熱應(yīng)激影響荷斯坦奶牛泌乳機(jī)制的研究進(jìn)展

單 強(qiáng)，馬峰濤，魏婧雅，郝麗媛，孫 鵬

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，動物營養(yǎng)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

熱應(yīng)激是機(jī)體對極端熱環(huán)境的生理反應(yīng)[1]。目前，一般采用溫濕度指數(shù)（THI）作為評價(jià)奶牛熱應(yīng)激程度的指標(biāo)[2]。很多因素均可引起奶牛熱應(yīng)激，氣溫變化就是其中之一，如夏季環(huán)境溫度升高，奶牛會出現(xiàn)熱應(yīng)激反應(yīng)[3]。當(dāng)奶牛處于熱應(yīng)激時，其各項(xiàng)指標(biāo)都會有一定程度改變，如呼吸頻率和心率加快、體溫升高、干物質(zhì)采食量和產(chǎn)奶量大幅度下降[4-6]。

熱應(yīng)激引起的主要原因是高溫和高濕，體內(nèi)產(chǎn)生或體外吸收的熱量無法被機(jī)體充分消耗，自身熱量調(diào)節(jié)失衡，導(dǎo)致動物進(jìn)入熱應(yīng)激狀態(tài)[7]。熱應(yīng)激導(dǎo)致奶牛的日糧攝入減少并引起機(jī)體生理及代謝改變[8]。恒溫動物體溫需要控制在一定范圍內(nèi)以維持自身機(jī)體正常新陳代謝和生理活動。為了保持體溫恒定，動物須與外界環(huán)境保持相對的熱平衡，包括環(huán)境因素中的氣溫、氣流、濕度和輻射。泌乳奶牛適宜的環(huán)境溫度介于5～25.8 ，稱為“熱平衡”區(qū)。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到26.8 ，母牛因自身機(jī)體調(diào)節(jié)不足以維持體溫平衡，進(jìn)入熱應(yīng)激狀態(tài)。

1 熱應(yīng)激的評估方法

THI可以用干濕球溫度計(jì)的溫度、濕度的示數(shù)來計(jì)算。主要計(jì)算公式：THI=1.8T+32-0.55×（1-R） ×（T×1.8+32-58）[9]、THI=0.81T+（0.99T-14.3）×R+46.3[10]、THI=0.72×（W+D）+40.6[11]、THI=td-（0.55-0.55R） ×（td-58）[12]、THI=D+0.36×R+41.2[13]。其中，W 為濕球溫度（ ），D為干球溫度（ ），T為溫度（ ），R為相對濕度（%），td為華氏溫度（℉）。

當(dāng)THI為70甚至更低時，奶牛處于較舒適狀態(tài)；當(dāng)THI高于72時，奶牛的生產(chǎn)性能開始受到影響，所以將其作為熱應(yīng)激的閾值[14]。THI在73～79時，奶牛處于輕度熱應(yīng)激狀態(tài)，呼吸頻率開始增加。當(dāng)THI大于78時，奶牛處于極度不適狀態(tài)，無法維持溫度調(diào)節(jié)機(jī)制和正常的身體溫度。有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)THI高于80時，奶牛處于中度熱應(yīng)激狀態(tài)，機(jī)體通過呼吸頻率的增加和直腸溫度的升高來緩解THI過大而引起的不適[15]。

