夏季高温环境和遮阳对夏南牛血液生理生化指标和行为的影响

郑 卓,柳雷振,张黎杰,杨新露,滕战伟,刘深贺,高腾云

(河南农业大学 动物科技学院,河南省家畜营养调控与生态养殖国际联合实验室,河南 郑州 450046)

夏南牛是中国独立自主培育的第1个肉牛品种,具有生长快、耐粗饲、肉质优良的特点,在牛肉行业具有广阔的消费前景[1]。夏季高温导致的热应激严重影响肉牛的生理、生长和生产性能,具体表现为营养代谢水平下降、繁殖损失和免疫功能紊乱,严重时导致其死亡[2]。据统计,热应激每年造成肉牛产业损失达3.69×108美元[3]。在肉牛饲养行业中,常参考奶牛的温湿度指数(THI)标准以衡量肉牛的应激程度,即当THI>68时发生热应激反应[4]。

在奶牛养殖行业中常见的降温措施主要是喷淋与风扇的配合使用[5],而在肉牛的集约化饲养模式中,缺少防暑降温的措施,因此需要一些经济高效的防暑降温措施来缓解肉牛的热应激。有研究表明,长时间暴露于太阳辐射下导致动物体温升高,而遮阳网可以有效阻隔30%以上的辐射[3],因此可以通过架设遮阳网减少让光直射缓解肉牛的热应激。

动物可通过器官感知外界变化而产生生物学刺激,从而自主改变行为以适应环境,满足生理需求[6]。据报道,肉牛体内的激素分泌、蛋白合成和免疫应答受热应激影响而发生明显改变[2],在热应激状态下动物体温升高,从而激活下丘脑-垂体-甲状腺轴,分泌T3、T4控制代谢速率,降低体内代谢产热[7],而且在应激状态下,COR含量会异常升高。HSP70、HSP90作为应激蛋白,除了高温条件下,多种应激源也会导致其过表达[8]。同时,在高温条件下,动物的抗氧化能力受损,T-AOC和SOD含量变化异常,宋小珍等[9]研究发现,与非热应激阶段相比,SOD活性在热应激阶段显著降低。肉牛的呼吸频率和直肠温度随THI的升高而升高,可作为评判肉牛热负荷能力的重要指标[10]。本试验旨在研究热应激对夏南牛的生理、生化指标和行为学的影响以及遮阳网的抗热应激效果,以期对夏季肉牛的养殖提供理论基础和应用参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验于2020年8月7—20日和10月7—27日在河南省南阳市新野县科尔沁牛业南阳有限公司进行。挑选出体重相近(289.63±17.32 kg)、生长状况良好的夏南牛青年母牛32头随机分为4组,分别是夏季组(8月7—20日)、秋季组(10月7—27日)、夏季架设遮阳网组(8月7—20日)和秋季遮阳网组(10月7—27日)。黑色塑料材质遮阳网架设在距离地面3.5 m处,密度为8针,遮光率为70%左右。试验期间,各组夏南牛均可自由采食和饮水,日粮配制参考《肉牛饲养标准》(NY/T815—2004)[11]。

1.2 样品采集和测定指标

1.2.1 温湿度指数(THI)的测定 试验期在各牛舍距离地面1.5 m处挂温湿度仪(德图温湿度数据记录仪Testo),每隔30 min自动记录温湿度,并根据以下公式计算:

THI=0.8×Tdb+RH/100×(Tdb-14.4)+46.4[12]

式中:Tdb为干球温度,RH为相对湿度。

1.2.2 行为学指标的测定 试验开始前在牛舍安装监控设备,每个牛舍安装2台监控摄像头(海康威视DS-2CD3T26WD-L(4 mm)),调试至无监控死角,试验期间保持不间断录像并保存在硬盘中。试验结束后根据录像进行统计,记录并分析夏南牛躺卧时间、游走时间、饮水次数以及采食时长。数据按吴富鑫等[13]标准进行测量。

1.2.3 直肠温度与呼吸频率的测定 试验期每天中午12:30—14:30进行直肠温度(Respiratory rate,RT)与呼吸频率(respiratory rate,RR)的测定。

直肠温度:使用兽用电子体温计,测定时插入直肠10 cm左右,待读数稳定后记录。

呼吸频率:观察和记录夏南牛在安静状态下腹部起伏次数,每头牛连续观察3次,每次1 min,取平均值。

1.2.4 血液样品的采集与测定 分别在夏季和秋季试验最后一天中午12:30使用真空采血管(肝素钠抗凝),收集各组夏南牛血液5 mL,静置30 min,3 000 r/min 离心15 min,分离血浆并用于测定热休克蛋白70(HSP70)、热休克蛋白90(HSP90)、超氧化物歧化酶(SOD)、总抗氧化能力(T-AOC)、皮质醇(COR)、三碘甲腺原氨酸(T3)以及甲状腺素(T4)的含量。具体操作步骤严格按照说明书进行,ELISA试剂盒购自上海酶联生物科技有限公司。

