2. 河南农业大学现代实验技术与管理中心, 郑州 450002
2. Advanced Experimental Techniques and Managing Centre, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China
热应激是当代动物养殖行业普遍面临的问题,高温应激导致动物生长性能下降,在绵羊规模化、集约化养殖中,易引起绵羊采食量减少、料重比下降、日增重降低、动物基础代谢率升高、机体免疫能力减弱、生长和繁殖性能下降[1]。当受到热应激刺激时,动物机体内的抗氧化酶活性都会受到影响,机体的抗氧化系统无法发挥正常功能,从而影响机体内自由基水平,导致生物体的氧化应激,引发炎症反应并产生早期免疫反应[2]。因此,降低动物热应激反应对动物生产有重要的意义。α-硫辛酸(α-LA)是由Reed等[3]从猪的肝脏中分离纯化得到,属于B类维生素化合物。α-LA兼具脂溶性和水溶性,近年来被作为抗氧化剂受到关注,在医学界被称为“万能抗氧化剂”,其抗氧化功能主要体现在下列4个方面:直接清除氧自由基、金属螯合能力、再生内源性抗氧化剂与修复机体氧化类损伤[4]。α-LA因具有水脂兼容性,易吸收转化,在生物体的各组织和器官都有分布,并发挥生物学活性,在脑神经系统中发挥抗氧化作用,保护脑神经避免氧化损伤[5]。研究表明,小鼠肝细胞氧化损伤时,谷胱甘肽(GSH)含量明显低于正常水平,加入α-LA后,其含量明显提高[6]。崔珏等[7]研究发现,高脂小鼠饲喂α-LA后血液CD4/CD8显著升高,可显著减弱慢性氧化应激造成的免疫力下降,因此添加α-LA后小鼠免疫水平提高。但α-LA在反刍动物上的利用及其对热应激家畜抗氧化和免疫的影响则很少报道,更缺乏深层次的机理研究。本试验以绵羊为动物模型,运用现代分子生物学技术,系统研究α-LA对热应激绵羊生长性能、抗氧化及免疫等方面的影响并阐明其机制,旨在为探索利用α-LA缓解动物热应激的方法、开发安全高效的抗热应激饲料、提高动物的健康水平、改善动物的生长性能提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验动物与饲养管理试验于2017年7月20日至2017年8月30日在洛阳龙须坡农牧有限公司的养殖基地进行。采用单因素试验设计,选用体重为35~40 kg、4~5月龄的杜湖(杜泊♂×湖羊♀)杂交公羊15只,随机分为3组,分别为对照组(CTL)、低剂量组(LA-L,添加600 mg/kg α-LA)、高剂量组(LA-H,添加900 mg/kg α-LA),每组5只羊。
试验开始前,羊统一驱虫,羊舍内部和周围环境进行消毒处理。以连续3 d空腹称重作为初始体重,试验期间每只羊单独放入特制的代谢笼(专利号:ZL200920314804.3)内。参照NRC(2007)饲养标准配制试验饲粮,其组成及营养水平见表 1,制成全混合日粮(TMR),于每天07:00和16:00分2次定量饲喂,并于下次饲喂前收集剩料,称重。试验羊可自由饮食和运动,每天清除水槽异物,保持清洁。试验期间每天记录羊舍内温度和湿度,观察绵羊的表现,每2周称重1次。
热应激程度用温湿指数(THI)来衡量。试验期间每天记录温度和湿度用于计算THI,以此来判断动物的热应激程度。计算公式如下:
式中:T为温度;RH为相对湿度。
1.3 样品采集及检测 1.3.1 生长性能的测定试验期间每天分别记录每只羊的供料量、剩料量,计算平均日采食量。试验开始空腹测体重,试验结束后也空腹测体重,计算平均日增重及料重比。公式如下:
