饲粮营养调控对维持围产期奶牛糖脂代谢稳态的研究进展

张毕红,刘耀权,黄 岩,魏 波,邓清涛,王建国*

(1.西北农林科技大学动物医学院,陕西杨陵 712100;2.中垦乳业股份有限公司,重庆渝北 401120)

围产期指奶牛从产前3周至产后3周的阶段,包括干奶期、分娩期和泌乳早期3个不同的生理阶段。奶牛在此阶段采食量下降,但机体养分需求(包括胎儿发育、分娩和泌乳启动)急剧增加,养分摄入不足以满足机体需求,易诱发能量负平衡(negative energy balance,NEB)[1-2]。NEB状态下,奶牛机体通过动员各器官、组织的养分储备来维持营养需求,势必会导致糖脂代谢异常,此时奶牛体脂分解加剧、胰岛素敏感性降低,影响肝脏糖异生功能,是脂肪肝、酮病等代谢性疾病的诱发因素[3-4]。同时,脂肪动员产生的大量自由基会导致免疫功能降低[5]。此外,糖脂代谢异常也与几种生殖功能障碍相关,如胎盘滞留和子宫内膜炎[6]。有资料显示,高产奶牛的大多数临床疾病都发生在围产期[7]。由此可见,奶牛代谢性疾病、免疫功能和繁殖性能都受糖脂代谢异常的影响。因此,缓解或解决糖脂代谢异常是奶牛围产期管理需要面临的挑战。日粮营养调控是围产期奶牛有效且常见的管理措施。由《中国畜牧兽医年鉴》可知,从2010年(1 420万头)到2019年(1 045万头),我国奶牛总体存栏量下降,饲养量下降了26%,但值得关注的是,规模化养殖正在占领市场[8]。从2010年到2018年,散养和小规模养殖场数量从228万户下降到64万户。2019年我国牛奶总产量(3 201万t)是2000年的4倍,成为世界第三大牛奶生产国。2019年全国奶牛平均单产为5 993 kg/头,较2000年增加16%,但与发达国家相比,我国奶牛生产能力仍存在差距。2019年欧盟和美国的奶牛平均单产分别为6 500 kg/头和10 590 kg/头。规模化养殖虽然增加了我国奶牛的产能,但奶牛机体代谢负担也随之加重,通过实施合理的营养管理措施是缓解奶牛机体代谢负担的有效手段,特别是针对围产期奶牛糖脂代谢异常的问题。

1 围产期奶牛糖脂代谢的特点

1.1 围产期奶牛糖代谢

葡萄糖的含量是糖异生、糖原分解、糖原合成、糖酵解等途径产生的葡萄糖含量的总和,是保障机体正常功能的前提。肝脏能维持正常的葡萄糖稳态。在空腹时,肝脏产生葡萄糖;在进食后,它又能储存葡萄糖。在奶牛围产期时,肝糖原代谢在调节母畜体内肝脏葡萄糖的含量中发挥了重要的调控作用。

肝糖原代谢过程如下所述[9]。禁食或饥饿会激活糖原分解,抑制糖原合成。激活胰高血糖素受体(glucagon receptor,GCGR)会促进细胞内的环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)浓度增加,激活蛋白激酶A(protein kinase A,PKA),进一步抑制葡萄糖激酶(glucokinase,GCK)基因的转录,抑制GCK与葡萄糖激酶调节蛋白(glucokinase regulatory protein,GKRP)的解离,从而诱导GCK的螯合。磷酸化会使糖原合酶失活。GCK磷酸化后激活磷酸化酶激酶,磷酸化酶激酶通过磷酸化Ser15激活糖原磷酸化酶。激活后的活性糖原磷酸化酶结合并抑制蛋白磷酸酶1(protein phosphatase 1,PP1)的亚基,从而阻止PP1依赖性糖原合酶的去磷酸化和失活。糖原磷酸化酶的协调激活和糖原合酶的抑制导致糖原分解。但是,奶牛进食后,葡萄糖促进GCK与GKRP的解离,从而导致GCK的细胞质转位。葡萄糖也变构抑制糖原磷酸化酶。糖原合成的“直接途径”包括将葡萄糖转化为6-磷酸葡萄糖,然后将其掺入糖原中,而葡萄糖基单元的所有六个碳原子都完好无损。糖原合成的“间接途径”涉及在掺入糖原之前将葡萄糖转化为丙酮酸,并将丙酮酸转化为葡萄糖-6-磷酸。6-磷酸葡萄糖既能变构激活糖原合酶,又是糖原合成的底物。胰岛素激活蛋白激酶B途径(又称AKT途径),后者反过来诱导GCK的转录和GCK的细胞质易位并激活磷酸二酯酶3B(phosphodiesterase 3B,PDE3B),从而降低细胞内cAMP水平。活性PP1及其靶向亚基使糖原磷酸化酶去磷酸化和失活,并使糖原合酶去磷酸化和激活。最终糖原磷酸化酶的协同抑制和糖原合酶的激活共同作用合成肝糖原。

