产乳热是一种常见的奶牛围产期代谢病,通常在奶牛产犊前后发生,表现为血钙浓度降低,并伴随着侧卧、四肢无力、反刍停止等症状,能引起胎衣不下、子宫炎等疾病的发生,还会对生产性能造成消极影响[1-2]。据调研,我国约有75%牧场围产期奶牛群体产乳热发病率大于1%[3]。目前在生产中以产前饲喂阴离子型饲粮为主要预防措施,阴离子型饲粮是一种包含大量以氯离子和硫酸根离子为主要阴离子的围产期奶牛产前饲粮,能有效降低奶牛产乳热发病率[4]。当前,大多数研究集中于阴离子型饲粮对奶牛产乳热发生率的影响,另外,由于阴离子型饲粮在其他方面的应用效果不一致,需要对其预防机制及其应用进行系统的综述,基于此本文将主要介绍奶牛钙离子稳态调节机理、阴离子型饲粮对产乳热的预防机制及其在奶牛生产中的应用,以期为后续阴离子型饲粮在实际生产中的应用提供参考依据。
1 阴离子型饲粮的性质及使用方法
阴离子型饲粮是指在奶牛产前饲粮基础上,添加一定量阴离子盐(例如氯化铵等)所形成的饲粮。制作时需要根据饲料原料的阴阳离子差(DCAD)水平确定添加阴离子的数量。 DCAD是指每千克饲粮干物质中主要阳离子[钠离子(Na+)、钾离子(K+)、钙离子(Ca2+)、镁离子(Mg2+)]与主要阴离子[氯离子(Cl-)、硫离子(S2-)]毫当量之差。基于饲粮结构不同及对奶牛体内生理环境变化的估计,有多种计算公式,其中使用频率较多的公式如下:
DCAD(mEq/kg DM)=[(钠离子%/0.002 3)+(钾离子%/0.003 9)]-[(氯离子%/0.003 5)+(硫离子%/0.001 6)]。
将饲粮中4种离子的含量代入上式,结果为负值时则是阴离子型饲粮。
2 奶牛产乳热的发病机理及阴离子型饲粮的作用机制
2.1 奶牛钙离子稳态调控机理
奶牛体内大部分钙主要以碳酸钙形式存在于骨骼中,骨骼可随时动用的钙有6~10 g,血液循环中游离钙有2~4 g。游离钙参与奶牛骨骼矿化、凝血、心脏动作电位、肌肉收缩等生理活动,并作为第二信使传递细胞信号[8]。维持钙离子稳态的过程主要包括肠钙吸收、骨钙动员、肾钙和乳钙排出等,由甲状旁腺激素(PTH)、骨化三醇[1,25(OH)2D3]、降钙素(CT)3种激素协同调节。开始出现低血钙时,甲状旁腺主细胞内生成PTH,通过增加骨吸收及抑制骨的合成提高血钙浓度,另外PTH还能提高肾小球远曲小管的通透性,增加肾脏对钙的重吸收作用。除上述作用外,甲状旁腺激素还能刺激肾脏产生骨化三醇,二者协同提高肠道对钙的吸收效率[9]。骨化三醇是维生素D的活性形式,其本身可以激活小肠钙吸收,亦能与PTH协同作用于以上钙动员途径。然而,2种激素存在相互调节机制,当PTH动员结果无法满足血钙缺口时,PTH会进一步刺激产生骨化三醇,随后二者协同提高血钙浓度;骨化三醇也能反向抑制甲状旁腺增殖和PTH的生成[10]。高钙条件下,甲状腺滤泡旁细胞分泌CT,CT能使破骨细胞由活跃状态转变为静止状态,从而抑制钙离子动员[11]。具体调控途径如图1 所示。
图1 钙离子稳态调节途径Ca:钙 calcium;PTH:甲状旁腺激素 parathyroid hormone;1,25(OH)2D3:骨化三醇 ;CT:降钙素 calcitonin;Claudin:紧密连接蛋白;TRPV6:瞬时受体电位亚家族V成员6 transient receptor potential channel subfamily V member 6;CaBP:钙结合蛋白 calcium-binding protein;PMCA1b:质膜钙泵1b plasma membrane calcium ATPase。其中↑代表生理活动的激活或某种物质浓度提高,↓代表某生理活动的抑制或某种物质浓度下降。 