维生素A影响雄性动物繁殖性能的研究进展

卢思宇，李敬轩，王妍，龙城，陈俐，郭勇，齐晓龙

（1北京农学院动物科学技术学院，北京 102206；2北京农学院食品科学与工程学院，北京 102206）

0 引言

近年来，国家高度重视畜禽种业的发展，随着人工授精技术的普遍应用，畜禽繁殖效率得到了大幅提高，同时，对雄性动物繁殖性能的要求也越来越高。在规模化畜禽生产中，通过人工授精技术，可以极大降低公母比例，使养殖场经济效益最大化。研究表明，饲粮中营养活性物质对调控动物繁殖性能起到重要作用[1]。营养调控技术是改良种公畜禽繁殖性能，提高养殖效益的重要手段[1]。

维生素A 作为动物机体重要的脂溶性维生素之一，在动物的生产性能、繁殖性能和抗病能力等方面发挥重要调控作用，具有维持上皮组织完整性、抗氧化、调节基因表达等生物学功能[2]。目前有关维生素A对雄性动物繁殖性能影响的研究主要集中在生殖器官与精液质量等方面，如缺乏维生素A会造成睾丸损伤、精子发生障碍、精子品质和数量降低等[3]。本研究简述了维生素A对雄性动物繁殖性能的影响，旨在为推动维生素A在提高雄性动物繁殖性能中的应用提供理论参考。

1 维生素A性质与代谢

1.1 维生素A性质

维生素A 属脂溶性维生素，包括视黄醇(retinol,ROL)，视黄醛(retin aldehyde, RAL)，视黄酸(retinoic acid, RA)3 种衍生物[4]。维生素A 是亲脂性类异戊二烯的通称，由环状基团和带有亲水极性基团的直链组成，具有维持视力、增强免疫、生殖调控及调节细胞增殖分化等作用[5-7]。同时，维生素A具有一定抗氧化能力，可有效清除机体中自由基，避免动物出现氧化应激和炎症反应[8]。当缺乏维生素A 时，会导致畜禽出现生长迟缓、抵抗力降低、上皮角质化、夜盲症及器官黏膜损伤等病症，使得畜禽生产性能下降[9-10]。维生素A化学性质不稳定，在光、热、氧条件下易被破坏[11]。此外，饲料加工、保管以及长期贮存的过程中极易造成维生素A 的损失，因此饲料中需要添加适量的维生素A以避免动物出现维生素A缺乏症[12]。

1.2 维生素A的代谢

维生素A为动物不可缺少的且不可自身合成的营养元素，只能通过饲料进行补充[13]。自身并不具备生物活性的维生素A通过维生素衍生物在动物体内发挥作用，维生素A在胃肠道中被酶水解为RAL后被肠道黏膜吸收，随后视黄醛酯转化为视黄酯，与乳糜微粒(chylomicron,CM)混合后进入循环系统[14]。ROL与视黄醇结合蛋白(retinol conjugated protein, RBP)在血液形成复合物进行运输[15]。进入循环系统的复合物一部分作用于靶器官，另一部分储存于肝脏，其中大部分储存在肝星状细胞[16]。肝脏不仅可以储存维生素A，还可分泌参与维生素A 运输的RBP[17]。当ROL 与RBP形成的复合物通过血液循环运输至睾丸细胞时，与膜受体STRA6 结合被吸收[18]。维生素A 代谢紊乱会影响睾丸细胞，导致精子发生受损[19]。维生素A 通过调控精细胞的增殖和分化，可调节雄性动物精子数量和精子活力[2]，进而影响雄性动物的繁殖性能。

2 维生素A对雄性动物繁殖性能的影响

2.1 维生素A与生殖器官

维生素A 作为一种重要的营养素，对雄性动物的繁殖性能有促进作用，饲粮中充足的维生素A有助于维持雄性动物正常的繁殖性能。维生素A可维持生精上皮结构完整性，缺乏维生素A会损伤睾丸组织，包括引起生殖上皮细胞畸形[20]和生精周期紊乱[3]等，严重缺乏可导致雄性动物睾丸发生退化[21]等一系列疾病。研究表明，饲粮中缺乏维生素A可引起公牛性器官上皮角质化[20]；公猪性器官发育异常，功能退化[21]。睾酮在性腺发育和配子产生中起着至关重要的作用[22]，为生殖休眠期的鼠兔注射全反式视黄酸可重启精子发生，并抑制视黄酸降解酶活性[23]，在饲粮中添加维生素A可提高种公鸡和种鹅血液中睾酮水平[24-25]。Miller等[26]研究表明，饲粮中添加维生素A可显著提高火鸡的睾丸重量从而增强其繁殖性能。而维生素A过量或缺乏均会引起生精小管不同程度的退化，精母细胞形成受阻[27]，精子发生出现早期停滞[2]，睾酮分泌异常[28-29]，导致生精过程紊乱，繁殖能力下降。