1.2 围产期奶牛脂代谢

围产期奶牛依赖于营养代谢中的生化和激素变化来满足代谢需求。目前,脂质组学技术的出现改变了人们对围产期脂质生物学和脂肪毒性的理解。脂肪酸(fatty acid,FA)被公认为是具有营养调控的生物活性信号分子。脂质在化学上被定义为不溶于水但可溶于非极性溶剂的物质(例如丙酮),包含有酰基肉碱、神经酰胺、甘油二酯、磷脂酰胆碱和氧脂。在围产期奶牛中,不同的脂质具有不同的机制作用。必需脂肪酸(essential FA,EFA)包括亚油酸(linoleic acid,LA)和α-亚麻酸(α-linolenic acid,ALA),以及LA的立体异构体,称为共轭亚油酸 (conjugated linoleic acid,CLA),参与许多代谢途径,如脂肪生成、免疫功能调节和炎症[10]。近年有报道称,围产期补充EFA和CLA通过诱导乳脂降低(milk fat depression,MFD)改善奶牛的能量平衡[11],有助于调控代谢稳态。在哺乳动物中,多余的能量主要以甘油三酯的形式储存,当能量需求出现时,甘油三酯动员增加,而饲料摄入量无法满足这些需求。

脂质代谢过程如下所述[12]。通过脂肪酸转位酶(fatty acid translocase,FAT)的作用,奶牛体内开始摄取脂肪酸(FA),然后FA在线粒体基质中进行β-氧化。乙酰辅酶A(acetyl CoA)是脂肪酸氧化(fatty acid oxidation,FAO)途径的终产物,然后可以进入三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle,TCA cycle)或以柠檬酸盐的形式转运到细胞质中用于脂肪酸合成。过量的酰基辅酶A(acyl CoA)可以与胆固醇或二酰甘油(diacylglycerol,DAG)发生酯化反应,形成胆固醇酯(cholesterol ester,CE)或三酰甘油 (triacylglycerol,TG),并以脂滴的形式储存。除此之外,奶牛体脂的调控还受到各种激素的协同,例如生长激素、胰岛素、催乳素以及糖皮质激素等。

脂肪的来源主要有日常饮食、脂肪细胞和肝脏合成。在奶牛泌乳早期,营养和能量缺乏是不可避免的。奶牛通过动员体内脂肪库,分解脂肪酸作为能量燃料,以满足能量需求。这个时期需要肝脏代谢来适应内环境变化,以克服代谢应激。奶牛分娩后的主要疾病之一是脂肪肝。已有研究表明,奶牛肝脏脂质代谢紊乱会导致中度和重度脂肪肝。产后第1个月,5%～10%的奶牛出现重度脂肪肝,30%～40%的奶牛出现轻度和中度脂肪肝[13]。脂肪组织的脂质动员是奶牛在围产期支持能量需求的有效生理适应。脂质动员增加会导致血液中脂肪酸浓度大幅增加,而过多的血液中的脂肪酸会被肝脏吸收。在肝脏中,当合成脂质超过氧化和分泌脂质时,就会形成脂肪肝。围产期奶牛通常具有负能量平衡和高浓度脂肪酸,出现脂毒性,这被定义为脂质和脂质代谢物引起的组织功能障碍。

2 围产期奶牛糖脂代谢紊乱性疾病及防控

从奶牛妊娠后期到泌乳早期的围产期是一个关键时期。在这个时期中,母畜需求的营养物质迅速增加,供给胎儿并流入初乳和牛奶。断奶后,奶牛的产奶量较高,在需要提供产奶量的情况下,奶牛的营养摄取量较大,导致营养负平衡,需要调动身体储备。在奶牛围产期,糖脂代谢发挥重要作用,因此了解和分析围产期奶牛糖脂代谢紊乱造成的危害及其防控非常必要。

