■M.V.Sanz-FernandezS.K.StoakesJ.S.JohnsonM.Abuajamieh J.T.SeibertS.C.PearceN.K.GablerR.P.RhoadsL.H.Baumgard

(1.愛荷華州立大學，艾姆斯愛荷華州50011；2.弗吉尼亞理工大學暨州立大學，布萊克斯堡弗吉尼亞州24061)

熱應激(HS)影響動物飼料效率，給畜牧業(yè)的發(fā)展、遺傳選擇、營養(yǎng)和藥學進展方面帶來不利的影響。尤其是HS導致養(yǎng)豬業(yè)經(jīng)濟損失嚴重，具體表現(xiàn)為母豬生產(chǎn)性能降低、生長受阻，屠體質(zhì)量下降、獸醫(yī)成本增加和顯著的經(jīng)濟負擔(在美國，每年因熱應激造成的養(yǎng)豬業(yè)的經(jīng)濟損失超過300美元/年)(St Pierre等，2003；Pollman,2010)。當環(huán)境條件發(fā)生改變，無論是超過或者低于動物的適溫舒適區(qū)，營養(yǎng)成分就會從合成產(chǎn)品(肉、奶等)轉移為維持體溫，從而影響效率。另外，遺傳選擇瘦肉型豬會降低豬的耐熱性，增強蛋白質(zhì)沉積導致基礎產(chǎn)熱增加(Brown-Brandl等，2004)。雖然良好的管理(例如：冷卻系統(tǒng)，VanBaale等，2005)可部分緩解HS對牛的負面影響，但是在夏季其生產(chǎn)力還是會持續(xù)下降。Luber等（2008）報道，在大多數(shù)美國動物產(chǎn)區(qū)模擬夏季極端條件模型預測出HS對動物福利和生產(chǎn)的不利影響，在預測全球持續(xù)變暖情況下(IPCC，2007)將可能成為一個更大的問題。因此，HS可能是限制動物蛋白生產(chǎn)的主要因素，會繼續(xù)危及糧食安全，尤其是在發(fā)展中國家(Baumgard等，2013)。因此，目前迫切需要更深入地了解HS是如何改變養(yǎng)分利用率和最終降低動物生產(chǎn)力的。明確HS是如何危害動物生產(chǎn)性能的生物學定義，弄清楚這一點是為改善當前生產(chǎn)問題和提高動物福利及生產(chǎn)性能而研發(fā)一些方法（遺傳、管理、營養(yǎng)和制藥）的關鍵。

1 生產(chǎn)反應

在熱負荷時降低采食量是跨物種高度保守的反應，這大概是企圖減少代謝產(chǎn)熱(Baumgard等，2012；圖1)。大多數(shù)認為，熱應激對生產(chǎn)的不利影響已經(jīng)完全歸因于飼料攝入量的不足(Beede等，1986)。然而，我們最近的研究發(fā)現(xiàn)：分別給予適溫和熱應激環(huán)境下的奶牛、肉牛和生長豬在同一營養(yǎng)水平，但兩個溫度條件下各自的生產(chǎn)反應卻不同(Rhoads等，2009；O’Brien等，2010；Pearce等，2013a)。這使我們假設HS是通過直接和間接作用(經(jīng)由降低飼料攝入量)來影響動物生產(chǎn)性能。

圖1 熱應激對采食量和日增重的影響

1.1 哺乳期

奶牛產(chǎn)奶對熱應激是非常敏感的，其產(chǎn)奶量降低到35%～40%并不罕見(West,2003)。這并不只是在奶牛上有影響，熱應激也顯著降低母豬泌乳期的產(chǎn)奶量(Messias de Bragance等，1999)。我們的試驗證明在環(huán)境誘導高溫情況下，采食量的降低僅僅只能影響奶牛產(chǎn)奶量減少量的大約35%～50%(Rhoads等，2009；Wheelock等，2010)；表明隨著奶產(chǎn)量下降超過預期水平時，HS打亂了營養(yǎng)攝入量和奶產(chǎn)量的關系。

1.2 生長期

熱應激顯著降低生長動物的營養(yǎng)攝入量。然而，與泌乳模型比較，在生長動物上鑒別應激間接或者直接作用對生產(chǎn)力降低多少很難。主要是因為當測量總體增重變化時沒有考慮組織增生成分。例如，熱應激母豬(Prunier等，1997)和小母牛(Ronchi等，1999)體重和體況不會改變太多，與它們在適溫時采用對飼法一樣的，我們最近證明這結果也適用于生長(Pearce等，2013a；見圖1)。因此，降低飼料采食量可以作為解釋生長動物生產(chǎn)性能降低的大部分原因，但是熱應激的直接效應可能是改變了組織合成的層次結構。

