熱應激對種公豬繁殖性能影響的研究進展

閆益波，焦福林，李文剛

（山西省農業科學院畜牧獸醫研究所，山西 太原 030032）

1 引言

溫度是畜牧業的生產過程中備受關注的環境因子之一，廣泛地影響哺乳動物的生理狀態、生長發育、繁殖過程和生產性能。Young等[1]通過研究動物產熱與環境溫度之間的關系，提出了動物的“熱中性區（Thermoneutral Zone,TMZ）或等熱區（Zones of Thermal Comfort,ZTC）”這一概念，在熱中性區內動物機體可借助行為變化和生理化學過程維持體溫恒定和內穩態。當環境溫度超出臨界溫度上限時，常引起動物的熱應激（Heat Stress,HS）反應[2-3]。動物的熱應激反應主要有：產熱量增加、排汗量增多、中樞神經系統興奮性降低等；輕度熱應激反應表現為體溫調節、水鹽代謝、心血管系統及神經內分泌系統等功能的改變，但是若熱應激過度，則可能出現熱損傷，甚至導致不可恢復的功能喪失[4]。

豬是一種溫度敏感性（temperature sensitive）動物，由于其皮下脂肪較厚，汗腺不發達，熱調節機制較差，機體代謝過程產生的熱量較難通過皮膚蒸發，因此很不耐熱。據文獻報道，豬繁殖性狀的遺傳力介于0.1～0.3之間，屬于低遺傳力性狀[4]，遺傳因素影響較小，環境因素的影響較大。在實際生產過程中，季節性的高溫和集約化養殖方式引起的熱應激行為，影響著豬的生產性能和繁殖性能。豬的正常體溫約為38～39.5℃，最適宜的環境溫度一般為18～24℃，公豬對環境溫度尤其敏感[5-6]，高溫對于其繁殖性能的影響十分顯著，因此全面研究熱應激對種公豬繁殖性能的影響，深入探討其生理機制和調控機制，對采取合適降溫措施和營養調控措施，保護生豬產業健康發展具有積極的意義。

2 熱應激對種公豬繁殖性能的影響

種公豬的繁殖性能主要由性欲、精液質量與肢蹄結實度3方面共同決定[7]。在實際生產中，性欲低下和精液品質差是導致種公豬淘汰的兩大主要原因[8]。大量研究已經指出，高溫引起的熱應激顯著影響了種公豬的性欲和精液品質，導致后備母豬的受孕率和胚胎成活率顯著降低。

2.1 熱應激導致種公豬性欲低下

種公豬的性欲直接決定著采精的效率，同時也決定了種公豬的使用年限，制約著生豬產業的經濟效益。研究結果表明高溫環境會導致公豬性欲降低，當外界環境溫度升高后，公豬性欲明顯降低，但輕度熱應激造成的不利影響會隨著環境溫度改善而逐漸消失[9]。研究也發現，夏季季節性高溫會導致16%公豬不能采精[10]。

2.2 熱應激導致種公豬睪丸退化、精液品質變差

種公豬的精液品質常用精液量、精子密度、精子活力及精子畸形4個指標衡量[11]。一般而言，公豬每次射精量介于200～300 mL之間，精液中包含10×109～10×1010個精子[12]。

豬的正常體溫約為38～39.5℃，最適宜的環境溫度一般為18～24℃。在適宜的溫度范圍內豬睪丸內動脈血的溫度一般低于35℃，靜脈血的溫度低于33℃，使得睪丸內的溫度明顯低于核心體溫，為精子正常的發生過程提供了良好的低溫環境。高溫引起的睪丸溫度上升是影響種公豬繁殖性能的主要原因，熱應激可能導致精子形成過程發生紊亂，精子形態發生變化（近端原生質滴未移行脫落、頂體異常、頭部缺失、尾部彎曲等）[13]，精子活力降低，有效精子數量較少，進而影響母豬的受孕率和胚胎的成活率。如表1所示，大量的研究證明季節性高溫或者人工控制高溫處理過程會顯著影響種公豬精子正常形成，從而影響種公豬的繁殖性能。

不同程度的熱應激引起的變化也不盡相同。當環境溫度高于27℃持續14 d，公豬精子活力降低，異常精子數目增加；環境溫度高于30℃時，每上升1℃，精子活力下降0.1。刁寧寧等[4]認為精母細胞對溫度敏感性高，因而熱應激引起的不利影響在精子形成期更加明顯。當睪丸溫度達到36℃，持續2～3周內會出現畸形精子；睪丸溫度達到40.5℃時，精子生成嚴重受損，持續3 h后精子幾乎全部喪失活力。精子形成期，精母細胞對溫度敏感性高，熱應激引起的消極影響更加明顯。精子生成后貯存于附睪中呈休眠狀態，此時熱應激兩周后精液質量才明顯下降。

