1 热应激对奶牛免疫功能的影响
热应激下奶牛发病率显著升高,这与热应激通过影响细胞和体液免疫反应损害免疫系统,进而导致免疫力下降有关。研究发现,高温高湿环境会使奶牛新陈代谢加速,能量消耗过度,从而对奶牛免疫系统产生不利影响[9]。
1.1 热应激对体液免疫的影响
动物体液免疫由抗体和补体系统组成,是免疫系统中体液对病原体进行攻击和清除的过程,主要负责识别和结合病原体,从而使其失去活性。在热应激期间,下丘脑-垂体-肾上腺(hypothalamic-pituitary-adrenal,HPA)轴和交感神经-肾上腺-髓质(sympathetic-adrenal-medullary,SAM)轴被激活以维持体内平衡应对热应激[9]。热应激对奶牛机体体液免疫的影响可分为直接和间接部分。研究发现,热应激可降低奶牛体内免疫球蛋白[如免疫球蛋白G(immunoglobulin G,IgG)、免疫球蛋白M(immunoglobulin M,IgM)和免疫球蛋白A(immunoglobulin A,IgA)]水平[10];还可导致奶牛体内免疫因子失衡,抑制或改变白细胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、IgG等免疫因子释放,从而对奶牛体液免疫功能产生负面影响[11]。
1.2 热应激对细胞免疫和抗氧化能力的影响
2 热应激对奶牛消化系统健康与功能的影响
健康稳定的胃肠道微生物群落对宿主健康和生产性能至关重要。在热应激下,奶牛胃肠道收缩和蠕动减弱,肠道黏膜血流量减少,可能会导致腹泻、消化不良等问题。此外,热应激还会破坏肠道屏障,导致形态损伤和功能障碍,进而影响奶牛消化系统稳态和功能。
2.1 热应激对瘤胃微生物的影响
2.2 热应激对奶牛肠道微生物的影响
在春季,奶牛粪便中(反映肠道)最占优势的菌门是厚壁菌门(占69.5%),其次是拟杆菌门(占25.3%);夏季奶牛粪便中占优势的菌门也是厚壁菌门(占69.5%)和拟杆菌门(占4.45%),但所占比例大大低于春季;而且夏季高温下奶牛粪便细菌香农指数和辛普森指数均下降[24],可见热应激对肠道微生物具有显著影响。据报道,拟杆菌门成员比其他纤维降解细菌门拥有更多的糖苷水解酶和多糖裂解酶基因,因此具有强大的降解结晶纤维素的能力[25]。不同温度环境下肠道微生物生态系统由不同特征微生物组成的核心群落主导,当环境温度从18 ℃升高到32 ℃时,荷斯坦奶牛肠道中食糜的平均停留时间可从36.6 h增加到43.2 h,食糜停留时间的延长会导致干物质、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维的表观消化率升高[26],因此热应激可能通过影响肠道微生物进而影响宿主对纤维物质的消化能力。
2.3 热应激对奶牛肠道结构与代谢的影响
研究发现,热应激会对肠道的紧密连接产生负面影响,导致肠道通透性增加[27⇓-29]。热应激可直接诱导一种未知的尚未分类细胞浸润到空肠黏膜和黏膜下层,直接改变空肠紧密连接蛋白,使肠屏障受损[30]。在热应激期间,有毒物质和细菌化合物的渗透可能引发免疫调节,并诱导抗氧化防御机制,以维持共生细菌和空肠免疫系统之间的稳态。在热暴露7 d后,奶牛空肠封闭蛋白1和紧密连接蛋白mRNA丰度升高,这些改变与上皮电阻线性降低、通透性增加和脂多糖等内毒素增加有关[30]。在热应激下,奶牛出现肠道上皮细胞不稳定、蛋白质折叠错位、蛋白质水解增加、糖酵解减少以及核因子-κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)信号传导激活等;同时,热应激可激活和促进尿酸循环、磷酸戊糖、脂肪酸和氨基酸分解代谢以及线粒体呼吸等途径,增强ATP酶活性和抗氧化能力[31]。
3 热应激对奶牛乳腺健康与功能的影响
高温环境下,奶牛体温升高,血液循环受阻,导致乳腺血液供应不足。这会降低乳腺组织的氧气和营养供应,影响乳腺细胞的正常功能。同时,热应激还会引起乳腺组织的炎症反应和氧化应激,导致乳腺健康隐患增加。在干奶期,乳腺衰老细胞会被清除而新生细胞增殖[37],环境条件可改变干奶期的乳腺重发育并影响随后泌乳期的奶产量。
3.1 热应激对乳腺激素分泌的影响
