母牛妊娠后期营养摄入对后代的影响

张鹏虎 张彩霞 彭全辉

(四川农业大学动物营养研究所,牛低碳养殖与安全生产四川省高校重点实验室,成都 611130)

从配种受胎到分娩,母牛会经历9个多月的漫长妊娠过程。从第6个月开始直至分娩,胎儿体重会呈指数级变化,怀孕母牛则通过加快心率、增强肌肉组织分解代谢以及减缓瘤胃组织代谢,以满足胎儿对营养的巨大需求[1],这个阶段被称为妊娠后期。妊娠后期是胎儿肌纤维膨大、脂肪细胞形成的关键时期,会对后代的生长发育产生深远的影响[2]。虽然与奶牛相比,肉牛对胎儿的营养供应相对较低[3],但普遍粗犷的饲养管理方式,使得多数肉牛在妊娠后期容易出现营养不良,进而对自身和后代产生负面影响。与营养状况良好的个体相比,营养不良的初产母牛产犊时的体况评分较低,身体能量储备较少,导致产犊的时间间隔长,繁殖效率低下[4]。

母牛的营养状况也通过胎盘影响犊牛的生长发育。母牛产前体重越大,其胎盘越重,初生犊牛越重[5]。此外,母牛还可以通过传递微生物来帮助犊牛建立生命早期的肠道微生物系统[6-7],增强断奶犊牛对呼吸道疾病的抵抗力[8]。妊娠后期母牛蛋白质的缺乏会导致胎儿宫内发育迟缓[9],这可能增加其出现葡萄糖-胰岛素代谢紊乱的风险[10]。母牛妊娠后期的营养补饲可以提高后代的初生重,上调与肌肉及脂肪细胞发育相关的基因表达[11],改善其出栏屠宰后的胴体品质[12]。因此,本文拟对母牛妊娠后期的营养摄入对后代的影响和机理进行综述,以期通过妊娠后期母体营养调控来为实现肉牛的优质高效生产提供借鉴。

1 妊娠后期母牛营养摄入对后代的影响

1.1 能量

研究表明,安格斯母牛产前40 d饲喂70%维持净能(NEm)需要量的饲粮降低了断奶犊牛接种疫苗后的血浆糖皮质醇和结合珠蛋白含量以及牛病毒性腹泻病毒(bovine viral diarrhea virus,BVDV)1a型血清效价,增加了其对呼吸道疾病的易感性[13]。Chen等[14]在妊娠最后45 d,对安格斯母牛饲喂110%、100%和90%NEm需要量的饲粮发现,高能组新生犊牛血清白细胞介素-2和白细胞介素-4含量、总抗氧化能力以及超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性显著高于低能组,而血清皮质醇和丙二醛含量显著低于低能组,表明母牛妊娠末期较高的能量摄入可以提高犊牛出生时的免疫力和抗氧化能力,改善机体健康。母体妊娠后期的能量摄入不足会对胎儿肌肉生长产生潜在的消极影响,并可能导致其发育受阻[15]。Ramírez等[16]研究发现,经产安格斯母牛在妊娠后期减少25%的能量摄入并不影响后代的生长性能和胴体性状,而进一步将能量摄入降至50%,则显著降低了后代的平均日增重和胴体重,这可能与食欲控制和糖代谢受损有关。此外,能量限饲可能通过损害垂体发育而对后代机体代谢和生命早期生长发育产生不利影响。有研究表明,母牛妊娠中后期限制能量饲喂水平(70%需要量),显著降低了雌性后代从出生到70日龄的体重以及第485天屠宰后的垂体质量和垂体生长激素含量,但提高了内脏脂肪重量[17]。相较于饲喂干草或玉米干酒糟及其可溶物,饲喂玉米的妊娠后期母牛所产后代在葡萄糖耐受试验中胰岛素反应最剧烈,且葡萄糖清除率较高,但屠宰时大理石花纹评分最低,表明母牛妊娠后期高淀粉饲粮提高了后代犊牛对胰岛素的敏感性,促进了机体组织对葡萄糖的摄取和利用,但降低了肌内脂肪的沉积能力[18]。由此可知,母牛妊娠后期能量摄入过低不利于后代健康状况的维持和生长潜力的发挥,甚至降低高档肉产量。