2 结果与分析

2.1 牛舍THI

试验期间,夏季牛舍THI高达76.68,架设遮阳网后可降至75.10,而秋季牛舍THI低至61.00,后两者相较于夏季牛舍THI分别降低了1.71%和20.45%。

表1 牛舍温湿度

2.2 夏南牛的行为学指标

由表2可以看出,夏南牛在夏季的饮水次数极显著高于秋季组(P<0.01),通过架设遮阳网,夏季组夏南牛的饮水次数减少了14.23%(P<0.01)。与秋季组相比,夏季组夏南牛的采食时间显著降低(P<0.05)。夏季组夏南牛的游走时间极显著高于秋季组(P<0.01),躺卧时间差异显著(P<0.05);除了饮水次数之外,同一季节无遮阳与遮阳组之间夏南牛的行为没有显著差异(P>0.05)。季节和遮阳处理的交互作用对夏南牛行为的影响差异不显著(P>0.05),但季节的不同对其影响差异显著(P<0.05)。

表2 夏季高温环境和遮阳对夏南牛行为的影响

2.3 夏南牛的直肠温度和呼吸频率

夏季无遮阳网组夏南牛的直肠温度极显著高于其余3组(P<0.01);相较于夏季无遮阳网组,夏季遮阳网组和秋季组夏南牛呼吸频率显著降低。季节和遮阳处理的交互作用对夏南牛直肠温度和呼吸频率有显著影响(P<0.05)(表3)。

表3 夏季高温环境对夏南牛呼吸频率和直肠温度的影响

2.4 夏南牛的血液指标

夏季组夏南牛血浆HSP70、HSP90极显著高于秋季组(P<0.01)。夏季组夏南牛血清中T-AOC、SOD极显著低于秋季组(P<0.01),夏季遮阳网组夏南牛血清中SOD的含量极显著高于夏季无遮阳网组(P<0.01)。夏季组夏南牛血清中的T3、T4含量极显著低于秋季组(P<0.01),分别降低了15.69%和12.49%,夏季遮阳网组血清中T4极显著高于夏季无遮阳网组(P<0.01)。夏季无遮阳网组夏南牛血清中Cor含量极显著高于遮阳网组和秋季2组(P<0.01)。季节和遮阳处理的交互作用对夏南牛血清生化的影响差异不显著(P>0.05),季节因素对其影响显著(P<0.05)(表4)。

表4 夏季高温环境和遮阳对夏南牛血液指标的影响

2.5 抗氧化、热休克蛋白与行为学的相关性

COR与RR、RT和HSP70、HSP90呈现显著正相关(P<0.05),与T3、T4和SOD呈现显著负相关(P<0.05);SOD与T3和T4呈现显著正相关(P<0.05),与RR、RT和HSP70、HSP90呈现显著负相关(P<0.05);T-AOC与RR、RT呈现显著负相关(P<0.05),与T3、与T4呈现正相关(P>0.05);HSPs与RR、RT呈现显著正相关(P<0.05),与T3、T4呈现显著负相关(P<0.05);T3、T4与RR、RT呈现显著负相关(P<0.05);饮水次数与RR、RT呈现显著正相关(P<0.05),与甲状腺激素呈现显著负相关(P<0.05),与HSP90和COR呈现显著正相关(P<0.05),游走时间与RR、RT呈现显著正相关(P<0.05),与HSP90呈现显著正相关(P<0.05)(图1)。

