随着全球变暖问题日趋严重,奶牛养殖正面临严峻的热应激挑战。热应激会对奶牛的生理机能、生产性能和健康状况产生诸多不利影响,如采食量下降、产奶量减少、乳品质降低、繁殖性能受损、疾病风险增加,甚至导致其死亡[1],严重威胁奶牛养殖业的经济效益。在我国,预计到2050年,因气候变暖导致的牛奶产量损失将超过1 500万t[2]。因此,采取有效措施解决奶牛夏季热应激问题刻不容缓。奶牛在热耐受性方面存在显著的个体和群体差异,这种差异不仅影响奶牛的生产性能,也为育种和管理带来挑战。近年来,国内外学者在奶牛热耐受性的评价、影响因素及作用机制等方面开展了不少研究,取得了一系列有价值的成果,系统总结这些成果具有重要现实意义,不仅可为后续研究提供思路,有助于识别和选育耐热性强的个体,还能为制定有效的热应激防控措施提供科学依据,从而实现奶牛养殖的可持续发展。本文综述了奶牛热耐受性评价指标、影响因素及耐受热应激环境的机制,以期为提高奶牛在热应激环境下的生产性能和健康状况提供参考。
1 奶牛热耐受性评价指标
判定奶牛群体中个体的耐热情况需要对其耐热性能进行评价。奶牛对热的耐受涉及多种因素,目前尚无准确评估奶牛热耐受性的统一标准。国内外学者对热应激条件下奶牛个体的内分泌和生理代谢等进行深入研究,提出了一些反映奶牛热应激状态和热耐受性的评价指标。
1.1 环境条件监测
温度-湿度指数(temperature-humidity index,THI)综合了环境温度和相对湿度,在评判奶牛热应激方面得到广泛应用。不同研究对THI的计算方式有所差异,这些差异适用于不同品种或不同饲养条件的奶牛[3],而地域、品种、生产水平等都会影响奶牛对同一THI的反应[4]。通常人们认为奶牛热应激的THI阈值是72,但新近研究发现THI达到68时牛产奶量已开始下降[5]。浙江省地方标准《奶牛抗热应激技术规程》[6]规定,当牛舍THI<68时表示无热应激;68≤THI≤79时为轻度热应激;79<THI≤88时为中度热应激;THI>88时为重度热应激。诱导奶牛发生热应激反应的外界因素除温度、相对湿度外,还有辐射和风速等,而THI没有考虑风速和太阳辐射,因此科学家们提出了其他指标以弥补THI的不足,如黑球湿度指数(black globe humidity index,BGHI)、等效温度指数(equivalent temperature index,ETI)、热负荷指数(heat load index,HLI)、综合气候指数(comprehensive climatic index,CCI)等[7]。BGHI将环境温度、太阳辐射和风的对流效应综合为一个指标,在太阳辐射较强的环境中能准确反映奶牛的热应激程度;ETI综合环境温度、相对湿度和气流速度3个指标评价热应激程度,但在温带气候条件下的应用性较差;HLI基于肉牛喘息分数建立,在肉牛中应用较多;CCI基于HLI和风冷指数形成,计算较复杂,应用效果受牧场条件制约。
1.2 生理指标