豬飼養(yǎng)在HS條件下降低肌肉量和增加了脂肪組織(Close等，1971；Collin等，2001)。這種現(xiàn)象不只是在豬上出現(xiàn)，HS也改變嚙齒動物(Schmide等，1967)和生長家禽(Baziz等，1996)屠體成分。此外，我們最近研究證明，由受熱應激母豬所生產(chǎn)的仔豬更易于增加每日脂肪，而不是蛋白質(zhì)沉積(Johnson等，未發(fā)表數(shù)據(jù))，突出了在懷孕期間環(huán)境條件對后期生長性能的深遠影響。熱應激引起營養(yǎng)攝入量降低和抑制生長，但另外一方面卻增加屠體脂質(zhì)沉積和減少屠體氮含量，這是有悖常理的。在適溫條件，豬限飼在損失沉積脂肪時會沉積蛋白(例：屠體脂肪與蛋白質(zhì)比例下降)和每單位能量消耗沉積脂肪的量減少(Van Milgen等，2003)。因此，豬在熱應激條件下的飼料攝入量和體成分之間的關系是完全相反的，是獨立的營養(yǎng)面。盡管都知道對經(jīng)濟效益的影響巨大，但是很少知道熱應激是怎樣直接或者間接改變豬的代謝和營養(yǎng)分配。

2 代謝反應

上述生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明HS改變代謝與根據(jù)期望計算出來的整個身體的能量平衡不同。研究都證明，在熱應激情況下嚙齒動物(Sanders等，2009)、豬(Pearce等，2013a)、羊(Sano等，1983)和牛(Shwartz等，2009)盡管在采食量顯著降低的情況下其血漿NEFA水平仍然降低，尤其是與適溫條件下采用對飼法的飼喂組相比時情況更為明顯(見圖2)。此外，我們最近也報道：與適溫條件下采用對飼法的飼喂組相比，熱應激的牛和豬NEFA降低伴隨腎上腺素的變化(Baumgard等，2011；Sanz-Fernandez等，2013a)。熱應激動物的脂肪組織分解脂肪的能力變?nèi)?，導致嚴重的營養(yǎng)限制，通常與循環(huán)中NEFA的水平相關(Bauman等，1988)。

圖2 熱應激對血漿中NEFA和胰島素的影響

本試驗報道血漿中胰島素濃度增加與Itoh等(1998)關于熱應激對反芻動物影響、Hall等（1980）關于惡性高熱豬模型和Torlinska等（1987）的熱應激嚙齒動物模型的報告結果一致。另外，葡萄糖耐受試驗研究結果表明，熱應激的母牛和犢牛與對飼組相比胰島素增加，而葡萄糖的處理更快或者保持不變(O’Brien等，2010；Wheelock等，2010)。我們在使用高胰島素正常血糖技術也證明受熱應激的小牛(Rhoads等，2009)和泌乳牛(Skrzypek等，2010)對胰島素的敏感性提高，正如應激動物要求更多的葡萄糖來維持血糖。相似地，生長豬的葡萄糖耐受試驗發(fā)現(xiàn)由于胰島素對葡萄糖的反應引起胰島素的敏感性增加(Sanz-Fernandez等，2013a)。在熱應激期間整個體內(nèi)葡萄糖的利用增加，但是不同組織對此效應的影響仍然不清楚。我們的奶牛試驗結果表明，在熱應激期間骨骼肌可能有輕度胰島素抵抗，在某種程度上與減少營養(yǎng)攝入量相關(Cole等，2011)。因此，葡萄糖利用增加機理仍然未知。免疫系統(tǒng)是一個潛在的葡萄糖接受者，正如下面描述的，由于熱應激對腸道健康的有害影響可能受到刺激，一旦激活，免疫細胞變成葡萄糖的專用者(Mclver等，2008)，這就可能引起全身營養(yǎng)的轉移分配，以便于免疫系統(tǒng)利用葡萄糖(Baumgard等，2013)。