1.2 蛋白质/氨基酸

即使在非妊娠情况下,饲喂低品质牧草的母牛仍要接近7%粗蛋白质水平的饲粮才能维持瘤胃微生物对牧草的有效利用[19]。在妊娠后期,为母牛分别提供粗蛋白质水平为6%或12%的饲粮,结果表明,6%粗蛋白质组母牛所产犊牛头围和胸围较小;育成后的屠宰试验结果表明,低蛋白质饲粮降低了屠宰率和眼肌面积[9,20]。前人研究表明,母牛妊娠后期补饲蛋白质提高了犊牛的断奶重以及阉牛后代的胴体品质[21-22]。Hare等[23]研究发现,为妊娠后期母牛提供高代谢能(133%需要量)饲粮,后代犊牛肌肉组织中有助于肌肉生长的糖酵解酶丙酮酸激酶(PKM)和与肌内脂肪沉积相关的受体过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)基因表达上调,说明母牛妊娠后期饲喂高蛋白质饲粮有利于犊牛肌肉生长和肌内脂肪沉积。

蛋氨酸是妊娠后期饲喂低品质饲粮钙母牛的限制性氨基酸[24]。研究表明,为妊娠后期母牛添加0.09%干物质采食量(DMI)的过瘤胃蛋氨酸,提高了犊牛后代的初生重,促进了其出生后前2个月的生长发育[25-26]。但也有研究表明,自由采食百喜草的围产期母牛,在补饲甘蔗糖蜜和尿素基础上,每周额外添加105 g的蛋氨酸羟基类似物并不会对母牛的体况以及后代犊牛初生重、采食量和平均日增重等产生显著影响[8,27]。甚至有报道表明,围产期放牧母牛每周额外添加105 g蛋氨酸羟基类似物后,后代犊牛肌肉组织中编码线粒体叶酸途径相关酶的亚甲基四氢叶酸脱氢酶2(MTHFD2)、醛脱氢酶1家族成员L2(ALDH1L2)和亚甲基四氢叶酸脱氢酶[烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)依赖]1样(MTHFD1L)基因以及参与氨基酸运输与合成的溶质载体家族7成员5(SLC7A5)、溶质载体家族3(SLC3A)、磷酸丝氨酸磷酸酶(PSPH)、磷酸丝氨酸氨基转移酶1(PSAT1)、磷酸甘油酸脱氢酶(PHGDH)和胱硫醚β合成酶(CBS)等基因表达下调,可能会抑制叶酸循环,减少蛋氨酸的再生,并对蛋白质的沉积产生不利影响,从而使后代犊牛的生长发育受限[28]。综上可知,适当提高母牛妊娠后期的蛋白质饲喂水平对后代生长发育有利,而蛋氨酸的添加效果有待进一步验证。

研究表明,产前57 d至产后17 d,以甘蔗糖蜜与尿素组合的形式每周2次以干物质为基础共7.2 kg为放牧母牛进行补饲,显著提高了断奶犊牛接种疫苗后BVDV1a型和流感病毒的血清转阳率,增强了犊牛对呼吸道疾病的抵抗力[8]。但是Zago等[12]研究指出,在妊娠中后期,摄入过量的高能、高蛋白质精补料会降低犊牛60和205日龄的体重,进而延缓肉牛育成期的时间,降低肉牛养殖的经济效益。因此,该如何对妊娠后期的繁殖母牛进行科学合理的补饲有待进一步研究。

1.3 脂肪酸

Brandão等[29]研究表明,母牛妊娠后期饲粮中添加195 g/d大豆油钙盐,提高了初乳以及犊牛出生后24 h内血浆中免疫球蛋白G的含量,降低了呼吸道疾病的发病率;此外,也上调了犊牛背最长肌中与脂肪形成相关的脂肪酸结合蛋白4(FABP4)、生肌分化因子(MyoD)、肌细胞生成素(myogenin)、PPARγ和硬脂酰辅酶A去饱和酶(SCD)基因表达,并使雄性后代平均日增重以及育成屠宰后的热胴体重分别增加了0.13 kg/d和16 kg。

妊娠母牛脂肪酸摄入可以改变犊牛体内不饱和脂肪酸的状态,且对其代谢调节以及免疫反应都有重要作用[30]。Marques等[31]研究表明,与棕榈酸和油酸等饱和脂肪酸相比,母牛妊娠后期饲粮中添加190 g/d以二十碳五烯酸、二十二碳六烯酸和亚油酸为主的多不饱和脂肪酸钙盐,使断奶犊牛的平均日增重提高了0.1 kg/d,肥育期体重提高了25 kg,屠宰后热胴体重增加了16 kg,且大理石花纹也得到了显著改善。相较于多不饱和脂肪酸,160 g/d饱和脂肪酸与单不饱和脂肪酸的补饲虽然显著增加了后代肉牛的断奶重和断奶前的平均日增重,但皮下脂肪中成脂基因锌指蛋白423(ZFP423)的高表达,则说明单不饱和脂肪酸可能促进皮下脂肪沉积,并且其肥育期增重/饲料比值呈下降趋势,饲料效率降低[32-33]。综上可知,妊娠后期母牛多不饱和脂肪酸的补饲效果最佳,能够提高后代生长性能和育成后屠宰胴体性状。