2.2 维生素A与精液质量

维生素A通过改变雄性动物的精液质量影响其繁殖性能。精子中含有顶体酶、纤维酶原激活剂、乳酸脱氢酶和谷草转氨酶等多种与代谢活动和精卵结合相关的酶，维生素A可以影响这些酶的活性。研究表明，在缺乏维生素A 的公羊饲粮中补充维生素A，可使精子顶体酶和纤维酶原激活剂活动恢复正常[30]；在公牛饲粮中添加适量的维生素A，可提高精子抗冻性和顶体完整率，降低精子顶体中乳酸脱氢酶和谷草转氨酶的损失，降低精清酶活性[31]。因此，顶体中含有多种水解酶利于精卵结合，适当补充维生素A可防止顶体酶扩散到精清，可提高母畜受胎率。除此之外，缺乏维生素A还会导致精子顶体完整率下降、畸形率上升[32]，如种公猪精子数量减少，畸形精子数增多[33]。在饲粮中添加适量维生素A可使精液量、原精活力、冻后活力、顶体完整率均有所提高，且精子畸形率下降[34-35]。可见，适量补充维生素A可改善种公畜的繁殖性能。

3 维生素A影响繁殖性能的作用机理

3.1 维生素A通过下丘脑-垂体-性腺轴调控繁殖性能

下丘脑-垂体-性腺轴(hypothalamic-pituitarygonadal axis,HPG)是调控机体生殖功能的重要神经内分泌系统[36]。下丘脑产生GnRH刺激垂体释放FSH和LH，可调节性腺激素的产生和配子发生，对睾丸功能的正常发挥起着重要作用[37-38]。其中FSH诱导支持细胞增殖，并促进精子发生；LH刺激睾丸间质细胞产生睾酮作用于雄激素受体[39]。

成年哺乳动物的睾丸可通过精子发生途径产生精子[40]。精子发生是指精子细胞从精原细胞发育到精子的过程，伴随着基因的调控，是一个极其复杂、受HPG调控并且高度组织化的过程[41]。在精子发生过程中，支持细胞起到营养支持的作用，可促进生殖细胞在生精小管内发育成精原细胞[42]。间质细胞是睾酮合成的主要场所，使睾丸中睾酮水平远高于血清[43]。在LH的刺激下，睾酮向生精小管内扩散，作用于支持细胞间接维持正常的精子发生[44]。同时，视黄醛脱氢酶参与RA的合成，FSH 和LH 可以通过调控视黄醛脱氢酶间接调节RA 活性，参与睾丸中精原细胞的分化和精子发生的启动[45-46]。因此，促性腺激素通过调节睾丸生精上皮RA 信号来触发精原细胞的分化和精子发生，从而影响雄性动物繁殖性能[47]。

3.2 维生素A通过肠-睾轴调控繁殖性能

微生物群是一个复杂的微生物生态系统，生活在不同区域，如胃肠道、皮肤、口腔、呼吸系统和阴道，其中超过70%的微生物群生活在胃肠道中，与其宿主形成互利关系[48]。微生物群在许多代谢活动中，通过代谢物在生理机制的调控中发挥重要作用。

肠道微生物群可以通过肠-睾轴与生殖系统相连，影响雄性动物生殖活动。用纯化的微生物喂养老龄动物，可使其睾酮浓度恢复年轻水平并显著增加睾丸重量，为微生物群调节睾酮浓度和睾丸老化提供了证据[49-50]。肠道微生物群缺乏会影响睾丸成熟、交配反应和雄性副性腺发育过程相关的基因表达[51]。肠道微生物群也是雄激素产生和代谢的主要调节者，甚至可以越过血睾屏障(blood-testis is barrier, BTB)来调节精子发生[52-53]。同时，粪便微生物群的移植(Fecal Microbiota Transplantaion,FMT)也可改变精子发生的状态[54-55]，因此肠道微生物群也被认为是雄性动物性腺功能的生物标志。高脂肪饮食(High-Fat Diet,HFD)诱发的肠道微生物菌群紊乱可导致附睾促炎症因子显著增加，导致精子运动能力受损，HFD-FMT 会导致配子减数分裂和睾丸线粒体功能的相关基因表达降低[54]。

肠道微生物群还可以通过调节肠道代谢和营养摄入来调控睾丸功能，从而调节宿主生殖活动[53]。当绵羊肠道微生物群失调时，由于胆汁酸水平显著降低，维生素A 在肠道中吸收中断，维生素A 的代谢异常效应通过循环血液转移到睾丸细胞，导致精子发生异常，从而降低雄性动物繁殖性能[19]。

