慢性热应激对放牧肉牛血液生化指标、抗氧化能力及免疫功能的影响

2021-01-14王纯洁斯木吉德武思同曹佳明刘飞鸿敖日格乐

中国农业大学学报 2021年2期

陈浩王纯洁斯木吉德张晨武思同徐萍曹佳明刘飞鸿敖日格乐*

(1.内蒙古农业大学动物科学学院，呼和浩特 010018；2.内蒙古农业大学兽医学院，呼和浩特 010018)

当动物产生的热负荷超出其散热能力时，机体所做出非特异性反应总和被称为热应激[1]。随着全球气候变暖和养殖业集约化程度的加大，热应激给畜牧业生产和经济发展造成了巨大的损失。Ferreira等[2]研究指出热应激对美国奶牛产业每年造成了近20亿美元的损失；还有学者报道高温高湿环境所引发的热应激导致发展中国家养殖业的生产效率下降25%[3]。根据应激的强度和持续时间可分为急性和慢性热应激，急性热应激通常强度较大，持续时间为3～24 h；而慢性热应激的应激强度较为温和，且持续时间较长；通常由季节变化所引起的较温和的热应激属于慢性热应激，持续时间较长且在畜禽养殖生产中普遍发生。大量学者通过比较不同季节家畜生产性能的差异研究发现，与冬、春两季相比，夏季高温高湿环境可造成奶牛乳品质显著下降、繁殖性能降低以及疾病发生率升高等危害[4-5]。

当动物遭受应激时，其机体内分泌系统可通过多种激素调控机体的生理功能以维持内环境的相对稳定。有研究发现处于热应激状态下的奶牛甲状腺机能减退以减少机体产热[6]。黄牛遭受热应激侵袭时，其甲状腺激素分泌量显著降低[7]。当环境温度达到35 ℃时，奶牛血清中的甲状腺激素含量显著降低65%，极大降低了用以维持机体正常生理活动的甲状腺机能[8]。此外，热应激还可引起动物机体内自由基增多，破坏体内的抗氧化酶系统平衡，进而导致抗病力下降引发各种病理症状。据研究报道热应激可导致山羊的免疫功能和抗氧化能力显著下降[9]。也有研究表明热应激状态下肉鸡的抗氧化能力和平均日增重均显著下降[10]。目前，国内有关家畜热应激的研究主要集中于南方高温高湿环境所造成的严重热应激。董晓霞等[11]研究发现北京地区的奶牛每年有130 d以上处于热应激状态；徐明等[12]通过研究呼和浩特地区奶牛舍内温湿度年度变化规律，结果显示全年内奶牛共有144 d处于热应激期。

内蒙古草原夏季常出现极端高温天气，局部地区最高气温可超过40 ℃，而放牧肉牛在无遮阴处的草原上，极易遭受热应激的侵袭[13]。但目前关于内蒙古地区反刍动物热应激的研究多数集中于奶牛和羊，研究表明，热应激导致奶牛和羊的采食量下降，进而引起营养代谢病发病率升高并降低其生产性能，尚未有内蒙古地区肉牛热应激的相关研究。因此，本研究以放牧西门塔尔母牛为试验对象，探讨慢性热应激对放牧条件下西门塔尔母牛血液指标、免疫指标及抗氧化指标的影响，旨在为夏季放牧肉牛热应激相关研究提供数据支持和理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验在内蒙古自治区赤峰市阿鲁科尔沁旗巴彦温都尔草原的牧户家庭牧场进行，选取20头体况相近的健康西门塔尔母牛，全部试验牛均在同一天然草场自然放牧(牧草营养成分见表1)，自由饮水(草场内有天然河流)。试验分为热应激期(2019年7月15日—8月5日)和热应激恢复期(2019年8月6日—8月25日)2个阶段。

表1 放牧草场牧草养分

1.2 综合指数(CCI)测定

本次试验是以在天然草场全年自然放牧的肉牛为研究对象，所测的环境指标均为草场自然环境中的温度和相对湿度。试验期间，测定每天8:00、14：00 以及20:00时放牧草场的温度、相对湿度和风速，记录日照时间并根据Mader等[14]提出的综合指数(Comprehensive climate index, CCI)计算公式计算牧场的CCI：

CCI=T+RH+WS+RAD

式中：T为环境温度，RH为环境湿度校正数，WS为风速校正数，RAD为辐射校正数。

1.3 血清制备和血液生化指标测定

分别于试验期的最后一天清晨出牧前，颈静脉采集所有试验牛非抗凝血10 mL，室温静置0.5 h后 3 500 r/min 离心10 min，吸取上清液分装至 1.5 mL 离心管中，分离出的血清立即置于液氮罐中保存，带回实验室于-20 ℃冰箱中保存待测定。甲状腺素、三碘甲状腺原氨酸、生长激素、胰岛素样生长因子、尿素氮、葡萄糖、胰岛素和胰高血糖素含量检测试剂盒购自北京华英生物技术研究所；总抗氧化能力、超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶、丙二醛以及免疫球蛋白测定试剂盒均购自南京建成生物工程研究所，测定过程均严格按照试剂盒说明书进行操作。