Fig.1 Pathways regulating calcium homeostasis[12⇓-14] ↑ represents the activation of physiological activities or the increase of the concentration of substance, and ↓ represents the inhibition of physiological activity or the decrease of the concentration of substance. |
2.2 奶牛产乳热的发病机理
泌乳初期奶牛通过肠道吸收及骨钙动员首先满足泌乳期需要,随后弥补部分骨骼流失的钙,然而干奶期奶牛肠道吸收及骨骼动员过程相继静止,直至下一次产犊时被激活[17]。机体内存在钙稳态延迟代谢的机制,肠道方面的研究发现向饲粮中缺乏维生素D的大鼠颈静脉注射骨化三醇后,注射后36 h及以后小肠钙离子转运速率保持恒定,另外在吸收过程中肠上皮细胞不断更新,新生细胞的成熟同样需要骨化三醇的连续刺激[18]。体外试验发现将原有含钙量(0.22%)较高的饲粮转换为另一种含钙量(0.19%)较低的饲粮后,尿钙排出在转换后呈现先增后降的趋势,在第3天维持稳定,由于肾钙吸收具有快速适应性,即立即对血钙浓度变化做出调整,这间接说明奶牛胃肠道对饲粮变化的钙含量的适应具有滞后效应,即延迟机制在奶牛上可能同样存在[19-20]。此外,骨钙吸收过程也存在延迟机制,研究发现至少需要PTH刺激48 h机体出现明显的骨钙动员过程[21]。由于钙离子动员过程在干奶期的休眠及产后的延迟激活机制,产后初期奶牛血钙浓度骤然降低,引起产乳热发生。
2.3 阴离子型饲粮对动物血钙动员的作用机制
研究发现,饲喂阴离子型饲粮不仅能促进奶牛体内骨化三醇的生成[27-28],还能提高体内羟脯氨酸浓度[28]。另一项体内研究发现,饲喂阴离子型饲粮将提高奶牛肾脏甲状旁腺激素受体(PTHR)的表达[29]。PTH能分别通过调控肾脏1α-羟化酶的合成及促进破骨细胞对骨基质的溶解来调节体内骨化三醇及羟脯氨酸浓度,以上实例说明阴离子型饲粮可能通过增强PTH的作用效果来维持钙稳态代谢。当奶牛摄入大量阴离子后,机体为维持电中性环境,会通过增加血液H+或减少OH-来抵消额外的负电荷[12],引起血液pH降低(血液pH<7.4),碳酸氢盐浓度降低(<25 mmol/L),导致机体出现补偿性代谢酸中毒[30]。然而,Goff[22]认为较高的血液pH诱发奶牛代谢性碱中毒,引起奶牛组织PTHR的构象发生改变,降低组织对PTH的敏感性。这间接表明摄入阴离子型饲粮引起机体产生补偿性代谢酸中毒后,可能通过恢复组织PTHR构象及提高组织PTHR表达来促进肠钙吸收及骨钙动员,最终维持钙离子稳态。除引起血液pH下降外,阴离子型饲粮也会引起尿液pH下降,表现为尿液pH与饲粮阴离子水平的负相关关系,因此生产中应用这一特性合理地控制饲粮阴离子水平[31]。在人的细胞系及啮齿动物中均有体内酸性环境对破骨细胞[32]、成骨细胞[33]及肾脏[34]的机制研究,目前在奶牛上相应的研究不足,未来可以进一步展开探究阴离子对奶牛骨骼、胃肠道及肾脏细胞对钙调节激素识别、钙离子转运及动员的分子机制,有助于更精准地饲喂阴离子型饲粮并产生最佳的预防效果。
综上所述,奶牛产乳热的本质是体内动员的钙量不足以弥补泌乳带来的钙损失,而阴离子型饲粮将诱导体内补偿性代谢酸中毒,通过调控骨骼吸收过程及肾脏钙的重吸收过程进而提高血钙浓度,最终降低奶牛产乳热发病率。
3 阴离子型饲粮对奶牛生产性能的影响
3.1 对奶牛采食量及消化率的影响
