烟酸缓解反刍动物热应激的研究进展

邹必成 龙 凡 瞿明仁 许兰娇

(江西农业大学动物科学技术学院，江西省动物营养重点实验室，营养饲料开发工程研究中心，南昌 330045)

热应激是指动物所处环境温度大于等热区中舒适区的上限，引起机体非特异性防御应答反应的全身性适应症[1]。反刍动物由于被毛厚，瘤胃发酵热增耗高，非常容易受到热应激的影响。热应激可导致反刍动物采食量和营养物质消化率降低、生长受阻、畜产品质量下降、免疫功能下降等，严重损害反刍动物的健康和生产性能。烟酸(NA)作为一种饲料添加剂，在反刍动物上常用于预防酮病、瘤胃酸中毒和缓解能量应激，但随着烟酸能够提高热应激奶牛的生产性能被发现[2]，烟酸的抗热应激功能在反刍动物上展开了研究。烟酸价格低廉，利用烟酸缓解热应激可以保障反刍动物健康，一定程度上能降低热应激给畜牧业带来的损失。本文就热应激对反刍动物的危害、烟酸对热应激条件下反刍动物的影响以及烟酸缓解热应激的可能机理展开综述。

1 热应激对反刍动物的危害

当外界温度高于机体调节上限，动物不能通过自身神经内分泌系统维持正常体温，便处于热应激状态。反刍动物发生热应激后，最明显的表现为体温升高、呼吸加快。为了缓解热应激，动物通过增加呼吸频率的方式来增加散热，因此直肠温度和呼吸频率是判定热应激的重要依据[3]。热应激对动物采食量的影响非常明显，高温环境直接对动物下丘脑采食中枢产生副作用，降低动物食欲；采食行为会产生大量热增耗，营养物质代谢过程会产生代谢热，为了减少热负荷，动物会减少采食量；高温环境下动物的蒸发散热加强，机体水分大量流失，导致饮水量加大，同样促使采食量下降。热应激还会引起消化代谢速率加快，促进糖原异生，加速蛋白质和脂肪的消耗，导致机体内的物质代谢出现负平衡，长期处于这种状态下的动物会明显消瘦、生长不佳，生产性能下降[4]。热应激打破机体的氧化还原平衡，引起内分泌紊乱，长期的热应激使免疫器官、组织以及细胞功能被抑制或破坏，导致免疫器官发生萎缩，细胞免疫和体液免疫受到抑制，从而引发炎症反应，导致免疫功能下降[5]。若饲养卫生条件差，夏季高温下肉牛极易感染病原微生物，引发腹泻、角膜炎等症状[6]。

瘤胃是反刍动物重要的消化器官，而热应激对反刍动物瘤胃的结构和功能均会造成负面影响。热应激条件下，反刍动物对粗饲料的采食量下降并减少了反刍和瘤胃蠕动，唾液分泌量减少[7]，唾液中的碳酸氢根(HCO3-)浓度降低，不能中和瘤胃的酸度，从而导致瘤胃液pH降低，容易诱发酸中毒[8]。热应激破坏瘤胃黏膜上皮细胞紧密连接，使瘤胃黏膜绒毛萎缩脱落，增加瘤胃黏膜屏障通透性[9]，而瘤胃上皮形态遭到破坏时，会影响瘤胃壁菌群的生理活性[10]，导致瘤胃内菌群结构发生改变。瘤胃乳头的形态在热应激的环境下也会发生变化，多项研究指出高温高湿下，瘤胃乳头高度增加，宽度降低，与饲粮接触面积显著减少[11]，影响消化。热应激对瘤胃环境的改变最终会影响到瘤胃微生物的多样性，从而导致瘤胃微生物发酵功能、饲粮纤维的消化以及微生物蛋白的合成受到影响，降低反刍动物的生产性能[12]。

2 烟 酸

2.1 理化性质

烟酸又名尼克酸、维生素PP、维生素B3或抗癞皮病因子，是一种水溶性B族维生素；化学式为C6H5NO2，化学名为3-吡啶甲酸，相对分子质量为123.11；外观为白色或淡黄色针状晶体，无臭或微臭，味苦；是结构最简单、理化性质最稳定的B族维生素[13]。

