热应激对奶牛繁殖性能的影响研究进展

张志登，刘 影，王 玲

（宁夏大学农学院，宁夏银川 750021）

在夏季，奶牛群的繁殖率显著下降，这与热应激加剧有关[1]；奶牛乏情期天数增加也会导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]。热应激对奶牛受孕率的最大负面影响是在受精后7～21 d[3]。夏季遭受热应激的奶牛排卵失败的风险比冬季高出3.9倍[4]。与凉爽季节相比，炎热夏季怀有单胎或双胎的奶牛流产比例增加3.7～5.4 倍[5]，卵巢囊肿发生的概率也有所增加。热应激导致奶牛出现嗜睡行为、大量饮水和采食量减少[6]。夏季热应激对奶牛的损害是一个积累的过程，即使环境温度下降，奶牛不再遭受热应激，但遭受的热应激损害会持续到秋天[7]，因此秋季繁殖率较低与夏季奶牛遭受热应激有很大关系。本文综述了热应激对奶牛繁殖性能产生影响的代谢和生殖机制，了解这些机制有助于实施提高奶牛夏季繁殖率的措施。

1 奶牛的最适温度

奶牛的舒适环境温度为5～25℃，当环境温度达到25℃以上时会影响奶牛的生理机能和繁殖性能[8]，这种负面影响不仅出现在高温时期，而且会持续到秋季[7]。直肠温度大于39.0℃，呼吸速率大于60 次/min 时，表明奶牛正在遭受热应激，这将影响奶牛生产水平和繁殖能力[9]。高温对奶牛的不利影响会因为湿度的增加而加剧，在高产奶牛中表现尤为明显[8]。因此，决定奶牛热应激水平的不仅仅是温度本身，而是湿度和温度的综合作用最终决定了奶牛的热应激水平。温度和湿度的综合作用可以用温度湿度指数（THI）来表示。THI是由Thom[10]提出的用于评判奶牛遭受热应激水平的指标。有研究表明，在受精后的6～35 d 中，相比较于THI＜72 环境下的奶牛，THI ≥72 环境下的奶牛受胎率降低约30%[11]。Schüller 等[12]报道，在756 d 的试验中，THI ≥72 有162 d，奶牛怀孕率从31%下降到12%。除温湿度外，风速和辐射都可能会影响奶牛热应激水平和机体产热量从而影响生产。此外，由于牧场的环境状况不同，风扇、喷淋和通风设备的使用效果在不同畜群中差别很大[13]。因此，只考虑THI 或者以72 为THI 阈值作为评定奶牛热应激水平需要进一步论证。这一系列研究强调了即使在温带地区热应激产生的影响仍需受到关注。近年来，热应激对繁殖率的负面影响有所增加，如果奶牛的生产水平超出现有高产奶牛，热应激的危害很可能会进一步增加。此外，全球气候变化会使热应激的程度和持续时间增加。

2 热应激对奶牛代谢系统的影响

热应激通过几种可能涉及生殖和营养代谢的机制对奶牛的繁殖力产生影响。热应激最重要的影响之一是奶牛采食量减少，这是导致产后能量负平衡的主要原因[14]。West 等[15]观察到热应激泌乳奶牛的干物质摄入量明显减少。高产奶牛由于对干物质需要量以及肝脏代谢强度的增加，采食量降低对繁殖的负面影响更大。从代谢角度来看，由于散热方式改变，奶牛血液中的酸碱平衡在热应激时通常会发生改变。奶牛对蒸发散热方式的依赖增加了呼吸频率，导致水分蒸发和二氧化碳呼出量增加以及钠（Na）、钾（K）等电解质离子大量流失，减少了唾液对瘤胃发酵的缓冲作用，打破了维持血液pH 所必需的碳酸盐与碳酸氢盐的平衡[16]。