图1 抗氧化、热休克蛋白与行为学的相关性分析

3 讨 论

在肉牛养殖行业中,热应激是影响肉牛生产的最主要的应激源,主要因素包括环境温度、相对湿度、太阳辐射以及风速[14]。对于动物来说,环境的变化会对其行为带来影响。恒温动物在一定温度范围内,可以通过自身的调节来维持体温恒定以保持较为舒适的状态,但肉牛因个体较大、代谢旺盛、皮下脂肪层较厚、毛发短而密的特点,导致其耐寒不耐热,机体产生的热量不能及时散发出去,同时,肉牛在热应激的刺激下,神经系统、内分泌系统发生改变,作为内环境的外在表现,其行为必然发生改变[15],主要包括躺卧、站立、饮水、反刍和排泄等行为的变化,可以在一定水平上反应机体的需求[16]。从本试验的结果来看,夏季高温条件下,夏南牛为了散发机体代谢产生的热量,会损失大量水分,导致饮水次数增加,通过架设遮阳网,减少了太阳的直射,缓解了夏南牛体表的蒸发散热,饮水次数显著减少。同时,夏南牛在夏季高温下,为了增大体表散热面积,通过空气流动来降低体表温度,加之白天地面温度较高,因此白天的躺卧时间较短,夏南牛始终处于站立、游走和间断性的采食状态。夏季高温导致肉牛食欲降低[17],夏南牛在夏季高温条件下采食时间极显著低于秋季阶段,且采食始终处于断断续续的状态,虽然通过架设遮阳网减少了阳光直射,一定程度上降低了体表温度,但是与无遮阳网条件下夏南牛采食时间相比差异不显著。躺卧是衡量奶牛舒适度的一个重要指标,在正常状态下,躺卧时间约占一天时间的1/2[18]。鲁煜建等[19]研究发现牛在夏季高温条件下躺卧时间比例降低了9%,站立时间相应地提升了9.1%,与本试验结果一致。本试验通过架设遮阳网,提高了夏南牛的躺卧时间,降低了游走时间,缓解了湿热气候对夏南牛带来的不适。

在夏季高温条件下,肉牛为了适应环境的变化,其直肠温度和呼吸频率发生改变。相关研究表明,当THI>68时,奶牛即进入热应激状态[20],肉牛最适宜的饲养温度为5～25 ℃[21],在这个温度范围内,随着外界温度的升高,牛可以通过自身温度调节系统进行自我调节来维持机体温度的恒定,当超过这个范围后,体内多余的热量无法排出,各项生理指标发生改变[22],最为突出的便是直肠温度的升高和呼吸频率的加快。在热应激状态下,肉牛的直肠温度达到39.04 ℃,呼吸频率达到63.88次/min,与非热应激状态下的直肠温度37.41 ℃和呼吸频率23.08次/min相比较有明显的差异[23]。在本试验夏季高温阶段,牛舍日均THI>78符合THI>68的条件,由此可以判断夏南牛处于热应激状态,夏季组夏南牛直肠温度和呼吸频率极显著高于秋季组,与上述研究相一致。通过架设遮阳网,夏南牛的呼吸频率显著低于无遮阳网组,可以看出,架设遮阳网对缓解夏南牛在夏季高温条件下的应激反应有改善作用。

内分泌系统是调节环境应激和机体代谢生长的重要机制,对生理活动起到兴奋或抑制的作用。内分泌系统不直接参与体内变化的调节,而是通过分泌激素影响应激反应[24]。内外环境的变化引起体温调节中枢的活动,从而导致骨骼肌、皮肤血管和内分泌等组织器官活动的而变化[25]。热休克蛋白是指在应激状态下尤其在高温的条件下所产生的所生成的一系列蛋白[26],其中HSP70是由高度保守的应激蛋白组成的最具有特点的热休克蛋白家族之一,在应激反应中进行表达,对环境应激的耐受和适应起到了重要的作用[27]。因此可以通过夏南牛血清HSP70的含量判断夏南牛是否发生应激反应和发生应激的程度[28]。宋代军等[29]研究表明,在热应激阶段奶牛血清热休克蛋白含量显著高于非热应激阶段,本试验与其研究相一致。在本试验中,夏季组夏南牛血清HSP70含量极显著高于秋季组,虽然夏季2个组间含量无显著差异,但通过架设遮阳网,减少了夏南牛血清中热休克蛋白的表达,证明架设遮阳网对缓解夏季高温条件下夏南牛的应激反应有一定的效果。酶的活性受温度影响,夏季高温的特点导致酶的活性升高,代谢速率增快,自由基增多,自由基的强氧化性导致机体的抗氧化能力紊乱,细胞受到氧化损伤进而影响肉牛的繁殖和生产性能[30]。SOD是广泛存在于机体内的一种过氧化物分解酶,在消除自由基、维持机体氧化平衡和抗氧化损伤起着至关重要的作用,SOD代表着机体消除自由基的能力[31],T-AOC代表着机体抗氧化系统和自由基的代谢状态,是反应机体抗氧化能力的重要指标[32]。彭孝坤等[33]研究发现在急性热应激状态下山羊血清中SOD和T-AOC活性显著降低。武思同等[34]通过热应激状态下放牧妊娠母牛也得出了相同的结论。在本试验中,相比较于秋季组,夏季组T-AOC、SOD 含量显著降低,与前面描述的结果相一致。T-AOC、SOD活性的降低的原因可能是因为,在夏季高温的状态下,夏南牛机体产生大量自由基,氧化平衡紊乱,长期的高温大量消耗体内的抗氧化剂[35],T-AOC、SOD含量降低导致机体自身无法完全消除自由基,发生氧化损伤,抗氧化能力受损。架设遮阳网后夏南牛血清中T-AOC、SOD含量升高,说明通过减少阳光直射来达到一定程度上降温的措施,对减少夏南牛的氧化损伤起到了一定的作用。甲状腺激素是营养代谢的重要指标,在动物生长繁殖中发挥着重要的作用,血液中甲状腺激素浓度受到诸多因素的影响,包括品种、年龄、性别、季节和温度等[36]。甲状腺激素通过促进糖、脂肪和蛋白质的分解氧化,增加机体的产热量与耗氧量。在热应激状态下,为了减少机体的代谢产热维持自身的热平衡,受到温度刺激的下丘脑-垂体-甲状腺轴应激系统使甲状腺激素分泌减少[37]。在本试验中,在夏季高温条件下,夏南牛血清中T3和T4的显著降低,与前文的结论保持一致。COR作为应激反应下肾上腺分泌的一种糖皮质激素,在机体的热调节中发挥重要作用,在急性热应激条件下,血清中COR的浓度会升高[38]。本试验中,在高温的夏季,夏南牛血清中COR的浓度有明显的升高,与以上研究结果一致。