3.3 维生素A对生精细胞增殖分化和减数分裂的调控

维生素A是正常精子发生所必需的营养素。研究表明，动物缺乏维生素会导致生殖细胞增殖分化和减数分裂的能力逐渐丧失，最终生精小管中仅含支持细胞和减数分裂前生殖细胞[27]。维生素A诱导精子发生的作用机制在于调节特定靶点基因表达的能力，如Neurogenin3(Ngn3)、Synaptonemal complex protein3(Scp3)、Protamines(Prm)、Stimulated by retinoic acid8(Stra8)、Promyelocytic leukaemia zinc finger(PLZF)、Connexin 43(Cox43)等。研究表明，RA 可以调节生精小管基因表达，位于细胞核内的RA先与受体结合，二聚化后与细胞核DNA结合并调控生殖基因的表达[56]，并在精子发生过程中的精子伸长阶段前都表现为活跃状态[57]。因此，缺乏维生素A 会导致靶点基因无法正常表达，造成精子发生停滞，从而降低精液品质。

研究表明，Ngn3基因在未分化的精原细胞中表达，可促进睾丸内减数分裂，调节生精过程[58]。在缺乏维生素A 的小鼠睾丸中发现Ngn3基因的表达量显著下调，提高维生素A摄入可恢复精原细胞正常分化，提示长期摄入不足的维生素A可直接对未分化的早期精原细胞产生不利影响[59]。Prm基因在精子核中重要的DNA结合蛋白，其在精子发生及受精能力等方面的功能备受关注[60]。长期摄入过量维生素A 导致睾丸中Prm基因表达水平显著降低，Prm基因表达量与精子产生密切相关，当其表达出现异常时会导致精子数量减少或精子发育失调[61]。Scp3是突触复合体的主要成分，在减数分裂联会过程和突触反应中起关键作用[62-64]。研究表明，过量的维生素A 导致睾丸中Scp3基因表达下调，造成精母细胞分化减少[65-66]，适量的维生素A 可恢复Scp3正常表达，修复受损的减数分裂[67]。Scp3通过影响着丝粒分离，造成染色体配对错误[68]。染色体减数分离配对错误是遗传物质出现问题的主要原因，因此摄入过量维生素A导致Scp3基因表达异常可能会对睾丸精子产生不利影响，摄入适量维生素A可恢复精子正常减数分裂。Stra8是RA的应答基因，在有丝分裂向减数分裂阶段的细胞内特异性表达，其表达异常时可引发雄性不育[69-71]。研究表明，Stra8基因在摄入过量维生素A 小鼠中的表达显著提高，睾丸中的精母细胞和圆形、长形精子细胞的数量显著减少，使精原细胞停止分化[27]，摄入适量维生素A可改善隐睾组织中Stra8的异常表达，使未分化的精原细胞恢复减数分裂过程[72-73]。因此，长期摄入过量维生素A的小鼠睾丸中Stra8基因表达的明显增加，可能使未分化精原细胞数量的显著增加，合理摄入维生素A可重启减数分裂。PLZF是抑制精原祖细胞分化的关键因子，参与精原干细胞的自我复制，维持数量稳定[74-75]。补充维生素A可促进隐睾组织精原细胞增殖分化，维持正常的精原细胞数量[72]。C-kit在睾丸的精原细胞中表达，与精原细胞增殖和分化的调控有关[76]。短暂沉默C-kit会导致精原细胞周期停滞与凋亡的增加[77]，RA是C-kit表达的正调节因子，在减数分裂时诱导精原细胞中C-kit表达，促进精原细胞分化[78]。

3.4 维生素A对生精微环境的调控

在睾丸中，生精小管与血液之间存在BTB，对维持生精微环境的稳定有重要作用，其中支持细胞紧密连接作为BTB的主要成分，对精子发生过程起到关键调控作用[79]。RA 主要通过结合位于支持细胞上的视黄酸受体α(retinoic acid receptor α,RARα)调控生精过程。研究表明，缝隙连接蛋白43(Connexin43, Cox43)是睾丸中最丰富和最重要的连接蛋白，对BTB与支持细胞正常功能的维持均起到调控作用[80]，闭锁小带蛋白-1(Zona occludens protein 1,ZO-1)在黏膜修复和减数分裂过程中必不可少，是用于监测体外BTB建立的标记，精子发生过程波形蛋白周期表达受到严格调控[53,81]。在RARα敲除的睾丸中，支持细胞间的连接蛋白降解及形成障碍，波形蛋白周期表达中断，ZO-1进入支持细胞屏障延迟，造成生精转化异常[81-82]。在维生素A缺乏的模型中，Cox43表达显著下降，BTB形成障碍，精原细胞转化异常；当维生素A补充后Cox43表达提高，改善生殖细胞间缝隙链接，并修复受损BTB，恢复正常的生精环境，使无法发生转化的生精细胞重回正常程序[72,83-84]。因此，维生素A 的适当干预可改善BTB连接功能。

4 小结

综上所述，维生素A 缺乏或过量均会造成雄性动物精子发生障碍与睾丸损伤，精液品质下降，导致雄性动物繁殖力下降。因此在动物饲粮中需添加适量的维生素A，以保证畜禽正常生长，提高繁殖性能，最终使养殖效益最大化。而维生素A影响雄性动物繁殖性能的具体调控机制仍有待于进一步深入研究。