热应激对猪生产和代谢的影响

■M.V.Sanz-FernandezS.K.StoakesJ.S.JohnsonM.Abuajamieh J.T.SeibertS.C.PearceN.K.GablerR.P.RhoadsL.H.Baumgard

(1.爱荷华州立大学，艾姆斯爱荷华州50011；2.弗吉尼亚理工大学暨州立大学，布莱克斯堡弗吉尼亚州24061)

热应激(HS)影响动物饲料效率，给畜牧业的发展、遗传选择、营养和药学进展方面带来不利的影响。尤其是HS导致养猪业经济损失严重，具体表现为母猪生产性能降低、生长受阻，屠体质量下降、兽医成本增加和显著的经济负担(在美国，每年因热应激造成的养猪业的经济损失超过300美元/年)(St Pierre等，2003；Pollman,2010)。当环境条件发生改变，无论是超过或者低于动物的适温舒适区，营养成分就会从合成产品(肉、奶等)转移为维持体温，从而影响效率。另外，遗传选择瘦肉型猪会降低猪的耐热性，增强蛋白质沉积导致基础产热增加(Brown-Brandl等，2004)。虽然良好的管理(例如：冷却系统，VanBaale等，2005)可部分缓解HS对牛的负面影响，但是在夏季其生产力还是会持续下降。Luber等（2008）报道，在大多数美国动物产区模拟夏季极端条件模型预测出HS对动物福利和生产的不利影响，在预测全球持续变暖情况下(IPCC，2007)将可能成为一个更大的问题。因此，HS可能是限制动物蛋白生产的主要因素，会继续危及粮食安全，尤其是在发展中国家(Baumgard等，2013)。因此，目前迫切需要更深入地了解HS是如何改变养分利用率和最终降低动物生产力的。明确HS是如何危害动物生产性能的生物学定义，弄清楚这一点是为改善当前生产问题和提高动物福利及生产性能而研发一些方法（遗传、管理、营养和制药）的关键。

1 生产反应

在热负荷时降低采食量是跨物种高度保守的反应，这大概是企图减少代谢产热(Baumgard等，2012；图1)。大多数认为，热应激对生产的不利影响已经完全归因于饲料摄入量的不足(Beede等，1986)。然而，我们最近的研究发现：分别给予适温和热应激环境下的奶牛、肉牛和生长猪在同一营养水平，但两个温度条件下各自的生产反应却不同(Rhoads等，2009；O’Brien等，2010；Pearce等，2013a)。这使我们假设HS是通过直接和间接作用(经由降低饲料摄入量)来影响动物生产性能。

图1 热应激对采食量和日增重的影响

1.1 哺乳期

奶牛产奶对热应激是非常敏感的，其产奶量降低到35%～40%并不罕见(West,2003)。这并不只是在奶牛上有影响，热应激也显著降低母猪泌乳期的产奶量(Messias de Bragance等，1999)。我们的试验证明在环境诱导高温情况下，采食量的降低仅仅只能影响奶牛产奶量减少量的大约35%～50%(Rhoads等，2009；Wheelock等，2010)；表明随着奶产量下降超过预期水平时，HS打乱了营养摄入量和奶产量的关系。

1.2 生长期

热应激显著降低生长动物的营养摄入量。然而，与泌乳模型比较，在生长动物上鉴别应激间接或者直接作用对生产力降低多少很难。主要是因为当测量总体增重变化时没有考虑组织增生成分。例如，热应激母猪(Prunier等，1997)和小母牛(Ronchi等，1999)体重和体况不会改变太多，与它们在适温时采用对饲法一样的，我们最近证明这结果也适用于生长(Pearce等，2013a；见图1)。因此，降低饲料采食量可以作为解释生长动物生产性能降低的大部分原因，但是热应激的直接效应可能是改变了组织合成的层次结构。

