硒在雄性動(dòng)物繁殖中的作用

白 云，成溫玉，楊 芳

（安康學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，陜西安康 725000）

動(dòng)物的繁殖性能受遺傳、營(yíng)養(yǎng)、管理和環(huán)境等多方面因素影響，其中機(jī)體中微量元素含量的輕微波動(dòng)會(huì)引起動(dòng)物的生殖健康問(wèn)題進(jìn)而影響生產(chǎn)性能[1]。硒是機(jī)體必需的微量礦物元素，以硒酶和硒蛋白的形式參與機(jī)體抗氧化防御、生殖生理、內(nèi)分泌活動(dòng)、肌肉發(fā)育、甲狀腺代謝以及心血管疾病等一系列生物過(guò)程[2]。自然界中的硒主要以無(wú)機(jī)和有機(jī)的形式存在，無(wú)機(jī)硒包括亞硒酸鹽（Se4+）、硒酸鹽（Se6+）和硒化物（Se2-）等3種形式。植物從土壤中以亞硒酸鹽或硒酸鹽形式獲得硒元素并合成含硒氨基酸，進(jìn)而被動(dòng)物機(jī)體所利用[3]，而土壤中缺硒或者硒不能被植物吸收都會(huì)影響動(dòng)物對(duì)硒的攝入。因此，在一些土壤硒含量低的地區(qū)，利用飼料補(bǔ)硒顯得尤為必要。當(dāng)前，盡管人們對(duì)硒的抗氧化防御機(jī)制有了較為深入的認(rèn)識(shí)，且也認(rèn)識(shí)到補(bǔ)硒的重要性，但對(duì)硒在動(dòng)物繁殖方面的認(rèn)識(shí)不夠全面。基于此，本文就硒在雄性動(dòng)物繁殖方面的研究作一綜述，旨在為硒在動(dòng)物繁殖方面的深入研究及合理利用提供參考。

1 硒蛋白

動(dòng)物體內(nèi)的硒主要以硒蛋白形式存在。飲食硒在生物機(jī)體中通過(guò)一定的代謝途徑分別與甲硫氨酸和半胱氨酸結(jié)合生成硒代甲硫氨酸（Selenothionine，Se-Met）和硒代半胱氨酸（Selenocysteine，SeCys），進(jìn)而整合到氨基酸序列中形成相應(yīng)的硒蛋白并發(fā)揮生物學(xué)功能。硒蛋白的合成依賴于編碼SeCys的UGA密碼子、特異性的tRNA、輔助翻譯蛋白以及含有硒代半胱氨酸插入序列元件的硒蛋白mRNA。當(dāng)核糖體識(shí)別硒蛋白mRNA上的UGA密碼子時(shí)，特異性的tRNA、輔助翻譯蛋白以及硒代半胱氨酸插入序列元件相互作用完成SeCys的插入，且這一過(guò)程受細(xì)胞中硒含量調(diào)控。在細(xì)胞中缺硒或者低硒情況下，翻譯便在UGA密碼子處終止，硒蛋白mRNA和合成的肽鏈分別依賴不同的途徑降解，硒蛋白無(wú)法生成[4]。目前，已在人類基因組中發(fā)現(xiàn)25種硒蛋白編碼基因，嚙齒類動(dòng)物有24種，所有硒蛋白均以SeCys活性中心的氧化還原活性為基礎(chǔ)發(fā)揮多種生物學(xué)功能（表1），尤其在諸如脫氧核糖核苷酸的合成、過(guò)氧化物清除、氧化蛋白還原、甲狀腺激素代謝、氧化還原信號(hào)通路調(diào)控和硒元素轉(zhuǎn)運(yùn)儲(chǔ)存等細(xì)胞生理過(guò)程發(fā)揮重要作用[5-7]。

