热应激对种公猪繁殖性能影响的研究进展

闫益波，焦福林，李文刚

（山西省农业科学院畜牧兽医研究所，山西 太原 030032）

1 引言

温度是畜牧业的生产过程中备受关注的环境因子之一，广泛地影响哺乳动物的生理状态、生长发育、繁殖过程和生产性能。Young等[1]通过研究动物产热与环境温度之间的关系，提出了动物的“热中性区（Thermoneutral Zone,TMZ）或等热区（Zones of Thermal Comfort,ZTC）”这一概念，在热中性区内动物机体可借助行为变化和生理化学过程维持体温恒定和内稳态。当环境温度超出临界温度上限时，常引起动物的热应激（Heat Stress,HS）反应[2-3]。动物的热应激反应主要有：产热量增加、排汗量增多、中枢神经系统兴奋性降低等；轻度热应激反应表现为体温调节、水盐代谢、心血管系统及神经内分泌系统等功能的改变，但是若热应激过度，则可能出现热损伤，甚至导致不可恢复的功能丧失[4]。

猪是一种温度敏感性（temperature sensitive）动物，由于其皮下脂肪较厚，汗腺不发达，热调节机制较差，机体代谢过程产生的热量较难通过皮肤蒸发，因此很不耐热。据文献报道，猪繁殖性状的遗传力介于0.1～0.3之间，属于低遗传力性状[4]，遗传因素影响较小，环境因素的影响较大。在实际生产过程中，季节性的高温和集约化养殖方式引起的热应激行为，影响着猪的生产性能和繁殖性能。猪的正常体温约为38～39.5℃，最适宜的环境温度一般为18～24℃，公猪对环境温度尤其敏感[5-6]，高温对于其繁殖性能的影响十分显著，因此全面研究热应激对种公猪繁殖性能的影响，深入探讨其生理机制和调控机制，对采取合适降温措施和营养调控措施，保护生猪产业健康发展具有积极的意义。

2 热应激对种公猪繁殖性能的影响

种公猪的繁殖性能主要由性欲、精液质量与肢蹄结实度3方面共同决定[7]。在实际生产中，性欲低下和精液品质差是导致种公猪淘汰的两大主要原因[8]。大量研究已经指出，高温引起的热应激显著影响了种公猪的性欲和精液品质，导致后备母猪的受孕率和胚胎成活率显著降低。

2.1 热应激导致种公猪性欲低下

种公猪的性欲直接决定着采精的效率，同时也决定了种公猪的使用年限，制约着生猪产业的经济效益。研究结果表明高温环境会导致公猪性欲降低，当外界环境温度升高后，公猪性欲明显降低，但轻度热应激造成的不利影响会随着环境温度改善而逐渐消失[9]。研究也发现，夏季季节性高温会导致16%公猪不能采精[10]。

2.2 热应激导致种公猪睾丸退化、精液品质变差

种公猪的精液品质常用精液量、精子密度、精子活力及精子畸形4个指标衡量[11]。一般而言，公猪每次射精量介于200～300 mL之间，精液中包含10×109～10×1010个精子[12]。

猪的正常体温约为38～39.5℃，最适宜的环境温度一般为18～24℃。在适宜的温度范围内猪睾丸内动脉血的温度一般低于35℃，静脉血的温度低于33℃，使得睾丸内的温度明显低于核心体温，为精子正常的发生过程提供了良好的低温环境。高温引起的睾丸温度上升是影响种公猪繁殖性能的主要原因，热应激可能导致精子形成过程发生紊乱，精子形态发生变化（近端原生质滴未移行脱落、顶体异常、头部缺失、尾部弯曲等）[13]，精子活力降低，有效精子数量较少，进而影响母猪的受孕率和胚胎的成活率。如表1所示，大量的研究证明季节性高温或者人工控制高温处理过程会显著影响种公猪精子正常形成，从而影响种公猪的繁殖性能。

不同程度的热应激引起的变化也不尽相同。当环境温度高于27℃持续14 d，公猪精子活力降低，异常精子数目增加；环境温度高于30℃时，每上升1℃，精子活力下降0.1。刁宁宁等[4]认为精母细胞对温度敏感性高，因而热应激引起的不利影响在精子形成期更加明显。当睾丸温度达到36℃，持续2～3周内会出现畸形精子；睾丸温度达到40.5℃时，精子生成严重受损，持续3 h后精子几乎全部丧失活力。精子形成期，精母细胞对温度敏感性高，热应激引起的消极影响更加明显。精子生成后贮存于附睾中呈休眠状态，此时热应激两周后精液质量才明显下降。

表1 热应激对种公猪繁殖性能的影响

3 热应激影响公猪繁殖性能的生理机制

3.1 热应激引起的紧密连接结构的破坏，影响了种公猪的繁殖性能

睾丸组织中，睾丸支持细胞（Sertoli cell,SC）和生精细胞通过紧密连接形成的“血睾屏障”对于精子的形成具有重要的作用。一方面，睾丸支持细胞为发育中的精子提供必要的物理支持和营养。另一方面，血睾屏障的存在将生精上皮分为基底室和近腔室，为精子的发育提供了相对稳定的环境，例如血睾屏障有效阻止淋巴液和组织液进入近腔室，保证近腔室中精母细胞的分裂、分化和精子的变态过程在相对稳定的环境中进行；同时血睾屏障将各级精母细胞和免疫系统隔离开来，阻止机体免疫反应对精子产生不良的影响。研究发现，紧密连接形成与3种跨膜蛋白密切相关，闭锁蛋白（Occludin）、封闭蛋白（Claudins）、连接 黏 附 分 子 （junction adhesive molecule,JAM）。热应激对于精子产生的不良影响，可能是通过影响紧密连接蛋白的表达，影响支持细胞间的紧密连接结构，从而引起精子发生障碍。