试验结束的前1周,于早上饲喂前从静脉采集血液样品,用抗凝血管(肝素锂)和促凝真空采血管各采血5 mL,抗凝采血管在2 000×g离心15 min(湘仪离心机厂,TDZS-WS),分离血清于EP管中,-40 ℃保存待测;促凝血管在4 ℃静置1 h,待血液凝固后,1 500×g离心15 min,分离血浆于EP管中,-40 ℃保存待测。
血清丙氨酸转氨酶(ALT)、门冬氨酸转氨酶(AST)活性及总胆红素(TBIL)、尿素(UN)、葡萄糖(GLU)、总蛋白(TP)、白蛋白(ALB)、球蛋白(GLB)、总胆固醇(TC)、甘油三酯(TG)、高密度脂蛋白(HDL)、低密度脂蛋白(LDL)含量采用全自动生化分析仪(日立7600)检测;血浆生长激素(GH)、三碘甲腺原氨酸(T3)、肾上腺素(ADR)、胰岛素(INS)、胰高血糖素(GC)、皮质酮(CORT)、热休克蛋白70(HSP70)、丙二醛(MDA)、免疫球蛋白A(IgA)、免疫球蛋白G(IgG)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素-1β(IL-1β)、白细胞介素-6(IL-6)、白细胞介素-8(IL-8)、干扰素-γ(IFN-γ)、CD4、CD8含量及谷胱甘肽还原酶(GR)、超氧化物气化酶(SOD)活性采用酶联免疫吸附测定(ELISA)试剂盒(上海蓝基生物科技有限公司)检测,具体方法按照说明书进行。
1.3.3 肝脏免疫相关因子mRNA和蛋白表达的测定饲养试验结束后,称重,按照常规的方法屠宰,放血、剥皮、开膛后,迅速取出肝脏,在肝脏中间部位采集50 g左右的样品,切成小块,用锡箔纸包裹后装入事先准备好的缩口袋,再放入液氮灌中,袋的外引线上贴好标签,整个过程不超过15 min。样品运至实验室继续液氮保存,直至检测。主要检测免疫相关因子的mRNA和蛋白表达量。
1.3.3.1 免疫相关因子mRNA表达的测定在GenBank数据库查询抗氧化和免疫相关的关键酶和相关转录因子的基因。根据基因序列信息用Primer 5软件设计实时荧光定量PCR(qRT-PCR)引物序列(上海生工合成引物),引物序列如表 2所示。
检测时,迅速从液氮中取出肝脏组织,剪下0.5 g左右,用RNAisoPlus抽提总RNA,经紫外分光光度计测定光密度,计算D260/280(代表RNA的浓度)、D260/230(代表RNA的纯度)。用反转录试剂盒(大连TaKaRa公司,Prime ScriptTM RT reagent Kit with gDNA Eraser)反转录为cDNA,使用荧光定量PCR仪(德国Eppendorf公司Master cycler nexus)进行qRT-PCR检测mRNA表达量,SYBR Green法荧光定量PCR反应参数设置为95 ℃预变性2 min,95 ℃变性15 s,60 ℃退火20 s,72 ℃延伸20 s,共40个循环。
1.3.3.2 免疫相关因子蛋白表达的测定对于上述mRNA测定中差异显著的指标,用Western blot方法测定其蛋白表达量。取冻存肝脏组织样品约0.1 g,用加入含1%蛋白酶抑制剂苯甲基磺酰氟(PMSF)的RIPA裂解液1 mL,组织匀浆机匀浆30 s,裂解肝脏组织细胞,冰盒中放置30 min,12 000×g离心20 min,吸取中间液相,避免掺入液面的脂肪和EP管中的沉淀。12 000×g再次离心20 min,取中间液相。