硒對(duì)繁殖性能的影響也是通過(guò)硒蛋白的形式實(shí)現(xiàn)，其主要參與清除精卵細(xì)胞發(fā)生發(fā)育、卵泡發(fā)育、胚胎發(fā)生發(fā)育以及相關(guān)生殖細(xì)胞代謝過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)氧化氫（H2O2）和有機(jī)過(guò)氧化物，降低活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）對(duì)細(xì)胞和組織的損傷[5-8]。過(guò)氧化氫和有機(jī)過(guò)氧化物在硒蛋白的催化下依賴于活性中心Se-Met和SeCys被還原成水和其他無(wú)危害的有機(jī)物。目前，已經(jīng)證實(shí)多種硒蛋白參與了動(dòng)物生殖系統(tǒng)發(fā)育和繁殖性能（表1）。

2 硒與雄性動(dòng)物繁殖

2.1 硒對(duì)睪丸發(fā)育和功能的影響 硒在整個(gè)生殖系統(tǒng)都有分布，且睪丸中硒含量最高[14]。硒影響雄性動(dòng)物的睪丸發(fā)育，尤其影響睪丸的組織形態(tài)和重量。如Stuss等[7]、Guerriero等[14]用低硒飼料（2～7 μg/kg）飼喂雄性小鼠后，其第1代小鼠的睪丸發(fā)育遲緩且發(fā)情期延遲；長(zhǎng)期給小鼠飼喂低硒或缺硒飼糧易波及第2～3代小鼠睪丸組織的發(fā)育，主要表現(xiàn)為睪丸萎縮、精原細(xì)胞有絲分裂停止、精細(xì)管直徑變小、生精活動(dòng)降低等現(xiàn)象。同樣，硒缺乏也會(huì)降低大鼠睪丸重量，進(jìn)而損害其繁殖能力[15]。盡管低硒或缺硒對(duì)大動(dòng)物（豬、牛和羊）的睪丸形態(tài)沒(méi)有顯著影響，但對(duì)精細(xì)管的組織結(jié)構(gòu)有一定損傷，容易造成睪丸生精障礙[16]。因此，補(bǔ)充適量的硒可以促進(jìn)睪丸發(fā)育，其主要表現(xiàn)在公羊睪丸的陰囊長(zhǎng)度和周長(zhǎng)增加、小鼠睪丸體積和重量升高、公雞曲精細(xì)管的生精能力增強(qiáng)以及性成熟提前等[17]。此外，維生素E與硒具有協(xié)同作用。適量的硒配合維生素E飼養(yǎng)公羊可以顯著改善其繁殖性能[18]。然而，補(bǔ)充過(guò)量硒也會(huì)影響睪丸發(fā)育和功能。和玉丹等[19]利用毒性劑量（2～8 mg/kg）的納米硒飼喂SD雄性大鼠，其睪丸出現(xiàn)嚴(yán)重萎縮，睪丸組織表現(xiàn)出不同程度的病理?yè)p傷，睪丸細(xì)胞也有凋亡現(xiàn)象且精子濃度和活力受到嚴(yán)重影響。同樣，Kaur等[20]給小鼠飼喂過(guò)量硒（6～8 mg/kg）后，小鼠體重不僅下降，而且睪丸重量甚至輸精管和曲精細(xì)管的直徑都減小。因此，適量的硒對(duì)于動(dòng)物睪丸發(fā)育具有促進(jìn)作用，增強(qiáng)曲精細(xì)管的生精能力，而缺硒或者硒過(guò)量都會(huì)引起睪丸萎縮，阻礙精細(xì)管的精子的生成。