呼吸频率及直肠温度常被视作评价耐热性的最直观可靠的生理指标。在非热应激状态下,奶牛呼吸频率相对平稳,当温度超过某一阈值时,奶牛呼吸加快以散发热量。Amamou等[8]认为,维持体温恒定是保证正常生理功能的基础,呼吸频率是评估耐热性的可靠指标。另有研究发现,部分高产奶牛在体温升高到一定程度后,呼吸速率反而会下降,这种情况会对准确评估奶牛的耐热性造成干扰。正常情况下,反刍动物的直肠温度相对稳定,该值超过正常范围1 ℃甚至更低都会影响其生产性能。相关研究显示,当反刍动物处于热应激状态时,THI每升高1,直肠温度约升高0.12 ℃[9]。耐热系数(heat-tolerance coefficient,HTC)由直肠温度计算而来,由Rhoad[10]创立,其计算公式为:HTC=100-18×(BT-38.3),其中BT表示试验测得的平均直肠温度,38.3表示牛的正常温度。由此可见,暴露在高温环境下直肠温度上升幅度大的奶牛对温度变化更敏感,即耐热性更低。
1.3 生产性能指标
选育具备耐热特性奶牛的核心目标是减少其在夏季的产奶量下降程度[11]。产奶量变化情况是衡量耐热性最为实用的指标,通常采用下降率来评判,即热应激引起的产奶量下降量与非热应激期间产奶量的百分比,降幅较小的可视为耐热奶牛,降幅较大的则视为热敏感奶牛。用产奶量下降划分耐热或热敏感奶牛仅是相对而言,目前尚无明确的划分阈值。奶牛生产性能测定体系(dairy herd improvement,DHI)每月会记录泌乳奶牛的产奶量,并对其乳成分(乳脂率、乳蛋白率、体细胞数等)进行检测,结合牧场所在地的气象参数分析月度产奶量的波动趋势,从而评估奶牛热应激程度。基于此,产奶量数据在耐热性评估中的应用日益广泛[12]。然而,该指标会受奶牛泌乳阶段的影响,无法对无泌乳记录的奶牛进行热耐受性评估,且产奶量还与牛场管理水平、胎次等其他因素有关。高产牛与低产牛的产奶量下降幅度存在一定差异,一般而言,高温环境下高产奶牛的产奶量降幅大。因此,产奶量需结合其他指标综合评价奶牛热耐受性的高低。
1.4 血液生化指标
与热耐受性相关的血液生化指标有血红蛋白、三碘甲腺原氨酸(triiodothyronine,T3)、甲状腺素(tetraiodothyronine,T4)、皮质醇、红细胞钾和热休克蛋白(heat shock proteins,HSPs)等。有报道称血红蛋白浓度较高的个体往往表现出更强的耐热性,因为这些个体运输氧的能力较强,这可能源于奶牛为适应高温环境而引发的生理调节机制[13]。不同品种牛的血红蛋白浓度对温度变化的响应模式存在差异,如荷斯坦牛和娟姗牛在高温环境下血红蛋白浓度呈现下降趋势,而印度小牛的血红蛋白浓度则表现出相反的变化规律[14]。在热应激条件下,奶牛体内的神经内分泌系统会发生显著变化,下丘脑-垂体-肾上腺轴被激活,皮质醇分泌增加,同时甲状腺功能受到抑制,T3和T4分泌减少,进而降低基础代谢率以减少产热[15]。血液中皮质醇水平是反映奶牛热应激的重要指标,在急性热应激时其在血液中的水平上升。热耐受性差异奶牛的血浆T4水平对气温的响应不同,高耐热牛的血浆T4水平在热应激期和非热应激期变化不显著,而低耐热奶牛的血浆T4水平在2个时期显著变化[16],提示血浆T4水平可作为奶牛热耐受性评价指标。
然而,目前尚未建立适用于同一品种不同个体在相同环境条件下的评价体系,这些血液生化指标能否单独作为评估奶牛热耐受性的指标尚无定论。
1.5 行为观察
动物对外界环境的适应性反应往往通过其行为模式体现。当奶牛遭受热应激时其生理机能会发生显著变化,具体表现为呼吸急促、心率加快、烦躁不安、食欲下降等;有时会采取侧卧姿势伏于地面休息,增加水分摄入,主动寻找荫蔽,降低活动频率。行为观察属于定性指标,需要具有一定实践经验的专业人员。有研究人员通过观察奶牛的行为活动和呼吸次数建立了呼吸评分法[20],该方法在相同热环境条件下对个体耐热性的差异分析中展现出独特的应用价值。