3 熱應激和腸道健康

熱應激調(diào)節(jié)營養(yǎng)分配的機理還不清楚，可能是通過對腸道健康和功能的影響來調(diào)節(jié)的。在熱負荷的情況下，腸道是首先上調(diào)熱休克蛋白的組織(Flanagan等,1995)。熱應激時，為了更好的散熱，機體中的血液更多的流向外周組織(Lambert等，2002)，導致腸道缺氧(Hall等,1999)。腸細胞對氧和營養(yǎng)缺乏特別敏感(Rollwagen等，2006)，導致ATP消耗、氧化應激和亞硝化應激(Hall等，2001)；進而引起緊密連接功能紊亂、腸道形態(tài)變化，最終導致腸道屏障功能下降(Lambert等,2002;Pearce等,2013b)。總的來說，熱應激增加了進入血液的腸道內(nèi)物質(zhì)（如革蘭氏陰性菌分泌的內(nèi)毒素）(Hall等，2001；Pearce等,2013b)。在中暑的病人中，內(nèi)毒素血癥很常見(Leon,2007)，而且因為降低腸道細菌(Bynum等，1979)或中和血漿內(nèi)毒素后(Gathiram等,1987)存活率增加，所以內(nèi)毒素血癥在中暑病理生理學中非常重要。熱應激和內(nèi)毒素血癥在生理和代謝癥狀（如胰島素水平升高）上非常相似(Lim等,2007)。哺乳奶牛乳房組織中注射LPS（脂多糖）可以增加約2倍的胰島素水平(Waldron等，2006)。此外，我們給小牛靜脈注射LPS，發(fā)現(xiàn)胰島素水平增加了十多倍(Rhoads等,2009)。此外，試驗中胰島素的升高很難說明為什么顯著降低飼料采食量。

4 應對措施

4.1 飼養(yǎng)管理措施

通風和降溫仍然是緩解熱應激的主要措施。調(diào)整飼喂時間也是有益的，例如一天中較涼爽的清晨和傍晚飼喂可以降低采食后的熱增耗。其他應激源（如免疫注射）在一天中熱的時候應該避免，因為熱應激和處理應激一起將造成傷害。此外，應避免注射非類固醇抗炎藥，因為此類藥會破壞胃腸道完整性。

4.2 營養(yǎng)措施

盡管隨著降溫技術的進步，熱應激仍然在夏季影響動物福利、降低生產(chǎn)力。選種（耐熱品種）是一個有效降低熱應激影響力的手段，但是需要很長一段時間，而且會降低溫度適宜時動物的生產(chǎn)力(Baumgard等，2013)。通過多種措施立即降低熱應激的敏感性而不影響生產(chǎn)力將對全球畜牧業(yè)產(chǎn)生巨大價值。其中一個很好的調(diào)節(jié)策略就是補充日糧，因為能被各種動物產(chǎn)業(yè)使用，也能很好的適應各種生產(chǎn)系統(tǒng)。

4.2.1 鋅

日糧鋅對于正常腸道屏障功能來說是必須的，而且補充鋅對于很多動物或人類（以增加腸道通透性為特征的疾?。┒际怯幸娴?Alam等，1994；Zhang等，2009)。補充鋅能部分緩解急性和慢性熱應激破壞生長豬腸道完整性癥狀(Sanz-Fernandez等，2013b；Pearce等，2013c；見圖3)。鋅改善腸道緊密型的機理還不十分清楚，可能是上調(diào)致密連接蛋白表達(Zhang等，2009)；以金屬硫蛋白形式作為抗氧化劑(Wang等,2013)；提高抗菌物質(zhì)（如β-抵抗素）的表達(Mao等,2013)。

圖3 鋅對回腸跨上皮電阻的影響

4.2.2 乳制品

乳制品能減輕熱應激對腸道屏障功能的影響，不管是在體內(nèi)(Prosser等,2004)還是體外(Marchbank等,2011)。其作用機理還不清楚，但是初乳和乳清蛋白中含有豐富的抗菌蛋白（如乳鐵蛋白）、免疫球蛋白、生長因子（如轉變生長因子-β）和一些特定氨基酸（谷氨酰胺、胱氨酸和蘇氨酸）（Krissansen,2007）。此外，乳制品還能上調(diào)熱休克蛋白70(Marchbank等，2011)和緊密連接蛋白(通過 TGF-β)(Hering等，2011)，這有可能是其對腸道健康產(chǎn)生作用的原因。

4.2.3 谷氨酰胺

谷氨酰胺是腸細胞能量的主要來源之一(Singleton等，2006)，而且其改善腸道健康和免疫功能的作用使其可能是消除熱應激作用的潛在措施。其作用機理可能是提高熱休克蛋白70的表達(Singleton等，2006)，抑制NF-κB的激活(Zhong等，2012)。谷氨酰胺添加可以改善宮內(nèi)生長遲緩的斷奶仔豬增重和腸道重量，同時提高空腸IL-4和IL-10、降低IL-1和IL-8(Zhong等，2012)。此外，在受大腸桿菌攻毒時，給斷奶仔豬補充谷氨酰胺可以提高腸道屏障功能、降低腸膜炎癥因子表達、增加緊密連接蛋白豐度(Ewaschuk等，2011)。

4.2.4 抗氧化劑

熱應激時小腸組織缺氧可能導致氧化狀態(tài)和自由基的生成(Hall等，1999)。此外，腸道炎癥導致抗氧化功能的降低(Buffinton等，1995a)。因此，熱應激時在日糧中添加硒和維生素A、E、C有改善作用。