表1 硒蛋白在哺乳動(dòng)物發(fā)育和繁殖中的作用

2.2 硒對(duì)精子發(fā)生的影響 動(dòng)物精液的品質(zhì)和受精能力取決于精子成熟的過(guò)程，一些異常因素可影響精液品質(zhì)，進(jìn)而降低雄性動(dòng)物的繁殖力。生殖系統(tǒng)中適量的硒對(duì)維持精子正常發(fā)生必不可少，且在精子成熟過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用。Brown等[21]利用同位素手段證實(shí)，75Se被雄性大鼠吸收后轉(zhuǎn)運(yùn)到睪丸，最終定位到精子的中段形成硒蛋白，其中包括硒蛋白P、GPx4（PHGPx）、mGPx5和snGPx4。Kehr等[22]利用X射線熒光顯微鏡技術(shù)發(fā)現(xiàn)，硒以血漿硒蛋白P形式將SeCys從血液轉(zhuǎn)運(yùn)至睪丸，再在一系列脂蛋白受體（Apolipoprotein E receptor-2，ApoER2）的作用下被睪丸的足細(xì)胞攝取，進(jìn)而合成睪丸硒蛋白，維持精子的正常發(fā)生。人為敲除小鼠硒蛋白P或者ApoER2基因可導(dǎo)致精細(xì)胞中硒含量降低，精子發(fā)生受阻，畸形精子增多[23]。此外，利用缺硒飼料飼喂公豬后，公豬精液中精子含量降低，容易出現(xiàn)缺尾、質(zhì)膜不完整、線粒體缺乏等畸形精子。而在適量范圍增加硒含量可明顯提高精液中硒和精子含量[24]。

GPx4是精子中最主要的硒蛋白，存在3種結(jié)構(gòu)亞型，即精核GPx4（Sperm nucleus GPx4，snGPx4）、線粒體GPx4（Mitochondrial GPx4，mGPx4）和胞質(zhì)GPx4（Cytosolic GPx4，cGPx4），三者均由GPx4基因編碼[25]。mGPx4依賴自身抗氧化酶的催化活性抵抗精子發(fā)生過(guò)程中線粒體產(chǎn)生的氧自由基對(duì)精母細(xì)胞和精子細(xì)胞的氧化損傷，而在成熟精子中mGPx4的抗氧化催化活性處于失活狀態(tài)，表明在精子發(fā)生的不同階段，不同類型的硒蛋白發(fā)揮抗氧化作用[26]。snGPx4主要在精子發(fā)生的后期參與穩(wěn)定染色質(zhì)凝集的功能。在snGPx4巰基氧化酶活性的作用下，snGPx4被轉(zhuǎn)移到魚(yú)精蛋白形成復(fù)合物，參與精子染色質(zhì)的凝集反應(yīng)[27]。cGPx4表達(dá)于附睪的上皮細(xì)胞，主要保護(hù)成熟精子免受活性氧的損傷。人為敲除小鼠GPx4基因后，snGPx4、mGPx4和cGPx4均喪失表達(dá)，輸精管中各發(fā)育階段的精子數(shù)量明顯減少，附睪中畸形精子數(shù)量增多，雖不影響母鼠受孕，但易導(dǎo)致早期胚胎死亡[28]。此外，GPx1、GPx3和GPx5也是表達(dá)于附睪中并參與成熟精子免受活性氧損傷的硒蛋白，其中GPx5在附睪上皮細(xì)胞表達(dá)后分泌至附睪腔并與GPx3相結(jié)合，伴隨精子細(xì)胞通過(guò)附睪體到達(dá)附睪尾，催化降解精子在成熟過(guò)程中所接觸到的過(guò)氧化物[29]。因此，硒作為硒酶和硒蛋白的重要組成部分，保護(hù)精子發(fā)生過(guò)程中精細(xì)胞免受活性氧的損傷。

2.3 硒對(duì)精子質(zhì)量的影響 硒對(duì)雄性動(dòng)物繁殖力的影響主要體現(xiàn)在硒通過(guò)抗氧化作用保護(hù)精細(xì)胞免受活性氧的損傷。日糧中缺硒或者硒過(guò)量均可導(dǎo)致雄性小鼠體內(nèi)過(guò)氧化脂類、丙二醛以及活性氧含量升高，嚴(yán)重影響小鼠精液質(zhì)量，使得精子濃度降低、畸形精子比例升高；同時(shí)，日糧中缺硒使得小鼠體內(nèi)谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（GSH-Px或GPx）活性降低，而硒過(guò)量能增加GPx活性，但對(duì)小鼠的生殖潛力也有一定的損害[5,17]。