2 影响奶牛热耐受性的因素
热中性区(thermal neutral zone,TNZ)是指在温度的某一范围内,内温动物耗氧量最低且不随环境温度而变化[21]。奶牛对温度变化很敏感,温带地区成年奶牛的热中性区范围在5~25 ℃,在此范围内奶牛能最大限度地维持其生产性能和遗传潜力。奶牛热耐受性受到动物、环境、营养等因素影响。
2.1 动物因素
2.1.1 品种差异
2.1.2 耐热基因
耐热性是由多个基因控制的复杂性状,现已发现的耐热基因种类繁多,且不同研究鉴定出的耐热基因也不尽相同。奶牛受到热应激环境的影响会发生一系列复杂的应激反应,HSPs作为分子伴侣在其中发挥作用。通常认为HSP70基因表达与奶牛的耐热性具有相关性,HSP70蛋白可作为热应激反应的标志物。Abbas等[24]在中国荷斯坦奶牛上发现了HSP70基因中4个与胁迫耐受性生化途径相关的单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)位点,表明它们可能在奶牛中起耐热性标记的作用。热休克转录因子(HSF)基因也是候选耐热基因,HSF1基因表达增加可抑制热应激过程中细胞凋亡,提高细胞存活率,从而降低热应激效应[25]。Catozzi等[26]研究发现,当细胞遇到外界胁迫时,HSF1转录上调;在41 ℃热应激条件下,萨希瓦尔奶牛和杂交奶牛(萨希瓦尔奶牛×荷斯坦奶牛)的外周血单核细胞中HSF1表达显著增加,表明这2个品种具有良好的热应激适应性。
奶牛代谢产热升高将严重影响产奶量,高产奶牛受到的影响更大。近年来,众多研究聚焦于代谢调控相关的耐受候选基因。Cheruiyot等[27]在柠檬酸循环中发现了耐热候选基因,包括ATP柠檬酸裂解酶(ACLY)、丙酮酸脱氢酶E1亚基alpha 2(PDHA2)、苹果酸脱氢酶1(MDH1)、琥珀酸辅酶A连接酶GDP形成亚基β(SUCLG2)和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶1(PCK1)基因;Garner等[28]发现缓激肽受体B1(BDKRB1)、SNORA19基因在热应激期与非热应激期差异表达,这些基因参与代谢、炎症反应和热调节,涉及碳水化合物和脂肪氧化过程。二酰甘油-O-酰基转移酶同源物1(DGAT1)、蛋白磷酸酶 1 调节亚基 16A(PPP1R16A)、叉头框H1(FOXH1)、网蛋白(PLEC)基因与脂肪酸合成和代谢相关,其表达变化可能是奶牛在热应激条件下的代谢适应[29]。神经系统在调节体温方面发挥重要作用。Cheruiyot等[27]还发现了一些潜在的与神经系统有关的耐热性特定候选突变基因,如神经肽FF受体2(NPFFR2)、肌醇 1,4,5-三磷酸受体 1 (ITPR1)、肌醇 1,4,5-三磷酸受体 2 (ITPR2)和AMPA离子能谷氨酸受体4(GRIA4)等。这些基因是否可作为改善奶牛热耐受性的潜在靶点,值得深入研究。
