苦马豆素对母畜繁殖机能的影响及防控

孙一丹 (西北农林科技大学 动物医学院，陕西 杨凌 712100)

豆科棘豆属(Oxytropis) 和黄芪属(Astragalus)植物能够以相似的毒害机理引起动物以神经功能紊乱为主的慢性中毒，人们将这类有毒植物统称为疯草[1]。疯草一词最早是由西班牙语Loco衍生而来，意指能够使动物发疯的毒草。疯草被认为是危害草原畜牧业最为严重的一类毒草，每年我国因疯草中毒而死亡的动物占畜牧养殖总量的近1/10[2]，造成西部草原畜牧业年几十亿元以上的严重经济损失[3]，严重影响了我国畜牧业的发展。采食疯草的动物常表现以神经调节机能紊乱为主的慢性中毒，这种中毒病又称为疯草病[4]。众多研究证明，苦马豆素(1,2,8-trihyroxyindolizidine,swainsonine,SW)是疯草植物中主要毒性成分，SW中毒动物主要表现出精神沉郁，食欲不振甚至部分特征性中枢神经症状等[5]。而SW中毒的母畜还会表现生殖机能障碍：母畜发情周期紊乱、难以受孕，孕畜出现流产、早产，产死胎、畸胎等现象[6]，严重破坏动物群体的繁殖力[2]，降低新生仔畜的出生率，导致草原畜牧养殖业重大经济损失，不利于我国西部草原畜牧产业可持续发展。

现主要从疯草毒素SW对母畜繁殖性能、生殖器官以及体内生殖激素的影响进行综述，并提出切实有效的防控措施，旨在探究SW对母畜生殖系统的危害，以期加深人们对疯草危害动物繁殖能力的重视程度，为保护草原动物珍稀物种及畜牧育种产业长期持续发展提供防控建议。

1 疯草的主要毒性成分SW

国内外学者依据疯草对动物毒性的作用不同，可将疯草的有毒成分分为3类：黄芪属植物含有的脂肪族硝基化合物，经机体吸收其消化道的水解产物3-硝基-1-丙醇(3-NPOH)或其代谢物3-硝基丙酸(3-NPA)在体内发生毒性作用[7-9]；某些黄芪属植物具有聚硒作用，是北美土壤富硒地区家畜发生慢性中毒的原因之一[7]，因采食富硒黄芪植物出现的中毒症状不同于疯草中毒，学者认为此种富硒黄芪植物并非疯草的一种；多数学者研究表明疯草内生物碱是引起动物急慢性中毒的主要成分，同时也是我国报道的疯草中毒的主要原因[10]。一系列研究表明，疯草主要毒性成分是吲哚里西啶生物碱类的SW[7,11]，且SW亦是引起动物疯草中毒特征症状的唯一毒素。目前疯草内生真菌的代谢产物已被证明为疯草中SW的主要来源[12]，人们现已从豆类丝核菌、金龟子绿僵菌和Undifilum属内生真菌[12]发酵液中提取到SW[13]，并逐步探索通过真菌发酵培养方式开发SW工业化生产[14]，旨在解决疯草植物提取SW及化学合成SW方法上技术和效率的不足。

2 SW对母畜繁殖性能的影响

疯草毒素SW具有家畜繁殖毒性，能够影响动物的生殖系统，降低动物的繁殖性能指标，不利于动物育种及品种优化。SW中毒的成年母畜表现出异常的发情行为，发情周期延长以及不孕不育的现象；怀孕母畜会发生流产、胎儿浸溶甚至诞下死胎、弱胎、畸形胎等。这不仅影响草场牲畜的繁殖性能，也妨碍了优良畜种的改良，不利于我国畜牧业稳定发展。过去调查研究发现，因采食甘肃棘豆[15]、黄花棘豆[16]等而发生SW中毒的山羊多表现发情周期紊乱、性欲下降，甚至孕山羊的阴道流出白色黏液，发生流产等异常症状，造成适龄母羊难以受孕、不孕不育的现象；而SW中毒孕羊多发流产，产出死胎、腐败胎、畸形胎，流产胎儿出现水肿、全身皮下出血等症状[17]，而分娩羔羊体质量明显低于正常山羊所产幼羔，有些出现四肢细弱无力、畸形甚至双目失明。而以小花棘豆中毒母羊乳汁为食的羔羊也出现精神沉郁、头颈部不自主水平震颤及后肢弯曲、难以行走等神经及运动障碍[18]。除山羊易发生SW的繁殖毒性外，SW中毒的绵羊、牛、马鹿及家兔均出现不孕不育、孕畜流产或产死胎的繁殖障碍[19]。实验室研究中，王毅[20]通过构建SW中毒小鼠模型发现症状与SW中毒山羊临床症状表现相似，发现试验组小鼠的各项繁殖性能指标显著低于对照组指标，SW的处理能够明显降低雌性小鼠的性欲及受孕能力，而剖检SW中毒妊娠16 d小鼠，发现其胚胎发育不良甚至发生胎儿浸溶，中毒孕鼠即使能够正常分娩，其吸吮中毒母鼠乳汁的仔鼠体质量和成活率相较对照组均有明显下降。而WU等[17]研究也表明SW中毒小鼠出现发情延迟或停止。临床调查及实验室研究均证明，SW能够影响动物的发情期及繁殖能力，降低雌性动物的繁殖性能指标如性欲、受孕能力、仔畜成活率等，严重危害草原畜牧业的可持续发展。因此，探讨SW影响雌性动物繁殖性能的机制对保护优良草原种畜、优化家畜品种具有重要的现实意义。

