动物繁殖性能的影响因素研究进展

贾京荆，王 磊

（石首市动物疫病预防控制中心，湖北 石首 434400）

研究证实，一切与生殖繁育有关的现象都受到“下丘脑-垂体-性腺轴”调控［1］，通过科学方法寻找影响这一调控机制的因素是研究动物繁殖性能的重要路径。随着遗传育种学理论发展的不断深入，越来越多影响动物遗传潜力的因素，特别是影响动物繁殖性能的因素被揭示。影响因素研究的焦点既包括基础的遗传繁殖选育方法、季节变化对繁殖的影响，也包括基因层面的催乳素基因、甲状腺基因表达的调控，还包括有机化合物、无机化合物等的变化以及中草药物添加剂的应用对动物繁殖性能的影响。总结分析这些影响动物繁殖性能的因素，旨在更好地了解动物遗传育种中繁殖方面的潜力，为畜牧业的健康发展和优质遗传资源的延续提供理论参考。

1 中国畜牧业发展情况

2023 年5 月，中国农业科学院发布的《中国农业产业发展报告2023》显示，2021 年中国畜牧业竞争力指数在135 个国家中排名第5 位，总体竞争力较强，但仍有不少“卡脖子”的问题亟待解决。中国蛋禽产业竞争力指数在108 个国家中排名第1 位；生猪、肉羊和肉禽产业竞争力指数分别在112、108、109 个国家中排名第6 位、第5 位和第7 位；肉牛产业和奶业竞争力指数分别在124、132 个国家中排名第34 位和第42 位。2021 年中国生猪和肉鸡的出栏率分别为美国同期水平的86%和35%，料肉比分别是美国同期水平的1.1 倍和1.3～1.4 倍，生猪生产成本是美国同期水平的1.7～1.9 倍。报告显示，中国生猪、肉牛、肉羊、奶牛以及肉鸡优良品种对外依存度高，其中白羽肉鸡自主培育的品种仅占15%。中国畜牧业整体呈大而不强的状态，畜牧业的发展质量亟待提高。畜牧业生产中畜禽遗传育种对提高畜禽生产效率的贡献最高，为40%，饲料为20%，疫病防治为10%，饲养管理水平为20%，其他为10%。提升优良品种畜禽的繁殖性能，可迅速扩大良种覆盖率，提高动物生产效率，显著增加经济效益，对中国畜牧业遗传育种板块以及整体行业的持续健康发展至关重要。

2 动物繁殖性能的影响因素

2.1 动物遗传育种方法

随着现代生物技术的发展，分子育种技术显示出强大的生命力，逐渐成为动物育种的趋势和主流，而动物分子育种将成为21 世纪动物育种的主要方法。基因组选择是一种标记辅助选择形式，其使用覆盖整个基因组的遗传标记，以便所有数量性状位点与至少1 个标记处于连锁不平衡状态。基因组选择提高了育种的效率和准确性，并广泛应用于许多动物物种的纯种育种。然而，有研究表明，杂交育种中基因组选择的准确性有待提高，特别是在杂交种群中的准确性。作为养猪业应用广泛的育种方法，杂交育种具有重要的潜在研究价值和经济价值，可以通过与基因组选择相结合来进一步提高性能［2］。道德育种涉及使用在行为和外表上忠于其物种的健康动物，并在适用的情况下表现出可持续的性能。对物种∕品种的关注是育种目标的重要组成部分，包括保护物种∕品种遗传资源以及个体动物的健康和福利。在开发新的生产品种或伴侣动物时，往往没有优先考虑道德和福利方面的因素。动物育种实践正日益成为动物福利辩论的一部分。在生产动物中，繁殖的重点是性能，即数量实体和财务收入［3］。使用基因组信息预测未来的表型或育种价值以供选择的候选者已成为标准，然而大多数基因组预测程序只考虑与多态性标记相关的加法（或替代）效应，考虑非加性遗传变异模型的实施可能更有意义，因为其可以提高预测能力，同时可用于定义植物和动物育种方案中的配偶分配程序，以及可从杂交育种或纯种育种方案中的非加性遗传变异中受益［4］。提升繁殖性能是研究遗传育种领域的重要方向，是迅速扩大良种覆盖率、提高动物生产效率、显著增加经济效益的重要手段，对中国畜牧业健康持续发展至关重要。