BCA法检测提取样品的蛋白浓度。99 ℃煮沸10 min变性蛋白,分装储存备用。制备十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)胶,上样蛋白样品50 μg,低电压100 V凝胶电泳30 min,将电压调高至120~140 V,继续电泳至溴酚蓝移动到距胶底部0.5~1.0 cm。将凝胶转到用甲醇浸泡约5 min的醋酸纤维素膜(PVDF)上,倒入转膜液,接通电源,电压调至105 V转膜70 min。转膜后,用5%脱脂奶封闭液封闭1 h。加入一抗4 ℃孵育过夜(事先用5%脱脂奶按1 : 1 000稀释),用TBST液洗膜3次,每次5 min。洗膜后加入二抗辣根过氧化物酶(HRP)标记山羊抗兔IgG用5%脱脂奶按1 : 3 000进行稀释。室温孵育2 h,然后用TBST液洗膜3次,每次5 min。化学发光(ECL)法显影,用Image J对显影照片中的目的条带进行灰度光密度分析,定量结果。同一样本采用磷酸甘油醛脱氢酶(GAPDH)作为内参基因。
1.4 数据分析采集的原始数据用Graphpad prism 5.0统计软件进行分析,组间差异采用单因素方差分析(one-way ANOVA),当有显著差异时,再采用Tukey氏法进行多重比较,P < 0.05表示差异有统计学意义,结果用平均值±标准差表示。
2 结果与分析 2.1 热应激的情况试验过程中天气炎热,每天09:00、15:00各读1次温度、湿度,计算THI,每周计算平均THI。从图 1中可以看出,在整个试验过程的大多时间内THI均大于72(最低为72,最高达到85),表明绵羊处于热应激状态。
如表 3所示,与对照组相比,α-LA添加组末重增加,低剂量组显著高于对照组(P < 0.05);添加α-LA能够增加绵羊平均日采食量,低剂量组和高剂量组分别比对照组增加了7.3%和2.7%(P>0.05);添加α-LA对绵羊平均日增重和料重比也有不同程度影响,低剂量组平均日增重比对照组增加了11.2%(P>0.05);低剂量组料重比低于对照组(P>0.05)。
表 4所示,与对照组相比,饲粮中添加α-LA使绵羊血清中ALT、AST活性降低,且高剂量组显著低于对照组(P < 0.05);α-LA添加组其他血清生化指标与对照组间不存在显著差异(P>0.05)。
如表 5所示,与对照相比较,α-LA添加组血浆GH含量升高,差异不显著(P>0.05);α-LA添加组血浆INS、GC、ADR含量依剂量先升高后降低,但差异不显著(P>0.05);α-LA添加组血浆T3含量显著升高(P < 0.05);α-LA添加组血浆CORT含量依剂量降低,但不存在显著性差异(P>0.05);低剂量组血浆GR含量显著降低(P < 0.05),高剂量组与对照组之间差异不显著(P>0.05);α-LA添加组血浆SOD活性显著升高(P < 0.05);α-LA添加组血浆MDA含量显著降低(P < 0.05),且存在剂量依赖性,高剂量组显著低于低剂量组(P < 0.05);α-LA添加组血浆HSP70含量显著高于对照组(P < 0.05),且高剂量组显著高低剂量组,表明α-LA可显著提高绵羊的抗热应激能力;α-LA添加组血浆IgG含量显著增加(P < 0.05)而IgA的含量有增加的趋势;α-LA添加组血浆TNF-γ含量显著降低(P < 0.05),高剂量组与低剂量组之间差异不显著(P>0.05);α-LA添加组血浆IL-1β和IL-8含量显著降低(P < 0.05),且高剂量组显著低于低剂量组(P < 0.05);但是α-LA添加组血浆IL-6含量各组之间差异不显著(P>0.05);α-LA添加组血浆IFN-γ含量显著升高(P < 0.05),呈剂量依赖关系,各组之间差异显著(P < 0.05),说明α-LA可显著提高绵羊的免疫能力;α-LA添加组血浆CD4、CD8含量和CD4/CD8均提高,但各组间差异不显著(P>0.05),表明α-LA对细胞免疫有一定的促进作用。
