張志登，劉 影，王 玲

（寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏銀川 750021）

在夏季，奶牛群的繁殖率顯著下降，這與熱應(yīng)激加劇有關(guān)[1]；奶牛乏情期天數(shù)增加也會導(dǎo)致奶牛的受孕率降低[2]，夏季奶牛受胎率和妊娠率降低了20%～30%[3]。熱應(yīng)激對奶牛受孕率的最大負面影響是在受精后7～21 d[3]。夏季遭受熱應(yīng)激的奶牛排卵失敗的風(fēng)險比冬季高出3.9倍[4]。與涼爽季節(jié)相比，炎熱夏季懷有單胎或雙胎的奶牛流產(chǎn)比例增加3.7～5.4 倍[5]，卵巢囊腫發(fā)生的概率也有所增加。熱應(yīng)激導(dǎo)致奶牛出現(xiàn)嗜睡行為、大量飲水和采食量減少[6]。夏季熱應(yīng)激對奶牛的損害是一個積累的過程，即使環(huán)境溫度下降，奶牛不再遭受熱應(yīng)激，但遭受的熱應(yīng)激損害會持續(xù)到秋天[7]，因此秋季繁殖率較低與夏季奶牛遭受熱應(yīng)激有很大關(guān)系。本文綜述了熱應(yīng)激對奶牛繁殖性能產(chǎn)生影響的代謝和生殖機制，了解這些機制有助于實施提高奶牛夏季繁殖率的措施。

1 奶牛的最適溫度

奶牛的舒適環(huán)境溫度為5～25℃，當(dāng)環(huán)境溫度達到25℃以上時會影響奶牛的生理機能和繁殖性能[8]，這種負面影響不僅出現(xiàn)在高溫時期，而且會持續(xù)到秋季[7]。直腸溫度大于39.0℃，呼吸速率大于60 次/min 時，表明奶牛正在遭受熱應(yīng)激，這將影響奶牛生產(chǎn)水平和繁殖能力[9]。高溫對奶牛的不利影響會因為濕度的增加而加劇，在高產(chǎn)奶牛中表現(xiàn)尤為明顯[8]。因此，決定奶牛熱應(yīng)激水平的不僅僅是溫度本身，而是濕度和溫度的綜合作用最終決定了奶牛的熱應(yīng)激水平。溫度和濕度的綜合作用可以用溫度濕度指數(shù)（THI）來表示。THI是由Thom[10]提出的用于評判奶牛遭受熱應(yīng)激水平的指標(biāo)。有研究表明，在受精后的6～35 d 中，相比較于THI＜72 環(huán)境下的奶牛，THI ≥72 環(huán)境下的奶牛受胎率降低約30%[11]。Schüller 等[12]報道，在756 d 的試驗中，THI ≥72 有162 d，奶牛懷孕率從31%下降到12%。除溫濕度外，風(fēng)速和輻射都可能會影響奶牛熱應(yīng)激水平和機體產(chǎn)熱量從而影響生產(chǎn)。此外，由于牧場的環(huán)境狀況不同，風(fēng)扇、噴淋和通風(fēng)設(shè)備的使用效果在不同畜群中差別很大[13]。因此，只考慮THI 或者以72 為THI 閾值作為評定奶牛熱應(yīng)激水平需要進一步論證。這一系列研究強調(diào)了即使在溫帶地區(qū)熱應(yīng)激產(chǎn)生的影響仍需受到關(guān)注。近年來，熱應(yīng)激對繁殖率的負面影響有所增加，如果奶牛的生產(chǎn)水平超出現(xiàn)有高產(chǎn)奶牛，熱應(yīng)激的危害很可能會進一步增加。此外，全球氣候變化會使熱應(yīng)激的程度和持續(xù)時間增加。