1.4 统计分析

试验数据由Excel 2010处理后，采用SPSS 19.0软件进行配对样本T检验(Student’s T test)，并进行显著性检验，以P<0.05为差异显著性标准，结果均以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 牧草营养成分和综合指数测定结果

由表2可知，在试验第一阶段草场最高温度达到39.60 ℃，平均温度为30.40 ℃，CCI在此期间平均高达38.77，表明此阶段的西门塔尔牛遭受热应激侵袭；而试验第二阶段草场最高温度为28.60 ℃，平均温度为20.30 ℃，CCI为23.63，均未达到肉牛产生热应激的临界值；且根据表1显示试验期间牧草营养成分无显著变化，符合试验要求，可进行西门塔尔牛免疫及抗氧化功能的比较研究试验。

表2 不同试验期草场温湿度及CCI

2.2 慢性热应激对放牧牛血液生化指标的影响

慢性热应激对放牧牛血清激素的影响见表3。由表3可知，慢性热应激导致放牧牛平均日增重显著降低，且对放牧牛血清激素含量有显著影响。与热应激恢复期相比，热应激期牛血清T3、T4、GLU、INS和IGF-1含量显著降低(P<0.05)；热应激状态下放牧牛血清中BUN含量有升高的趋势，但差异不显著(P>0.05)；GH和GC含量在热应激和热应激恢复期差异不显著(P>0.05)。

表3 西门塔尔牛血清激素测定

2.3 慢性热应激对放牧牛抗氧化指标和免疫指标的影响

由表4和表5可知，慢性热应激对放牧牛血清抗氧化指标和免疫指标有显著影响。与热应激恢复期相比，T-AOC、SOD活性和血清中IgA、IgG、IgM和IL-2含量显著降低(P<0.05)；热应激期牛血清 IL-1β、IL-6和MDA含量显著增加(P<0.05)；而 IL-4 含量和GSH-Px活性在热应激和热应激恢复期差异不显著(P>0.05)。

表4 西门塔尔牛血清抗氧化指标测定

表5 西门塔尔牛血清免疫指标测定

3 讨论

3.1 慢性热应激对肉牛血液生化指标的影响

肉牛热应激是由环境温度、湿度、空气对流及自身产热等多种因素引起，其中环境温湿度是最主要的影响因素，因此综合环境温湿度、风速及日照时间的CCI是判断放牧条件下肉牛是否遭受热应激的重要指标[15]。一般认为当CCI>25时肉牛处于热应激状态；奶牛生产的可适应温度范围为-0.5～20.0 ℃，肉牛生长适宜温度是5～25 ℃[16-18]。本试验研究结果显示，试验前期草场平均温度为30.40 ℃，CCI达到28.77，已超出牛产生热应激的临界值，试验牛处于热应激状态；同理放牧牛在试验后期处于非应激状态。本试验根据热应激反应的持续时间，判定试验前期为慢性热应激期。

T3和 T4在动物机体能量代谢和生长发育过程中具有重要的作用[19]。何钦等[20]研究表明，热应激状态下奶牛血清中T3和 T4浓度显著下降，并导致营养物质消化率和乳品质降低；LARA等[21]通过研究慢性热应激状态下肉鸡生产性能的变化，发现慢性热应激显著降低了肉鸡的生产性能和血清中T3和 T4浓度，与本试验结果一致，这表明慢性热应激可导致放牧肉牛机体代谢能力降低，减少机体产热以适应高温环境。此外，本研究发现热应激状态下放牧肉牛血清中IGF-1含量显著降低，这可能由高温环境下机体代谢水平的下降所引起的。血清中BUN是蛋白质代谢的终末产物，其含量的高低可反映动物生长发育和营养状况[22]。Ikuta等[23]研究发现，奶牛血清中BUN含量和温度的升高呈显著正相关，这可能由高温环境下肉牛食欲降低、采食量下降导致其无法获取足够能量，氨基酸代谢加强导致血清中BUN升高。热应激状态下放牧肉牛血清BUN含量有升高的趋势，但差异不显著，这可能由动物遭受慢性热应激时，机体仍以糖类和脂肪分解为机体功供能。有学者研究发现动物血清GLU含量随环境温度的升高而降低[24-25]。血液中的GLU可通过氧化释放或转化能量方式为动物机体供能调节其生命活动；INS是由胰岛B细胞分泌的一类可调节GLU合成和转化作用的蛋白质激素[26]。本试验研究结果显示热应激状态下肉牛血清中GLU和INS含量均显著下降，这可能是由于母牛机体为调节血糖浓度而减少了INS的分泌量。