热应激下，支持细胞紧密连接结构的破坏作用与AMPK通路调节相关。AMP依赖性蛋白激酶[Adenosine 5'-monophosphate(AMP)-activated protein kinase,AMPK]通路是真核细胞内摄取、转运、利用葡萄糖和脂肪酸等能量物质的主要通路，广泛参与着细胞内的糖脂代谢、细胞凋亡、血管再生等诸多生理过程。AMPK的激活过程与细胞内AMP/ATP的比值、肝脏激酶 B1（Liver Kinase B1,LKB1）和钙调蛋白激酶激酶（Calmodulin-dependent protein kinase kinase,CaMKKβ）表达状况密切相关。已有研究指出，在应激状态（高温、活性氧增加）下细胞内AMP/ATP比值升高，AMPK即被激活。AMPK通路及其调控因子在热应激的调控、睾丸支持细胞紧密连接形成中的重要作用，已经在个体水平[20-21]和细胞水平[22]上得到了大量的验证。在种公猪的研究[23]中，体外培养的睾丸支持体外细胞中经热（42℃）处理过程中，其上游信号分子CaMKKβ表达量下降，仅为对照组的46%，ATP水平降低，AMPK活性受到抑制，紧密连接蛋白（occludin和claudin-11）的表达量显著下降，体外细胞发育受阻，紧密连接结构无法正常形成。

AMPK通路中，热应激也引起了葡萄糖转运载体（GLUT18）的变化[24]。GLUT1-8负责了葡糖糖的摄取和转运过程，是细胞内糖代谢的主要调节因子。睾丸组织中，各级精细胞需要丰富的营养物质供给以顺利完成其减数分裂或有丝分裂过程，保障精子的正常形成。研究表明种公猪睾丸组织中GLUT1、GLUT5、GLUT8均有表达，热应激（42℃）条件下，这些因子的表达量显著增加，生精细胞对葡萄糖的利用加快，造成睾丸内葡萄糖和糖原水平下降，蛋白质合成系统发生不可逆损伤，代谢水平改变，精子发生严重受阻。

3.2 热应激引起的激素分泌紊乱，影响了种公猪的繁殖性能

精子的发生受下丘脑-垂体-睾丸轴及其相关激素的调节，例如下丘脑分泌促性腺激素释放激素（GNRH）、黄体生成素（LH）和卵泡刺激素（Follicle Stimulating Hormone,FSH）。睾丸温度过高会减少雄激素的合成，而雄激素可以刺激精子生成，延长精子在附睾内的寿命；同时睾丸组织合成睾酮能力下降，而睾酮可以刺激生精细胞的分裂成熟。对睾丸细胞进行34℃、8 h连续处理90 d后，其雄激素合成能力明显降低，血中睾酮浓度明显下降[10]。

3.3 热应激引起的细胞凋亡过程，影响了种公猪的繁殖性能

热应激导致凋亡蛋白的高表达，和精细胞凋亡过程的加速可能导致了种公猪的无精症和少精症[25-26]。细胞凋亡过程，受到Bcl-2、线粒体细胞色素C（Cyt-C）、凋亡蛋白酶活化因子1（Apaf-1）、含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶9（Caspase-9）蛋白的共同调节。细胞受到外界刺激后，胞质中Bcl-2蛋白表达量的变化，改变了线粒体的通透性，细胞色素C进入细胞质，与凋亡诱导因子Apaf-1相互结合，并激活下游Caspase-9，诱导细胞凋亡过程。研究发现，热应激（40～42℃）条件下猪睾丸Apaf-1和Bcl-2在间质细胞中表达量升高，而Caspase-9于减数分裂后的生精细胞表达量升高，影响精子发生，导致精液品质下降[24，26]。

高温引起的热应激，导致细胞内活性氧（Reactive Oxygen Species,ROS）数量高于正常水平，也诱导了细胞的凋亡过程，影响精子的正常发生[27]。正常生理状态下，ROS能够增强精子磷脂酶的活性，促进顶体反应，调节精子对卵细胞的黏附过程。然而，过量ROS常与精子活力降低，精子畸形率增加密切相关，研究指出过量的ROS可能会破坏细胞的蛋白质和DNA，破坏细胞膜导致膜流动性下降，诱导生殖细胞发生凋亡等。热应激（42℃，3 h）下种公猪睾丸细胞内活性氧水平显著使睾丸细胞线粒体形态学发生改变，诱发细胞氧化损伤，进而可能影响睾丸的生殖功能[28]。

4 小结

热应激会造成种公猪性欲低下，精液品质变差（采精量下降，精子活力降低，精子形态变化，畸形率增加）等许多消极影响，这些变化与热应激引起的睾丸支持细胞紧密连接结构破坏，AMPK调控通路变化，生殖激素分泌紊乱以及细胞凋亡加剧等多种生理机制密切相关。深入研究热应激与种公猪繁殖性能之间的关系，有助于理解在实际生产过程中通过营养措施减弱或消除热应激的负面效应的机制（例如维持电解质平衡，添加维生素C等措施很可能与活性氧的调节相关），并辅之以必要的降温措施，能够有效改善种公猪的繁殖性能。