抗熱應激性能奶牛選育的研究進展

張華林，趙曉鐸，李倩倩，劉光磊

（光明牧業有限公司/上海奶牛育種中心有限公司，上海 200436）

熱應激會對奶牛造成嚴重危害（圖1），進而影響牧場經濟效益[1]。耐熱奶牛品種（品系）培育受到國內外研究學者的廣泛關注，研究資料表明，直腸溫度是判斷奶牛是否處于熱應激狀態的重要指標，其遺傳力在0.25～0.65，在熱應激狀態下直腸溫度較低的奶牛具有更強的抗熱應激能力[2]。以日均直腸溫度和早上6∶00直腸溫度作耐熱性標記，根據體溫的高低估計耐熱系數，系數越高表示耐熱能力越強[3]。Turner報道，奶牛直腸溫度和生產力存在負相關，即選育直腸溫度低的奶牛品種，有利于提高奶牛生產力[4]。West的研究也發現，奶牛耐熱性和生產性能的相關性大約為-0.3[5]。近年來分子遺傳學作為一種新方法應用于研究奶牛熱應激的敏感度和耐受力[6]，有一大批抗熱應激基因被發掘出來；此外全基因組檢測分析（GWAS）也被應用于奶牛抗熱應激分子標記的篩選工作[7,8]。本文對熱應激給奶牛造成的危害及奶牛抗熱應激育種相關研究進展作了簡要綜述。

圖1 奶牛熱應激狀態下行為和生理指標發生變化的趨勢

1 熱應激對奶牛的危害

荷斯坦牛的最適泌乳溫度為5～20℃（NRC，2001），通常用THI（溫濕指數）來衡量奶牛熱應激狀態，學者根據奶牛生產性能的降低和體溫及其他生理狀態的改變進行界定[9]：①THI＜72時奶牛處于正常狀態；②72≤THI＜80時奶牛處于中度應激狀態；③THI≥80則奶牛處于高度應激狀態；④THI超過96則會發生死亡。即THI大于72時奶牛均處于熱應激狀態[10]。最新研究表明，對于高產奶牛THI閾值應由72降至68[11]，隨著THI升高，奶牛的產奶量和繁殖受胎率會顯著下降[1,12]。對牧場來說，熱應激在奶牛生產性能和繁殖性能兩個方面的危害表現最為突出（圖2）。

1．1 熱應激影響奶牛的健康和生產力

有研究發現，THI與泌乳牛干物質采食量和產奶量呈顯著負相關[1,13,14]，此外還會造成奶牛的代謝紊亂，使供給胃腸道的血流量下降，造成腸道缺血，導致腸道損傷，這也是熱應激狀態下牛奶產量下降的主要原因（占50%權重）[15,16]。熱應激也會影響哺乳犢牛的生長發育，與環境溫度20℃時相比，犢牛在熱應激狀態下（30～40℃）最初幾天的采食量會降低12%[17]，此時改善犢牛舍條件（尤其是下午）緩解熱應激可顯著增加采食量[18,19]。干奶期處于熱應激狀態會影響奶牛乳腺發育，進而降低下一泌乳期的產奶量。Tao等研究發現，當溫度超過21℃時，對干奶牛采取風扇+噴淋的防暑降溫措施，下一胎次泌乳早期的產奶量會增加5kg/d。熱應激會降低新產牛的采食量，促使新產牛能量負平衡加劇，危害其健康和生產性能。與20℃相比，熱應激狀態下（30～40℃）奶牛的干物質采食量可降低28%，后續產奶量降低29%[20]。

1．2 熱應激影響奶牛的繁殖性能

圖3 熱應激通過對下丘腦-垂體-性腺軸的調節而影響奶牛繁殖表現[21]

熱應激會影響奶牛的內分泌系統（圖3），進而影響奶牛的繁殖性能[21,22]。研究顯示，配種前月平均每日最高THI與奶牛妊娠率存在高度相關（r=0.82）[23]，配種后THI＜55時無妊娠早期終止情況發生，超過65時妊娠早期終止率上升至8%，而THI超過69時則導致妊娠早期終止率達到12%[24]。

2 抗熱應激性能奶牛選育的研究進展

2．1 通過奶牛紅細胞鉀水平選育耐熱奶牛

奶牛紅細胞鉀濃度呈正態分布，符合數量性狀分布規律，是評定奶牛耐熱性的重要指標，耐熱奶牛紅細胞鉀濃度較低。賴登明等建議以550mg/L作為選擇標準[25]；劉玉慶建議耐熱母牛的選擇標準是紅細胞鉀含量必須在800mg/L以下[26]；史彬林則建議以550mg/L為標準，選擇強度20%，以縮短耐熱奶牛群選育周期[27]。對于紅細胞鉀的選擇標準還要根據不同的品系、地理位置和育種目標等實際情況來確定。