在热应激期间，由于奶牛干物质采食量下降，使正常卵泡发育所需的关键代谢激素和生长因子在血液中的浓度降低。De Rensis 等[17]研究表明，夏季奶牛产后血浆中胰岛素、胰岛素生长因子-1（IGF-I）和葡萄糖浓度比冬季低。奶牛关键代谢激素和生长因子浓度减少是奶牛妊娠率降低的机制之一，因为胰岛素是卵泡正常发育所必需的，对卵母细胞的发育有促进作用，IGF-I 和葡萄糖通常都能促进卵泡生长，葡萄糖主要为卵巢代谢提供能量[18]。葡萄糖也直接参与了下丘脑促黄体生成素（LH）的分泌。热应激可以改变新陈代谢和破坏繁殖能力的另一个因素是由于活性氧（ROS）的产生[19]。硫代巴比妥酸活性物质(TBARS)是脂质氧化指标，反映脂肪氧化产生次级产物丙二醛含量的多少，相比较于凉爽的天气，在高温时期奶牛血液TBARS 浓度更高[20]，并且ROS 可以破坏卵母细胞发育和胚胎附植。

研究表明，奶牛在产犊后15 d 左右开始补充β-胡萝卜素，补充90 d 可以增加产后120 d 怀孕奶牛的比例[21]。但在其他研究中，抗氧化剂维生素E 或维生素E 和微量元素硒或β-胡萝卜素组合使用不能提高热应激奶牛的受胎率[22]。由此可以得出结论，抗氧化剂的使用可能会保护卵巢卵母细胞免受热应激的损伤，但总体而言，需要更多的研究来确定可以有效利用的抗氧化剂。

3 热应激对奶牛内分泌系统的影响

研究发现，热应激对生殖功能的影响不仅受到采食量减少及其相关代谢作用的影响，而且热应激与生殖内分泌系统之间也存在直接联系[23]。在夏季，热应激可通过影响下丘脑-垂体-卵巢轴（HPO 轴），主要是使促性腺激素释放激素（GnRH）的分泌减少，从而抑制卵巢活动，使促性腺激素分泌减少。Rees 等[24]研究表明，热应激对HPO 轴的直接影响在一定程度上与分泌的皮质醇浓度有关，在奶牛处于急性热应激时皮质醇浓度增加。在慢性热应激时期，奶牛分泌的皮质醇浓度减少，皮质醇是反刍动物体内主要的应激激素，皮质醇分泌减少使机体抵御热应激的能力减弱，是导致血液葡萄糖减少的主要因素，在一定程度上降低了妊娠率[25]。另一种可能与夏季繁殖率较低有关的激素是催乳素。催乳素是一种对温度敏感的激素，其浓度在夏季增加[23]。催乳素可能通过增加热量损失和汗腺功能使奶牛适应环境，但其帮助动物适应热应激的机理仍不清楚。催乳素影响卵泡以及卵母细胞的发育，哺乳行为促使催乳素分泌是哺乳动物产后发情延长的原因。因此，一方面高浓度催乳素可能有助于使奶牛适应热环境，而另一方面这可能导致遭受热应激奶牛的卵巢功能延迟恢复。

3.1 GnRH、LH、促卵泡素（FSH）和抑制素 热应激会影响HPO 轴的活动。Kadokawa[26]研究表明，与凉爽季节相比，炎热季节LH 分泌受到抑制。这可能与HPO 轴温度的升高有直接关系，也可能是由于皮质醇、催乳素、雌二醇或孕酮的循环浓度变化，或者是由于采食量下降导致能量负平衡产生的间接影响[27]。热应激可能会通过对LH 分泌产生负面影响，破坏排卵机制并增加发情和排卵间隔的变化[28]。由此可以推测，在夏季，大部分的授精时间都是错误的。此外，LH 分泌减少增加了排卵失败[4]和卵巢囊肿的风险。Ronchi 等[23]研究发现，受高温影响的奶牛血液中FSH 或雌二醇浓度没有变化。然而，其他研究表明，在夏季由于卵巢抑制素分泌减少，血浆FSH 浓度增加，并且FSH 浓度增加改变了卵泡囊肿的产生机制，导致不排卵的牛数量增加[29]。