2.2 动物季节性繁殖机制

栖息在温带的生物表现出各种季节性适应行为，包括繁殖、冬眠、蜕皮和迁徙等。光周期是无噪音和广泛使用的环境线索，使动物能够预测即将到来的季节并相应地调整自身生理机能。虽然不太明确，但动物的一些人类特征也表现出季节性，如出生率、情绪、认知大脑反应和各种疾病［5］。动物利用光周期的变化使其生理适应即将到来的繁殖季节，比较研究有助于了解脊椎动物季节性繁殖的机制。鸟类是研究这些现象的理想模型，因为它们对光周期的变化反应迅速。鸟类的深部脑光感受器感知光信息并将其传递到垂体中的结节部（PT），在那里产生促甲状腺激素（TSH）。这种PT-TSH 通过诱导基底下丘脑中2 型脱碘酶的产生局部增加生物活性甲状腺激素T3 的水平，而T3 水平的增加反过来又控制季节性促性腺激素释放激素的分泌。在哺乳动物中，眼睛是唯一的光感受结构，夜间褪黑激素分泌编码日长信息并调节PT-TSH 信号级联反应［6］。总之，这些研究揭示了季节性的光照变化对动物繁殖行为影响过程中激素水平的调控方式，各激素之间的相互作用机制及其影响动物生理状态的机制还需要更加深入的研究。

2.3 催乳素受体（PRLR）基因

催乳素（PRL）是脊椎动物中应用比较广泛的激素，并且在调节不同谱系繁殖方面起着关键作用。催乳素（PRL）是由哺乳动物的垂体分泌的一种多效神经激素，通过机体血液循环系统到达大脑以外的许多组织和器官。PRL 与其受体PRLR 结合，引起1 个分子信号级联，通过这个系统调节哺乳动物的相关行为，促进女性生殖组织和器官的明显改变［7］。生长激素受体（GHR）和催乳素受体（PRLR）是同源跨膜细胞因子受体，每个预同源二聚体和配体结合是通过诱导受体同源二聚体内的构象变化来激活Janus Kinase 2（JAK2）信号转导器和转录激活因子（STAT）信号通路。在人类中，GHR 由生长激素（GH）激活，而PRLR 由GH 和PRL 激活［8］。夏冬季个体下丘脑、卵巢和睾丸PRLR表达水平显著高于春秋季，夏冬季个体促卵泡激素（FSH）和促黄体生成素（LH）血清浓度显著低于春秋季。PRLR基因在下丘脑、卵巢和睾丸中的表达水平与FSH 和LH 血清浓度呈负相关，说明PRLR基因可能负向调节季节性生殖活动。卵巢和睾丸PRLR基因表达水平显著高于下丘脑，表明PRLR基因在性腺中的调节作用可能明显高于下丘脑。此外，春、夏、秋、冬季，女性下丘脑和性腺PRLR基因表达水平显著高于男性，表明PRLR基因的调节作用可能有性别依赖性［9］。哺乳动物PRLR 的主要特征包括蛋白质细胞外部分的2 个二硫化物键和1 个WS 基序，两者都是正确加工所必需的，但似乎在PRL 配体的结合中不起作用［10］。研究人员基于生物信息学预测，验证了circ-CYP24A1 与miR-224 以及miR-224 与PRLR 之间的结合关系。功能试验表明，circ-CYP24A1 通过结合和抑制miR-224 调节增殖和凋亡，导致PRLR基因表达增加［11］。PRLR基因与动物繁殖性状密切相关，利用PRLR基因的作用机制，将其作为影响动物繁殖性能的候选基因有重要意义［12］。