2.2 来源

反刍动物的烟酸来源有多条途径。烟酸自然存在于动物副产品和植物源饲料中，饲料中的烟酸含量变化较大，谷物的烟酸含量似乎相对较低[14]。除此之外，反刍动物还可以通过色氨酸和喹啉酸在肝脏和肾脏中合成烟酸，然而这种合成相对低效，因为色氨酸优先用于蛋白质合成[15]。反刍动物的烟酸主要是来源于瘤胃微生物合成，并且一般认为可以满足反刍动物的生理需求，然而许多试验表明在饲粮中添加烟酸能对反刍动物起到积极的作用。有研究发现热应激奶牛全血中烟酸的浓度显著降低，这意味着在热应激条件下烟酸代谢可能增加，因此饲粮中补充烟酸是有必要的[16-17]。因为瘤胃微生物合成烟酸的数量差异很大，一些学者认为微生物合成烟酸受饲粮组成的影响[15]。外源添加烟酸以往主要是以游离烟酸或烟酰胺的形式添加，然而有报道称这种形式添加的烟酸容易被瘤胃微生物降解，其降解率达90%以上[18]。近年来过瘤胃烟酸(RPN)成为了研究热点，过瘤胃烟酸被认为可以增加烟酸在小肠中的生物利用度[19]。

2.3 吸收和代谢

烟酸在动物体内有2种存在形式，即烟酸和烟酰胺(NAM)，二者都可以转化为辅酶，但只有烟酰胺作为活性成分[20]。烟酸主要以其衍生物烟酰胺的形式参与代谢，二者均以扩散的方式被吸收。根据多方面的文献研究，外源补充的烟酸大部分在瘤胃中与微生物结合在一起而被降解，而能够被吸收的那部分烟酸，一般认为少部分被瘤胃壁吸收，而大部分会到达十二指肠被吸收[18,20-22]。烟酸在小肠黏膜中转化成烟酰胺，然后在组织中与蛋白质结合生成辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP)[13]，NAD和NADP是大多数细胞氧化还原反应的重要辅因子，在氧化还原过程中起递氢的作用，参与细胞中氧化磷酸化、糖酵解和DNA修复等过程[23]，对维持细胞代谢和呼吸至关重要[24]。因此，烟酸对调控动物机体营养物质代谢、能量代谢和应对氧化应激和炎症有重要作用，是动物体内必需的维生素。

3 烟酸对热应激条件下反刍动物的影响

3.1 对反刍动物生产性能的影响

热应激条件下饲粮中添加一定量的烟酸可以提高反刍动物的采食量、降低料重比、提高日增重和营养物质消化率。在奶牛热应激研究中，杨耐德等[25]发现饲粮中添加8、15 g/d烟酸可使热应激奶牛的干物质采食量显著提高，分别提高了12.71%和11.20%，添加8 g/d烟酸可显著提高各种营养物质的消化率，尤其是蛋白质和中性洗涤纤维的消化率，分别提高了6.42%和4.13%。李萍等[26]的研究发现，在夏季泌乳水牛饲粮中添加8、12 g/d烟酸可使粗蛋白质消化率和干物质采食量显著提高，分别提高了6.36%和4.82%。在肉牛热应激的研究中，王雪莹等[27]在热应激麦洼牦牛饲粮中添加了0.049 g/kg烟酸，结果显示干物质采食量和平均日增重均得到显著提高，粗脂肪、粗蛋白质的消化率也有所提升。烟酸对营养物质消化率的提高可能与其改善热应激条件下瘤胃发酵功能有关，有体外研究发现添加烟酸促进瘤胃液中原虫数量和微生物蛋白产量增加[28]。但也有研究表明，烟酸对热应激反刍动物没有显著影响，王冠等[29]在饲粮中单独添加6或12 g/d过瘤胃烟酸没有对北方夏季轻度热应激奶牛的生产性能产生显著影响，这种差异可能与热应激强度有关。

3.2 对反刍动物血液指标的影响

热应激会引起动物全身的非特异性免疫应答，影响动物的内分泌，因此血液中的各种物质均会发生变化，造成血液稳态失衡，对动物的健康十分不利。诸多研究发现在热应激条件下，反刍动物血清免疫指标和抗氧化指标明显发生改变。有报道称，在慢性热应激条件下，肉牛血清中免疫球蛋白A(IgA)、免疫球蛋白G(IgG)、免疫球蛋白M(IgM)含量降低，总抗氧化能力(T-AOC)和超氧化物歧化酶(SOD)活性显著降低，丙二醛(MDA)含量显著升高[30]。湿热应激状态下，藏绵羊和山羊血清中各项抗氧化指标显著降低，免疫球蛋白含量显著降低，肿瘤坏死因子-α(TNF-α)含量显著升高[31]。这些指标的改变意味着热应激降低了反刍动物的免疫和抗氧化功能。