1.4 矿物元素

常量元素和微量元素对维持肉牛体内的生理生化过程有重要意义。钙和磷作为骨骼的重要组成部分,在体内储存量大,可动员量高,一般不易缺乏。但在母牛妊娠后期,尤其是围产期,由于胎儿骨骼的快速发育与母体采食量的急剧减少,使得矿物质摄入和需求严重不平衡,因而出现低磷血症的比率相对较高[34],但缺磷的母牛对外源补磷反应迅速。研究表明,在妊娠的最后16周,仅10～12 g/d的总磷摄入量就足以维持肉牛正常的血磷水平、粗饲料采食量和消化率[35]。肉牛的产奶量较奶牛低得多,因此对钙的需要量远低于奶牛,所以不容易发生钙缺乏症,而对于妊娠后期营养严重不良的肉牛而言,由于其对体内矿物质稳态调节能力较差,因而容易出现低钙血症[36]。马晓玲等[37]比较了安格斯犊牛(3月龄)、育成牛(10月龄)、围产期牛(产后15 d)和育肥架子牛(14月龄)血清中钙、磷以及相关激素的含量,结果表明,围产期安格斯肉牛血清中磷的含量正常[(4.09±0.13) mg/dL],而钙的含量[(8.96±0.26) mg/dL]偏低,甲状旁腺激素含量[(39.85±0.43) μg/mL]偏高,说明母牛在围产期缺钙,甲状旁腺活动增强,甲状旁腺激素分泌增加以提高血钙水平。但相关研究表明,营养状况良好的母牛在妊娠后期和泌乳期血清中钙和磷含量均在正常生理范围内,但在分娩后血清中钙的含量显著下降,磷的含量无显著变化,而在泌乳期,两者又都显著提高,说明乳腺活动增加,体内更多的钙、磷动员正在发生[38]。因此,在营养摄入充足的情况下,肉牛可以通过自身调节来维持体内钙和磷的稳态,因而在妊娠后期乃至泌乳期一般不容易出现钙和磷的缺乏症,但两者由于分娩和泌乳所带来的正常波动却是存在的。

母牛在妊娠后期和泌乳期分别通过胎盘和乳汁为后代提供微量元素[39]。研究报道,母牛妊娠后期和泌乳早期在饲喂基础饲粮的基础上补饲3 mg/d的无机硒或有机硒后,并不影响犊牛断奶前的体重和平均日增重;而与无机硒相比,补饲有机硒提高了后代犊牛的采食量,这可能对其后期的生长发育有积极影响[40-41]。母体孕期缺铜会对胎儿产生诸多负面影响[42],而放牧的牛群尤其容易出现低铜血症。Rodríguez等[43]研究发现,对于缺铜的安格斯经产母牛而言,在妊娠后期分2次补充总量为160 mg的无机铜可以显著提高母体及子代血清铜含量,且对子代的影响可以一直持续到160日龄,并在一定程度上提高了犊牛的生长性能,表现为从出生到75日龄平均日增重的提高,其中公犊和母犊分别提高了0.05和0.15 kg/d。有报道显示,为妊娠后期母牛补充有机复合微量元素,降低了呼吸道疾病的发病率,提高了后代的断奶重以及屠宰时的热胴体重[44]。报道表明,相较于无机矿物质补充剂而言,母牛妊娠中后期添加有机络合复合微量元素上调了犊牛断奶时肝脏SOD的基因表达,可能提高了其抗氧化能力,减少了生殖细胞发育过程中活性氧的产生,保护了卵巢细胞和卵泡免受内源性活性氧的影响,加速了雌性后代的青春期发育,具有改善繁殖性能的潜力[45-46]。由此可见,母牛妊娠后期补充有机微量元素可能提高后代的生长性能和繁殖性能。

1.5 维生素

维生素可以作为辅酶或辅基参与体内各种生化代谢反应,而妊娠后期是胎儿发育的高峰期,母体新陈代谢加快,对维生素的需求也相应增加。维生素A是一类脂溶性维生素,主要储存在肝脏,反刍动物的饲粮类型和瘤胃的发酵速率决定了维生素A的供应量。研究表明,母牛妊娠后期补饲高水平的维生素A(78 000 IU/d)提高了母体和产犊牛血清维生素A含量,犊牛初生重增加了4.2 kg,同时上调了肌肉中生肌因子6(MYF6)、生肌因子5(MYF5)和MyoD基因的表达,可能激活了Wnt/β连环蛋白途径,促进了肌肉细胞的分化;另外,PPARγ、细胞外信号调节激酶2(ERK2)、Krüppel样因子2(KLF2)的高表达则表明维生素A的添加可能对前脂肪细胞的分化有积极作用[11]。