2．2 通過雜交手段培育耐熱品種（品系）

有學者認為，可以引入抗熱能力較強的品種（如娟姍牛、瑞士褐牛）來改良本地奶牛，也可以引入熱帶地區的奶牛品系進行改良。國內有報道的是娟荷雜交模式，發現與荷斯坦牛相比，娟荷雜交牛耐熱性能較強。劉慶華通過研究熱應激對奶牛血液流變學、生化指標、免疫功能、抗氧化特性的影響，分析奶牛HSP70等熱應激相關基因表達及其多態性與耐熱性的關系，從耐熱應激機理得出娟荷雜交牛比荷斯坦牛更能適應熱帶和亞熱帶地區高溫高濕的氣候條件[28]。梁學武等也在嘗試培育含25%～75%娟姍血液的荷-娟耐熱新品系[29]。

在通過雜交手段選育抗熱應激品種方面，做得最成功的當屬以色列。從20世紀40年代起，以色列以當地奶牛品種（大馬士革牛、巴拉迪牛）為基礎，開始引進國外公牛，但是從1963年以后就停止引種，基本使用國內的公牛凍精，并制定和嚴格執行國內育種改良計劃，最終培育出了適應當地高熱環境的高產品種——以色列荷斯坦牛。目前以色列95%的奶牛均為該品種牛，單產水平和抗熱應激性能均表現優秀[30]。

2．3 通過分子標記輔助選擇選育耐熱品種（品系）

奶牛耐熱性是數量性狀，遺傳力較低，常規育種效果不明顯，而以分子標記輔助選擇（MAS）為代表的分子育種可獲得較快的遺傳進展，已成為選育抗熱應激奶牛的新突破點[31]。目前，在與奶牛抗熱應激有關的遺傳標記研究中，HSP70、S441、S463、S2011、S275、HSF1、ATP1A1和ATP1B2等基因可作為奶牛耐熱性狀的候選基因，相關研究進展如下：

2.3.1 HSP70基因

熱休克蛋白70（HSP70）作為一種重要的分子伴侶，在熱應激狀態時，表達量迅速增加，能夠緩解細胞所受傷害，可增強機體對熱應激的抵抗力。陳強等采用PCR-SSCP方法對娟姍牛和荷斯坦牛HSP70基因5′-側翼區多態性及基因型進行了初步檢測和研究，認為其能否作為奶牛抗熱應激選育的分子遺傳標記還有待證實[32]。杜方磊等利用PCR-SSCP和測序技術研究了541頭中國荷斯坦牛HSP70基因3'-非翻譯區的多態性及其對奶牛產奶性狀和耐熱性狀的影響，認為HSP70基因可以作為抗熱應激的遺傳標記[33]。Li等檢測了890頭中國荷斯坦牛HSP70基因3'-非翻譯區的多態性，以及不同組織中HSP70基因的mRNA表達水平，進一步肯定HSP70基因可以作為抗熱應激的奶牛選育分子遺傳標記[34]。

2.3.2 S441和S463基因

胡雄貴等以產奶量數據變化和紅細胞鉀含量作為耐熱評定指標，從高產奶牛群中篩選出耐熱性狀差異顯著的10頭高產荷斯坦牛作為試驗材料，采用隨機擴增多態性（RAPD）分子標記篩選方法，初步篩選出3個耐熱分子遺傳標記S441、S463和S93[35]。在該團隊的后續研究中，又檢測分析了湖南省213頭種母牛和湖南省種公牛站以及北京、上海、南京、安徽等地46頭種公牛，認為S441基因可以作為抗熱應激候選基因[36]。謝江昂利用隨機擴增多態性（PAPD）方法對篩選出的抗熱應激分子標記進行序列分析，然后做序列特征化擴增區域（SCAR）轉換，并對58頭奶牛進行了檢測，篩選出23頭具有抗熱應激分子標記的奶牛，發現有S441標記的奶牛對溫熱環境的適應能力明顯好于無S441標記的奶牛，認為S441分子標記對奶牛抗熱應激新品種的選育具有重要的參考價值[37]。胡雄貴等隨機選取52頭高產耐熱荷斯坦牛（7～9月份產奶量平均下降率低于15%，紅細胞鉀含量低于468mg/L）和41頭高產不耐熱荷斯坦牛（7～9月份產奶量平均下降率超過36%，紅細胞鉀含量大于539mg/L），發現有無S441標記的母牛產奶量差異不顯著，但在熱應激條件下產奶量下降率差異極顯著[38]。進一步研究發現，S441分子標記與抗熱應激能力相關的各項生理生化指標均具有較強的相關性，證明S441可以作為一種奶牛抗熱應激分子標記應用于品種選育和生產中[39]。劉彥等以S463為奶牛假定抗熱應激的RAPD分子標記，在核心母牛場湖南省奶牛原種場測定不同世代的種母牛213頭，在湖南省種公牛站以及北京、上海、南京、安徽等地測定種公牛46頭，共檢測出具有S463分子標記的母牛26頭，公牛10頭。發現有S463分子標記的奶牛在熱應激期間不僅產奶量高，而且產奶量下降率非常低，認為S463可以作為抗熱應激分子標記。由此推斷，S441和S463基因抗熱應激分子標記在耐熱牛群中具有特異性[40,41]。