2.4 促甲状腺激素受体（TSHR）基因

促甲状腺激素受体（TSHR）是一种糖蛋白激素受体，在鸟类和哺乳动物繁殖时的代谢调节和光周期控制中起重要作用。已有的全基因组关联研究表明，TSHR基因与生殖有关，其功能在女性生殖中被鉴定出来，但很少有研究报告TSHR基因的多态性，鲜见报道绵羊TSHR基因的分子突变［13］。家鸡比其主要祖先红原鸡性发育更快，长得更大，产卵更多，其在驯化过程中选择的几种候选遗传变异基因已被确定，但只有少数研究将它们与不同的表型性状直接联系起来。值得注意的是，促甲状腺激素受体（TSHR）基因的一种变体在过去1 000 年中处于强烈的正向选择下，但其功能和作用机制在很大程度上仍未明确。虽然家养TSHR 是所有研究的家禽种群中常见的变异体，并且在2 个红原鸡种群之中，但在其他Gallus物种中未检测到。在功能上，与野生型TSHR 个体相比，具有国内TSHR 变异的个体在下丘脑中的TSHR表达较低，在甲状腺中的表达略高。TSHB 和DIO2 是鸟类性成熟和繁殖的2 种调节因子，在家禽变种鸡的脑垂体中表达较高。此外，国产变体与露天试验中的更高活性有关。研究证实，家养TSHR 变体的传播仅限于家养鸡，在较小程度上，它们的野生对应物为红原鸡。此外，TSHR遗传变异性的影响反映了先前描述的红原鸡和家鸡之间基因表达和行为的关键差异［14］。甲状腺激素几乎存在于所有组织中，并对生长、代谢、繁殖和细胞分化起关键调节作用［15，16］。Hugues 等［17］研究表明，下丘脑TSHR 与促甲状腺激素β 亚基（TSHβ）结合间接刺激甲状腺激素（TH）分泌，刺激下丘脑-垂体-性腺轴，以此调控季节性繁殖活动。对TSHR 的结构功能特性的研究已取得了一定的进展，相信其在提升动物繁殖性能方面会发挥很大的作用。

2.5 牛磺酸对雌性哺乳动物繁殖的影响

牛磺酸又名牛胆酸、牛胆碱、牛胆素，是一种广泛存在于哺乳动物体内的游离氨基酸，发挥着多种生理功能，如参与大脑发育、视觉传导、生殖调控、抗氧化及机体免疫等，具有广阔的生产与生活应用价值。在不同发情阶段小鼠的卵巢中，牛磺酸呈周期性表达。Lobo 等［18］在研究牛磺酸在雌性生殖系统中的表达时发现，在输卵管中，牛磺酸主要定位于腔上皮的纤毛柱状上皮和无纤毛柱状上皮细胞中；在子宫中，牛磺酸只在发情后期、间情期大鼠子宫的腔上皮和腺上皮中表达。牛磺酸可以改善卵母细胞质量，促进减数分裂，提高卵细胞受孕概率［19］。牛磺酸可以维持精子活力，提高精子存活率，在受精过程中也发挥了有益作用。范晶晶等［20］研究发现，牛磺酸还参与调节胚胎的着床过程，是胚胎着床成功的关键调控物质。牛磺酸是人体的必需氨基酸，参与众多生命活动进程，不仅在中枢神经系统、循环系统及肝胆系统中发挥重要的生理功能，也与动物生殖过程密切相关。

2.6 金属铜元素对动物繁殖的调控作用机制

动物机体中铜属于微量元素，但起到的作用却非常重要［21］，铜参与机体的氧化反应供能、参与造血相关的铁代谢、参与钙磷代谢调控骨骼发育等。铜在哺乳动物肠道中的摄取和输送至其他器官由铜转运体Ctr1 介导完成［22］。铜元素经过消化吸收进入体内后，通过血液循环到达全身各处组织器官，进而调节相关生理活动。杨连玉等［23］研究表明，铜可以经过血液循环穿过血脑屏障沉积在下丘脑、垂体等神经中枢，影响下丘脑-垂体-性腺轴，调节促性腺激素释放激素（GnRH）、促性腺激素以及性腺激素之间的反馈与负反馈来调控生殖和性行为。Peacey 等［24］研究表明，铜-GnRH 复合物比单独使用GnRH 更能触发促性腺激素释放，但铜过量会诱导卵母细胞和精原细胞的自噬基因（Autophagy-related gene，ATG）和相关蛋白质的表达，导致生殖细胞内线粒体断裂和异位并产生大量的活性氧、自由基，进而破坏性腺，对动物繁殖造成不利影响。可见，在繁殖动物不同种类以及不同阶段，提供合理剂量的微量元素铜或替代物对动物生殖系统的健康具有一定必要性。