维生素E是生育酚类物质的总称,具有抗氧化活性,一般在鲜嫩的牧草中含量较多,而对于冬末春初采食低质冬季牧草或干草料的妊娠母牛来说,维生素E摄入相对匮乏。Bass等[47]研究表明,母牛在冬季末产犊前1个月进行维生素E的补饲(1 000 IU/d),提高了第205天时犊牛的断奶体重。Kafilzadeh等[48]则比较了口服和肌肉注射2种不同的维生素E补充方式对妊娠后期母牛的影响,结果表明,2组的乳成分、母牛繁殖性能以及犊牛生长性能均无显著差异。目前,对于母牛妊娠后期补饲维生素的研究相对较少,但从现有文献来看,妊娠后期补饲维生素A和维生素E对后代犊牛的生长发育的提高和肉品质的改善有益处。

2 妊娠后期母牛营养摄入影响犊牛的机理

2.1 调节犊牛肠道菌群定植

虽然不清楚犊牛肠道菌群是如何建立的,但研究表明,犊牛直肠与母牛口腔微生物区系存在显著的相似性,而与其粪便和阴道前庭微生物区系相似度较低,说明口腔微生物能够穿过黏膜屏障,从而对犊牛生命初期肠道微生物的定植产生相对较大的影响[6]。Zhu等[7]研究表明,母牛还通过脐带[(23.80±2.21)%]、胎盘[(15.57±2.20)%]、初乳[(14.4±1.9)%]、羊水[(11.2±1.7)%]和牛粪[(10.5±1.0)%]中微生物菌群的传递来影响新生犊牛后肠微生物的定植,而脐带中的微生物配比度最高,对肠道菌群定植的贡献最大。有报道表明,犊牛肠道微生物的定植在出生前就开始了,且出生前7 d肠道菌群变化非常快;在门水平上,出生时厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)相对丰度较高,出生24 h后则以厚壁菌门和变形菌门为主,而7日龄时厚壁菌门、拟杆菌门和放线菌门又占据主导[6]。由此可见,犊牛生命早期肠道菌群的建立与母牛息息相关,而妊娠后期的营养摄入会通过母体来影响胎儿,因此显得尤为重要。Elolimy等[49]报道,在母牛产前的最后28 d每日添加0.09% DMI的瘤胃保护性蛋氨酸,可使断奶前母牛犊粪便中具有更多瘤胃球菌属(Ruminococcus)和梭杆菌等丁酸产生细菌,可能诱导其后肠产生更多的挥发性脂肪酸,进而保证肠道上皮充足的能量供应;同时,补充过瘤胃蛋氨酸组母牛犊胎粪中类诺卡氏菌科(Nocardioidaceae)、拟无枝酸菌属(Amycolatopsis)丰度更高,会产生抗菌化合物,清除肠道病原菌,从而改善肠道健康,这种增益效果在断奶前仍存在。综上所述,母牛妊娠后期的营养摄入会产生母体效应,进而对后代生命早期肠道菌群的建立产生影响,而肠道菌群组成对犊牛健康至关重要。

2.2 保证血糖稳衡

Long等[17]研究表明,母牛妊娠后期的能量限制(70%需要量)会减少雌性后代胰岛素的产生或降低胰岛素敏感性,导致清除外周葡萄糖能力减弱,使血糖水平显著升高,进而转化为脂肪储存,同时垂体质量降低,生长激素(growth hormone,GH)细胞数量显著减少,GH的分泌减少,进而降低肝脏胰岛素样生长因子1水平,并降低了对脂肪的分解作用,进一步促进了脂肪的沉积,两者共同作用使犊牛内脏脂肪含量显著提高。母体的营养不良会导致犊牛胎儿胰腺组织中β细胞凋亡比率显著增加,整体数目显著降低[50]。Maresca等[9]研究表明,与12%粗蛋白质水平的饲粮相比,在妊娠后期为母牛提供粗蛋白质水平为6%的低蛋白质饲粮,造成了胎儿宫内发育迟缓,对胰腺的生长发育产生了负面影响,而使胰岛β细胞数量减少或对血糖的敏感性降低,因此犊牛出生后60 d的血糖水平显著升高,而胰岛素含量并未发生显著变化。Keomanivong等[51]在母牛前中后3个不同妊娠阶段进行不同营养水平[100%或60%NRC(2000)]的饲粮转换,并分3次进行屠宰试验,结果表明,母牛妊娠后期充足的营养摄入可以在一定程度上缓解妊娠前中期的营养摄入不足对腹中胎儿胰腺的影响,表现为胰腺蛋白质含量和胰蛋白酶活性的显著提高。此外,母牛妊娠后期较差的营养状况会导致后代在生命早期血浆瘦素含量较低,可能提高了食欲,促进了犊牛的补偿生长,以弥补母体营养不良所带来的消极影响,但随着生命进程的推进,血浆葡萄糖、瘦素与胰岛素含量总维持在较高水平,可能导致胰岛素和瘦素的双重抵抗[52-53]。由此可见,从血糖稳衡的角度来看,妊娠后期的充足的营养是有必要的,可缓解母牛妊娠前中期营养不良所造成的胎儿宫内发育迟缓,促进胰腺发育,进而改善体内的糖代谢,对后代的后期生长发育有积极意义。