2 熱應(yīng)激對奶牛代謝系統(tǒng)的影響

熱應(yīng)激通過幾種可能涉及生殖和營養(yǎng)代謝的機制對奶牛的繁殖力產(chǎn)生影響。熱應(yīng)激最重要的影響之一是奶牛采食量減少，這是導(dǎo)致產(chǎn)后能量負平衡的主要原因[14]。West 等[15]觀察到熱應(yīng)激泌乳奶牛的干物質(zhì)攝入量明顯減少。高產(chǎn)奶牛由于對干物質(zhì)需要量以及肝臟代謝強度的增加，采食量降低對繁殖的負面影響更大。從代謝角度來看，由于散熱方式改變，奶牛血液中的酸堿平衡在熱應(yīng)激時通常會發(fā)生改變。奶牛對蒸發(fā)散熱方式的依賴增加了呼吸頻率，導(dǎo)致水分蒸發(fā)和二氧化碳呼出量增加以及鈉（Na）、鉀（K）等電解質(zhì)離子大量流失，減少了唾液對瘤胃發(fā)酵的緩沖作用，打破了維持血液pH 所必需的碳酸鹽與碳酸氫鹽的平衡[16]。

在熱應(yīng)激期間，由于奶牛干物質(zhì)采食量下降，使正常卵泡發(fā)育所需的關(guān)鍵代謝激素和生長因子在血液中的濃度降低。De Rensis 等[17]研究表明，夏季奶牛產(chǎn)后血漿中胰島素、胰島素生長因子-1（IGF-I）和葡萄糖濃度比冬季低。奶牛關(guān)鍵代謝激素和生長因子濃度減少是奶牛妊娠率降低的機制之一，因為胰島素是卵泡正常發(fā)育所必需的，對卵母細胞的發(fā)育有促進作用，IGF-I 和葡萄糖通常都能促進卵泡生長，葡萄糖主要為卵巢代謝提供能量[18]。葡萄糖也直接參與了下丘腦促黃體生成素（LH）的分泌。熱應(yīng)激可以改變新陳代謝和破壞繁殖能力的另一個因素是由于活性氧（ROS）的產(chǎn)生[19]。硫代巴比妥酸活性物質(zhì)(TBARS)是脂質(zhì)氧化指標(biāo)，反映脂肪氧化產(chǎn)生次級產(chǎn)物丙二醛含量的多少，相比較于涼爽的天氣，在高溫時期奶牛血液TBARS 濃度更高[20]，并且ROS 可以破壞卵母細胞發(fā)育和胚胎附植。

研究表明，奶牛在產(chǎn)犢后15 d 左右開始補充β-胡蘿卜素，補充90 d 可以增加產(chǎn)后120 d 懷孕奶牛的比例[21]。但在其他研究中，抗氧化劑維生素E 或維生素E 和微量元素硒或β-胡蘿卜素組合使用不能提高熱應(yīng)激奶牛的受胎率[22]。由此可以得出結(jié)論，抗氧化劑的使用可能會保護卵巢卵母細胞免受熱應(yīng)激的損傷，但總體而言，需要更多的研究來確定可以有效利用的抗氧化劑。

3 熱應(yīng)激對奶牛內(nèi)分泌系統(tǒng)的影響

研究發(fā)現(xiàn)，熱應(yīng)激對生殖功能的影響不僅受到采食量減少及其相關(guān)代謝作用的影響，而且熱應(yīng)激與生殖內(nèi)分泌系統(tǒng)之間也存在直接聯(lián)系[23]。在夏季，熱應(yīng)激可通過影響下丘腦-垂體-卵巢軸（HPO 軸），主要是使促性腺激素釋放激素（GnRH）的分泌減少，從而抑制卵巢活動，使促性腺激素分泌減少。Rees 等[24]研究表明，熱應(yīng)激對HPO 軸的直接影響在一定程度上與分泌的皮質(zhì)醇濃度有關(guān)，在奶牛處于急性熱應(yīng)激時皮質(zhì)醇濃度增加。在慢性熱應(yīng)激時期，奶牛分泌的皮質(zhì)醇濃度減少，皮質(zhì)醇是反芻動物體內(nèi)主要的應(yīng)激激素，皮質(zhì)醇分泌減少使機體抵御熱應(yīng)激的能力減弱，是導(dǎo)致血液葡萄糖減少的主要因素，在一定程度上降低了妊娠率[25]。另一種可能與夏季繁殖率較低有關(guān)的激素是催乳素。催乳素是一種對溫度敏感的激素，其濃度在夏季增加[23]。催乳素可能通過增加熱量損失和汗腺功能使奶牛適應(yīng)環(huán)境，但其幫助動物適應(yīng)熱應(yīng)激的機理仍不清楚。催乳素影響卵泡以及卵母細胞的發(fā)育，哺乳行為促使催乳素分泌是哺乳動物產(chǎn)后發(fā)情延長的原因。因此，一方面高濃度催乳素可能有助于使奶牛適應(yīng)熱環(huán)境，而另一方面這可能導(dǎo)致遭受熱應(yīng)激奶牛的卵巢功能延遲恢復(fù)。