3.2 雌二醇和雄烯二酮 Gwazdauskas 等[30]研究发现，遭受热应激损害的奶牛和对照组奶牛的血液雌二醇浓度结果不一致。有大量证据表明[29]，热应激降低了体外培养的颗粒细胞分泌类固醇的能力，导致血液中雌二醇浓度降低。血液中雌二醇浓度降低使卵泡发育受损，排卵机制发生改变，降低了卵母细胞和胚胎的质量[29]。由于热应激使卵泡雌二醇分泌减少以及卵泡发育受阻，导致发情时间减少、发情强度降低，并且沉默排卵的发生概率增加[30]。

与雌二醇相似，受热应激影响，奶牛雄烯二酮的分泌也减少。泌乳荷斯坦奶牛遭受热应激12 h，在热应激后28 d 收集卵泡分离培养发现雄烯二酮比正常值低[31]。雄烯二酮可以作为合成雌二醇的底物，其分泌减少可以间接降低生育力。

3.3 黄体素和孕酮 热应激对奶牛血浆中孕酮浓度影响不一，或减少[32]、增加[33]或未改变[34]。这些差异可能与应激类型（急性和慢性）、发情周期的阶段或动物的代谢状态有关。在夏季，将孕酮给药时间从9 d 缩短到5 d，对奶牛产后受胎率的提高有促进作用[35]。这些观察结果证实了先前研究[36]，表明热应激导致生育能力下降的部分原因可能是由于黄体功能受损和子宫内的激素环境对胚胎存活有害。此外，由于在泌乳期间代谢需求旺盛，尤其是高产奶牛肝脏代谢率升高，血液中孕酮浓度降低[37]。另一个影响因素是受热应激影响奶牛体内的血浆孕酮浓度降低，可能会增加子宫内膜对前列腺素F2a（PGF2a）的分泌，导致黄体过早溶解[38]。Friedman 等[39]报道，在夏季奶牛人工授精后进行孕酮给药可以提高低体况评分或提高产后有繁殖障碍母牛群体的生殖能力。

3.4 光照周期和褪黑激素 在夏季气温处于奶牛舒适范围的地区，奶牛的繁殖率也会有下降情况。这表明除了温度之外还有其他因素影响夏季奶牛的繁殖，如光周期。因为光照周期与温度两者相关联，所以很难区分光照周期和温度对奶牛繁殖率的影响。在夏季，光周期改变了奶牛的繁殖性能，可能是因为在夏季褪黑激素分泌的减少降低了GnRH 的脉冲频率，从而降低了HPO 轴的活动[40]。Lacasse 等[41]发现，在产犊前用褪黑激素处理不会对奶牛的繁殖率造成影响；而在另一项研究中，观察到夏季施用的褪黑激素减少了发情天数和奶牛的发病率，但是需要多次人工授精才能使奶牛怀孕[42]。此外，褪黑素具有抗氧化特性，对这些数据的解释是困难的，因为褪黑素对冬季奶牛繁殖率的积极影响尚未被研究。褪黑素可能具有独立于其抗氧化特性的作用，因为它可以直接影响颗粒细胞的功能[43]。血液中性粒细胞受到炎症细胞因子和干扰素的影响能够决定奶牛的妊娠结果[44]。总的来说，褪黑素可能在夏季奶牛的繁殖过程中发挥作用。