2.3 促进肌细胞和脂肪细胞分化增殖

Costa等[54]在妊娠后期为母牛分别提供含50或100 g/kg过瘤胃蛋白质的饲粮,结果表明,高过瘤胃蛋白质组45日龄犊牛肌纤维数量显著高于低蛋白质组,骨骼肌中纤维脂肪前体细胞标记物血小板衍生生长因子受体α(PDGFRα),成脂标记物ZFP423、PPARγ、CCAAT增强子结合蛋白α(C/EBPα)和成纤维细胞标志物转化生长因子β(TGFβ)基因显著上调,而卫星细胞标志物配对盒7(PAX7)基因显著下调。卫星细胞是包裹在肌纤维基膜下的肌肉干细胞,卫星细胞被激活后,成肌细胞增殖分化,随后PAX7基因下调[55]。因此,PAX7的下调说明可形成更多的肌纤维。而不同于肌源性卫星细胞,纤维脂肪祖细胞是脂肪细胞和成纤维细胞共同的祖细胞,且增殖分化时表达PDGFRα[56-57],因而它的上调有利于脂肪与肌肉细胞的形成。TGFβ是一种促纤维化生长因子,可以激活纤维化级联反应,并启动成肌细胞向肌成纤维细胞的分化,进而促进受损骨骼肌的肌肉再生[58]。此外,作为前脂肪细胞的转录调控因子与早期标志物,当ZFP432高表达时,祖细胞向前脂肪细胞定向分化加快,脂肪形成活跃[59-60]。C/EBPα在脂肪细胞的分化中的作用是诱导和维持PPARγ水平[61],而PPARγ则是脂肪生成的“主调节器”,两者共同的表达促成脂肪细胞的终末分化[62]。正是这些调控因子的共同作用,使后代肌肉纤维数量与肌内脂肪形成增加[54],最终提高高档肉产量。研究表明,与补充饱和脂肪酸与单不饱和脂肪酸的母牛相比,妊娠后期补充160 g/d多不饱和脂肪酸能够降低后代皮下脂肪中ZFP432的表达,可能减少了皮下脂肪的生成,进而改善了胴体品质[32]。Brandão等[29]研究表明,母牛妊娠后期饲粮中添加195 g/d大豆油钙盐,上调了后代犊牛背最长肌中与肌肉和脂肪形成相关的FABP4、MyoD、myogenin、PPARγ和SCD的基因表达。其中FABP4和SCD是PPARγ的靶基因[63],是调节脂肪生成途径中的关键酶[64],前者还参与脂肪细胞的分化,并作为细胞内的脂肪酸伴侣[65];而后者则被认为是一种脂肪生成酶,在不饱和脂肪酸的生物合成中发挥关键作用[64],且其表达量与脂肪细胞的膨大呈正相关[66]。MyoD和myogenin则作为肌细胞表达的调节因子,通过调节肌肉发生过程、肌肉纤维的分化和融合来促进肌肉的生长[67]。综上所述,妊娠后期母牛的营养摄入影响后代肌肉和脂肪生成相关的基因表达,最终影响肉质。

3 小 结

综上所述,犊牛出生后的健康状况、生长性能以及最终的肉品质在很大程度上决定于母牛妊娠后期的营养摄入。尽管妊娠母牛营养需要相对较低,但低于正常营养需要会导致胎儿宫内发育迟缓、出生后免疫力低下、犊牛生长沉积过多的皮下脂肪和内脏脂肪,降低出肉率和高档肉产量。母牛妊娠后期科学的营养供给是提供优质犊牛、青年牛和育肥原料牛的先决条件,必须加以重视。