热应激对家禽HPG轴功能的影响及其缓解措施研究进展

李启黉，田佳迎，余哲琪，陈 忠

(海南师范大学生命科学学院，海南海口 571158)

近年来由于全球气候变暖，热浪袭击的频率和强度逐年增加，环境承载力也变得越来越脆弱。于是，不断升高的外界温度成为目前限制畜牧业发展的最大环境因素，尤其是在高温高湿的情况下易引起动物的热应激，致使动物的采食量及生理代谢等方面受到严重影响，进而制约着畜牧业的生产力[1-2]，导致动物的产肉量减少和生育能力降低[3]。因此，为缓解热应激对家禽业生产质量影响的问题，研究热应激对家禽生长、发育及生殖的作用机制显得十分重要。

1 热应激的产生及其对家禽生产的危害

热应激是指在高温高湿环境中，动物机体对热环境所做出的非特异性生理反应的总和。随着气候不断变暖，大规模的集约化生产，厂房内的高温湿度、低空气流速、热辐射以及高密度养殖等因素均易引起家禽的热应激，致使家禽的高生产性能以及高饲料转换率的生产模式变得更脆弱，最终导致家禽的采食量、生长速率、产蛋量及孵育能力等方面都受到了严重的影响。因此，热应激问题使家禽产业的发展面临着巨大的挑战[4]。

持续的热应激会引发家禽在生长、发育、繁殖、免疫等方面的一系列不良生理反应。研究表明，热应激不仅导致家禽无精打采，呼吸频率加快，还致使家禽胃肠道、肝脏及肾脏的血容量减少，电解质失衡，死亡率增加。同时，热应激也影响家禽的肉质，即胸部肌肉比例下降，蛋白质含量下降，含水率升高，脂肪积贮，乳酸积累，pH降低[5]，且笼养密度协同制约着其产蛋的品质[6]。热应激还会导致家禽体内产生呼吸性碱中毒，即过度换气使血液中CO2、HCO3-、Ca2+、K+、Na+等浓度显著降低，酸碱失衡，造成软壳蛋、破蛋增多，同时致使呼吸道黏膜充血和心率加快。其次，因家禽为恒温动物，且全身覆羽，没有汗腺，热应激促使家禽的小肠绒毛缩短，消化酶无法正常分泌，营养吸收受阻[7]，影响蛋白质的利用率及营养转运体的基因表达[8]，即肠道蠕动减缓，食糜滞留时间延长，消化率提高，而在家禽的采食量、饲料转化率、体重等方面均出现下降趋势。甚者，长期热应激将引发家禽肠道的炎症反应，最终造成坏死性肠炎。此外，热应激阻碍家禽法氏囊和胸腺的组织结构发育，促使细胞凋亡，抗氧化性活动减弱[9-10]，血浆中IL-2、IgA、IgG、IgM、ND抗体及B细胞和T细胞的含量降低[11]，阻碍家禽生殖腺发育，影响产蛋量及繁殖率。因此，热应激对家禽的生长发育、生产及繁殖均带来不可估量的影响，家禽的热应激问题也受到了人们越来越多的关注。

2 热应激对家禽HPG轴生理功能的影响

为了抵抗高温高湿环境引起的热应激反应，家禽通过在HPG轴(hypothalamic-pituitary-gonadal axis,HPG axis)上合成和释放的激素来调节自身的免疫和繁殖。例如，雌二醇对家禽的性别分化起着至关重要的作用。

2.1 热应激对家禽下丘脑生理功能的影响

下丘脑不仅是动物机体的体温调节中枢，其外侧区还存在摄食中枢和水平衡调节中枢。研究发现，在行为上，当家禽出现热应激反应时，其呼吸频率加快，通常伴随着张喙喘息，抬翅展羽，反应较为迟缓的现象。与此同时，热应激家禽在摄食和饮水两者中，较偏爱饮水，而过度饮水后常出现腹泻。这主要是由于外界环境温度超出了家禽下丘脑的调节范围，且家禽无汗腺，所以家禽通过在行为上调节自身的生理水平，即通过增加饮水量，降低了胃肠道的消化酶浓度，摄食量降低，减少了能量的摄入，从而将体内多余的热量随体液循环排出体外。在细胞层面，热应激破坏了下丘脑的组织结构，造成了下丘脑的细胞凋亡，同时导致雏鸡下丘脑新生细胞的减少。尤其是在雏鸡感官发育的关键期，热应激的程度决定着雏鸡发育之后对热应激的反应。因此，对产前或孵化期前后的家禽进行较温和的热应激将有利于提高其抗热性。在蛋白质层面，热应激会导致雏鸡下丘脑前部的微小核糖核酸-138(microRNA-138,miR-138)表达水平下降，而mi-R138可通过下丘脑抑制胞外基质中的糖蛋白——络丝蛋白的表达，进而在发育的大脑神经元迁移等细胞间的互作，以及促进雏鸡下丘脑的新一代细胞生成方面起到关键的调控作用。在mRNA层面，热应激会影响肉鸡下丘脑中热休克蛋白(heat shock protein,HSP)家族的转录组表达，尤其使HSPCB和DNACJ13两种热休克蛋白基因的表达差异显著[12]。其中，在12 h和24 h的热应激的试验处理下，淮南鸡下丘脑中热休克蛋白90B1(heat shock protein 90B1,HSP90B1)的mRNA表达量均大于文昌鸡，并且在恢复期，文昌鸡HSP90B1的表达量减少的幅度均比淮南鸡大[13]。因此，淮南鸡的热应激反应表现更为敏感，而文昌鸡则更具有耐热性。