睪丸中硒含量可通過(guò)GPx4濃度來(lái)反映。Foresta等[29]研究顯示缺硒造成GPx4表達(dá)降低，種畜睪丸生產(chǎn)的精子能力以及精子活性也明顯減弱。通常，定位于精子中段的mGPx4在初情期表達(dá)量增加，降解線粒體在能量代謝過(guò)程中產(chǎn)生的活性氧。而當(dāng)線粒體中mGPx4含量降低時(shí)，精子中累積的活性氧破壞了細(xì)胞的完整性，進(jìn)而造成精子功能喪失[30]。人類男性不育與體內(nèi)mGPx4的含量和活性密切相關(guān)，患者精子數(shù)量逐漸減少、畸形精子比例升高且精子運(yùn)動(dòng)能力逐步喪失[30]。部分臨床不育的男性患者也因?yàn)槿蔽鴮?dǎo)致少精或者弱精癥狀[21,31]。Imai等[32]研究發(fā)現(xiàn)，GPx4含量低時(shí)，容易引起小鼠不育，且產(chǎn)生的精子不能使卵子受精；而且敲除雄性小鼠GPx4基因后，精子的線粒體功能受損，附睪中精子數(shù)量驟降且精子運(yùn)動(dòng)能力喪失，部分精子的尾部彎曲回折形成一個(gè)發(fā)卡結(jié)構(gòu)。同樣在硒蛋白P和ApoER2基因缺失的小鼠中也觀察到相似的癥狀[23]。Kehr等[22]分別敲除小鼠snGPx4、mGPx4和Selenoprotein P種后，發(fā)現(xiàn)硒蛋白P缺失小鼠的硒含量降低了77%，mGPx4缺失小鼠的硒含量降低了60%，而snGPx4缺失對(duì)硒含量影響不大且僅有極少數(shù)動(dòng)物表現(xiàn)不育。硒蛋白P在睪丸中高度表達(dá)，缺失該基因后不僅影響小鼠體內(nèi)硒含量，小鼠還會(huì)出現(xiàn)共濟(jì)失調(diào)、痙攣以及雄性不育等諸多病理狀態(tài)[33]。由此表明，mGPx4和硒蛋白P很可能參與體內(nèi)硒的轉(zhuǎn)運(yùn)[33]。GPx5在維持動(dòng)物繁殖力方面也起到一定作用，缺失GPx5基因小鼠附睪尾內(nèi)精子的DNA凝集降低，受精后的胚胎在發(fā)育過(guò)程中易出現(xiàn)缺陷且產(chǎn)出胎兒容易在早期發(fā)生死亡[34]。因此，這些硒蛋白均通過(guò)維護(hù)精子質(zhì)量以維持動(dòng)物繁殖力，其中mGPx4和硒蛋白P的功能更為顯著。在生產(chǎn)實(shí)踐中，口服抗氧化劑（維生素C 1.0 g/d、維生素E 1.0 g/d、亞硒酸鈉1.0 mg/kg）可以顯著改善嚴(yán)重硒缺乏癥小鼠、人和家畜的精子質(zhì)量，而對(duì)硒蛋白基因敲除小鼠的繁殖力沒(méi)有作用[16-17,21,33]。

2.4 硒對(duì)精液特性的影響 Marai等[35]證實(shí)，日糧中添加0.1 mg/kg硒酸鈉可提高公羊精液質(zhì)量，具體表現(xiàn)為每次射精量增加、精子活力和濃度提高、畸形和死精子百分率降低。與缺硒和基礎(chǔ)日糧相比，公豬的基礎(chǔ)日糧中添加0.5 mg/kg亞硒酸鈉豬精液中精子活力明顯升高，畸形精子比率顯著降低[5]。同樣，在其他關(guān)于豬飼料加硒的研究中也得到相同的結(jié)果，而且補(bǔ)硒后公豬的初次采精時(shí)間提前、采精量增加以及豬精液的受精率也顯著提高[36-37]。除補(bǔ)硒外，有些研究也在豬飼料中添加維生素E，但其對(duì)精液質(zhì)量改善的效果都沒(méi)有補(bǔ)硒顯著，添加維生素E處理組對(duì)精液的改善效果與常規(guī)組相差無(wú)幾[5-6]。Mohanta等[38]研究表明，同時(shí)補(bǔ)充硒和維生素E可以顯著提高公羊的精子質(zhì)量和射精量，且效果優(yōu)于單獨(dú)補(bǔ)充硒或者維生素E組。由此可見(jiàn)，雖然硒與維生素E具有協(xié)同抗氧化作用，但是維生素E不能完全代替硒。

