热应激对种公牛精液质量影响及应对策略

王彦平，常卓，王丽云，张海涛，麻柱

1.北京奶牛中心，北京 100192；2.农业农村部奶牛遗传育种与繁殖重点实验室，北京 100192；3.奶牛遗传育种与繁殖北京市重点实验室，北京 100192；4.北京市畜牧总站，北京 100101）

1 公牛体温调节机理

公牛睾丸位于阴囊的鞘膜腔内，呈卵圆形，左右各一。睾丸外面盖着一层白膜，由白膜向睾丸实质中央伸出许多小梁（间隔），将睾丸实质分为很多小室或小叶（100～300个)。Kastelic等[1]测定了杂交肉牛阴囊表面温度、阴囊皮下温度以及睾丸内温度，从上到下温差分别为1.6℃、0.4℃和-0.2℃。而睾丸具有互补温度梯度，所以睾丸内温度相对均匀[2]。公牛附睾头的温度高于尾状体的温度，附睾尾是精子储存的重要部位，其温度比睾丸实质略低。

在哺乳动物中，一般睾丸温度维持在32℃左右，这对正常的精子发生非常重要。牛的睾丸和附睾在腹部以下，位于阴囊，为了正常的精子发生，通常睾丸温度比体温低4～5℃[3]。为了有利于精子生成及储存，阴囊通过三种机制调节睾丸及附睾温度。一种是通过阴囊皮肤收缩阴囊朝向腹部或远离腹部来应对冷暖变化。第二种是通过血管系统，广泛的血管系统和睾丸淋巴管排列与阴囊浅血管有助于消除睾丸的热量。炎热会引起这些小动脉的血管扩张，从而减少或增加阴囊的血液供应[4]。第三种是通过汗腺调节，汗腺可以调节睾丸的温度，因为阴囊皮肤表面汗腺比身体其他部位的皮肤更密集[5]。因此，种公牛有足够的阴囊周长可以应对热应激的影响。

2 热应激及影响因素

当动物暴露在炎热、潮湿环境下，或不能通过行为机制减少高温的影响，会导致热应激。在奶牛上表现为采食量减少、体增重减少或牛奶产量下降、种公牛精液质量下降。

热应激对生殖系统影响更大，主要通过影响下丘脑-垂体-卵巢轴以及肾上腺-下丘脑-垂体-性腺轴，进而影响繁殖性能[6]。有研究表明，热应激可能改变精浆蛋白的合成[7]，从而影响精子功能。

许多环境因素都会引起热应激，比如温度、相对湿度和太阳辐射等，而风速和降雨可能会减轻其影响[8]。温度和相对湿度通常被认为是热应激最重要的影响因素。

3 热应激对公牛繁殖性能的影响

3．1 热应激影响公牛繁殖性能的机理

当调节体温的正常生理机制无法应对外界条件时，就会发生热应激。热应激发生在温度超过生理范围时，对精子运动、形态和生育能力有不利影响，其影响程度与持续时间有关。而睾丸温度短暂性达到39～40℃，不会加速生殖细胞死亡。

热应激对生殖的影响主要体现在四个方面：一是通过凋亡破坏生殖细胞。睾丸温度升高，会影响所有类型的睾丸细胞，生殖细胞比支持细胞或间质细胞对热应激更敏感，更容易受到损伤，其中初级精母细胞、精细胞和附睾精子是最敏感的生殖细胞[9]。通常，处于减数分裂后发育阶段的精子更容易受到热应激的影响。在此期间，组蛋白修饰和过度乙酰化的广泛结合使染色质变成不稳定的构象。这些不稳定形式的染色质更容易受到热应激的影响，这可能对精子的染色质凝聚产生影响。

二是生成过多的活性氧，造成氧化应激。环境温度升高导致睾丸温度升高，引起缺氧和新陈代谢的副产品活性氧生成增加。呼吸频率和深度增加，导致碱中毒加重，抑制组织的氧气输送[10]。热应激对精子质量造成影响，进而可能会对精卵融合造成影响。研究表明夏季高温暴露会损害精子的抗氧化系统[11]。