4 热应激对卵泡、卵母细胞和胚胎发育的影响

4.1 卵泡发育 热应激会影响奶牛体内激素的分泌，并对卵泡发育有负面影响。受热应激影响的母牛其优势卵泡的大小和优势度降低[45]，而中等大小的次级卵泡数量增加[29]。高温对小卵泡（2～5 mm）发育的影响仍不清楚；Das 等[46]研究表明热应激导致小卵泡数量减少。所有研究表明，热应激对卵泡的影响都可能会降低卵母细胞的质量。热应激导致的卵泡优势减弱与第二波优势卵泡的早期出现有关。第二波优势卵泡的过早出现导致了长时期的卵泡优势，这与成熟卵泡的排卵有关，并且不能适时授精，增加人工授精失败的概率。另一个观点是原始卵泡需要16 周才能发育成优势卵泡[47]，而且由于秋季奶牛生育能力逐渐恢复，热应激会破坏早期卵泡发育过程中卵母细胞的发育。对这一观点的支持来自于李孟伟等[45]观察到通过快速去除遭受热应激损害的卵泡可以提高秋季奶牛的受胎率。特别是在秋季，通过增加卵泡的更新速度[45]，或通过刺激卵泡生长，或使用牛生长激素，可以促进卵母细胞功能的恢复[48]。

4.2 卵母细胞发育 热应激影响卵母细胞发育的机制有多种。与热应激相关的内分泌改变，如GnRH 分泌减少，使卵泡发育受到抑制，优势卵泡减少以及卵母细胞发育受损[45]。在夏季遭受热应激的奶牛中，卵母细胞的成熟受到损害，进而影响了后续的受精和胚胎发育。温度升高对成熟的卵母细胞也有直接影响[49]，包括刺激细胞凋亡和破坏细胞核成熟。卵母细胞对热应激的敏感性可持续很长时间。Je s Torres-Júnior 等[50]研究表明28 d热应激降低了卵母细胞质量。

4.3 胚胎发育 虽然卵母细胞容易受到热应激的长期影响，但胚胎主要在附植期或发育过程中对热应激敏感[51]。胚胎在子宫内膜上的附着至关重要，因为在附植时需要胎儿和母体组织之间建立复杂的信号联系，因此，包括热应激在内的任何应激因素都有可能破坏这一过程。此外，新形成的胚胎在发育过程中对热应激特别敏感。热休克蛋白（HSP）是胚胎发育过程中产生的第一种蛋白质，对细胞功能至关重要[52]。最近在对奶牛的研究中，研究了个体细胞生产HSP 相关的基因机制，从这些研究结果中可以制定出保护胚胎免受高温损害的方法[53]。Biggers 等[54]研究表明，热应激对胚胎发育的主要危害是在授精前17 d，这是产生干扰素的关键时间点。适量的干扰素对抑制PGF2a 的分泌、防止黄体溶解和维持妊娠至关重要[55]。除了对妊娠早期有直接影响外，热应激的后期效应也被观察到[55]。在妊娠第21～30 天THI 上升，奶牛在妊娠第90 天的妊娠风险增加，遭受热应激的奶牛其单胎流产风险、双胎流产风险分别为未遭受热应激奶牛的3.7、5.4 倍[56]。热应激对胚胎发育的影响因素多样，但它们都与卵母细胞和黄体的质量降低有关，已经观察到热应激与早期胚胎的存活具有直接关系。

5 结 论

热应激通过2 种可能的机制来降低妊娠率：第一，新陈代谢的改变和ROS 的存在；第二，生殖神经内分泌功能的改变。在热应激期间，采食量减少导致负能量平衡从而引起代谢激素分泌的改变，例如影响胰岛素和IGF-I 和其他卵泡生长因子的分泌，这些激素代谢的改变可以直接降低奶牛的繁殖力。

在夏季，热应激对HPO 轴、皮质醇和催乳素的分泌有直接影响。其一方面是促性腺激素（LH 抑制和FSH 刺激）分泌水平改变影响卵泡发育，从而增加了受精失败的风险，降低了卵母细胞的质量，增加了妊娠失败的风险；另一方面是沉默排卵和卵泡囊肿发生的频率增加。在夏季，抑制素分泌减少而FSH 分泌增加，导致优势卵泡发生改变，双胎率增高；由于在胚胎发育过程中子宫环境遭受热应激影响，整个妊娠过程的复杂性增加。最后，由于光照周期的影响，褪黑激素分泌减少，这可能是影响夏季奶牛繁殖能力的另外一个因素。