HPA軸可能參與雛禽體溫調(diào)控。在雞上，CRH和SRIH影響TSH釋放。最早在14胚齡，可在下丘腦室周區(qū)神經(jīng)元核周體中檢測到類似綿羊促腎上腺皮質(zhì)激素釋放因子(CRF)的成分[64-65]。在孵化第18天，給雞胚注射綿羊CRH，不僅可提高血液皮質(zhì)酮水平，還可增加血液T3和T4水平[66]。因為TSH水平隨之升高，故CRH可能通過調(diào)控TSH的分泌作用于甲狀腺[67]。從14胚齡起，雞垂體促甲狀腺激素細胞就對CRH表現(xiàn)出反應性[68]，這可能源于CRH受體2的高表達(CRH受體1豐度很低)[69]。

4　小　結(jié)

小雞怕冷，這是業(yè)界常識，其背后隱含的科學問題是：雛禽由保溫向脫溫轉(zhuǎn)變的生理機制是什么？對這一問題的回答，是利用家禽中樞神經(jīng)系統(tǒng)前期發(fā)育的可塑性、調(diào)控后期熱舒適的基礎(chǔ)。過去幾十年，在下丘腦、脊髓和甲狀腺等組織水平上，與禽胚、幼雛體溫調(diào)節(jié)有關(guān)的重要神經(jīng)結(jié)構(gòu)、內(nèi)分泌組分的時空發(fā)育規(guī)律已經(jīng)確認。隨著與家禽體溫控制有關(guān)的數(shù)量性狀基因座(QTL)鑒定和染色體定位工作的完成[70-71]，未來有望借助新興的基因組高通量測序技術(shù)如高密度單核苷酸多態(tài)性(SNP)芯片，從細胞和分子水平上揭示上述組分發(fā)生、發(fā)展的功能聯(lián)系和信號網(wǎng)絡。