三是热应激对精浆蛋白的影响。除了对精子的影响外，热应激可能还会影响精浆蛋白，从而影响精子的形成质量[12]。此外，不同季节精浆蛋白亦有差异，有研究显示磷酰胆碱结合蛋白夏季含量低于冬季[13]。

四是热应激会引起激素失衡。热应激会导致StAR（甾体生成性急性调节蛋白）基因和蛋白的下调[14]，这种酶的活性降低会导致血液中睾酮水平下降，进而影响精子发生和维持睾丸完整性[15]。热应激会对支持细胞及间质细胞产生影响，这两种细胞的主要功能是支持生殖细胞并产生睾酮，保持生殖细胞正常发育。因此，它们的功能受损可能会干扰雄性生殖细胞的产生，降低睾丸雄激素结合蛋白（ABP）的产生，长时间热应激会导致隐睾。

3．2 热应激对公牛精液的影响

种公牛在遭受热应激后7d，精子畸形率增加。14d后，精子脂质过氧化作用增强，线粒体膜功能、精子活力和质膜完整性降低。热应激后21d仍有热应激效应，28d后精子DNA碎片增加。因此，热应激的最初影响（即增加精子畸形和脂质过氧化）表明精液中存在氧化应激，从而改变了线粒体功能、精子活力、血浆膜完整性，以及带来的DNA断裂[16]。

公牛阴囊保温48h后，附睾精子受到不利影响，表现为冷冻保存后精子运动性和顶体完整性下降[17]。形态缺陷包括远端中段反射、近端和远端液滴和多节的顶体，这些缺陷在保温后11～18d达到峰值，阴囊保温后21～23d，精液中有小头和畸形精子、核空泡和梨状头，以及盘绕的尾巴精子比例增加[18]。热应激后，公牛的阴囊/睾丸温度增加，形态正常精子数量减少。精子头部和中段异常的百分比增加[19]。热应激后，荷斯坦公牛和比利时蓝公牛的正常精子数量减少，头部缺陷发病率较高，尤其是核空泡和染色质缺陷增多。

西门塔尔公牛夏季精子缺陷多于冬季，年轻公牛多对环境温度升高敏感。与其他季节相比，春季精子质量有较高的细胞膜完整性和较低的DNA断裂指数[20]。另据报道，热应激影响蛋白质的合成，其次是DNA和RNA[21]。同时，热应激诱导热休克转录因子（HSFs）的激活能够产生热休克蛋白（HSPs），从而减少热应激的有害影响[22]。

4 缓解热应激影响的应对措施

4．1 品种与年龄选择

避免热应激最有效的方法是选择能很好地适应当地环境气候的品种。有研究表明，安格斯公牛和荷斯坦公牛比印度牛品种更能抵抗热应激的影响[23]。热应激下，青年公牛精子的运动能力、膜完整性和精子线粒体电位高于老龄公牛[24]，但畸形率亦高于高龄公牛。

4．2 加强饲养管理

缓解热应激的管理措施完全取决于环境，通过采取喷淋/强制通风措施，有助于降低环境温度。降低公牛头部或颈部温度，可促进采食量增加，对降低睾丸温度有直接作用。

研究人员根据热应激导致的氧化应激、生殖细胞凋亡、精子质量损伤和睾丸损伤四个方面，研究了大量降低睾丸氧化应激，减少或防止细胞凋亡，促进睾丸组织的恢复和恢复精子质量的方案[25]。如给种公牛饲喂各种物质或添加到精液中，如氨基酸、抗生素、抗氧化剂、酶抑制剂、激素、矿物质、酚类化合物、传统草药和维生素。维生素E可以单独或者与硒、锌或褪黑素结合使用。这些物质能够减少睾丸氧化应激，有助于睾丸快速恢复组织和恢复精子质量特征[26]。

4．3 计划公犊牛出生时间

奶牛妊娠晚期避开炎热季节，所产公犊牛在头几个月的生长速度比其他犊牛高。早期的生长速度或营养水平会影响采精后精子质量[27]。因此，妊娠期的热应激应该尽量避免。有研究表明，秋季出生的犊牛很可能在妊娠期子宫内受到热应激，春季出生的小牛犊比秋季出生的小牛犊成年后产生的精子质量高。