热应激可以调节生物体血浆电解质平衡,影响血液中的钠离子(Na+)、钾离子(K+)浓度。研究发现,Na+/K+ATP酶(Na+/K+-ATPase)基因,特别是Na+/K+ATP酶α1亚基(ATP1A1)和Na+/K+ATP酶β2亚基(ATP1B2)基因,是奶牛热耐受性的潜在调控基因[30-31]。除了众多与调控热应激反应相关的耐热候选基因外,毛发对牛热耐受性的作用也引起了研究人员的关注,浅色毛发可反射阳光,减少热量吸收并具有更好的散热作用。通过评估直肠温度、呼吸频率、皮肤温度和出汗率等生理参数,Carmickle等[32]发现SLICK基因有助于降低动物的直肠温度,提高热耐受性;Bahbahani等[33]指出前黑素小体蛋白(PMEL)基因是与黑素体合成相关的强候选基因,可以控制牛的被毛颜色;表皮生长因子受体3(ERBB3)和肌球蛋白1A(MYO1A)基因被认为是最可能影响热带牛品种毛色表型的候选基因[34]。
2.1.3 个体差异
同一品种不同个体的热耐受性存在差异,特别是年龄和胎次对奶牛热耐受性有重要影响。一般来说,幼龄奶牛的体温调节中枢尚未发育完全,汗腺功能也不完善,热调节能力相对较弱。因此,在高温环境下犊牛更容易出现体温升高、呼吸急促等热应激症状[35]。随着年龄增长,奶牛的热调节能力逐渐增强,热耐受性也相应提高。高胎次奶牛由于代谢负担重,体温调节能力相对较弱,其呼吸频率和直肠温度在热应激条件下升高更为明显[36]。奶牛的生理状态也是影响其热耐受性的重要因素,干奶期的奶牛代谢率较低,产热较少,热耐受性相对较强;相比之下,泌乳期奶牛为了满足产奶需要摄入大量饲料,消化过程会产生大量热量,同时产奶过程本身也耗能产热,因此面临着较高的代谢负担,更易受热应激的影响,热耐受性相对较差[37]。
2.2 环境因素
在炎热环境下,温度、相对湿度、光照、降雨量等环境因子是影响奶牛热耐受性的重要因素。Mandal等[23]研究了各种环境因素对热带地区娟姗杂交牛生理适应性、热耐受性指数以及产奶量的影响,发现牛舍内昼夜环境变化导致杂交牛体表温度、脉搏频率、呼吸频率均有升高,季节性变化显著影响奶牛的生理指标和热耐受性。Dos Santos等[38]评估了热带地区奶牛的热耐受性及其热平衡特性,推荐了可提升奶牛热舒适性和生产力的管理策略。长期暴露于湿热环境中的奶牛其生理功能和形态特征会发生适应性改变,如在应对高温环境时热带地区奶牛比温带地区奶牛表现出更出色的适应能力。基于奶牛在不同环境下热适应反应的差异,养殖场在夏季高温季节会采用多重环境调控策略,如搭建遮阳设施、增加喷淋应用、勤开风扇等,以有效调控养殖环境,缓解热应激对奶牛造成的负面影响。
2.3 营养因素
热应激会降低奶牛的采食量,进而影响能量摄入,导致能量负平衡。一些研究提出了优化饲粮配方、使用饲料添加剂等措施改善奶牛能量代谢、抗氧化能力和瘤胃功能,以增强奶牛的热耐受性。适当减少饲粮中淀粉含量可减少瘤胃发酵热的产生,降低奶牛热负荷,与此同时增加脂肪供能可减少奶牛因热而导致的能量不足,缓解因采食量下降导致的能量负平衡,提高产奶量[39]。适当提高饲粮中精饲料的比例可以改善热应激奶牛的营养摄取状况,提升饲料利用效率。有研究表明,使用玉米青贮等高消化率粗饲料代替大豆种皮等低消化率纤维可提高饲料通过瘤胃的速度,减少发酵热产生,改善采食量,减少热应激给奶牛带来的负面影响[40]。饲喂酵母或酵母培养物等微生物制剂可增加奶牛的采食量和饲料效率,改变瘤胃发酵过程,降低瘤胃酸中毒风险,并最终增加产奶量,改善生产性能[41]。
3 奶牛适应和耐受热应激的相关机制