3 SW对母畜生殖器官的组织影响

SW中毒的母畜易发生流产，产弱胎、死胎、畸形胎等症状，其原因在于多种组织的细胞受到损伤，特别是卵巢黄体细胞[21]、卵泡细胞及胎盘绒毛膜上皮细胞表现不同程度的空泡变性以及因毒素刺激诱导胎盘滋养层细胞凋亡等病理变化[22]。SW的繁殖毒性及胚胎毒性主要在母畜的卵巢、子宫及胎盘等生殖器官发挥作用，导致中毒母畜明显的生殖机能紊乱、病理性流产与胚胎损伤。汤承等[23]剖检黄花棘豆中毒的流产孕山羊，病理组织学剖检发现其卵巢黄体细胞发生颗粒变性和空泡变性，同时胎盘充血、胎盘绒毛膜上皮细胞发生空泡变性[24]。绢毛棘豆中毒的山羊胎盘发育不良、子宫血管发育不良，孕羊产出畸形胎。

多种研究结果证明，疯草中的主要毒性成分SW通过抑制α-甘露糖苷酶的生物活性，阻止蛋白质合成过程，最终导致卵巢黄体细胞及胎盘绒毛膜上皮细胞发生空泡变性和坏死。研究发现SW阳离子的几何空间结构与甘露糖阳离子的半椅状结构具有一定的相似性[25]，且SW对α-甘露糖苷酶具有较高亲和性[26]，当SW特异性结合于α-甘露糖苷酶的活性作用位点时会导致其水解活性丧失。α-甘露糖苷酶主要参与胞内糖蛋白N-聚糖加工过程的修饰，对细胞蛋白质的加工、修饰具有重要意义。SW能够抑制溶酶体内α-甘露糖苷酶的正常生理活性，N-糖基化异常继而甘露糖不断累积，糖蛋白的合成异常而产生大量的混合天冬酰胺低聚糖，并堆积于溶酶体内，干扰溶酶体正常生理功能，引起细胞广泛性空泡变性及坏死[7,25]。若动物生殖器官细胞发生空泡化，影响生殖细胞正常生理功能的发挥，生殖器官也随着受损，造成动物繁殖性能下降。除此以外，SW同样可以抑制细胞内高尔基体α-甘露糖苷酶Ⅱ的活性，通过阻止去除糖蛋白α6臂上的甘露糖来导致杂化聚糖的产生，引起N-聚糖糖基化异常及特殊膜蛋白的表达，改变了细胞膜上的低聚糖结构，从而造成细胞内N-糖基化蛋白的加工及转运等过程的异变[27]，引起机体生殖系统中糖蛋白激素的正常合成及分泌。N-糖基化作为细胞蛋白翻译修饰过程中不可或缺的过程，对维持蛋白质构象，受体的识别与结合均发挥着举足轻重的作用，并对动物机体的生殖繁衍机能有重要意义。而SW作为一种α-甘露糖苷酶的特殊抑制剂，能够影响α-甘露糖苷酶Ⅰ和α-甘露糖苷酶Ⅱ的表达活性[20]，引起溶酶体α-甘露糖苷贮积症和细胞内糖蛋白合成异常，造成细胞空泡变性，影响机体正常生理活动。有研究证明，SW在高尔基体内发挥的抑制作用显著高于溶酶体[28]，细胞内糖蛋白的N-糖基化合成与修剪过程受到抑制，产生了多种杂合型糖链结构，从而改变细胞膜上的低聚糖结构，损伤细胞正常生理结构，机体的繁殖功能也随之出现异常。