干物质采食量(DMI)及营养物质消化率是衡量奶牛生产性能指标的重要组成部分。饲喂阴离子型饲粮会显著降低奶牛产前干物质采食量[35-36]。Lopera等[37]研究发现,延长饲喂阴离子型饲粮的时间(从21 d增至42 d)或降低阴离子型饲粮DCAD水平(从-70 mEq/kg DM降至-180 mEq/kg DM)时,奶牛产前干物质采食量线性降低。由于阴离子型饲粮中含有较多氯离子,氯离子会降低饲粮适口性,因此奶牛采食量降低[38]。Zimpel等[39]发现,阴离子型饲粮降低奶牛干物质采食量,在此基础上饲喂阳离子可以恢复奶牛的干物质采食量,这说明饲喂阴离子型饲粮引起的代谢酸中毒也有可能是降低干物质采食量的原因之一。阴离子进入机体呈酸性,阴离子型饲粮摄入诱导补偿性代谢酸中毒,当酸碱平衡状态改变时奶牛表现出机体不适、食欲降低和采食行为改变等状况[40]。因此,建议饲喂时间不超过21 d,饲喂阴离子水平要适宜。
饲喂阴离子型饲粮对奶牛营养物质消化率的影响效果不一致。有研究发现,降低围产期阴离子型饲粮DCAD水平(由-50 mEq/kg DM降至-150 mEq/kg DM)能线性提高奶牛产前钙和镁的表观消化率,对产前及产后磷的消化率无显著影响[41]。张翔飞[42]研究发现,给围产期奶牛饲喂高钙的阴离子型饲粮(1.95%)能使产后奶牛总能、干物质(DM)、粗蛋白质(CP)表观消化率显著提高。然而,有研究发现,阴离子型饲粮对奶牛产前DM、CP、有机物(OM)及中性洗涤纤维(NDF)的消化率影响不显著,但阴离子型饲粮组奶牛产后NDF消化率极显著提高[43]。奶牛对营养物质的消化率受饲料原料特性、机体生理状态等多种因素的影响,目前还需要进一步探究阴离子型饲粮对营养物质消化率的影响机制。
3.2 对奶牛产奶量及乳品质的影响
奶牛产奶量直接与牧场经济效益联系,是生产者重点关注的指标之一。张翔飞[42]研究发现,与对照组相比,阴离子型饲粮能显著提高乳脂率及乳糖率,对奶牛4%乳脂矫正乳影响不显著。一项荟萃分析发现,阴离子型饲粮对产奶量与奶牛胎次存在交互作用,当饲粮阴离子浓度增加时,经产奶牛产奶量提高1.1 kg/d,但初产奶牛产奶量降低1.28 kg/d[44]。可能由于初产奶牛还处于生长发育阶段,此阶段生理状态与经产奶牛不同,因此,在设置产前阴离子型饲粮DCAD水平时也应根据奶牛所处的生理阶段有所区分。此外,高钙的阴离子型饲粮(1.95%)显著提高奶牛常乳乳糖率,显著降低乳中体细胞数[42]。由于饲喂阴离子型饲粮会缩短奶牛的妊娠时间[37],可能引起妊娠前几周乳腺发育不完全,处于分泌状态的乳腺上皮细胞百分比降低,最终导致产奶量降低[45]。另外,阴离子型饲粮还会引起奶牛补偿性代谢酸中毒,补偿性代谢酸中毒阻断促乳素受体信号转导,进而抑制乳腺腺泡发育,最终影响产奶量[46⇓-48];此外有研究表明,奶牛产后补偿性代谢酸中毒与能量负平衡2种生理状态协同会抑制胰岛素生长因子-1的分泌过程,进而抑制乳腺上皮细胞增殖[49]。
综上所述,饲喂阴离子型饲粮对奶牛生产性能可能存在较消极的影响。在产前配制饲粮时应根据生理状态不同分别设置初产牛及经产牛适宜的阴离子水平。未来应在阴离子型饲粮使用中选择适口性较好的原料或将阴离子盐与糖蜜等充分混合后饲喂,尽量减缓阴离子型饲粮对采食量的负面影响。瘤胃微生物方向或许可以解释部分消化率的影响机制,但是据笔者所知,目前关于阴离子型饲粮对奶牛瘤胃微生物区系的影响研究较少,后续可在此研究方向作进一步探究。
4 阴离子型饲粮对奶牛健康及繁殖性能的影响
4.1 对奶牛产乳热发病率的影响