盡管補(bǔ)硒能提高動(dòng)物精液質(zhì)量，增加精子活力，但也取決于補(bǔ)硒的量以及硒的形式。有學(xué)者在Ossimi公羊飼糧中添加0.2 mg/kg和0.5 mg/kg有機(jī)硒，結(jié)果發(fā)現(xiàn)0.5 mg/kg處理組射精量和精子活性更高以及精子密度更大[7]。而Lovercamp等[39]分別在公豬飼糧中添加0.3 mg/kg和0.6 mg/kg亞硒酸鈉，發(fā)現(xiàn)高劑量組（0.6 mg/kg）的豬精液中畸形精子數(shù)目明顯增多且精子濃度也逐漸降低。因此，添加適宜劑量的硒對(duì)精液有促進(jìn)作用，而過(guò)量會(huì)對(duì)精子產(chǎn)生毒害。硒主要在動(dòng)物的小腸被吸收，多數(shù)都能夠被機(jī)體吸收進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。無(wú)機(jī)硒主要通過(guò)簡(jiǎn)單擴(kuò)散和協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)方式被腸壁細(xì)胞吸收，而有機(jī)硒（硒代蛋氨酸和硒代半胱氨酸）則通過(guò)活性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入機(jī)體且吸收更為高效。Jacyno等[36]研究發(fā)現(xiàn)，與0.2 mg/kg無(wú)機(jī)硒組相比，0.2 mg/kg有機(jī)硒處理組公豬的精子濃度、質(zhì)量更高且每次射精量更大。同樣，與0.2 mg/kg無(wú)機(jī)硒組相比，0.2 mg/kg有機(jī)組公雞生成的畸形精子更少且精子更完整[40]。此外，年齡對(duì)精液的質(zhì)量具有負(fù)面影響。隨著動(dòng)物年齡增大，機(jī)體中抗氧化物酶活性降低，尤其GPx4降低了對(duì)附睪中精子的抗氧化保護(hù)作用。有研究證實(shí)，老齡大鼠的GPx4抗氧化活性較青年大鼠下降了50%，導(dǎo)致活性氧在體內(nèi)累計(jì)，誘發(fā)細(xì)胞凋亡，造成精液質(zhì)量下降[41]。

2.5 硒對(duì)動(dòng)物性欲的影響 雄性動(dòng)物的性欲受遺傳、飼養(yǎng)管理、環(huán)境、疾病和營(yíng)養(yǎng)等多方面因素影響。目前，衡量雄性動(dòng)物的性欲主要通過(guò)測(cè)定其開(kāi)始射精時(shí)間和射精持續(xù)時(shí)間來(lái)計(jì)算。在飼料中添加適量的酵母硒（0.35 mg/kg和0.5 mg/kg）可以顯著增長(zhǎng)公豬的射精時(shí)間，提早射精開(kāi)始時(shí)間，同時(shí)也增加了血清和精液中睪酮、促卵泡激素和促黃體激素的含量[42]。同樣，向公豬飼料中分別添加0.2 mg/kg酵母硒和亞硒酸鈉后，公豬的性欲顯著提升，且酵母硒的效果優(yōu)于亞硒酸鈉[42]。El-Mokadem等[43]在公羊的飼料中添加0.1 mg/kg硒酸鈉，不僅可改善公羊的精液質(zhì)量，性欲也得到提升。硒蛋白能夠及時(shí)清除睪丸組織中的過(guò)氧化物，保護(hù)睪丸間質(zhì)細(xì)胞和支持細(xì)胞免受過(guò)氧化物損害，促進(jìn)睪酮和雄激素結(jié)合蛋白生成，使得公畜保持較高的性欲[17,44]。