研究发现，添加烟酸能够改善热应激反刍动物的血液指标，维持内环境稳态，对缓解热应激有一定效果。热应激状态下，甲状腺功能减退，血液中三碘甲状腺原氨酸(T3)、甲状腺素(T4)含量大幅下降，机体代谢率下降以限制动物体温升高[32]。李新建等[33]发现烟酸能够维持奶牛血清T3、T4含量的稳定，这可能是热应激条件下奶牛供能不足，而T3和T4能够加速脂肪和糖的代谢[34]，从而增加机体的能量供应。杨耐德等[25]在热应激奶牛饲粮中添加烟酸，发现血清皮质醇(COR)、胆固醇、甘油三酯(TG)含量降低。李建国等[35]研究表明，高温环境下添加烟酸使奶牛血清胆固醇含量降低；添加6、12 g/d烟酸使血糖含量显著提高，分别提高了37.89%、51.93%，游离脂肪酸(FFA)含量显著降低，分别降低了23.89%、10.39%；添加12 g/d烟酸可显著降低奶牛血清尿素氮含量。这些结果说明添加烟酸可以有效缓解热应激引起的血液中皮质醇含量的急剧升高，减少热应激对奶牛免疫器官造成的伤害，调节机体糖、脂肪、蛋白质的代谢。

热应激环境下的奶牛血清中促炎因子白细胞介素-1β(IL-1β)、白细胞介素-6(IL-6)、TNF-α的含量均高于非热应激环境下的奶牛[36]，这表明热应激环境容易引起动物的炎症反应。并且，众多研究表明，热应激过程中还会引起抗炎细胞因子白细胞介素-10(IL-10)含量增多[37-38]，说明热应激发生过程中也伴随着抗炎因子的大量释放以抑制促炎反应。烟酸能影响热应激动物血清炎性因子含量，王雪莹等[27]发现添加烟酸使热应激牦牛血清中促炎因子IL-1β、TNF-α含量显著下降，这说明烟酸使热应激条件下反刍动物机体的炎症反应得到了缓解，减轻了对机体的损伤。

热休克蛋白70(HSP70)是所有的热休克蛋白中最敏感的，不仅能促进新合成蛋白质的正确折叠，还能使变性蛋白质恢复到自然状态，刺激细胞存活，被认为是反刍动物热应激过程中热适应的重要调节因子[39]。热应激能显著提高血清细胞外HSP70的含量，提高HSP70 mRNA的表达，增加机体的耐热能力[40]。孙先枝等[41]的研究表明，中度热应激条件下补饲烟酰胺有增加血清中HSP70含量的趋势，增强奶牛的耐热能力。而王雪莹等[27]的研究表明，轻度热应激条件下添加烟酸能够抑制热应激牦牛HSP70的表达，这可能是烟酸缓解了牦牛热应激症状。两者研究结果不一致很可能与热应激强度不同有关。此外，在最近的一项体外研究中报道了烟酸增加了热应激条件下牛乳腺肺泡细胞(MAC-T)和牛子宫内膜细胞(BEND)中HSP70 mRNA的表达水平，降低了牛乳腺上皮细胞(BMEC)中HSP70 mRNA的表达水平[42]，表明烟酸对热应激条件下HSP70的表达可能与不同组织细胞有关。