猪饲养在HS条件下降低肌肉量和增加了脂肪组织(Close等，1971；Collin等，2001)。这种现象不只是在猪上出现，HS也改变啮齿动物(Schmide等，1967)和生长家禽(Baziz等，1996)屠体成分。此外，我们最近研究证明，由受热应激母猪所生产的仔猪更易于增加每日脂肪，而不是蛋白质沉积(Johnson等，未发表数据)，突出了在怀孕期间环境条件对后期生长性能的深远影响。热应激引起营养摄入量降低和抑制生长，但另外一方面却增加屠体脂质沉积和减少屠体氮含量，这是有悖常理的。在适温条件，猪限饲在损失沉积脂肪时会沉积蛋白(例：屠体脂肪与蛋白质比例下降)和每单位能量消耗沉积脂肪的量减少(Van Milgen等，2003)。因此，猪在热应激条件下的饲料摄入量和体成分之间的关系是完全相反的，是独立的营养面。尽管都知道对经济效益的影响巨大，但是很少知道热应激是怎样直接或者间接改变猪的代谢和营养分配。

2 代谢反应

上述生产数据表明HS改变代谢与根据期望计算出来的整个身体的能量平衡不同。研究都证明，在热应激情况下啮齿动物(Sanders等，2009)、猪(Pearce等，2013a)、羊(Sano等，1983)和牛(Shwartz等，2009)尽管在采食量显著降低的情况下其血浆NEFA水平仍然降低，尤其是与适温条件下采用对饲法的饲喂组相比时情况更为明显(见图2)。此外，我们最近也报道：与适温条件下采用对饲法的饲喂组相比，热应激的牛和猪NEFA降低伴随肾上腺素的变化(Baumgard等，2011；Sanz-Fernandez等，2013a)。热应激动物的脂肪组织分解脂肪的能力变弱，导致严重的营养限制，通常与循环中NEFA的水平相关(Bauman等，1988)。

图2 热应激对血浆中NEFA和胰岛素的影响

本试验报道血浆中胰岛素浓度增加与Itoh等(1998)关于热应激对反刍动物影响、Hall等（1980）关于恶性高热猪模型和Torlinska等（1987）的热应激啮齿动物模型的报告结果一致。另外，葡萄糖耐受试验研究结果表明，热应激的母牛和犊牛与对饲组相比胰岛素增加，而葡萄糖的处理更快或者保持不变(O’Brien等，2010；Wheelock等，2010)。我们在使用高胰岛素正常血糖技术也证明受热应激的小牛(Rhoads等，2009)和泌乳牛(Skrzypek等，2010)对胰岛素的敏感性提高，正如应激动物要求更多的葡萄糖来维持血糖。相似地，生长猪的葡萄糖耐受试验发现由于胰岛素对葡萄糖的反应引起胰岛素的敏感性增加(Sanz-Fernandez等，2013a)。在热应激期间整个体内葡萄糖的利用增加，但是不同组织对此效应的影响仍然不清楚。我们的奶牛试验结果表明，在热应激期间骨骼肌可能有轻度胰岛素抵抗，在某种程度上与减少营养摄入量相关(Cole等，2011)。因此，葡萄糖利用增加机理仍然未知。免疫系统是一个潜在的葡萄糖接受者，正如下面描述的，由于热应激对肠道健康的有害影响可能受到刺激，一旦激活，免疫细胞变成葡萄糖的专用者(Mclver等，2008)，这就可能引起全身营养的转移分配，以便于免疫系统利用葡萄糖(Baumgard等，2013)。

3 热应激和肠道健康

热应激调节营养分配的机理还不清楚，可能是通过对肠道健康和功能的影响来调节的。在热负荷的情况下，肠道是首先上调热休克蛋白的组织(Flanagan等,1995)。热应激时，为了更好的散热，机体中的血液更多的流向外周组织(Lambert等，2002)，导致肠道缺氧(Hall等,1999)。肠细胞对氧和营养缺乏特别敏感(Rollwagen等，2006)，导致ATP消耗、氧化应激和亚硝化应激(Hall等，2001)；进而引起紧密连接功能紊乱、肠道形态变化，最终导致肠道屏障功能下降(Lambert等,2002;Pearce等,2013b)。总的来说，热应激增加了进入血液的肠道内物质（如革兰氏阴性菌分泌的内毒素）(Hall等，2001；Pearce等,2013b)。在中暑的病人中，内毒素血症很常见(Leon,2007)，而且因为降低肠道细菌(Bynum等，1979)或中和血浆内毒素后(Gathiram等,1987)存活率增加，所以内毒素血症在中暑病理生理学中非常重要。热应激和内毒素血症在生理和代谢症状（如胰岛素水平升高）上非常相似(Lim等,2007)。哺乳奶牛乳房组织中注射LPS（脂多糖）可以增加约2倍的胰岛素水平(Waldron等，2006)。此外，我们给小牛静脉注射LPS，发现胰岛素水平增加了十多倍(Rhoads等,2009)。此外，试验中胰岛素的升高很难说明为什么显著降低饲料采食量。