2 熱應(yīng)激對奶牛生理營養(yǎng)的影響

熱應(yīng)激會影響奶牛產(chǎn)奶量[16-17]。當(dāng)環(huán)境溫度高于30 時，將影響能量平衡并導(dǎo)致產(chǎn)奶量下降[5,18]。當(dāng)THI低于70時，奶牛的干物質(zhì)采食量和產(chǎn)奶量幾乎不受THI波動影響；而當(dāng)THI由70升高至80時，奶牛的干物質(zhì)采食量和產(chǎn)奶量顯著下降，其降幅分別達(dá)20.0%和23.0%[19]。在熱應(yīng)激的影響下，牛奶蛋白含量降低，乳蛋白組分也會發(fā)生變化，牛奶營養(yǎng)品質(zhì)降低[19-20]。乳蛋白成分中酪蛋白、β-乳球蛋白和免疫球蛋白含量減少，而α-乳白蛋白、乳鐵蛋白含量和溶菌酶活性升高[20]。熱應(yīng)激的周期變化對奶牛泌乳的影響主要取決于熱應(yīng)激的程度及其持續(xù)時間，熱應(yīng)激的周期變化引起“熱應(yīng)激乳蛋白降低征”，即在熱應(yīng)激的周期變化中，乳蛋白的合成受到嚴(yán)重影響[21]。有研究表明，在熱應(yīng)激狀態(tài)下，乳脂肪含量會有降低趨勢[22-23]。乳糖是牛奶的主要成分之一，其變化可表現(xiàn)出機(jī)體乳腺組織是否正常代謝分泌[22]。權(quán)素玉[24]發(fā)現(xiàn)，在奶牛處于熱應(yīng)激狀態(tài)下，牛奶中乳糖含量顯著下降。體細(xì)胞數(shù)（SCC）被認(rèn)為是評價(jià)奶牛和畜群水平上乳房健康和牛奶質(zhì)量的指標(biāo)[25]。Nasr等[22]研究表明，隨著THI由低于70增加至高于80，SCC大幅度增加[22]。 在夏季，SCC有升高趨勢[23]，這也證明了高溫會增加SCC。

3 熱應(yīng)激對泌乳性能的影響

3.1 誘導(dǎo)氧化應(yīng)激 熱應(yīng)激可促使皮質(zhì)醇與兒茶酪胺釋放，并誘導(dǎo)氧離子和氫氧根等自由基產(chǎn)生，促使細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化物生成，從而引起氧化應(yīng)激[26]。活性氧（ROS）是線粒體電子傳遞鏈中的中間代謝物[27]。ROS大部分是由細(xì)胞有氧呼吸作用加強(qiáng)產(chǎn)生，還可以通過氧化酶途徑產(chǎn)生[28]。當(dāng)金屬離子存在時，ROS可在超氧化物歧化酶催化下生成活性較強(qiáng)的自由基[28]。由于自由基的作用，ROS破壞細(xì)胞內(nèi)的脂類合成、導(dǎo)致蛋白質(zhì)功能異常及合成異常[27,29-30]。當(dāng)奶牛處于泌乳階段，乳腺組織活動加強(qiáng)，乳的合成與分泌需要消耗大量能量，乳腺細(xì)胞的有氧呼吸加強(qiáng)，產(chǎn)生大量ROS，從而降低了機(jī)體的抗氧化能力，引起乳腺氧化應(yīng)激產(chǎn)生。

熱誘導(dǎo)氧化應(yīng)激使泌乳期荷斯坦奶牛肝臟丙二醛（MDA）含量升高，肝臟組織中HSP70基因表達(dá)升高，Keap1和Nrf2基因表達(dá)上調(diào)[26]。細(xì)胞抗氧化機(jī)制中最重要的是Keap1-Nrf2-ARE信號通路介導(dǎo)的Ⅱ相解毒酶和抗氧化基因的轉(zhuǎn)錄[31]。Keap1-Nrf2-ARE信號通路可能有增加肝臟抵抗氧化應(yīng)激的能力。在正常的生理狀態(tài)下，Nrf2不與胞漿蛋白伴侶分子Keap1結(jié)合，但由于熱應(yīng)激影響，受到氧化劑或者親電試劑作用，Nrf2與Keapl解偶聯(lián)，在多種蛋白激酶作用下入核，并與核內(nèi)的Mar蛋白結(jié)合形成異二聚體后結(jié)合ARE。從而介導(dǎo)Ⅱ相解毒酶和抗氧化基因的轉(zhuǎn)錄，起到抗氧化作用[32]。

3.2 影響機(jī)體激素代謝 奶牛泌乳需要多種內(nèi)分泌激素參與。在熱應(yīng)激狀態(tài)下，奶牛采食量下降，導(dǎo)致內(nèi)分泌機(jī)能紊亂，從而影響了泌乳性能；奶牛對各種營養(yǎng)成分的消化率也受到影響，機(jī)體需要克服由于熱應(yīng)激帶來的不良影響，引起催乳素（PRL）和甲狀腺激素T3、T4的分泌量下降，從而抑制排乳反射，導(dǎo)致產(chǎn)奶量下降[33]。在泌乳過程中，生長激素（GH）起著不可或缺的作用。生長激素軸對泌乳有正向的調(diào)節(jié)作用，可以提高產(chǎn)奶量，增加乳蛋白、乳脂肪和乳糖等含量[30]。GH可以直接與乳腺上的生長激素受體（GHR）結(jié)合，還可通過誘導(dǎo)肝臟產(chǎn)生胰島素樣生長因子I（IGF-I）產(chǎn)生，從而促進(jìn)泌乳。在作用過程中GH和IGF-I具有抗胰島素（INS）作用，促使血糖優(yōu)先用于泌乳[34]。宋代軍等[35]研究發(fā)現(xiàn)，熱應(yīng)激影響了奶牛的激素代謝，血清中INS有下降趨勢，減少了乳中血糖含量[35]。