在应激状态下,合成T3、T4所需求的甲状腺过氧化氢酶等活性降低,为了抵抗应激反应,肾上腺活动增强,COR分泌增多,COR的不断分泌抑制甲状腺轴的分泌活动,减少甲状腺激素释放激素(thyroid hormone-releasing hormone,TRH)和促甲状腺激素(thyroid stimulating hormone,TSH)的分泌,进而减少T3的分泌,同时COR的不断分泌阻碍了T4向T3的转化,对抗应激反应起着一定的积极作用[39],在本试验中,夏季高温导致夏南牛处于应激状态,通过对COR和T3、T4的检测,发现COR浓度升高和T3、T4浓度降低,呈显著负相关,证实该机制是机体对应激反应的一种保护机制。HSP70可以通过参与调节糖皮质素受体对COR的产生起到一定的调节作用[40],Rollo等[41]研究发现,COR含量较高的个体HSP70含量较低,Basu等[42]研究表明在鱼腹腔中注射皮质醇可以减少热应激后HSP70的表达。在本试验中,夏季高温条件下,皮质醇含量虽然增加,但HSP70含量没有减少,原因可能是高温导致夏南牛应激程度较大。相关研究表明,热休克蛋白的作用不是抵抗热应激,而在热应激后的修复过程起到重要作用[43],长期的高温条件致使机体发生氧化损伤,自由基增多,体内抗氧化剂被大量消耗,抗氧化剂含量减少。本试验通过相关性分析发现,SOD和HSP70、HSP90呈现显著负相关,与上述结论相一致。在夏季高温环境下,夏南牛呼吸急促,CO2大量排出,血液中碳酸根离子减少,血液碳酸根/碳酸氢根缓冲对失去平衡,血液pH升高,严重时可能会诱发呼吸性碱中毒,引起肺部损伤,段滇宁等[44]认为热应激引起的肺部损伤与氧化损伤关系密切,所以血液中的T-AOC、SOD含量降低,同时热休克蛋白为了修复氧化应激损伤大量表达,在本试验中,RR与T-AOC、SOD呈显著负相关,与HSP70、HSP90呈显著正相关,是机体对夏季高温带来的氧化应激做出的连锁反应,以减少热应激带来的损伤。同时,躺卧时间和T-AOC、SOD呈正相关,其原因可能是夜间温度降低,夏南牛通过睡眠缓解白天高温带来的氧化损伤。

4 结 论

夏季高温环境使夏南牛产生应激反应,为了适应环境的改变,其行为发生改变,同时呼吸频率和直肠温度升高,导致血液应激相关指标发生改变,表现为抗氧化能力受损,热休克蛋白和皮质醇含量增加以及甲状腺激素异常改变。架设遮阳网减少阳光的照射,夏南牛直肠温度上升幅度减小,血浆中皮质醇和热休克蛋白含量减少,抗氧化能力得到一定的恢复。综上所述,可以通过夏南牛行为以及相关血液指标的变化对其应激反应做出评价,并通过架设遮阳网等措施来缓解其应激反应。