3.1 GnRH、LH、促卵泡素（FSH）和抑制素 熱應(yīng)激會影響HPO 軸的活動。Kadokawa[26]研究表明，與涼爽季節(jié)相比，炎熱季節(jié)LH 分泌受到抑制。這可能與HPO 軸溫度的升高有直接關(guān)系，也可能是由于皮質(zhì)醇、催乳素、雌二醇或孕酮的循環(huán)濃度變化，或者是由于采食量下降導(dǎo)致能量負平衡產(chǎn)生的間接影響[27]。熱應(yīng)激可能會通過對LH 分泌產(chǎn)生負面影響，破壞排卵機制并增加發(fā)情和排卵間隔的變化[28]。由此可以推測，在夏季，大部分的授精時間都是錯誤的。此外，LH 分泌減少增加了排卵失敗[4]和卵巢囊腫的風(fēng)險。Ronchi 等[23]研究發(fā)現(xiàn)，受高溫影響的奶牛血液中FSH 或雌二醇濃度沒有變化。然而，其他研究表明，在夏季由于卵巢抑制素分泌減少，血漿FSH 濃度增加，并且FSH 濃度增加改變了卵泡囊腫的產(chǎn)生機制，導(dǎo)致不排卵的牛數(shù)量增加[29]。

3.2 雌二醇和雄烯二酮 Gwazdauskas 等[30]研究發(fā)現(xiàn)，遭受熱應(yīng)激損害的奶牛和對照組奶牛的血液雌二醇濃度結(jié)果不一致。有大量證據(jù)表明[29]，熱應(yīng)激降低了體外培養(yǎng)的顆粒細胞分泌類固醇的能力，導(dǎo)致血液中雌二醇濃度降低。血液中雌二醇濃度降低使卵泡發(fā)育受損，排卵機制發(fā)生改變，降低了卵母細胞和胚胎的質(zhì)量[29]。由于熱應(yīng)激使卵泡雌二醇分泌減少以及卵泡發(fā)育受阻，導(dǎo)致發(fā)情時間減少、發(fā)情強度降低，并且沉默排卵的發(fā)生概率增加[30]。

與雌二醇相似，受熱應(yīng)激影響，奶牛雄烯二酮的分泌也減少。泌乳荷斯坦奶牛遭受熱應(yīng)激12 h，在熱應(yīng)激后28 d 收集卵泡分離培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)雄烯二酮比正常值低[31]。雄烯二酮可以作為合成雌二醇的底物，其分泌減少可以間接降低生育力。

3.3 黃體素和孕酮 熱應(yīng)激對奶牛血漿中孕酮濃度影響不一，或減少[32]、增加[33]或未改變[34]。這些差異可能與應(yīng)激類型（急性和慢性）、發(fā)情周期的階段或動物的代謝狀態(tài)有關(guān)。在夏季，將孕酮給藥時間從9 d 縮短到5 d，對奶牛產(chǎn)后受胎率的提高有促進作用[35]。這些觀察結(jié)果證實了先前研究[36]，表明熱應(yīng)激導(dǎo)致生育能力下降的部分原因可能是由于黃體功能受損和子宮內(nèi)的激素環(huán)境對胚胎存活有害。此外，由于在泌乳期間代謝需求旺盛，尤其是高產(chǎn)奶牛肝臟代謝率升高，血液中孕酮濃度降低[37]。另一個影響因素是受熱應(yīng)激影響奶牛體內(nèi)的血漿孕酮濃度降低，可能會增加子宮內(nèi)膜對前列腺素F2a（PGF2a）的分泌，導(dǎo)致黃體過早溶解[38]。Friedman 等[39]報道，在夏季奶牛人工授精后進行孕酮給藥可以提高低體況評分或提高產(chǎn)后有繁殖障礙母牛群體的生殖能力。