由图 2可知,与对照组相比,α-LA添加组肝脏TNF-α mRNA表达量各组之间差异不显著(P>0.05);高剂量组肝脏IL-1β、IL-8 mRNA表达量显著降低(P < 0.05);高剂量组肝脏IFN-γ mRNA表达量显著升高(P < 0.05);高剂量组肝脏NF-κB mRNA表达量显著降低(P < 0.05),说明α-LA在基因水平上阻止了炎症因子的表达,提高了免疫因子的表达。
如图 3所示,与对照组相比,高剂量组肝脏NF-κB蛋白表达量显著降低(P < 0.05);α-LA添加组肝脏IL-1β蛋白表达量均显著降低(P < 0.05),与血浆中IL-1β含量显著下降相吻合。
热应激条件下,绵羊血浆中HSP70含量显著升高。为进一步探究其分子机理,试验对HSP70及其上游的热休克蛋白转录因子HSF1的mRNA表达进行了研究。如图 4所示,与对照组相比,α-LA添加组HSF1和HSP70 mRNA表达量显著升高(P < 0.05),在分子水平进一步证明了α-LA缓解热应激的能力。
热应激属于应激反应的一种,在夏季高温天气时,空气中温度与动物体温温差变小,动物机体本身新陈代谢所产生的热量不能有效排出,出现采食量降低、增重迟缓、精神沉闷等阻碍机体生长和健康的慢性应激反应。
郭志有[8]研究表明,添加α-LA对机体生理功能产生显著影响,并且可以有效提高肉鸡的平均日采食量和体增重。王定发等[9]发现,添加α-LA可明显升高黑山羊日增重,增加饲料利用率,降低料重比。低剂量的α-LA(0.25 mol/L)促进细胞增殖,而高剂量的α-LA(1.00 mol/L)则抑制细胞增殖。本试验中,添加α-LA后,育肥绵羊平均日采食量增加,末重显著增加。
3.2 添加α-LA对热应激绵羊代谢的影响血清中TP、GLB、ALB的含量能够反映机体蛋白代谢和免疫功能的情况,通过运输、免疫、修补和缓冲的作用来维持动物机体的胶体渗透压的稳定。在本试验中,α-LA添加组上述指标与对照组之间不存在显著差异,说明α-LA的添加并没有明显改变蛋白质的浓度和血浆胶体渗透压的稳定性。
血清中TG含量能够反映机体脂质代谢的状况,本试验中α-LA添加组与对照组之间无显著差异,其结果与王定发等[9]有关黑山羊的研究结果一致。AST和ALT活性能够反映机体肝脏细胞受损的情况,当肝脏组织细胞受损,或发生炎症和应激时,AST和ALT便会释放到血清中,从而提高血清转氨酶的活性[9]。热应激能够引起机体肝脏损伤。在本试验中,随着α-LA添加量的增加,绵羊血清中AST和ALT活性显著性下降,说明饲粮中添加600和900 mg/kg的α-LA不会对绵羊肝脏造成损伤,而且能够缓解热应激引起的肝脏和心肌损伤,这与王定发等[9]的黑山羊试验中随着饲粮α-LA添加量的增加,血清ALT和AST活性呈下降趋势相一致。
动物血清中的TC、TG、HDL、LDL含量是反映机体脂代谢的重要指标。其中TC、TG反映的是脂类的吸收状况,而HDL和LDL反映的是脂类在机体内的分解、转运和在肝脏脂肪代谢的状况。在本试验中,α-LA添加组与对照组比较,血清TC、TG、HDL、LDL含量组间并不存在显著性差异,说明α-LA对绵羊脂肪代谢方面没有显著性影响。
