热应激影响荷斯坦奶牛泌乳机制的研究进展

2019-03-19马峰涛魏婧雅郝丽媛

中国畜牧杂志 2019年3期

单强，马峰涛，魏婧雅，郝丽媛，孙鹏

（中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，动物营养学国家重点实验室，北京 100193）

热应激是机体对极端热环境的生理反应[1]。目前，一般采用温湿度指数（THI）作为评价奶牛热应激程度的指标[2]。很多因素均可引起奶牛热应激，气温变化就是其中之一，如夏季环境温度升高，奶牛会出现热应激反应[3]。当奶牛处于热应激时，其各项指标都会有一定程度改变，如呼吸频率和心率加快、体温升高、干物质采食量和产奶量大幅度下降[4-6]。

热应激引起的主要原因是高温和高湿，体内产生或体外吸收的热量无法被机体充分消耗，自身热量调节失衡，导致动物进入热应激状态[7]。热应激导致奶牛的日粮摄入减少并引起机体生理及代谢改变[8]。恒温动物体温需要控制在一定范围内以维持自身机体正常新陈代谢和生理活动。为了保持体温恒定，动物须与外界环境保持相对的热平衡，包括环境因素中的气温、气流、湿度和辐射。泌乳奶牛适宜的环境温度介于5～25.8 ，称为“热平衡”区。当环境温度达到26.8 ，母牛因自身机体调节不足以维持体温平衡，进入热应激状态。

1 热应激的评估方法

THI可以用干湿球温度计的温度、湿度的示数来计算。主要计算公式：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 为湿球温度（），D为干球温度（），T为温度（），R为相对湿度（%），td为华氏温度（℉）。

当THI为70甚至更低时，奶牛处于较舒适状态；当THI高于72时，奶牛的生产性能开始受到影响，所以将其作为热应激的阈值[14]。THI在73～79时，奶牛处于轻度热应激状态，呼吸频率开始增加。当THI大于78时，奶牛处于极度不适状态，无法维持温度调节机制和正常的身体温度。有研究发现，当THI高于80时，奶牛处于中度热应激状态，机体通过呼吸频率的增加和直肠温度的升高来缓解THI过大而引起的不适[15]。

2 热应激对奶牛生理营养的影响

热应激会影响奶牛产奶量[16-17]。当环境温度高于30 时，将影响能量平衡并导致产奶量下降[5,18]。当THI低于70时，奶牛的干物质采食量和产奶量几乎不受THI波动影响；而当THI由70升高至80时，奶牛的干物质采食量和产奶量显著下降，其降幅分别达20.0%和23.0%[19]。在热应激的影响下，牛奶蛋白含量降低，乳蛋白组分也会发生变化，牛奶营养品质降低[19-20]。乳蛋白成分中酪蛋白、β-乳球蛋白和免疫球蛋白含量减少，而α-乳白蛋白、乳铁蛋白含量和溶菌酶活性升高[20]。热应激的周期变化对奶牛泌乳的影响主要取决于热应激的程度及其持续时间，热应激的周期变化引起“热应激乳蛋白降低征”，即在热应激的周期变化中，乳蛋白的合成受到严重影响[21]。有研究表明，在热应激状态下，乳脂肪含量会有降低趋势[22-23]。乳糖是牛奶的主要成分之一，其变化可表现出机体乳腺组织是否正常代谢分泌[22]。权素玉[24]发现，在奶牛处于热应激状态下，牛奶中乳糖含量显著下降。体细胞数（SCC）被认为是评价奶牛和畜群水平上乳房健康和牛奶质量的指标[25]。Nasr等[22]研究表明，随着THI由低于70增加至高于80，SCC大幅度增加[22]。在夏季，SCC有升高趋势[23]，这也证明了高温会增加SCC。

3 热应激对泌乳性能的影响

3.1 诱导氧化应激热应激可促使皮质醇与儿茶酪胺释放，并诱导氧离子和氢氧根等自由基产生，促使细胞膜脂质过氧化物生成，从而引起氧化应激[26]。活性氧（ROS）是线粒体电子传递链中的中间代谢物[27]。ROS大部分是由细胞有氧呼吸作用加强产生，还可以通过氧化酶途径产生[28]。当金属离子存在时，ROS可在超氧化物歧化酶催化下生成活性较强的自由基[28]。由于自由基的作用，ROS破坏细胞内的脂类合成、导致蛋白质功能异常及合成异常[27,29-30]。当奶牛处于泌乳阶段，乳腺组织活动加强，乳的合成与分泌需要消耗大量能量，乳腺细胞的有氧呼吸加强，产生大量ROS，从而降低了机体的抗氧化能力，引起乳腺氧化应激产生。