3.4 光照周期和褪黑激素 在夏季氣溫處于奶牛舒適范圍的地區(qū)，奶牛的繁殖率也會有下降情況。這表明除了溫度之外還有其他因素影響夏季奶牛的繁殖，如光周期。因為光照周期與溫度兩者相關(guān)聯(lián)，所以很難區(qū)分光照周期和溫度對奶牛繁殖率的影響。在夏季，光周期改變了奶牛的繁殖性能，可能是因為在夏季褪黑激素分泌的減少降低了GnRH 的脈沖頻率，從而降低了HPO 軸的活動[40]。Lacasse 等[41]發(fā)現(xiàn)，在產(chǎn)犢前用褪黑激素處理不會對奶牛的繁殖率造成影響；而在另一項研究中，觀察到夏季施用的褪黑激素減少了發(fā)情天數(shù)和奶牛的發(fā)病率，但是需要多次人工授精才能使奶牛懷孕[42]。此外，褪黑素具有抗氧化特性，對這些數(shù)據(jù)的解釋是困難的，因為褪黑素對冬季奶牛繁殖率的積極影響尚未被研究。褪黑素可能具有獨立于其抗氧化特性的作用，因為它可以直接影響顆粒細胞的功能[43]。血液中性粒細胞受到炎癥細胞因子和干擾素的影響能夠決定奶牛的妊娠結(jié)果[44]?？偟膩碚f，褪黑素可能在夏季奶牛的繁殖過程中發(fā)揮作用。

4 熱應(yīng)激對卵泡、卵母細胞和胚胎發(fā)育的影響

4.1 卵泡發(fā)育 熱應(yīng)激會影響奶牛體內(nèi)激素的分泌，并對卵泡發(fā)育有負面影響。受熱應(yīng)激影響的母牛其優(yōu)勢卵泡的大小和優(yōu)勢度降低[45]，而中等大小的次級卵泡數(shù)量增加[29]。高溫對小卵泡（2～5 mm）發(fā)育的影響仍不清楚；Das 等[46]研究表明熱應(yīng)激導(dǎo)致小卵泡數(shù)量減少。所有研究表明，熱應(yīng)激對卵泡的影響都可能會降低卵母細胞的質(zhì)量。熱應(yīng)激導(dǎo)致的卵泡優(yōu)勢減弱與第二波優(yōu)勢卵泡的早期出現(xiàn)有關(guān)。第二波優(yōu)勢卵泡的過早出現(xiàn)導(dǎo)致了長時期的卵泡優(yōu)勢，這與成熟卵泡的排卵有關(guān)，并且不能適時授精，增加人工授精失敗的概率。另一個觀點是原始卵泡需要16 周才能發(fā)育成優(yōu)勢卵泡[47]，而且由于秋季奶牛生育能力逐漸恢復(fù)，熱應(yīng)激會破壞早期卵泡發(fā)育過程中卵母細胞的發(fā)育。對這一觀點的支持來自于李孟偉等[45]觀察到通過快速去除遭受熱應(yīng)激損害的卵泡可以提高秋季奶牛的受胎率。特別是在秋季，通過增加卵泡的更新速度[45]，或通過刺激卵泡生長，或使用牛生長激素，可以促進卵母細胞功能的恢復(fù)[48]。