ADR、T3、GH、GC、INS、CORT等被称为“应激激素”,因此常被作为评价机体应激反应强度的指标[10]。胰岛素和胰高血糖素共同调节着机体血糖的含量,其中胰高血糖素促进非糖物质转变成葡萄糖,为糖原的合成提供丰富的单糖,胰岛素通过促进葡萄糖在细胞膜上的转运速率和提高糖原合成酶的活性,提高糖原的合成速度。本试验中,α-LA添加组与对照组之间血清GLU含量无显著差异,说明α-LA的添加所引起的绵羊体内激素的变化对绵羊血糖没有造成明显影响。
CORT能够参与机体的热调节,可以作为判断热应激发生的重要指标。CORT在体内是产热的,而高剂量组血浆CORT含量比对照组和低剂量组显著降低,说明饲喂α-LA在一定程度上能够降低血浆中CORT含量,能够在高温下对机体温度调节进行保护,减少代谢热的产生。在热应激状态下,ADR分泌增多,可抑制胰岛素的分泌。在本试验中,α-LA添加组与对照组之间血浆ADR含量差异不显著。
甲状腺激素主要是以T3和T4 2种形式存在,血液中T4的含量远远高于T3含量,但T3含量远远大于T4含量,T4可分解产生T3,也是T3的主要来源(血液中75%的T3来自于T4的分解)[11],因此,本试验中主要研究T3含量的变化。T3具有促进糖和脂肪氧化分解、提高基础代谢率的作用。本试验中,随着饲粮中α-LA添加量的增加,血浆中T3的含量显著性升高,说明α-LA添加组新陈代谢旺盛,线粒体的氧化作用增强,也证明α-LA能减轻热应激状态下动物的代谢紊乱状态。有研究表明,α-LA能够通过腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)调控细胞的能量代谢,在保持能量稳定、细胞生长与凋亡中发挥关键作用。
3.3 添加α-LA对热应激绵羊抗氧化的影响动物在新陈代谢过程中,通过各种代谢途径产生氧自由基和活性氧(ROS),同时细胞膜也存在抗氧化系统将氧自由基和活性氧清除、还原,使细胞处于氧化-还原动态平衡状态。当动物受到热应激刺激时,氧自由基生成增多,机体抗氧化物生成减少,体内动态平衡被打破,引起机体产生氧化应激[12-13]。
SOD、GR是机体重要的抗氧化酶,其活性高低直接反映机体抗氧化能力。MDA是机体脂质过氧化物以及氧化应激的产物,机体内的抗氧化剂维持MDA在正常含量范围内,因此,MDA含量是反映组织细胞中抗氧化能力的重要指标。李建文等[14]发现,肉鸭饲粮中加入适量α-LA,血浆GR活性升高,肝脏MDA含量降低。Srilatha等[15]在肉鸡饲粮中添加α-LA,血清中GR、T-SOD活性升高。本试验中,添加α-LA后,血浆GR、SOD活性显著升高,MDA含量显著降低,表明α-LA提高了机体的抗氧化能力,抑制或清除机体脂质过氧化和氧化应激产物的产生,减弱氧化应激,保护机体组织细胞不受损害。HSP70是热休克蛋白家族(HSPs)的成员之一,可增强机体的抗氧化、免疫等机能,提高动物的抗热应激机能[16]。HSPs参与机体的应激和免疫过程,维持胞内各蛋白质含量的平衡状态,与细胞的存活相关[17]。热应激激发HSPs的合成,增强机体的耐热性能[18]。研究表明,在高温热应激条件下,动物会产生氧化应激,鸡肠道热休克蛋白转录因子(HSF1、HSF2)及HSP70含量升高,增强抗氧化性[19],产生热适应。本试验中,血清HSP70含量升高,肝脏组织HSF1、HSP70的mRNA表达量显著升高,表明α-LA可增强动物机体热耐力,提高动物对热的适应能力。