2.2 热应激对家禽垂体生理功能的影响

垂体是动物机体中最复杂的内分泌腺，主要有促皮质激素细胞、促甲状腺细胞、促性腺激素细胞、生长抑素细胞、垂体催乳素细胞这5种内分泌细胞。其中，热应激会引起家鸡垂体部位热休克蛋白(HSP)的基因转录组表达量增加[14]。因此，当家禽遭受热应激时，垂体分泌的促黄体激素(luteinizing hormone,LH)和促卵泡生成素(follicle-stimulating hormone,FSH)亦然受到下丘脑的调控，进而对性腺的作用产生影响。相关研究表明，热应激不仅会抑制家禽垂体LH激素的分泌，而且会使幼年家禽垂体的重量和体积的增长缓慢于同期饲养的正常雏禽[15]。

2.3 热应激对家禽性腺生理功能的影响

2.3.1 热应激对家禽卵巢生理功能的影响 卵巢是雌禽个体十分重要的生殖器官。雌禽在遭受热攻击时，随着热应激程度的变化，卵巢的生长发育会受到不同程度的影响。有研究发现，热应激一方面会促进雌火鸡催乳素的分泌和孵育行为的发生，导致产蛋期的缩短，另一方面却导致雌火鸡卵巢的退化，抑制雌火鸡卵巢类固醇激素的分泌。这种家禽对抗热应激的行为策略还亟待进一步深入研究。另外，持续热应激不仅会导致白来航蛋鸡的产蛋量减少，蛋重降低，血浆中的孕酮和雌二醇的水平下降，还会导致白来航蛋鸡卵巢组织重量的下降和大卵泡数量的减少，这种热应激使卵巢发育缓慢的不一致还需进一步研究。

另有研究发现，在白来航蛋鸡孵化期第12天，雌鸡胚的卵巢上LH受体和FSH受体的数量都远高于雄鸡胚的睾丸。因此，Akazome Y等得出雌鸡性腺比雄鸡性腺更早地发育为促性腺激素靶器官的结论。其中，生长激素和Ⅰ型胰岛素样生长因子(insulin-like growth factor type Ⅰ，IGF-Ⅰ)还协同LH和FSH作用于卵巢上的受体，调控卵泡的发育,然而，热应激对家禽性腺LH受体和FSH受体具体有何影响至今还未见有报道。

2.3.2 热应激对家禽睾丸生理功能的影响 睾丸是雄禽重要的生殖器官。雄禽通过垂体分泌LH和FSH促进输精管上皮细胞的发育和精原细胞的扩散。而热应激会导致雄禽生精小管的横截面积减小，生精上皮细胞的厚度增加，且生精细胞的排列变得松散无规律，睾丸组织的完整性受到了破坏[15]。同时，热应激还导致垂体LH和FSH的分泌异常，损害睾丸的正常发育过程。另有研究通过分离睾丸组织进行微阵列分析发现，急性热应激会使45周龄公鸡睾丸组织的热休克蛋白家族主要成员——热休克蛋白25(HSP25)、热休克蛋白70(HSP70)、热休克蛋白90AA1(heat shock protein 90 ku alpha,class A member 1，HSP90AA1)以及Bcl-3结合抗凋亡基因(BCL2-associated athanogene 3 Gene,BAG3)的表达水平增加，在一定程度上抵御热应激的侵害。然而，随着热应激强度以及时间的增加，损害程度也随之加剧。因此，热应激严重影响哺乳动物的生殖能力、精子发生、精子活力、顶体完整性以及受精过程，从而降低育种的成功率。