3 硒在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用

缺硒不僅影響動(dòng)物的繁殖性能，還會(huì)引起多種代謝性疾病。我國(guó)70% 地區(qū)屬于缺硒地帶，人群中克山病和大骨節(jié)病流行，動(dòng)物中也會(huì)有因缺硒而導(dǎo)致的白肌病、水腫、骨骼壞死以及內(nèi)臟組織壞死等癥狀[45]。因此在動(dòng)物生產(chǎn)中補(bǔ)硒尤為重要。生產(chǎn)中常用的無(wú)機(jī)硒主要為亞硒酸鈉，以微量元素添加劑的形式加入飼料中，雖然其價(jià)格低，含硒量高，但其毒性大，動(dòng)物吸收率低，易造成環(huán)境污染，現(xiàn)已逐漸被有機(jī)硒替代。生產(chǎn)實(shí)踐中常見(jiàn)的有機(jī)硒主要有酵母硒（賽樂(lè)硒Sel-Plex）、藻類硒、蛋氨酸硒和半胱氨酸硒等，其中酵母硒應(yīng)用最廣泛。飼料加硒是常用的補(bǔ)硒方式，但具有量的限制，添加量過(guò)高不但起不到補(bǔ)硒的作用，反而會(huì)引起動(dòng)物中毒甚至死亡[5-6]。美國(guó)食品藥物管理局規(guī)定，無(wú)論是無(wú)機(jī)硒還是酵母硒，在豬、牛、羊和雞等動(dòng)物的飼料允許補(bǔ)充量為0.3 mg/kg，而歐盟規(guī)定飼糧中硒的最大補(bǔ)充限量為0.5 mg/kg[46]。我國(guó)農(nóng)業(yè)部2625號(hào)公告（2017）規(guī)定，亞硒酸鈉和酵母硒在所有養(yǎng)殖動(dòng)物的日糧添加量為0.1～0.3 mg/kg，最高限量為0.5 mg/kg。除此之外，對(duì)其他動(dòng)物硒的供給量也有一定的要求（表2）。

表2 硒在不同動(dòng)物中的推薦補(bǔ)充量

4 小結(jié)與展望

硒在動(dòng)物中主要以硒蛋白的形式體現(xiàn)其作用，不僅參與維持機(jī)體的新陳代謝，而且影響動(dòng)物的生殖功能。雄性動(dòng)物生殖器官的發(fā)育依賴于硒，飲食中缺硒或硒過(guò)量都會(huì)影響睪丸組織的正常發(fā)育。在精子發(fā)生時(shí)，多種硒蛋白參與清除組織和細(xì)胞中的氧自由基，保護(hù)精（原）細(xì)胞免受傷害，從而降低精液中畸形甚至死亡精子數(shù)量，提高精液質(zhì)量，保證動(dòng)物的生殖性能。GPx4是維持精子正常成熟的關(guān)鍵，依賴于組織特異性表達(dá)，保護(hù)在成熟過(guò)程中免受過(guò)氧化物的損傷。缺硒或硒過(guò)量會(huì)引起精子發(fā)生障礙，造成精子質(zhì)量下降，甚至導(dǎo)致雄性不育。因此，通過(guò)在飼料中加硒便成為維持雄性動(dòng)物正常繁殖性能所需硒量的重要途徑。然而，補(bǔ)硒通常是在一些土壤缺硒的地區(qū)，而土壤含硒豐富的地區(qū)可根據(jù)其含量減少或不添加。當(dāng)前我國(guó)對(duì)硒的使用相對(duì)粗放，伴隨功能農(nóng)業(yè)概念的提出，關(guān)于硒蛋白的研究尚需深入，特別是硒蛋白在動(dòng)物繁殖中的具體作用機(jī)制有待進(jìn)一步探究。