在怀孕的牛[29]、绵羊和山羊[30]体内试验研究证明摄入含SW的植物可降低动物血液中孕酮的浓度，继而破坏卵巢功能，并伴有发情延迟，发情周期延长，不孕等临床症状。HUANG等[31]试验发现体外添加低浓度SW不会引起黄体细胞损伤，反而会通过影响孕酮合成关键酶来促进孕酮的分泌；而高浓度SW可以诱导小鼠黄体细胞凋亡并抑制其分泌孕酮。WU等[17]构建SW中毒小鼠模型发现SW易在子宫内高浓度蓄积，子宫严重受损，病理组织学表现子宫内膜固有层中存在含铁血黄素沉积，并且SW可以通过胎盘屏障和乳汁途径损伤后代小鼠。

已有研究表明，动物采食含SW的有毒植物后会破坏其胎盘组织结构并引起滋养层细胞病变甚至凋亡。董峰等[22]通过TUNEL 试验检测发现SW能够选择性的诱导山羊胎盘组织中的滋养层细胞凋亡，这提示SW对胎盘组织中的滋养层细胞可能具有较强的敏感性。部分生理或非生理刺激因素均可诱导滋养层细胞发生凋亡，这在整个妊娠期间均可发生。而SW作为一种毒素刺激，能够通过调节Bcl-2蛋白家族的表达激活线粒体介导的凋亡途径，引起胎盘滋养层细胞发生凋亡[22]。胎盘滋养层细胞的凋亡造成家畜胎盘的损伤，妨碍孕畜胚胎发育中妊娠识别、胚胎附植等过程，引发流产或弱胎、畸形胎。

4 SW对母畜生殖激素的影响

SW影响母畜繁殖性能和生殖器官的主要原因是由体内生殖激素分泌紊乱引起的。SW在损伤母畜生殖细胞的同时，也干扰了卵巢和胎盘对雌激素及孕酮的合成，进一步影响家畜繁殖性能。动物机体内存在的下丘脑-垂体-性腺轴是由下丘脑、垂体和性腺器官在促性腺激素释放激素、促性腺激素及性激素调节分泌过程中实现反馈与负反馈调节发情和生殖行为的一种内分泌系统，也是保持雌性动物正常生殖机能及繁殖性能的关键因素。现有多种试验证明SW能够通过直接影响生殖激素分泌[32]或通过影响激素受体的结构妨碍下游激素的分泌[33]。

4.1 SW对促性腺激素的影响SW作为一种N-聚糖合成抑制剂，因其分子学结构特点，能够竞争性地抑制N-聚糖加工过程中的关键酶活性[34]，破坏N-聚糖糖链结构，从而改变其糖基化修饰[35]，影响糖蛋白的正常分子结构及其生理活性。促黄体素(luteotropic hormone,LH)和促卵泡素(follicle-stimulating hormone,FSH)是母畜体内对分泌性激素和维持繁殖性能具有重要意义的两个促性腺激素。作为垂体分泌的一类糖蛋白激素，其结构均是由糖基化的α和β亚基以非共价键形式连接的异质二聚体[36-37]，其中,β亚基是识别并结合靶组织的特异受体的结构。未经N-聚糖糖基化修饰的糖蛋白不具有其生物学活性[36,38]，糖蛋白激素的分泌也会受到影响。SW通过抑制α-甘露糖苷酶的活性来妨碍体内促性腺激素等糖蛋白物质的糖基化修饰过程，从而影响LH和FSH正常生理活性。GREGG等[39]及苏忠超等[40]试验也证明了细胞中的α-甘露糖苷酶的活性受到SW的抑制。除α-甘露糖苷酶Ⅰ和α-甘露糖苷酶Ⅱ，亦有文献证明N-乙酰葡萄糖胺转移酶-Ⅰ和N-乙酰葡萄糖胺转移酶-Ⅱ在形成N-糖链分支结构过程中起着关键作用[41]，且SW也同样能够抑制该酶的活性。王毅[20]试验结果证明SW中毒的妊娠小鼠体内的α-甘露糖苷酶I、α-甘露糖苷酶Ⅱ、N-乙酰葡萄糖胺转移酶-Ⅰ及N-乙酰葡萄糖胺转移酶-Ⅱ的蛋白表达量均显著低于对照组。在N-聚糖加工过程中相关酶的活性受到抑制，则垂体糖蛋白N-聚糖糖链结构会发生改变，细胞内低聚糖大量蓄积，在破坏了生殖器官的细胞功能同时，也会引起促性腺激素分泌下降，引起母畜生殖机能障碍。