2.7 褪黑素对动物繁殖的调控作用机制

褪黑素（Melatonin，MLT）因可以使两栖类动物皮肤色泽变浅而得名，最早是从牛的松果腺提取得到，所以也称为松果腺素。褪黑素是一种以色氨酸为基质合成的昼夜节律性胺类激素，其分泌表达量随着昼夜变化而变化，在夜间的表达量高于白昼［25］。褪黑素在动物机体中参与许多生理过程，作用广泛，如调节胃肠道运动［26］、抗肿瘤、抗氧化、延缓卵巢衰老、增强免疫力以及调节动物生殖机能［27］等。褪黑素经脑脊液或血液循环途径调控下丘脑-垂体- 性腺轴进而调节动物的繁殖活动［28］。褪黑素的表达主要受光照影响，光信号通过视网膜传递到下丘脑，最后传递给松果体，调控松果体分泌褪黑素，因此，褪黑素是光信号与生殖活动中的重要信号激素。史建民［29］的研究表明，通过体外额外注射褪黑素，可以提高母畜的发情率和生育率。对种公畜而言，精子的运动活力直接关系到其生产性能，而精子线粒体直接影响精子的运动能力，是精子运动的能量源，其结构与功能的改变直接影响精子的运动能力。褪黑素可使精子的存活率和直线运动的比例显著增加，大大提高种公畜的精液质量［30］。在实际生产中，精子活化是精子能否完成受精作用的关键。Vinod 等［31］研究表明，褪黑素可以通过调控精子细胞内的Ca2+代谢，减少NO 产生，进而减少自由基引发的精子活力损伤，从而促进精子的超活化。Berlinguer 等［32］研究指出褪黑素可以通过上调卵丘扩展基因的表达和表皮生长因子受体的表达水平，促进卵丘扩展增强促黄体生成素（LH）以及人绒毛膜促性腺激素（HCG）的作用，促进卵母细胞成熟相关基因的表达，进而提升卵母细胞成熟效率。在卵母细胞成熟的过程中，褪黑素通过影响细胞凋亡相关基因的表达，可以降低卵母细胞成熟过程中的氧化损伤，提高母畜卵细胞的质量。褪黑素及其受体在动物生殖器官中普遍存在，对于动物的繁殖机能具有很大的影响，结合外界环境和动物机体情况合理选择适当的调控方式，对提高动物繁殖力、促进畜禽生产业发展有很大帮助。

2.8 中草药添加剂对动物繁殖的调控作用机制

中草药添加剂来源于自然界，具有天然结构状态和生物活性，且保持了外源精华活性。天然中草药中含有蛋白质、糖、脂肪、氨基酸、微量元素等营养成分，对动物的生长发育、繁殖性能的提升和改善起到一定的营养调控作用［33］。中草药的不同组成及结构成分发挥不同的作用，有些中草药如松针、白术、当归等能诱导母猪发情、增加泌乳量、提高产仔数，从而提高母猪的繁殖性能［34，35］。

大量研究表明，在饲料中添加中药制剂能够增加动物采食量，提高动物免疫力，改善动物体质，促进生殖激素的分泌，提高动物的繁殖性能。常见中药材如当归、黄芪、淫羊藿以及益母草等，在实践中广泛应用于子宫发育、催情促产以及消除生殖系统炎症方面。刘心雨等［36］通过在公猪日粮中添加一定比例的菟丝子和淫羊藿显著改善了公猪精子活力；张铁英等［37］报道了在种鸡日粮中加入不同剂量的以黄芪和柴胡为主的中草药添加剂的研究结果，表明加入0.3%的中草药添加剂，可显著提高产蛋率和种蛋孵化率。基于上述研究，结合经典中医药理论发现，中草药饲料添加剂对提高种猪繁殖性能具有很高的应用前景。

3 小结

通过文献梳理，对影响动物繁殖潜力提升的多种因素进行分析总结，旨在为动物遗传育种提供一定的理论参考，以更好地作用于生产实践。当然，围绕着“下丘脑-垂体-性腺轴”以及各生殖相关的组织器官，影响动物遗传育种和动物繁殖性能的因素还有很多，一些新的技术也会逐步应用到生产实践中，还需要更多的深入研究来进行探索，后续的研究还需要继续进行。