热诱导氧化应激使泌乳期荷斯坦奶牛肝脏丙二醛（MDA）含量升高，肝脏组织中HSP70基因表达升高，Keap1和Nrf2基因表达上调[26]。细胞抗氧化机制中最重要的是Keap1-Nrf2-ARE信号通路介导的Ⅱ相解毒酶和抗氧化基因的转录[31]。Keap1-Nrf2-ARE信号通路可能有增加肝脏抵抗氧化应激的能力。在正常的生理状态下，Nrf2不与胞浆蛋白伴侣分子Keap1结合，但由于热应激影响，受到氧化剂或者亲电试剂作用，Nrf2与Keapl解偶联，在多种蛋白激酶作用下入核，并与核内的Mar蛋白结合形成异二聚体后结合ARE。从而介导Ⅱ相解毒酶和抗氧化基因的转录，起到抗氧化作用[32]。

3.2 影响机体激素代谢奶牛泌乳需要多种内分泌激素参与。在热应激状态下，奶牛采食量下降，导致内分泌机能紊乱，从而影响了泌乳性能；奶牛对各种营养成分的消化率也受到影响，机体需要克服由于热应激带来的不良影响，引起催乳素（PRL）和甲状腺激素T3、T4的分泌量下降，从而抑制排乳反射，导致产奶量下降[33]。在泌乳过程中，生长激素（GH）起着不可或缺的作用。生长激素轴对泌乳有正向的调节作用，可以提高产奶量，增加乳蛋白、乳脂肪和乳糖等含量[30]。GH可以直接与乳腺上的生长激素受体（GHR）结合，还可通过诱导肝脏产生胰岛素样生长因子I（IGF-I）产生，从而促进泌乳。在作用过程中GH和IGF-I具有抗胰岛素（INS）作用，促使血糖优先用于泌乳[34]。宋代军等[35]研究发现，热应激影响了奶牛的激素代谢，血清中INS有下降趋势，减少了乳中血糖含量[35]。

3.3 抑制乳成分合成热应激情况下，奶牛采食和消化粗饲料量减少，瘤胃pH降低，乙酸含量降低，导致乳脂率和产奶量下降[36]。由于热应激发生时，奶牛排汗量增加，增加体内的水分消耗，瘤胃内水分含量减少，引起瘤胃pH下降[19]。而瘤胃的pH发生变化，导致瘤胃内微生物发酵效率下降，使得挥发性脂肪酸减少，从而减少乳脂肪产量。

在热应激状态下，通过诱导乳腺细胞的凋亡减少了可用于乳蛋白合成的乳腺细胞数量，从而影响乳蛋白含量[33]。前人研究发现，GH、IGF-I、INS、PRL等激素通过调控JAK-STAT通路和mTOR基因表达等对泌乳过程中蛋白质合成产生直接或者间接的影响[37]。热应激可以增加mTOR基因和S6K1基因的表达量，但对JAK-STAT通路没有影响[38]。在热应激状态下，乳腺细胞中促凋亡基因BAX及与细胞凋亡相关的CASP3、COX2表达量增多[39]。

葡萄糖是乳糖合成的前体物质，其需要经过消化道吸收、肝脏的代谢及乳腺的利用等过程才能合成乳糖。肝脏和乳腺的功能可以直接影响乳糖的合成。奶牛在抗热应激的过程中，机体产生具有细胞保护作用的热休克蛋白（HSPs）。为了提高机体的耐受能力，HSPs表达量提高，消耗由血糖提供的能量增多[24,40]。因此，奶牛处于热应激状态下，为了缓解热应激对机体的影响，合成应激蛋白的组织和器官对葡萄糖的利用增加，从而减少了用于乳糖合成的葡萄糖[41]。

4 补饲添加剂对奶牛热应激的缓解效果

多项研究发现，在饲料中补饲添加剂可以缓解奶牛的热应激反应，从而提高产奶量、乳蛋白率和乳脂率，但对乳糖影响甚微。从表1可以看出，添加氨基酸类、维生素类或者含有微量元素的添加剂可以在一定程度上提高奶牛的产奶量，对乳成分影响较小；中草药添加剂对缓解热应激有一定效果；在日粮中添加蛋白质、过瘤胃蛋白和日粮阴阳离子平衡盐也可以使奶牛处于健康状态[50-51]。