综上可知，烟酸能改变热应激条件下反刍动物的血液指标，影响HSP70的表达，改善能量代谢，减轻炎症反应，提高免疫功能。

3.3 对反刍动物瘤胃功能的影响

大量体内外试验均表明烟酸能够改善瘤胃发酵功能，然而具体的规律还没有掌握，研究发现添加烟酸能够提高瘤胃液pH，氨态氮(NH3-N)、微生物蛋白、丙酸和总挥发性脂肪酸(TVFA)含量，降低乙酸/丙酸比值，改变瘤胃发酵类型[43-45]。而有关热应激条件下添加烟酸对反刍动物瘤胃发酵功能影响的研究较少。林波等[46]研究发现，夏季高温条件下添加12 g/d烟酸后瘤胃液氨态氮含量有上升趋势，瘤胃液总挥发性脂肪酸和各挥发性脂肪酸含量显著降低，瘤胃液乳酸含量显著提高，但对瘤胃pH无显著影响。瘤胃液氨态氮含量的上升可能是烟酸促进了微生物对饲粮中蛋白质的分解利用。李萍[47]在高温高粗料的条件下添加烟酸，发现对奶水牛瘤胃液pH无显著影响，烟酸组瘤胃液氨态氮含量与对照组也无显著差异，添加12 g/d烟酸组瘤胃液乳酸含量较对照组显著提高了28.62%，瘤胃液乳酸含量提高可能与干物质采食量提高有关。也有研究表明烟酸对热应激牦牛瘤胃发酵没有显著影响[27]。烟酸对热应激条件下反刍动物瘤胃微生物影响的研究甚少。研究表明，夏季高温条件下，饲粮中添加烟酸显著降低了水牛瘤胃内厚壁菌门的比例，显著提高了黄杆菌科等纤维素降解菌的比例[46]。琥珀纤维杆菌、黄乳球菌和白乳球菌等被认为是瘤胃中最重要的纤维素降解菌[48]，能够合成分泌大量的纤维素酶、半纤维素酶，对消化饲粮中的纤维物质起重要作用。还有研究表明，高温高粗料条件下，饲粮添加烟酸对杂交泌乳水牛瘤胃主要纤维降解菌数量无显著影响[47]。从多项试验可以发现，添加烟酸对瘤胃微生物区系产生的影响并不一致，原因可能是瘤胃微生物区系受动物(日龄、母体效应、品种)、饲粮(饲粮组成、饲粮蛋白质水平、饲粮中粗料种类)、饲料添加剂(益生菌等)、饲养管理模式等多种因素影响[49]。目前烟酸对热应激反刍动物瘤胃微生物的影响还处于探索阶段，未来研究可采用多组学联合分析，深入研究瘤胃微生物的组成、基因组功能和代谢功能。

4 烟酸缓解热应激的可能机理

烟酸在对热应激反刍动物的一系列试验表明烟酸在一定程度上能够缓解热应激，然而具体的机制还不明确，目前最普遍的观点认为是在热应激条件下，烟酸可以引起血管舒张反应，加速血液流动[50]，通过增加蒸发热损失来改善散热，促进动物散热，进而缓解动物的热应激。烟酸引起的血管舒张机制主要是烟酸诱导G蛋白偶联受体109A(GPR109A)的激活，增加花生四烯酸和前列腺素，例如前列腺素D2(PGD2)和前列腺素E2(PGE2)，随后在毛细血管中激活前列腺素D2受体(DP1)、前列腺素E2受体(EP2)和前列腺素E受体4(EP4)并引起皮肤血管舒张[51]。许多试验证实烟酸能够降低动物体温和呼吸频率，然而也有部分研究发现热应激条件下添加烟酸后动物的体温和呼吸频率并没有发生显著变化[29,35]。这很可能是热应激条件下，恒温动物为适应环境温度所引起的体温上升较难恢复。

热应激状态下反刍动物饲粮摄入减少导致能量供应不足，使机体处于负能量平衡，这容易引起代谢紊乱，为了补偿能量，脂肪组织被动员转化。在一些热应激反刍动物上可以发现血浆中游离脂肪酸、胆固醇含量增加，并引起高血脂症[52]。烟酸长期以来都被认为是一种调脂化合物[53]，烟酸可以通过降低甘油二酯酰基转移酶2(DGAT2)活性来降低极低密度脂蛋白(VLDL)和低密度脂蛋白(LDL)以及甘油三酯的合成，从而使血液中总胆固醇、甘油三酯、低密度脂蛋白和极低密度脂蛋白的含量降低[54-55]；同时，通过抑制载脂蛋白A-1(Apo A-Ⅰ)的分解来增加高密度脂蛋白(HDL)的含量，有效调控动物脂代谢功能[42]。而添加烟酸降低热应激反刍动物血液中胆固醇、甘油三酯、游离脂肪酸的含量已经在试验中得到证实[25,35]，烟酸可能通过调控脂肪代谢，改善脂类代谢障碍，维持代谢平衡，进而缓解热应激。

热应激条件下，动物机体产生大量自由基，自由基稳态失衡使机体内的自由基不能及时清除，造成活性氧(ROS)堆积过多，导致氧化应激，而后进一步激活促炎因子释放，从而引起氧化应激—炎症反应—免疫功能失衡三方联动效应，威胁畜禽健康，降低畜禽生产性能[56]。刘宇宸等[57]阐明了热应激通过免疫细胞、炎性介质、黏附因子和趋化因子等引发炎症反应的机理。陆灿强等[58]综述了热应激引起畜禽氧化应激反应、热休克反应与免疫炎症反应的机制及三者之间的相互关系，并指出，一方面，热应激会引起细胞内ROS含量升高，进而引发机体产生炎症反应；另一方面，ROS也可以通过激活免疫系统，从而加速炎症反应和免疫修复的过程，说明氧化应激、炎症反应以及机体免疫共同参与了热应激引起的机体损伤过程。热应激状态下，ROS的持续生成往往会引发机体产生氧化应激并造成组织细胞氧化损伤[59-60]。氧化应激的主要因子ROS可通过Toll样受体(TLR)识别来启动炎症反应[61-62]。另外，ROS还可以通过核因子-κB(NF-κB)和NALP3炎性复合体诱导炎症发生[63-65]。当机体遭受较强烈或较长时间的热应激时，大量内源性ROS以及由肠道转移到机体内的脂多糖(LPS)可诱发免疫和炎症反应[66]。