3.1 行为调节
暴露于热应激环境下的奶牛会通过一系列行为调节策略来增强自身的热耐受性[48]。热应激条件下奶牛通过增加呼吸频率、增加出汗量等方式增加热损失[49]。具体而言,呼吸频率的增加有助于通过呼吸蒸发散热,出汗量的增加则利用汗液蒸发带走热量并促进体内热量的快速排出。采食活动会增加机体产热,当环境温度升高时,奶牛会显著减少采食量降低热增耗,同时调整反刍节奏以减少消化系统代谢负荷,减轻热应激对机体的影响[50]。充足的饮水有助于奶牛维持机体水分平衡,通过水分蒸发而增加散热;奶牛会主动寻找通风良好、有遮荫的区域,避免长时间暴露在直射阳光下,有效降低辐射热吸收率,以此来减少热应激环境造成的负面影响,维持体温相对稳定。遮荫区域则可以阻挡阳光的直接照射,降低奶牛体表吸收的热量。与处于阴凉处的奶牛相比,未处于阴凉处的奶牛表现出更强烈的行为适应反应,如呼吸频率增加、在水槽周围停留时间延长等[51]。通过这些行为调节机制,奶牛能够在热应激条件下更有效地保护自身的生理功能,更好地建立对热应激环境的耐受。
3.2 内分泌调节
在经历一系列生理反应和行为调节后,奶牛通过内分泌系统的调控来维持内环境稳态,激素在其中起到至关重要的作用,包括皮质醇、甲状腺激素、儿茶酚胺类激素以及生长激素等。当奶牛遭遇热应激时,下丘脑-垂体-肾上腺轴(HPA轴)被激活,促使下丘脑室旁核分泌促肾上腺皮质激素释放激素,进而刺激腺垂体分泌促肾上腺皮质激素。短期热应激会引发奶牛体内皮质醇水平升高,而长期热应激则导致其水平下降[52]。这种皮质醇水平快速上升的现象与HPA轴的激活密切相关,其通过扩张血管增加机体散热,同时加速脂肪和蛋白质的分解代谢,从而帮助奶牛恢复自身代谢平衡。甲状腺激素作为体温调节和能量代谢的关键调节因子,其分泌受下丘脑-垂体-甲状腺轴(HPT轴)调控。夏季高温高湿环境会抑制奶牛的甲状腺功能,导致血浆中T3和T4水平下降,这不仅可减缓基础代谢率,还通过抑制代谢产热以维持机体与环境之间的热平衡[53]。肾上腺素、去甲肾上腺素和多巴胺等儿茶酚胺类激素在热耐受反应中也发挥着重要作用。热应激会激活肾上腺髓质分泌儿茶酚胺类激素以应对机体的紧急状态,可增加血浆中肾上腺素和去甲肾上腺素水平,促进汗腺分泌,有利于机体散热。耐热奶牛能够更有效地维持自身的内分泌调节机制稳定,使其在热应激环境下仍能维持相对稳定的生理状态,从而更好地适应热环境。Chen等[54]研究发现,耐热奶牛的血浆皮质醇水平显著低于热敏感奶牛,T3和生长激素水平略高于热敏感奶牛。这些结果说明,与热敏感奶牛相比,相同热应激环境下耐热奶牛表现出更强的代谢适应能力和体温调节能力。
3.3 代谢机制
代谢适应是奶牛适应热应激环境的关键生物机制。在热应激条件下,奶牛的代谢活动会发生一系列复杂且精细的适应性变化。一方面,热应激奶牛采食量下降,进而减少能量摄入;另一方面,为了维持体温平衡,奶牛需要增加散热成本,这使得能量消耗增加[55]。此外,热应激还会引发胰岛素活性升高,奶牛优先利用葡萄糖作为能源,从而导致乳糖合成所需的葡萄糖供应不足,这一过程可以通过甘油分解、脂肪氧化等代谢途径得以缓解[56]。同时,奶牛机体将更多的氨基酸用于维持免疫反应和糖异生,而非用于乳蛋白合成,因而乳蛋白含量下降[57]。代谢物作为机体代谢活动的表征产物,能够直观反映奶牛在热应激条件下的生理生化状态变化。Wang等[58]研究发现,麦芽糖、甘油以及甘露醇等与碳水化合物代谢相关的物质在热耐受奶牛体内含量增加,其中甘油作为糖异生的前体物质可通过肝脏糖酵解途径为细胞提供能量,并可与长链脂肪酸结合形成甘油三酯。由此推测,热耐受奶牛可能通过优化代谢途径有效降低甘油三酯的动员程度,从而增强其在热应激条件下维持能量平衡的能力。这种优化有助于提高奶牛的热耐受性,改善其整体的生产性能和健康状况。