4 应对措施

4.1 饲养管理措施

通风和降温仍然是缓解热应激的主要措施。调整饲喂时间也是有益的，例如一天中较凉爽的清晨和傍晚饲喂可以降低采食后的热增耗。其他应激源（如免疫注射）在一天中热的时候应该避免，因为热应激和处理应激一起将造成伤害。此外，应避免注射非类固醇抗炎药，因为此类药会破坏胃肠道完整性。

4.2 营养措施

尽管随着降温技术的进步，热应激仍然在夏季影响动物福利、降低生产力。选种（耐热品种）是一个有效降低热应激影响力的手段，但是需要很长一段时间，而且会降低温度适宜时动物的生产力(Baumgard等，2013)。通过多种措施立即降低热应激的敏感性而不影响生产力将对全球畜牧业产生巨大价值。其中一个很好的调节策略就是补充日粮，因为能被各种动物产业使用，也能很好的适应各种生产系统。

4.2.1 锌

日粮锌对于正常肠道屏障功能来说是必须的，而且补充锌对于很多动物或人类（以增加肠道通透性为特征的疾病）都是有益的(Alam等，1994；Zhang等，2009)。补充锌能部分缓解急性和慢性热应激破坏生长猪肠道完整性症状(Sanz-Fernandez等，2013b；Pearce等，2013c；见图3)。锌改善肠道紧密型的机理还不十分清楚，可能是上调致密连接蛋白表达(Zhang等，2009)；以金属硫蛋白形式作为抗氧化剂(Wang等,2013)；提高抗菌物质（如β-抵抗素）的表达(Mao等,2013)。

图3 锌对回肠跨上皮电阻的影响

4.2.2 乳制品

乳制品能减轻热应激对肠道屏障功能的影响，不管是在体内(Prosser等,2004)还是体外(Marchbank等,2011)。其作用机理还不清楚，但是初乳和乳清蛋白中含有丰富的抗菌蛋白（如乳铁蛋白）、免疫球蛋白、生长因子（如转变生长因子-β）和一些特定氨基酸（谷氨酰胺、胱氨酸和苏氨酸）（Krissansen,2007）。此外，乳制品还能上调热休克蛋白70(Marchbank等，2011)和紧密连接蛋白(通过 TGF-β)(Hering等，2011)，这有可能是其对肠道健康产生作用的原因。

4.2.3 谷氨酰胺

谷氨酰胺是肠细胞能量的主要来源之一(Singleton等，2006)，而且其改善肠道健康和免疫功能的作用使其可能是消除热应激作用的潜在措施。其作用机理可能是提高热休克蛋白70的表达(Singleton等，2006)，抑制NF-κB的激活(Zhong等，2012)。谷氨酰胺添加可以改善宫内生长迟缓的断奶仔猪增重和肠道重量，同时提高空肠IL-4和IL-10、降低IL-1和IL-8(Zhong等，2012)。此外，在受大肠杆菌攻毒时，给断奶仔猪补充谷氨酰胺可以提高肠道屏障功能、降低肠膜炎症因子表达、增加紧密连接蛋白丰度(Ewaschuk等，2011)。

4.2.4 抗氧化剂

热应激时小肠组织缺氧可能导致氧化状态和自由基的生成(Hall等，1999)。此外，肠道炎症导致抗氧化功能的降低(Buffinton等，1995a)。因此，热应激时在日粮中添加硒和维生素A、E、C有改善作用。