下丘脑-垂体-乳腺(hypothalamic-pituitary-mammary gland,HPM)轴在泌乳应激反应和生理调节中起着重要作用。热应激奶牛血清富血小板纤维蛋白和光敏色素互作因子水平升高,与应激反应引起的下丘脑-垂体轴兴奋有关。HPM轴中乳腺上皮组织环状RNA(circRNA)、微小RNA(miRNA)和mRNA的表达发生变化,这种变化与丝裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase,MAPK)信号通路密切相关,会影响奶牛的应激反应和泌乳生理[38]。当环境温度升高时,会引起下丘脑-垂体轴的兴奋反应,导致血液中促生长激素和胰岛素样生长因子水平显著上升,然而乳腺细胞内它们的受体表达却下降[39]。胰岛素具有抗炎和免疫调节作用,能够影响机体的炎症反应和免疫功能,也参与调节能量代谢,对生长和发育具有重要影响,胰岛素受体的下降会影响乳腺的生长发育和免疫功能。热应激显著提高奶牛血清中皮质醇水平,但降低三碘甲状腺原氨酸(T3)和甲状腺激素(T4)水平,表明热环境刺激可改变奶牛下丘脑-垂体-内分泌轴的激素分泌[40]。热应激可刺激HPA轴,增强肾上腺活性,促进肾上腺素和皮质醇分泌以抵御应激反应[41]。热应激减少T3和T4的分泌,由于负反馈作用,奶牛垂体中促甲状腺激素释放激素受体和促甲状腺激素受体的表达会显著增加[42]。高浓度的皮质醇可能影响奶牛的食欲和消化吸收功能,导致营养代谢失调,引起奶牛甲状腺激素水平的变化,进而影响乳腺的生长发育。总得来说,热应激会对奶牛的生理状态产生负面影响,影响其乳腺生长、代谢和免疫功能,从而影响产奶量和牛奶质量。
3.2 热应激对乳腺细胞结构完整与健康的影响
暴露在高温环境下的奶牛,其牛乳腺上皮细胞(bovine mammary epithelial cells,BMECs)显示出较高的程序性死亡,导致乳腺BMECs总数减少。在对热应激的反应中,乳腺细胞表达更多的热应激蛋白基因,以保护细胞免受蛋白质聚集和降解[43]。在乳腺中,相邻的BMECs形成三维结构,也称为连接复合体,由上皮顶端表面下的紧密连接、邻近黏附体连接和桥粒组成[44]。该结构有助于维持乳腺上皮的完整性,并在哺乳期调节离子和小分子穿过乳腺血乳屏障以完成细胞旁运输。有研究者对泌乳中后期奶牛进行热应激与降温处理,通过分析血浆的乳糖含量和牛奶中白蛋白含量,以检测乳腺上皮的完整性;结果发现,热应激下奶牛血浆乳糖含量会增加,即热应激导致乳糖短暂渗漏,乳腺完整性受到影响[45⇓-47]。在乳腺组织中,热应激会损害BMECs蛋白合成,下调参与细胞生长和导管分支的基因表达,同时促进参与凋亡、吞噬和细胞存活反应相关基因的表达[48-49]。由此可见,乳腺会通过合成更多的蛋白质来补偿热应激引起的损失,从而维持细胞间连接的完整性。
3.3 热应激对乳腺代谢的影响
有学者在牛奶中鉴定出34种代谢物作为诊断奶牛热应激的潜在生物标志物,这些物质涉及糖酵解途径、三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle,TCA)、乳糖、酮类、氨基酸和核苷酸代谢等,说明热应激主要影响泌乳奶牛乳腺内的乳糖、能量和核苷酸代谢[51]。热应激也影响机体能量代谢,包括降低葡萄糖、乳糖和半乳糖-1-磷酸浓度,提高乙酰乙酸浓度,改变TCA相关代谢物组成,这些营养代谢的变化可能会影响乳腺对养分的利用和乳汁合成。热应激会降低乳蛋白浓度,其原因可能是热应激改变了氨基酸代谢[52]。在泌乳中期奶牛中,热应激增加外周组织对葡萄糖的摄取[53]。由此可见,应激会诱导泌乳奶牛乳腺糖酵解、乳糖、酮类、TCA、氨基酸或核苷酸等代谢发生改变,影响乳成分前体物的供应。
4 小结与展望
热应激是机体响应高温环境的复杂过程,会通过影响奶牛的免疫系统、消化系统以及乳腺发育和功能等调节奶牛的机体反应,影响奶产量和乳成分组成以及健康状态。因此,未来有必要进一步探究热应激对奶牛机体生理反应的影响,并深入研究其分子机制。此外,可应用多组学和表观遗传学等技术,系统研究热应激条件下奶牛各系统的应激反应及奶牛机体内瘤胃、肠道和乳腺等器官的响应机制,探究奶牛个体对热应激的适应差异及其形成机制,从而为缓解热应激和选育耐热奶牛提供理论依据。
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