3.4 瘤胃微生物
热应激情况下,奶牛为了减少产热会挑食精料,从而降低瘤胃pH,改变瘤胃微生物区系。李晗等[59]认为,热应激奶牛可能通过降低采食量改变瘤胃乳头形态,破坏瘤胃上皮黏膜完整性并增加其通透性、降低渗透压,从而改变瘤胃微生物组成。热耐受奶牛和热敏感奶牛在热应激条件下其瘤胃微生物群落呈现显著差异。Wang等[58]基于耐热性相关指标对热耐受奶牛与热敏感奶牛进行划分,结合16S rDNA测序和气相色谱-质谱联用(GC-MS)技术系统分析了瘤胃微生物多样性和代谢产物在奶牛热适应过程中的作用,发现热耐受奶牛瘤胃区系为适应热应激环境而发生了变化;热耐受奶牛瘤胃中理研菌科(Rikenellaceae)、克里斯滕森菌科(Christensenellaceae)、解琥珀酸菌属(Succiniclasticum)和瘤胃球菌科NK4A214群(Ruminococcaceae_NK4A214_group)等菌群丰度均显著高于热敏感奶牛,而这些细菌在瘤胃消化代谢、甲烷生成、瘤胃稳态等方面起到关键作用。例如,Rikenellaceae可能参与了瘤胃中复杂碳水化合物的分解和发酵过程,为奶牛提供更多可利用的能量;而Christensenellaceae可能与瘤胃内的微生态平衡维持有关,在热耐受奶牛体内丰度增加有助于保持瘤胃环境的稳定;Succiniclasticum在瘤胃的琥珀酸代谢中发挥重要作用,有助于在热耐受奶牛瘤胃中产生丙酸盐,抑制甲烷产生;Ruminococcaceae_NK4A214_group对瘤胃中纤维素的降解起到促进作用,可提高饲料利用率,改善生产性能。瘤胃中挥发性脂肪酸(volatile fatty acids,VFAs)浓度取决于微生物发酵效率和宿主吸收率[60]。热耐受奶牛与热敏感奶牛在瘤胃乙酸、丙酸和丁酸浓度以及乙酸与丙酸比值上均存在显著差异,这种差异可能源于瘤胃微生物群落结构和功能的改变,进而影响奶牛的耐热表现。
4 小结与展望
奶牛的热耐受性是一个复杂的生物学特性,受环境、生理、遗传等多因素综合影响。现有研究已取得一定进展,构建了涵盖生理、血液生化等评价指标体系,明确了遗传、生理阶段、环境等因素的影响,且从代谢和瘤胃微生物等层面揭示了部分作用机制。然而,当前研究仍存在一些不足,未来可从多方面深入探索。首先,奶牛热耐受性的评价标准尚未统一,不同品种、不同地域的奶牛对热应激的响应存在差异,需要进一步优化评价方法;其次,奶牛热耐受性的分子机制尚未完全阐明,可运用多组学技术全面研究热应激条件下奶牛代谢分子的变化规律、瘤胃微生物组成与功能变化的机制,精准揭示热耐受性机制,为奶牛热应激防控提供坚实理论支撑。此外,可结合影响因素和作用机制,制定全面有效的热应激综合防控措施,为奶牛养殖业的可持续发展提供科学支持。
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