2.1 围产期糖脂代谢紊乱性疾病的危害

在奶牛围产期,机体内葡萄糖缺乏会动员体内脂肪,脂肪先分解甘油,再进入三羧酸循环合成葡萄糖。同时,由于葡萄糖减少引起的一系列代谢过程,使得血液中的脂肪酸含量急剧增多,会影响胰岛素的调控机制,由此诱发了奶牛围产期代谢障碍性疾病,例如产奶热,奶牛脂肪肝和奶牛酮病等。在现代奶牛生产系统中,奶牛围产期代谢障碍性疾病严重影响奶牛的健康和产奶量。产奶热可降低干物质摄入量、产奶量和生殖性能,增加继发疾病的风险,如奶牛酮病、胎盘潴留、皱胃移位、乳腺炎以及难产和子宫疾病的发生率。当血清钙水平低于2和1.4 mmol/L时,分别被判定为亚临床低钙血症和临床低钙血症。在围产期的奶牛严重缺乏葡萄糖,不能适应体内代谢、内分泌和生理状态的急剧变化,由此引发能量负平衡或低钙血症,造成产奶热,最终导致奶牛脂肪肝和奶牛酮病,严重危害奶牛健康并且降低奶牛的生产性能。泌乳期能量需求较高,加之奶牛对干物质采食量的减少,大部分奶牛在泌乳期早期进入NEB状态。表现出过量NEB的奶牛利用身体脂肪作为能量来源,维持快速增长的产奶量,导致身体脂肪过度动员。围产期奶牛的代谢性疾病,如奶牛脂肪肝和奶牛酮病等,会影响奶牛围产期的生产,并进一步影响奶牛的福利、生产寿命和经济效益。

除此之外,围产期奶牛糖脂代谢紊乱往往还伴随着免疫相关疾病。目前,已经有较全面的研究报道了其对中性粒细胞功能和奶牛生殖道先天免疫的不利影响,例如中性粒细胞迁移受到抑制,母畜分娩后中性粒细胞数量轻微下降;中性粒细胞吞噬功能受损和氧化破裂。中性粒细胞比例降低与奶牛的生殖性能较差有关。负能量平衡伴随着非酯化脂肪酸(non-esterified fatty acids,NEFA)的增加,以用作牛奶生产的能量来源。在肝脏中,NEFA可被重新酯化为甘油三酯或通过β-氧化产生能量。但是,NEFA也可能促进炎症。奶牛产后极易出现临床或亚临床生殖道疾病,极有可能导致生殖道炎症性疾病,多达一半的产后奶牛会发生子宫炎、化脓性阴道炎和亚临床子宫内膜炎。葡萄糖是免疫功能的重要燃料,葡萄糖减少和脂解发生共同作用,能代谢出脂肪酸,从而导致奶牛体内出现一系列应激反应和炎症反应。这一系列由葡萄糖代谢失衡导致的应激和免疫抑制乃至疾病都会导致泌乳性能的下降。这些都会对奶牛乳制品的生产质量产生负面影响,并对人类健康构成潜在威胁。在奶牛分娩后,产道受损,子宫内膜浅层自然受损,几乎所有奶牛的子宫内都有细菌污染。奶牛无法满足泌乳时的葡萄糖需求,导致免疫反应受损,疾病风险增加,可能影响牛奶产量和生产效益,对牛群和养殖业不利。值得一提的是,糖脂代谢紊乱容易造成奶牛个体水平的消极影响,例如奶牛产后消瘦(营养不良)和生育能力降低(流产率增加)。围产期奶牛干物质采食量因胎儿生长引起的瘤胃体积减小以及激素变化而降低。

2.2 围产期糖脂代谢紊乱性疾病的防控

当奶牛严重缺乏葡萄糖时,缓解NEB的方法之一是养殖场及时供给奶牛所需的能量。葡萄糖可以减少脂肪组织的脂肪酸动员。在奶牛养殖中,可以在饲料中添加脂肪或精料来改善饲料能量,缓解NEB,但过量添加脂肪会抑制瘤胃微生物生长,降低瘤胃pH,增加亚临床瘤胃酸中毒发生率。丙酸是围产期奶牛糖异生的主要来源,丙酸钙可作为一种良好的葡萄糖前体缓解奶牛NEB。研究发现,添加丙酸钙后,奶牛血液中β-羟基丁酸(β-hydroxybutyric acid,BHBA)含量较低,维持或增加DM摄入量对减轻围生期NEB也至关重要[14]。在反刍动物中,增加葡萄糖前体(如丙酸),可以优化营养利用和提高产奶量。对于泌乳早期的奶牛,可以在日粮中添加丙酸钙,或按每头奶牛每日饲喂丙酸钙,最佳剂量约为每头奶牛每天200 g。