烟酸缓解热应激的机理很可能是烟酸能够缓解氧化应激，减轻炎症反应，遏制氧化应激—炎症反应—免疫功能失衡，稳定内环境。研究表明烟酸对于外源刺激导致的胰腺、肾脏、血管和肺脏中氧化应激和炎症反应均有很明显的抑制作用[67-70]。SIRT1是一种NAD依赖性酶，使蛋白质脱乙酰化，调节细胞对应激源的反应和寿命，ROS会抑制SIRT1[71]，因此可以通过SIRT1激活对抗细胞氧化应激。Chen等[67]发现，在胰腺诱导的急性胰腺炎和远程肺损伤中，烟酸降低了血清淀粉酶活性和循环自由基含量，并降低ROS对SIRT1的抑制；另外，烟酸增加了可用NAD含量，可以激活SIRT1，恢复SIRT1 mRNA的表达，有助于减少肺氧化应激和炎症。除了SIRT1激活外，Sahebkar[72]报道烟酸可保护动脉粥样硬化患者的血管免受氧化应激诱导的内皮功能障碍。在单核细胞中，烟酸抑制TLR-4和TLR-2的表达以及TNF-α、IL-6和单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)的分泌[71]。在大鼠中，高剂量的烟酸减轻了肺部炎症，提高了脓毒症期间的存活率，同时下调了NF-κB的表达[73]，同样有研究表明烟酸通过下调NF-κB表达，抑制血管炎症[70]。研究发现烟酸可通过减少内皮ROS的产生、低密度脂蛋白的氧化以及随后的血管细胞黏附分子-1(VCAM-1)和MCP-1的表达来抑制血管炎症[74]。另外，有研究发现烟酸及其主要代谢物烟酰胺通过减少激活成熟巨噬细胞中ROS、一氧化氮(NO)和促炎细胞因子的产生而发挥抗氧化和抗炎作用[75]。烟酸缓解炎症还与GPR109A有关，GPR109A是一种在肠上皮和免疫细胞表面发现的G蛋白偶联受体，在控制肠道通透性和炎症级联反应中起关键作用[76]。烟酸是GPR109A的一种配体，被发现可以抑制血管内皮细胞的炎症[77]。烟酸可以通过激活GPR109A和磷酸化磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMPK)，从而进一步激活核因子E2相关因子2(Nrf2)信号通路，促进细胞自噬，显著减弱IL-6、TNF-α和IL-1βmRNA表达的增加，以减轻LPS诱导的原代BMEC炎症反应[78]。此外，已有研究证明烟酸还可通过抑制HSP70的表达缓解热应激导致的乳腺和子宫损伤[42]。总之，烟酸通过影响多条生物信号通路，抑制NF-κB、TLR-4和TLR-2的表达，激活GPR109A、SIRT1，减少ROS的产生，阻断氧化应激和产生炎症的连锁反应，发挥抗氧化和抗炎症作用，遏制氧化应激—炎症反应—免疫功能失衡，使机体维持正常的免疫功能，这为烟酸缓解热应激条件下引发的氧化反应和炎症提供了理论依据。并且前面的论述中提到，热应激条件下，反刍动物饲粮中添加烟酸能够影响血液中的炎性因子[27,41]，缓解炎症，但仍需更多的研究去阐明烟酸缓解热应激引发炎症的机制。

5 小 结

综上所述，烟酸在某些研究中表现出抗热应激作用，能够提高热应激条件下反刍动物的生产性能，对血液指标也有改善作用。而烟酸缓解反刍动物热应激的具体机理仍不清楚，还需要更多的试验去探索。目前烟酸对反刍动物热应激的研究还是集中在生产性能、血液指标、瘤胃发酵参数等基础研究方面，并没有深入挖掘其机理。未来的研究可以侧重于烟酸对热应激反刍动物瘤胃功能的影响，包括瘤胃结构、瘤胃发酵功能、瘤胃微生物区系，并结合生产性能以及抗炎、抗氧化功能等方面的研究，揭示热应激条件下烟酸对反刍动物的作用机理，这将为烟酸在热应激条件下反刍动物生产中的应用开辟广阔前景。