維生素A能減少誘發(fā)性黏膜損傷，而且維生素A缺乏時對腸道免疫(Elli等，2009)和完整性(Yang等，2011;Thurnham等，2000)有負面作用。此外，炎熱天氣下奶牛日糧中添加β-胡蘿卜素能增加產(chǎn)奶量和妊娠率(Aréchiga等,1998)。

維生素E添加減少細菌遷移、增加輻射誘導腸道損傷時的存活率(Singh等，2012)。與此同時，增加血清中維生素A的含量，說明維生素E對維生素的狀況具有保護作用(Sahin等，2002a)。日糧維生素E減少回腸細胞脫落和回腸勻質(zhì)在體外的氧化(Lopez Bote等,2001)。Sahin等(2002b)同樣認為維生素C和E能改善熱應激時日本鵪鶉的生長性能。但是，奶牛在兩個連續(xù)的夏季注射3 000 IU的維生素E時妊娠率與對照組相似(Ealy等,1994)。

同熱應激哺乳母豬類似，腸道炎癥病人的維生素C減少(Buffinton等，1995a)。添加維生素C能通過將自由基轉化為活性的維生素E而產(chǎn)生積極效果(Sahin,2002a)。

硒是硒蛋白（如谷胱甘肽過氧化物酶，其是細胞中主要的自由基清除系統(tǒng)）的組成成分(Loeb等,1988)。因為硒缺乏時導致DNA受損和細胞周期（可能與上皮細胞周轉時的緊密連接相關）失控，所以硒蛋白在細胞生長中扮演重要作用(Rao等,2001)。在小腸損傷病人中，由于吸收不好導致的硒缺乏是一個風險，可能導致活性氧增加和炎癥(Barrett等,2013)。補充硒可能會減少脂質(zhì)過氧化和腸道黏膜上皮損傷、阻止細菌轉運(Baldwin等，2002;Oztürk等,2002)。綿羊熱應激時注射硒能減少失重(Alhidary等,2012)。

以上列出的大部分抗氧化物質(zhì)互相之間或者礦物元素（如鋅）之間具有協(xié)同作用(Kucuk等，2003;Sahin等,2002a、b)。關于補充抗氧化劑對熱應激下動物生長性能影響的研究很少，有必要進一步研究以提供合理的推薦用量。

4.2.5 地塞米松

地塞米松以一種合成的具有抗內(nèi)毒素和抗炎癥效果的皮質(zhì)類固醇。先前的研究表明，熱應激時皮質(zhì)類固醇含量顯著增加(Collier等，1982；Baumgard等，2013)。地塞米松能阻止中暑小鼠模型血液中天冬氨酸轉氨酶和丙氨酸轉氨酶（肝臟健康的指標）、IL-6和LPS的升高，可能原因是通過阻止內(nèi)毒素血癥(Lim等,2007)。在一個中暑模型中，靈長類動物注射皮質(zhì)類固醇同樣可以減少內(nèi)毒素血癥、增加存活率(Gathiram等,1988)。

4.2.6 甜菜堿

甜菜堿，也就是三甲基甘氨酸，一種滲透壓調(diào)節(jié)因子和甲基供體，對熱應激動物可能存在一些正面效果，包括通過降低鈉鉀泵活性對抗?jié)B透壓(Cronje,2007)。添加甜菜堿改善健康以及球蟲感染的家禽的腸道完整性(Kettunen等,2001)。此外，甜菜堿改善兔在熱應激情況下的增重、免疫功能、體溫(Hassan等,2011)。適溫區(qū)的奶牛補充甜菜堿能提高產(chǎn)奶量、降低牛奶中蛋白含量、改變?nèi)橹兄舅峤M成(Peterson等，2012)。但是在熱應激奶牛中未出現(xiàn)明顯差異(Hall等，2012)。缺乏足夠證據(jù)表明甜菜堿在熱應激時的效果，需要進一步的研究。

5 結論

熱應激是危害動物福利、產(chǎn)業(yè)利益、食品安全的全球性問題。熱應激的間接作用（包括減少采食量）有助于解釋生產(chǎn)力的降低，但生產(chǎn)力的降低并不完全是間接作用的原因。熱應激動物代謝狀況相對于其營養(yǎng)來說經(jīng)歷了更劇烈的改變。這表明熱應激直接影響代謝和生長性能，與降低采食量誘導的其它作用無關。環(huán)境溫度過高損害了腸道屏障功能，導致腸道對內(nèi)容物（包括細菌及其代謝物）的通透性增加。腸道內(nèi)容物的滲漏最終導致系統(tǒng)循環(huán)產(chǎn)生炎癥反應，從而加重熱應激對動物生產(chǎn)的影響。通過多種飼養(yǎng)管理措施（如營養(yǎng)性補充劑）降低熱應激的敏感性而不影響生產(chǎn)力將對全球畜牧業(yè)產(chǎn)生巨大價值。