3.3 抑制乳成分合成 熱應(yīng)激情況下，奶牛采食和消化粗飼料量減少，瘤胃pH降低，乙酸含量降低，導(dǎo)致乳脂率和產(chǎn)奶量下降[36]。由于熱應(yīng)激發(fā)生時，奶牛排汗量增加，增加體內(nèi)的水分消耗，瘤胃內(nèi)水分含量減少，引起瘤胃pH下降[19]。而瘤胃的pH發(fā)生變化，導(dǎo)致瘤胃內(nèi)微生物發(fā)酵效率下降，使得揮發(fā)性脂肪酸減少，從而減少乳脂肪產(chǎn)量。

在熱應(yīng)激狀態(tài)下，通過誘導(dǎo)乳腺細(xì)胞的凋亡減少了可用于乳蛋白合成的乳腺細(xì)胞數(shù)量，從而影響乳蛋白含量[33]。前人研究發(fā)現(xiàn)，GH、IGF-I、INS、PRL等激素通過調(diào)控JAK-STAT通路和mTOR基因表達(dá)等對泌乳過程中蛋白質(zhì)合成產(chǎn)生直接或者間接的影響[37]。熱應(yīng)激可以增加mTOR基因和S6K1基因的表達(dá)量，但對JAK-STAT通路沒有影響[38]。在熱應(yīng)激狀態(tài)下，乳腺細(xì)胞中促凋亡基因BAX及與細(xì)胞凋亡相關(guān)的CASP3、COX2表達(dá)量增多[39]。

葡萄糖是乳糖合成的前體物質(zhì)，其需要經(jīng)過消化道吸收、肝臟的代謝及乳腺的利用等過程才能合成乳糖。肝臟和乳腺的功能可以直接影響乳糖的合成。奶牛在抗熱應(yīng)激的過程中，機(jī)體產(chǎn)生具有細(xì)胞保護(hù)作用的熱休克蛋白（HSPs）。為了提高機(jī)體的耐受能力，HSPs表達(dá)量提高，消耗由血糖提供的能量增多[24,40]。因此，奶牛處于熱應(yīng)激狀態(tài)下，為了緩解熱應(yīng)激對機(jī)體的影響，合成應(yīng)激蛋白的組織和器官對葡萄糖的利用增加，從而減少了用于乳糖合成的葡萄糖[41]。

4 補(bǔ)飼添加劑對奶牛熱應(yīng)激的緩解效果

多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在飼料中補(bǔ)飼添加劑可以緩解奶牛的熱應(yīng)激反應(yīng)，從而提高產(chǎn)奶量、乳蛋白率和乳脂率，但對乳糖影響甚微。從表1可以看出，添加氨基酸類、維生素類或者含有微量元素的添加劑可以在一定程度上提高奶牛的產(chǎn)奶量，對乳成分影響較??；中草藥添加劑對緩解熱應(yīng)激有一定效果；在日糧中添加蛋白質(zhì)、過瘤胃蛋白和日糧陰陽離子平衡鹽也可以使奶牛處于健康狀態(tài)[50-51]。

表1 日糧中補(bǔ)飼添加劑對奶牛的影響

5 小 結(jié)

熱應(yīng)激會導(dǎo)致奶牛采食量及泌乳量下降、乳品質(zhì)降低。熱應(yīng)激通過多種途徑影響奶牛泌乳，但作用途徑尚未完全明確，需要進(jìn)一步研究與探索；另外，仍需深入研究熱應(yīng)激對奶牛乳腺的影響機(jī)制，為從根本上降低熱應(yīng)激對泌乳的不利影響提供理論依據(jù)，以達(dá)到緩解熱應(yīng)激降低產(chǎn)奶量的目的。