产前4周至产后4周是奶牛产乳热的高发阶段[16],调研发现产后48 h之内初产牛临床性产乳热发病率约1%,亚临床型产乳热发病率约为25%;经产牛临床性产乳热发病率为7%,亚临床产乳热发病率约为47%[50]。通过产前饲喂阴离子型饲粮能促进奶牛产后钙离子稳态的恢复,血中钙离子浓度随着阴离子型饲粮DCAD水平下降而上升[37,41,51]。在阴离子型饲粮的使用过程中应考虑胎次效应,研究发现,在相同阴离子型饲粮条件下,经产牛产后血钙浓度有显著的提高,但初产牛产后血钙浓度无显著差异,可能由于初产奶牛处于生长阶段,体内骨骼重塑过程活跃,能迅速吸收钙离子,使血钙浓度维持稳定[52]。阴离子型饲粮能引起奶牛产生补偿性代谢酸中毒,血液中氢离子将占据离子钙(iCa)原有的位置与白蛋白等带负电的蛋白结合,iCa从蛋白上释放,血钙浓度因此上升[53]。
4.2 对奶牛其他疾病及繁殖性能的影响
国外学者将产乳热描述为“门户疾病”,患有产乳热的奶牛易发子宫炎、乳腺炎及真胃移位等疾病。钙离子浓度降低会引起肌肉收缩减弱,泌乳后乳头括约肌松弛,乳头管打开,加剧奶牛乳房炎风险[22],此外还会降低瘤胃及真胃的蠕动频率,引起真胃移位。另外,2项荟萃分析指出,降低阴离子型饲粮的DCAD水平会降低子宫炎、胎膜滞留的发生率[44,55]。可能是由于产前饲喂阴离子型饲粮不仅能提高奶牛产前中性粒细胞吞噬强度及氧化爆发活性,还能提高产后奶牛有杀伤活性的中性粒细胞比例[54]。另一项研究发现,阴离子型饲粮还能使产后奶牛中性粒细胞β-防御素的表达增多,有效地激活了免疫系统,有利于围产期奶牛健康[56]。与此不同的是,Serrenho等[57]发现阴离子型饲粮与对照组相比,奶牛产后胎膜滞留、子宫炎及酮病的影响差异不显著。在脂质代谢方面,产后的奶牛在能量负平衡状态下脂肪动员加速,动员的大部分脂肪在肝脏中积累,抑制非酯化脂肪酸(NEFA)氧化,促进肝脏甘油三酯(TG)合成,由此加剧脂肪肝的形成[58]。Weich等[59]发现产前饲喂阴离子型饲粮的奶牛产后肝脏脂类物质积累更少。这可能是由于产前饲喂奶牛阴离子型饲粮导致产后奶牛干物质采食量增加,能量负平衡程度较轻,肝脏中NEFA及TG含量较低。另一项研究发现,阴离子型饲粮的DCAD水平没有显著影响初产牛脂肪肝发病率,但在数值上表现为DCAD水平为-150 mEq/kg组的奶牛脂肪肝发病率较对照组及水平为-50 mEq/kg组发病率减少6%以上[41]。以上实例说明产前饲喂阴离子型饲粮可能会缓解奶牛产后脂肪肝的发生,具体机理有待进一步探究。
尽管阴离子型饲粮可能会降低奶牛生产性能,但是阴离子型饲粮可以提高奶牛产后血钙浓度,降低奶牛产乳热发病率,可能降低其他疾病发病率,有利于产后奶牛健康。奶牛健康地度过围产期能提高奶牛的动物福利,有利于更好地发挥生产性能,此外健康的状态能延长奶牛生产寿命,还能降低淘汰率,为牧场带来更多收益[62]。阴离子型饲粮还有利于提高奶牛繁殖性能,在应用时需要考虑奶牛胎次因素,建议更进一步提高经产牛产前饲粮的阴离子水平,另外还应合理控制产前的饲喂时间,保持较好的繁殖性能。目前关于产后各疾病间互作效应的研究结果并不一致,未来仍然需要进一步探明各疾病间的关系,并就阴离子型饲粮对疾病的影响展开更系统的研究。
5 小结
产前饲喂阴离子型饲粮能降低奶牛产乳热发病率,并能提高奶牛繁殖性能,有益于机体健康,但可能会降低奶牛生产性能,因此需要全面地考虑阴离子型饲粮的应用及效果。阴离子型饲粮本身的适口性将是应用过程中的重要问题之一,需要进一步优化饲粮结构,开发相应添加剂。另外,牧场需要根据奶牛的胎次及生理状态合理调整阴离子型饲粮的DCAD水平和饲喂时长。围产期奶牛消化、代谢及疾病相互影响,构成一个复杂而精密的体系,加之应用效果在不同方面存在冲突,因此,需要进一步揭示阴离子型饲粮分别对奶牛营养物质消化率、血液代谢及免疫状态的作用机制,这将为阴离子型饲粮的精细应用奠定更深厚的理论基础,为维护奶牛健康、更好发挥奶牛生产潜力提供更有力的保障。