奶牛产乳热是一种代谢性疾病,因奶牛围产期血钙浓度降低(低钙血症)而出现临床症状,影响高产经产奶牛。在奶牛饲养中,防止奶牛血钙下降的两个主要方法是,促进骨骼钙的动员和从饮食中吸收钙。在产犊前,可以使用少钙饲料;在分娩前后,通过输注5-羟色氨酸来增加血钙浓度;在母畜产犊后,提高日粮中有效钙的吸收尤为重要。瘤胃对钙的吸收是泌乳时维持钙稳态的重要方式。养殖场可以通过使用瘤胃钙丸(约43 g钙)提高钙的吸收,从而恢复奶牛血钙浓度[15]。此外,使用氯化钙和丙酸钙也能预防围产期奶牛产奶热。

生殖道炎症性疾病发病率高,其部分原因是经产奶牛从产犊前约2周至产后3周时先天免疫功能降低。围生期调节先天免疫反应有助于减少生殖道炎症性疾病的发生[16]。在奶牛围产期发生炎症时,给牛群合理使用非甾体抗炎药具有辅助抗炎作用。母畜产后早期治疗非甾体抗炎药可以增加产奶量。中性粒细胞是一种重要的炎症细胞,也是子宫内抵抗感染的主要防线,与子宫健康息息相关。免疫反应对细菌病原体的抑制作用是防控生殖道炎症性疾病的关键。葡萄糖供应、低钙血症、体脂肪的脂质动员、奶牛酮病、促炎性细胞因子的共同作用调控免疫反应[16]。调控炎症反应是围产期奶牛的有效的管理方法,但是目前通过调节免疫反应来预防子宫疾病的方式仍在发展中

3 围产期奶牛糖脂代谢异常的调控措施

3.1 围产期饲养管理调控奶牛糖脂代谢的措施

把控围产期奶牛饲粮营养物质的配方设计和饲料原料种类的选择,以及营养水平的适应性调整对奶牛的生产存在重要的实际意义。确保饲粮营养物质和能量水平平衡是围产期奶牛科学饲喂管理的基础,同时也是调控奶牛体况健康关键手段[17]。在奶牛饲养过程中,对于围产后期奶牛饲喂淀粉含量低的饲粮与高淀粉饲粮相比,会诱发肝脏内与糖异生相关的基因水平上调,并且更容易引发明显的NEB和机体炎症[18]。同时,围产前期饲粮添加易发酵原料会提高瘤胃上皮组织吸收利用VFA的能力,使瘤胃内环境更适应泌乳期阶段饲粮,并通过提高血清葡萄糖水平来降低机体脂肪分解。围产期奶牛能量摄入量与泌乳需要能量不匹配,是导致奶牛NEB的关键原因,科学地调控能量摄入有助于围产期的过渡。

围产期奶牛体况评分(body condition score,BCS)对管理牧场奶牛群的NEB风险管控同样具有显著作用[19]。 围产前期奶牛机体脂肪的蓄积容易引起奶牛产后胰岛素抵抗,BCS较大的奶牛群体会使得胰岛素抵抗程度提高从而导致体脂肪组织大量分解,进而引发诱导相关代谢疾病。有研究发现,通过奶牛酮病的流行病学表明,BCS≥4的产后奶牛(发病率为33.2%)会呈现显著高于2

对于围产期奶牛糖脂代谢异常,除了可能因产前能量供应不平衡导致外,还有可能会因为其它不良因素造成奶牛消化代谢受限所导致。如畜栏卫生情况差、通风不畅、舍饲温度不适宜、饮水饲槽管理不善、养殖密度高等牧场管理问题,以及奶牛肢蹄病、乳房炎、慢性子宫内膜炎等疾病因素刺激均会直接或间接降低奶牛DMI,影响围产期奶牛糖脂代谢异常,加重奶牛NEB[22]。通过优化奶牛围产期各类管理措施,将切实有效地恢复奶牛产后健康,提高生产效益。

3.2 围产期补充营养性添加剂

3.2.1 过瘤胃营养性调节剂 葡萄糖是维持奶牛机体的基本能量来源以及合成乳所需的关键营养物质, 可作为调控围产期奶牛NEB的营养性调节剂。生产中,通过添加过瘤胃葡萄糖(rumen-protected glucose,PRG)可以来作为直接补充奶牛小肠可吸收的葡萄糖源,RPG可以显著增加奶牛机体对葡萄糖利用量,改善围产期糖脂代谢异常的情况。研究表明,按照200 g/d PRG添加到饲粮能提高产后奶牛血清葡萄糖水平、DMI以及泌乳量,改善由于NEB而产生的奶牛不良表现[23]。另外,PRG还可以诱导产后奶牛子宫内膜组织细胞的增殖,这将改善奶牛产后子宫的受损情况[21]。同时,PRG还有望改善奶牛小肠肠道上皮组织代谢情况和促进维持小肠的免疫稳态[24]。