4.2 卵母細胞發(fā)育 熱應(yīng)激影響卵母細胞發(fā)育的機制有多種。與熱應(yīng)激相關(guān)的內(nèi)分泌改變，如GnRH 分泌減少，使卵泡發(fā)育受到抑制，優(yōu)勢卵泡減少以及卵母細胞發(fā)育受損[45]。在夏季遭受熱應(yīng)激的奶牛中，卵母細胞的成熟受到損害，進而影響了后續(xù)的受精和胚胎發(fā)育。溫度升高對成熟的卵母細胞也有直接影響[49]，包括刺激細胞凋亡和破壞細胞核成熟。卵母細胞對熱應(yīng)激的敏感性可持續(xù)很長時間。Je s Torres-Júnior 等[50]研究表明28 d熱應(yīng)激降低了卵母細胞質(zhì)量。

4.3 胚胎發(fā)育 雖然卵母細胞容易受到熱應(yīng)激的長期影響，但胚胎主要在附植期或發(fā)育過程中對熱應(yīng)激敏感[51]。胚胎在子宮內(nèi)膜上的附著至關(guān)重要，因為在附植時需要胎兒和母體組織之間建立復(fù)雜的信號聯(lián)系，因此，包括熱應(yīng)激在內(nèi)的任何應(yīng)激因素都有可能破壞這一過程。此外，新形成的胚胎在發(fā)育過程中對熱應(yīng)激特別敏感。熱休克蛋白（HSP）是胚胎發(fā)育過程中產(chǎn)生的第一種蛋白質(zhì)，對細胞功能至關(guān)重要[52]。最近在對奶牛的研究中，研究了個體細胞生產(chǎn)HSP 相關(guān)的基因機制，從這些研究結(jié)果中可以制定出保護胚胎免受高溫損害的方法[53]。Biggers 等[54]研究表明，熱應(yīng)激對胚胎發(fā)育的主要危害是在授精前17 d，這是產(chǎn)生干擾素的關(guān)鍵時間點。適量的干擾素對抑制PGF2a 的分泌、防止黃體溶解和維持妊娠至關(guān)重要[55]。除了對妊娠早期有直接影響外，熱應(yīng)激的后期效應(yīng)也被觀察到[55]。在妊娠第21～30 天THI 上升，奶牛在妊娠第90 天的妊娠風(fēng)險增加，遭受熱應(yīng)激的奶牛其單胎流產(chǎn)風(fēng)險、雙胎流產(chǎn)風(fēng)險分別為未遭受熱應(yīng)激奶牛的3.7、5.4 倍[56]。熱應(yīng)激對胚胎發(fā)育的影響因素多樣，但它們都與卵母細胞和黃體的質(zhì)量降低有關(guān)，已經(jīng)觀察到熱應(yīng)激與早期胚胎的存活具有直接關(guān)系。

5 結(jié) 論

熱應(yīng)激通過2 種可能的機制來降低妊娠率：第一，新陳代謝的改變和ROS 的存在；第二，生殖神經(jīng)內(nèi)分泌功能的改變。在熱應(yīng)激期間，采食量減少導(dǎo)致負能量平衡從而引起代謝激素分泌的改變，例如影響胰島素和IGF-I 和其他卵泡生長因子的分泌，這些激素代謝的改變可以直接降低奶牛的繁殖力。

在夏季，熱應(yīng)激對HPO 軸、皮質(zhì)醇和催乳素的分泌有直接影響。其一方面是促性腺激素（LH 抑制和FSH 刺激）分泌水平改變影響卵泡發(fā)育，從而增加了受精失敗的風(fēng)險，降低了卵母細胞的質(zhì)量，增加了妊娠失敗的風(fēng)險；另一方面是沉默排卵和卵泡囊腫發(fā)生的頻率增加。在夏季，抑制素分泌減少而FSH 分泌增加，導(dǎo)致優(yōu)勢卵泡發(fā)生改變，雙胎率增高；由于在胚胎發(fā)育過程中子宮環(huán)境遭受熱應(yīng)激影響，整個妊娠過程的復(fù)雜性增加。最后，由于光照周期的影響，褪黑激素分泌減少，這可能是影響夏季奶牛繁殖能力的另外一個因素。