维生素A能减少诱发性黏膜损伤，而且维生素A缺乏时对肠道免疫(Elli等，2009)和完整性(Yang等，2011;Thurnham等，2000)有负面作用。此外，炎热天气下奶牛日粮中添加β-胡萝卜素能增加产奶量和妊娠率(Aréchiga等,1998)。

维生素E添加减少细菌迁移、增加辐射诱导肠道损伤时的存活率(Singh等，2012)。与此同时，增加血清中维生素A的含量，说明维生素E对维生素的状况具有保护作用(Sahin等，2002a)。日粮维生素E减少回肠细胞脱落和回肠匀质在体外的氧化(Lopez Bote等,2001)。Sahin等(2002b)同样认为维生素C和E能改善热应激时日本鹌鹑的生长性能。但是，奶牛在两个连续的夏季注射3 000 IU的维生素E时妊娠率与对照组相似(Ealy等,1994)。

同热应激哺乳母猪类似，肠道炎症病人的维生素C减少(Buffinton等，1995a)。添加维生素C能通过将自由基转化为活性的维生素E而产生积极效果(Sahin,2002a)。

硒是硒蛋白（如谷胱甘肽过氧化物酶，其是细胞中主要的自由基清除系统）的组成成分(Loeb等,1988)。因为硒缺乏时导致DNA受损和细胞周期（可能与上皮细胞周转时的紧密连接相关）失控，所以硒蛋白在细胞生长中扮演重要作用(Rao等,2001)。在小肠损伤病人中，由于吸收不好导致的硒缺乏是一个风险，可能导致活性氧增加和炎症(Barrett等,2013)。补充硒可能会减少脂质过氧化和肠道黏膜上皮损伤、阻止细菌转运(Baldwin等，2002;Oztürk等,2002)。绵羊热应激时注射硒能减少失重(Alhidary等,2012)。

以上列出的大部分抗氧化物质互相之间或者矿物元素（如锌）之间具有协同作用(Kucuk等，2003;Sahin等,2002a、b)。关于补充抗氧化剂对热应激下动物生长性能影响的研究很少，有必要进一步研究以提供合理的推荐用量。

4.2.5 地塞米松

地塞米松以一种合成的具有抗内毒素和抗炎症效果的皮质类固醇。先前的研究表明，热应激时皮质类固醇含量显著增加(Collier等，1982；Baumgard等，2013)。地塞米松能阻止中暑小鼠模型血液中天冬氨酸转氨酶和丙氨酸转氨酶（肝脏健康的指标）、IL-6和LPS的升高，可能原因是通过阻止内毒素血症(Lim等,2007)。在一个中暑模型中，灵长类动物注射皮质类固醇同样可以减少内毒素血症、增加存活率(Gathiram等,1988)。

4.2.6 甜菜碱

甜菜碱，也就是三甲基甘氨酸，一种渗透压调节因子和甲基供体，对热应激动物可能存在一些正面效果，包括通过降低钠钾泵活性对抗渗透压(Cronje,2007)。添加甜菜碱改善健康以及球虫感染的家禽的肠道完整性(Kettunen等,2001)。此外，甜菜碱改善兔在热应激情况下的增重、免疫功能、体温(Hassan等,2011)。适温区的奶牛补充甜菜碱能提高产奶量、降低牛奶中蛋白含量、改变乳中脂肪酸组成(Peterson等，2012)。但是在热应激奶牛中未出现明显差异(Hall等，2012)。缺乏足够证据表明甜菜碱在热应激时的效果，需要进一步的研究。

5 结论

热应激是危害动物福利、产业利益、食品安全的全球性问题。热应激的间接作用（包括减少采食量）有助于解释生产力的降低，但生产力的降低并不完全是间接作用的原因。热应激动物代谢状况相对于其营养来说经历了更剧烈的改变。这表明热应激直接影响代谢和生长性能，与降低采食量诱导的其它作用无关。环境温度过高损害了肠道屏障功能，导致肠道对内容物（包括细菌及其代谢物）的通透性增加。肠道内容物的渗漏最终导致系统循环产生炎症反应，从而加重热应激对动物生产的影响。通过多种饲养管理措施（如营养性补充剂）降低热应激的敏感性而不影响生产力将对全球畜牧业产生巨大价值。