胆碱能够降低甘油三酯在肝脏中的蓄积量,并促进NEFA的完全氧化,可有效降低奶牛患脂肪肝的风险。另一方面,补充胆碱可以抑制肝脏相关脂肪酸合成酶的表达,从而减少脂肪酸合成,提高肝脏能量利用率,缓解奶牛机体NEB状态。一般以过瘤胃胆碱(rumen-protected choline,RPC)的形式在围产期奶牛饲粮中添加,有研究发现,补充3 g/d的RPC,显著降低围产期奶牛血清甘油三酯含量并提高血清胰岛素水平,表明RPC可以调控糖脂代谢,减轻肝脏脂肪过度沉积而对肝脏造成的损伤,改善机体NEB状态[25]。

围产期补充蛋氨酸可以减少奶牛机体代谢紊乱,降低奶牛产后甘油三酯在肝脏中的积累,以及提高产后DMI。同时,蛋氨酸是肝脏合成谷胱甘肽所必需的原料,以及是奶牛体现泌乳性能的第一限制性氨基酸。然而,研究发现于围产期奶牛日粮中添加过瘤胃蛋氨酸,仅表现出对乳成分和乳产量有积极的影响,对与能量代谢相关的血液生物标志物无显著改变,具体调控能力可能仍需要进一步探究[26]。

3.2.2 促进丙酸生成类 通过补充添加奶牛机体葡萄糖生成的前体物质这一思路来调控围产期奶牛糖脂代谢异常,是如今较为常见有效的手段。系统综述众多研究表明,饲粮添加丙二醇可间接提升奶牛血清葡萄糖水平,进而来降低患酮病、脂肪肝等代谢性疾病的风险[27]。丙酸钙既可作为葡萄糖合成的前体物,还会提供额外的钙,有研究表明饲粮补充丙酸钙可以提高产奶量的同时降低围产期糖脂代谢失衡和低血钙的发病率[28]。另外,饲粮添加莫能菌素会促进丙酸向葡萄糖转化,同时减缓葡萄糖在机体内被氧化的速率,进而改善围产期奶牛能量代谢情况[29]。

3.3 奶牛瘤胃菌群重塑

对于反刍动物而言,体内的葡萄糖有两大来源,分别为外源性和内源性。外源性葡萄糖由小肠吸收,仅占反刍动物葡萄糖需求量大约10%。其余的葡萄糖需通过瘤胃微生物发酵将饲料碳水化合物转化为VFA,再经过糖异生形成,这部分被称为内源性葡萄糖。然而,VFA的产量和比例与瘤胃微生物的数量和种类密切相关。由于围产期饲料类型的转变以及分娩、泌乳等因素,将会较大程度地改变瘤胃微生物区系的结构[30]。瘤胃内丙酸的生成主要由丙酸生成菌发酵乳酸产生,瘤胃内乳酸水平降低会直接导致丙酸的生成量减少,进而糖异生活动降低葡萄糖含量下降。因此,在围产前期饲粮中增添可以发酵乳酸的菌群,一定程度上可有效缓解NEB。同时,待试验奶牛生产后移植正常泌乳奶牛的瘤胃液,也可相应改善NEB状态。研究发现,按照灌服高产奶牛瘤胃液的方式以重塑围产后期新产奶牛瘤胃菌群,结果显示围产期奶牛瘤胃的微生物群体结构和相对成熟度更接近泌乳高峰期奶牛的状况,并且可以显著提高新产奶牛的DMI和泌乳量[31]。

4 小结与展望

围产期奶牛长时间处于能量负平衡会引发糖脂代谢异常,继而可能发生代谢系统疾病,严重影响奶牛生产性能和健康状况。平稳健康渡过围产期,对奶牛养殖业意义重大。通过影响围产期奶牛糖脂代谢的角度结合瘤胃微生物优势菌群以及相应饲养管理技术,来调控奶牛机体正常能量代谢。可使奶牛产后恢复健康,提高其生产性能、繁殖性能,降低系统性代谢疾病的风险,最终实现最佳的牧场收益。