3 缓解家禽热应激的措施

3.1 谷氨酰胺与γ氨基丁酸

谷氨酰胺(glutamine,Gln)是家禽机体中的一种半必需氨基酸，对家禽的肌肉生长有着十分重要的调节作用。研究发现，热应激条件下的家禽对Gln的需求量有所增加，尤其是肌肉组织。因此，在饲料中添加5 g/kg～6 g/kg的Gln不仅能显著提高热应激肉鸡的血清总抗氧化力、超氧化物歧化酶活力及谷胱甘肽过氧化物酶活力，降低血清的丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量，还能提高其胸肌和腿肌的系水力，调节因热应激引发的糖原酵解加速导致的pH下降，从而提高鸡肉的品质[16]。

研究发现，与在饲料中添加5 g/kg的Gln相比，添加100 mg/kg的γ氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)同样具有缓解家禽热应激的效果[17]。GABA是存在于动物体内的一种非蛋白质氨基酸，由前体谷氨酸经过谷氨酸脱羧酶的作用脱去α位上的羧基而形成，是一种重要的抑制性神经递质。其中，GABA在GABA转氨酶(γ-aminobutyric acid transaminase,GABA-T)的催化下生成琥珀酸和琥珀酸半醛，进而由琥珀酸进入三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle,TCA)。GABA还能间接转化为Gln，进而作为肠黏膜上皮细胞和淋巴细胞的主要氮源。因此，灌喂GABA也能够在一定程度上改善热应激雏鸡肠道的免疫功能[18]，且GABA能缓解热应激引起的雏鸡小肠黏膜中淀粉酶、二糖酶、脂肪酶等相关消化标志酶活力的下降，提高热应激雏鸡的血红细胞数量及胴体重量，降低呼吸频率及料重比。

热应激会引起动物机体中HSP表达量的增加，添加Gln和谷氨酸(glutamate,Glu)的混合饲料能够通过促进热应激肉鸡HSP70和卵转铁蛋白的表达来抵抗热应激对肉鸡机体的损伤[19]，而灌喂GABA能使热应激雏鸡法氏囊HSP70 mRNA的表达量减少，且一定程度上缓解了热应激造成的损失[20]。前后二者均能缓解家禽的热应激，但作用途径有所差异，因此，GABA是直接抑制了HSP的表达，还是协同HSP缓解家禽热应激等具体机制仍需探明。另外，谷氨酸不仅是精氨酸和谷氨酰胺的前体，也是GABA的前体，有研究表明,在饲料中添加10 g/kg谷氨酸不仅能够改善热应激导致肉鸡的体重下降问题，还能减轻热应激对小肠绒毛的损伤[21]。所以,谷氨酸不仅能通过肠细胞的氧化代谢为小肠提供能量，还能促进蛋白质的合成，缓解热应激对家禽生长性能的损害。

3.2 维生素

维生素是家禽生长发育中必不可少的营养素之一。其中，由于家禽自身不能合成维生素E，而维生素E耐酸、耐热，又能促进性激素分泌。此外，维生素A有助于细胞增殖与生长，能够减少细胞膜上的过氧化物损伤，减少血浆中的MDA浓度，提高热应激家禽的饲料利用率。因此，在饲料中添加维生素A和维生素E能够提升家禽的抗氧化能力，激活卵巢的分泌功能，提升蛋鸡的免疫力。研究表明，添加了维生素E和维生素C的饲料能够改善热应激日本鹌鹑和白来航鸡的产蛋量及品质，并且饲料转化率及蛋黄的矿物浓度也得到了提高。同时有研究发现，在饲料中分别添加200 mg/kg维生素C和300 m/kg维生素E均能显著改善热应激肉鸡的生产性能，减少HSP70的表达，降低血糖水平，且维生素C与维生素E混合使用效果更好[22-23]。然而，Rodrin D等[24]研究则得出维生素A、维生素C、维生素E并不能显著提高热应激肉鸡的生长性能，出现与前者结果不同的原因很可能是Rodrin D等使用灯泡加温，且湿度、空气流速未知，因此是否引起肉鸡的热应激情况也未知。

3.3 碳酸盐类

碳酸盐能够调节热应激引起的家禽体内电解质失衡，即通过饲料补给保持家禽血液中HCO3-浓度的动态平衡，缓解高温状态下家禽过度喘息过程中CO2过量流失所引起的呼吸性碱中毒。其中，碳酸盐类添加剂主要有钠盐和钾盐。研究发现，当日粮DEB值控制在250 mEq/kg时，喂食添加小苏打(NaHCO3)饲料的热应激肉鸡组的生长性能较KHCO3更好，Na2CO3次之且优于K2CO3，而Gamba J等[25]研究结果则表明日粮DEB值控制在350 mEq/kg 更有利于提升热应激下肉鸡的生产性能。另有研究表明,急性热应激条件下，饲料中添加NaHCO3能提高来亨鸡的蛋品质，即采食量增加，壳重没有显著变化，但壳厚变薄，蛋重和蛋产量增加；在饲料中添加2 g/kg NaHCO3能改善热应激雏鸡的采食量，减低其料重比，使其体重显著增加；在饮水中添加240 mEq/L小苏打的矿物掺合料(8.3 g/L NaHCO3,0.7 g/L NH4Cl,3 g/L NaCl)能降低热应激肉鸡的体温，减少其换气过度水平及死亡率，但对于缓解番鸭的热应激而言，游水组的番鸭则表现出比小苏打组更好的效果，将更有利于水禽产业的发展[26]。