3.2 慢性热应激对西门塔尔牛抗氧化能力的影响

动物机体自身具有广泛的抗氧化防御机制，T-AOC、GSH-Px及SOD均是酶促体系中的主要抗氧化酶[27]。GSH-Px可通过清除体内过多的自由基以抑制机体脂质过氧化；SOD是机体内一种重要的抗氧化酶，在清除自由基和防止生物大分子损伤等方面具有重要作用；T-AOC代表机体防御体系的抗氧化能力[28-30]。由于抗氧化酶系统在不断地清除体内产生的自由基，因此自由基的产生和清除处于动态平衡中，从而保护机体在正常生长代谢过程中免受氧化应激损伤；若机体内的自由基不能被及时清除，体内积累的大量自由基可通过破坏细胞的结构和功能，使生物膜中的不饱和脂类发生脂质过氧化并形成脂质过氧化物，其最终产物即是MDA，因此其含量可间接反映自由基产生的情况和组织细胞的损伤程度[31]。动物机体生物膜功能一旦遭到破坏，将进而损伤蛋白质及核酸等生物大分子，导致机体代谢功能发生紊乱。当动物遭受应激时，其抗氧化酶系统平衡被打破，机体需耗费大量的抗氧化酶进行消除过多的自由基[32]。据研究结果表明，在遭受慢性热应激侵袭时，山羊血清SOD和GSH-Px等抗氧化酶活性显著下降，且MDA含量增加[33]。在肉牛研究中也发现，夏季肉牛血清中的抗氧化酶活性极显著低于春季[34]。白丹丹[35]通过研究季节变化对三河牛机体抗氧化能力的影响，也得出了类似的结果。本研究发现，热应激状态下西门塔尔牛血清中MDA含量相比于热应激恢复期显著升高，T-AOC和SOD活性显著降低，这与前人的研究结果一致。由于热应激可以导致诱导机体内自由基的产生量增加，为清除体内产生的过多自由基，西门塔尔母牛血清中GSH-Px和SOD被大量消耗，进而加快机体组织的脂质过氧化，导致其终产物MDA含量显著升高，西门塔尔母牛体内抗氧化酶系统平衡因此被打破，导致其T-AOC显著下降，这些结果均表明慢性热应激对西门塔尔母牛机体造成了一定的氧化损伤。因此，在夏季放牧草场中需要为放牧肉牛提供维生素[36]及矿物质[37]舔砖供肉牛舔食，以缓解高温侵袭所导致的肉牛抗氧化能力下降。

3.3 慢性热应激对西门塔尔牛免疫功能的影响

免疫球蛋白是一类当动物受到抗原刺激后产生的用以清除抗原的球蛋白，IgA、IgG和IgM可在机体特异性免疫中发挥重要作用[38]。Wu等[39]研究发现动物机体内免疫球蛋白的含量可能取决于应激强度、持续时间以及动物品种和体况。据研究发现，不同持续时间的热应激均可导致山羊血清中IgA、IgG和IgM含量显著降低，这表明在高温环境下，山羊机体的免疫功能受到抑制，严重损害了其体液免疫[9,33]。此外，热应激可导致肉牛血清中IgG含量显著下降[40]。本研究表明，西门塔尔母牛在慢性热应激期间血清中IgA、IgG和IgM含量显著降低，这与上述研究结果一致，表明慢性热应激抑制了肉牛的体液免疫功能。

IL-2 是一种主要由活化的T淋巴细胞产生的多效性细胞因子,具有广泛的生理与病理效应，可促进T细胞增殖分化，增强T细胞和NK细胞活性，机体内IL-2含量的多少可以间接反映出机体的免疫应答水平[41]。IL-4可诱导B细胞成熟并刺激其产生免疫球蛋白，对体液免疫具有重要调节作用[42]。有研究表明，慢性热应激状态下，山羊血清中IL-2含量有下降的趋势[33]。本研究发现，热应激状态下西门塔尔母牛血清中IL-2含量显著低于热应激恢复期，与马燕芬等[40]研究结果一致，表明慢性热应激可能降低了动物机体的免疫应答。然而大量关于急性热应激对畜禽血清IL-2水平的影响结果表明，急性热应激可导致血清IL-2含量显著增加[43-44]。这表明IL-2含量可能与热应激的持续时间相关，有必要设置不同梯度的热应激持续时间进行深入研究。Peli等[45]研究表明，肉牛在遭受慢性热应激侵袭时血清中IL-4含量显著升高，也有研究发现，慢性热应激状态下肉牛血清IL-4含量无显著变化[46]。本研究发现，热应激状态下西门塔尔牛血清中IL-4含量有下降的趋势，与上述结果热应激状态下动物血清中IL-4含量变化不一致，这可能与试验动物的品种或热应激状态下试验动物所处环境不同有关，有必要进行深入研究。促炎细胞因子IL-1β和IL-6的少量分泌可局部作用于免疫细胞，增强免疫反应，以缓解应激对机体造成的损伤，但过量分泌可造成组织损伤进而损害机体的免疫功能[47-48]。本研究表明，在遭受热应激侵袭时，肉牛血清中IL-1β和IL-6含量均显著增加，这与前人的研究结果一致。急性或者慢性热应激均可导致畜禽血清IL-1β和IL-6含量显著增加，这可能是由于免疫细胞细胞膜中的不饱和脂肪酸对机体氧化应激高度敏感，因此，当免疫细胞受到氧化应激后免疫功能下降，进而导致动物机体发生了炎症反应[49-50]。