此外，生殖激素需与其受体结合才能有效发挥其生理活性，即使机体能够正常分泌促性腺激素，若没有相应的受体表达也不能行使其正常生理机能。已有研究表明SW染毒小鼠体内促性腺激素受体(FSHR、LHR)的基因及蛋白表达量均下降，导致FSH和LH难以通过卵巢上特异性受体所介导途径发挥功能，造成机体生殖激素分泌紊乱[20]和生殖机能障碍。其原因在于FSHR和LHR含有N-糖基化修饰位点，它们的合成同样受到糖苷酶与糖基转移酶影响[42]，SW对糖基化的抑制则会造成该受体表达下降[32,43]，使生殖激素分泌水平进一步降低。在SW影响糖蛋白类生殖激素分泌及降低其受体表达水平的双重作用下，促性腺激素与受体的有效结合率下降，FSH和LH难以发挥其正常的生理活性，导致母畜出现生殖机能紊乱。

4.2 SW对性激素的影响前人的研究表明，在棘皮动物性腺中分离纯化的α-甘露糖苷酶能够完全被SW所抑制，从而影响性激素分泌异常[44]。雌性动物体内主要的性激素有卵泡与胎盘细胞合成的雌激素(estrogen，E)以及黄体与胎盘细胞分泌的孕酮(progesterone，P)。两者能够维持机体妊娠，控制发情周期及分娩并促进青年母畜第二性征的发育与成熟。而这些性类固醇类激素的合成与分泌又受到下丘脑分泌的促性腺激素释放激素及垂体分泌的促性腺激素的调节。雌激素及孕酮主要由促性腺激素在调控相关激素合成关键酶(如固醇激素合成急性调节蛋白、细胞色素P450胆固醇侧链切割酶等)表达的过程中完成分泌，而这些性类固醇激素又能够反过来对促性腺激素起到负反馈调节的作用。SW通过抑制具有正常生理功能的促性腺激素分泌及其受体的表达水平，FSH和LH难以反馈至下丘脑-垂体-性腺轴，也就不能达到正常的性激素分泌水平。研究发现的SW中毒妊娠小鼠血液中FSH、LH、雌二醇和孕酮的表达量均显著下降也同样证实了这一点[32]。因此，在下丘脑-垂体-性腺轴及类固醇激素合成限速酶共同作用下，SW间接抑制体内雌二醇和孕酮的分泌，最终引起母畜体内生殖激素分泌紊乱，影响家畜的繁殖性能。

5 防控措施

疯草作为我国草原畜牧业三大危害之首，严重限制了中国西部草原畜牧养殖产业持续发展前景。因此提出铲除草原疯草、防控家畜疯草中毒的有效举措变成目前草原管理部门及相关科研工作者刻不容缓的任务。许多研究提出通过在疯草含毒量较低的时期放牧非易感性家畜如牦牛，利用家畜采食或踩踏等方式破坏了疯草的生长点[45]，使之难以生长成熟并结实，能够达到降低草场的疯草密度、防治易感家畜中毒的目的，此外接种疯草病原菌、引入食植性芫菁等昆虫等方法均可有效防控草场疯草化。应用合理的脱毒方法或与牧草间歇饲喂等途径能够在冬春缺乏新鲜牧草的时节为家畜，特别是妊娠母畜提供充足的饲料。这样不仅能避免家畜发生疯草中毒，还能给家畜提供丰富的营养，极大地提高了草原养殖的经济效益。

6 小结

疯草中毒首次报道至今已近150年，疯草的主要毒素SW引起动物中毒机理现已研究较为全面、清楚，而对于SW影响母畜繁殖机能的机制仍缺乏系统性整理与讨论。通过对SW对母畜的各项繁殖机能指标、生殖器官的组织病理学变化以及体内下丘脑-垂体-性腺轴相关的生殖激素的影响进行综述，总结了SW损害雌性动物生殖系统的临床表现、组织细胞损伤和对内分泌系统的分子水平调控机制，探讨SW中毒的母畜出现繁殖机能损伤的原因，旨在提高草原牧民与科研工作者对SW危害动物繁殖能力的重视程度，为保护中毒母畜的繁殖性能，降低草原畜牧养殖业经济损失以及畜牧育种产业长期持续发展提供防控建议。