总之，碳酸盐类的添加量在不同家禽及不同时期具有差异性，主要是由于盐类添加剂会使禽类产生渴觉，使其过量饮水，引发腹泻。因此，碳酸盐类的抗热应激添加剂用量与投食方式还需与具体家禽品种，以及热应激的程度相结合，进一步筛选优化。

3.4 其他添加剂

由于热应激会使家禽的呼吸频率加快，导致其体内的碳酸根排出量增大，造成血液中碳酸钙流失，蛋壳品质下降。因此，在饲料中添加1.2 mg/kg铬或0.5 mg/kg～1 mg/kg铬吡啶甲酸能够缓解家禽的热应激，具体表现在体征上，雌性日本鹌鹑的体重和蛋重增加，蛋壳增厚，相对密度增大，且饲料转化率提高；但生理水平上，血浆中的白蛋白、球蛋白、脂肪和葡萄糖含量没有显著影响[27]。圣罗勒(Ocimumsanctum)叶粉及提取物也能够提高肉鸡的抗氧化性能，缓解热应激对肉鸡生长的影响。甘草提取物也能缓解热应激对肉鸡生理性能的不良影响，具体表现在血液中的红细胞数增多，血红蛋白浓度升高，异嗜性细胞/淋巴细胞比率下降，而在血浆中的钙磷浓度、尿酸、葡萄糖含量均上升，天冬氨酸转氨酶和碱性磷酸酶的活性增强，胆固醇和蛋白质含量下降。艾叶具有较强的抗氧化和清除自由基的能力。在热应激蛋鸡日粮中添加20 g/L艾叶可提高蛋鸡血清中的SOD和谷胱甘肽过氧化物酶活力，降低MDA和皮质醇(cortisol,COR)含量，进而提高产蛋率，降低料蛋比[28]。甜菜碱普遍存在于植物、动物、微生物，丰富的食物来源包括海鲜、菠菜和麦麸。甜菜碱主要的生理功能是作为甲基供体和渗透物。其中，甜菜碱作为渗透物，通过维持家禽细胞内的水平衡和离子平衡，来抵抗热应激引起家禽的脱水和渗透失衡等不良反应。另外，甜菜碱还可以促进肠内各种微生物对抗渗透压的变化，进而改善肠微生物发酵活动[4]。早期的研究表明，在家禽饲料中添加甜菜碱一方面能够提高营养物质的消化率，另一方面能促进脂肪酸的分解代谢，进而减少家禽腹部的脂肪量，增加胸脯的肉产量。另外，研究还发现甜菜碱能降低热应激肉鸭血液中丁酸、异丁酸、缬草酸、异戊酸的浓度水平，提高盲肠中乙酸、丙酸以及短链脂肪酸的水平含量，且在高温高湿的热环境中，限制时段喂食甜菜碱将更有利于热应激肉鸡的生长[29]。 辣椒素可通过调节热应激鹌鹑卵巢的Rel家族核转录因子κB(nuclear factor kappa B,NF-κB)和核转录因子like 2[nuclear factor (erythroid-derived 2)-like 2,Nrf2]信号通路，进而抑制卵巢的MDA和NF-κB表达，促进卵巢的Nrf2、蛋白激酶B(protein kinase B,PKB/AKT)和血红素加氧酶1表达，最终通过调节卵巢核转录因子来提高产蛋量，并呈现剂量依赖性[30]。

4 展望

综上所述，家禽自身的抗热性与其所处地域气候有着密切的关系。从外界环境干扰的角度考虑，开产前热应激将在一定程度提高家禽幼仔的抗热性。但是，不同种属的家禽胚胎在具体的温湿环境进行抗热训练方面的问题还亟待进一步的研究探讨。从生理生化的角度考虑，热应激可引起家禽HPG轴上各组织的细胞凋亡和不同程度的损伤，探明热应激对家禽机体的作用机制将对家禽业的发展起到至关重要的作用，但热应激在家禽HPG轴上的具体作用机制的诸多问题还亟待解决。从营养摄食的角度考虑，在饲料中添加谷氨酰胺、GABA、维生素A、维生素B、维生素C、碳酸盐等天然添加剂能提高家禽的抗氧化能力，缓解家禽的热应激反应，但是不同种属不同周龄家禽的具体用量及长期灌喂是否会使得家禽产生依赖性的问题还有待进一步研究。