2.3.3 S2011和S275基因

張健選取耐熱性能差異明顯的荷斯坦牛，利用RAPD技術篩選出與耐熱性能有關的分子標記，并結合奶牛的生理生化指標進行分析，推測引物S2011和S275可以作為篩選奶牛耐熱性狀的分子標記[42]。

2.3.4 HSF1 基因

李秋玲等[43]分析了638頭中國荷斯坦牛HSF基因多態性與耐熱性的關系，發現中國荷斯坦牛HSF1基因microRNA表達量與熱應激反應存在顯著相關，認為HSF1基因可作為選育高耐熱性奶牛的新遺傳標記應用于育種實踐[44]。

2.3.5 ATP1A1和ATP1B2基因

南京農業大學王根林研究團隊和山東農科院仲躋峰團隊分別研究了中國荷斯坦牛ATP1A1和ATP1B2基因多態性與耐熱性的關系及基因表達量，確認這兩個基因可作為奶牛耐熱性狀的候選基因[45～47]。

2．4 通過全基因組檢測分析篩選奶牛抗熱應激分子標記

陸誠以30頭中國荷斯坦牛和25頭含25%以色列荷斯坦牛血統的雜交牛作為研究對象，采用Affymetix公司的基因表達譜芯片篩選了一批熱應激相關基因，多組共有的表達量變化2倍以上的基因總共257個，其中基因表達上調139個，基因表達下調118個[48]。

美國弗羅里達大學Peter團隊研究發現熱應激條件下，奶牛的直腸溫度高于39℃、呼吸頻率大于60次/min時，奶牛的產奶和繁殖性能會受到影響[49]。通過監測在夏季熱應激情況下奶牛的直腸溫度、呼吸頻率和出汗速度等與熱應激密切相關的生理指標，利用包含了39 759個SNP位點的Illumina Bovine SNP50芯片對220頭公牛的4 447頭女兒進行全基因組檢測分析，篩選了一批有潛力的熱應激基因位點（表1）[7,8]。

表1 荷斯坦牛GWAS分析具有抗熱應激生理特征（以直腸溫度39℃為基準）最顯著的20個基因位點

3 國外在抗熱應激性能奶牛選育上的新發現

Olson等[50]研究了委內瑞拉的Carora牛發現攜帶少毛基因的個體夏季直腸溫度較低，耐熱性較強，Carora牛與荷斯坦牛的雜交后代耐熱性增強，他們認為光滑短毛的控制HCT基因可以作為選育抗熱應激奶牛的一個遺傳標記。美國弗羅里達大學Peter團隊[7,51]和新西蘭家畜遺傳改良公司（LIC）的Stephen團隊研究發現[52]，毛發光滑的奶牛比不光滑的奶牛抗熱應激性能更強，在夏季熱應激狀態下產奶性能受損較輕，提出引起毛發光滑和長短的突變基因PRL基因及其受體PRLR基因可以作為選育抗熱應激奶牛的關鍵遺傳標記。

4 結語

奶牛耐熱育種工作已經進入了新的歷史階段，除了一些基礎性工作，還加強了分子標記輔助選擇的耐熱育種科研工作，為縮短世代間隔、提高育種效率提供了依據[53]。同時力圖借助基因組檢測手段快速篩選出一批具有抗熱應激性能的基因位點，以期能有效應用于耐熱品種（品系）的選育實踐。