3.4 添加α-LA对热应激绵羊免疫的影响热应激条件下,动物机体的能量消耗增加,免疫机能衰退,容易被病原体侵入,引起动物生长缓慢,导致患病,甚至死亡。IgA、IgG是机体内重要的非特异免疫因子,可提高动物的整体免疫机能[20]。本试验中,α-LA添加组血浆IgA、IgG含量都有升高趋势,表明α-LA增强了机体的免疫力。
TNF-α、IL-1β是炎症反应过程中出现最早、最重要的前炎性因子,与巨噬细胞、单核细胞、内皮细胞等免疫细胞上的受体结合产生一系列的炎症因子,如IL-6、IL-8等,引起炎症反应[21]。IL-6能诱导B细胞分化和产生抗体,并诱导T细胞活化增殖、分化,参与机体的免疫应答,是炎性反应的促发剂。IL-8能促进中性粒细胞脱颗粒,释放蛋白酶,损伤内皮细胞。NF-κB是炎症反应过程中细胞内重要的通路因子和核转录因子,其含量与前炎性因子TNF、IL-1β含量和炎性因子IL-6、IL-8含量等呈正相关[22]。
当动物处于高温热应激条件时,机体免疫系统被激活,炎性反应增强。α-LA可减弱免疫细胞炎性反应。本试验中,添加-LA后血浆中促炎因子TNF-α、IL-1β和炎症因子IL-8含量显著降低,mRNA表达量显著下降,表明α-LA显著降低了热应激绵羊的炎症反应。在细胞内,炎性通路因子NF-κB mRNA表达量和蛋白表达量均显著降低,说明α-LA可通过抑制炎性通路因子NF-κB而抑制炎症的发生。本研究还发现,α-LA对炎性因子IL-8的抑制作用较IL-6强。
IFN-γ又称为免疫调节作用干扰素,参与免疫调节,又有抗炎的作用。IFN-γ促进IgG的Fc受体表达,从而有利于巨噬细胞对抗原的吞噬,增强机体免疫能力;IFN-γ可使巨噬细胞表面肌球蛋白重链Ⅱ(MHCⅡ)类分子的表达增加,增强其抗原递呈能力[23]。本试验中,血浆中IFN-γ含量和肝脏组织中的IFN-γ mRNA表达量均显著升高,表明α-LA可通过增强IFN-γ提高机体的免疫力,抑制炎症反应。
HSF1是细胞热休克蛋白表达的主要调控因子,在非应激状态下,HSF1以无活性的单体形式存在于胞浆中,在热应激状态下HSF1被激活,从而启动各种HSPs基因的表达,提高热应激蛋白的表达,进而增强动物的热耐受能力[24]。同时HSF1可以通过诱导HSPs的增强,抑制炎症因子的活性,干预炎症信号通路,减轻热应激引起的炎症反应[25]。
CD4、CD8是参与免疫的重要T细胞亚群,CD4细胞是辅助性淋巴细胞,其主要功能是增强吞噬细胞介导的抗感染作用和增强B细胞介导的体液免疫应答;CD8细胞是杀伤性淋巴细胞,主要特异性直接杀伤靶细胞[26]。机体维持正常的免疫功能状态与2种细胞亚群的比例(CD4/CD8)有密切关系,对于人类而言,CD4/CD8在0.9~2.0较为适宜,羊的适宜范围还未见报道。本试验中,α-LA添加组CD4、CD8(高剂量组除外)和CD4/CD8有所升高,表明机体的细胞免疫功能增强。崔珏等[7]研究发现,高脂小鼠饲喂α-LA后血液CD4/CD8显著升高,可减弱慢性氧化应激对免疫系统造成的影响,提高小鼠的免疫水平。本试验中添加α-LA组CD4/CD8较对照组升高,表明绵羊免疫力增强。
4 结论① 适当水平的α-LA可以提高热应激绵羊的平均日采食量、末重。
② α-LA可提高热应激绵羊机体的抗氧化能力,减轻肝脏损伤。
③ α-LA可显著抑制炎症反应,提高热应激绵羊的免疫水平。
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