表1 熱應激對種公豬繁殖性能的影響

3 熱應激影響公豬繁殖性能的生理機制

3.1 熱應激引起的緊密連接結構的破壞，影響了種公豬的繁殖性能

睪丸組織中，睪丸支持細胞（Sertoli cell,SC）和生精細胞通過緊密連接形成的“血睪屏障”對于精子的形成具有重要的作用。一方面，睪丸支持細胞為發育中的精子提供必要的物理支持和營養。另一方面，血睪屏障的存在將生精上皮分為基底室和近腔室，為精子的發育提供了相對穩定的環境，例如血睪屏障有效阻止淋巴液和組織液進入近腔室，保證近腔室中精母細胞的分裂、分化和精子的變態過程在相對穩定的環境中進行；同時血睪屏障將各級精母細胞和免疫系統隔離開來，阻止機體免疫反應對精子產生不良的影響。研究發現，緊密連接形成與3種跨膜蛋白密切相關，閉鎖蛋白（Occludin）、封閉蛋白（Claudins）、連接 黏 附 分 子 （junction adhesive molecule,JAM）。熱應激對于精子產生的不良影響，可能是通過影響緊密連接蛋白的表達，影響支持細胞間的緊密連接結構，從而引起精子發生障礙。

熱應激下，支持細胞緊密連接結構的破壞作用與AMPK通路調節相關。AMP依賴性蛋白激酶[Adenosine 5'-monophosphate(AMP)-activated protein kinase,AMPK]通路是真核細胞內攝取、轉運、利用葡萄糖和脂肪酸等能量物質的主要通路，廣泛參與著細胞內的糖脂代謝、細胞凋亡、血管再生等諸多生理過程。AMPK的激活過程與細胞內AMP/ATP的比值、肝臟激酶 B1（Liver Kinase B1,LKB1）和鈣調蛋白激酶激酶（Calmodulin-dependent protein kinase kinase,CaMKKβ）表達狀況密切相關。已有研究指出，在應激狀態（高溫、活性氧增加）下細胞內AMP/ATP比值升高，AMPK即被激活。AMPK通路及其調控因子在熱應激的調控、睪丸支持細胞緊密連接形成中的重要作用，已經在個體水平[20-21]和細胞水平[22]上得到了大量的驗證。在種公豬的研究[23]中，體外培養的睪丸支持體外細胞中經熱（42℃）處理過程中，其上游信號分子CaMKKβ表達量下降，僅為對照組的46%，ATP水平降低，AMPK活性受到抑制，緊密連接蛋白（occludin和claudin-11）的表達量顯著下降，體外細胞發育受阻，緊密連接結構無法正常形成。

AMPK通路中，熱應激也引起了葡萄糖轉運載體（GLUT18）的變化[24]。GLUT1-8負責了葡糖糖的攝取和轉運過程，是細胞內糖代謝的主要調節因子。睪丸組織中，各級精細胞需要豐富的營養物質供給以順利完成其減數分裂或有絲分裂過程，保障精子的正常形成。研究表明種公豬睪丸組織中GLUT1、GLUT5、GLUT8均有表達，熱應激（42℃）條件下，這些因子的表達量顯著增加，生精細胞對葡萄糖的利用加快，造成睪丸內葡萄糖和糖原水平下降，蛋白質合成系統發生不可逆損傷，代謝水平改變，精子發生嚴重受阻。

3.2 熱應激引起的激素分泌紊亂，影響了種公豬的繁殖性能

精子的發生受下丘腦-垂體-睪丸軸及其相關激素的調節，例如下丘腦分泌促性腺激素釋放激素（GNRH）、黃體生成素（LH）和卵泡刺激素（Follicle Stimulating Hormone,FSH）。睪丸溫度過高會減少雄激素的合成，而雄激素可以刺激精子生成，延長精子在附睪內的壽命；同時睪丸組織合成睪酮能力下降，而睪酮可以刺激生精細胞的分裂成熟。對睪丸細胞進行34℃、8 h連續處理90 d后，其雄激素合成能力明顯降低，血中睪酮濃度明顯下降[10]。

3.3 熱應激引起的細胞凋亡過程，影響了種公豬的繁殖性能

熱應激導致凋亡蛋白的高表達，和精細胞凋亡過程的加速可能導致了種公豬的無精癥和少精癥[25-26]。細胞凋亡過程，受到Bcl-2、線粒體細胞色素C（Cyt-C）、凋亡蛋白酶活化因子1（Apaf-1）、含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶9（Caspase-9）蛋白的共同調節。細胞受到外界刺激后，胞質中Bcl-2蛋白表達量的變化，改變了線粒體的通透性，細胞色素C進入細胞質，與凋亡誘導因子Apaf-1相互結合，并激活下游Caspase-9，誘導細胞凋亡過程。研究發現，熱應激（40～42℃）條件下豬睪丸Apaf-1和Bcl-2在間質細胞中表達量升高，而Caspase-9于減數分裂后的生精細胞表達量升高，影響精子發生，導致精液品質下降[24，26]。

高溫引起的熱應激，導致細胞內活性氧（Reactive Oxygen Species,ROS）數量高于正常水平，也誘導了細胞的凋亡過程，影響精子的正常發生[27]。正常生理狀態下，ROS能夠增強精子磷脂酶的活性，促進頂體反應，調節精子對卵細胞的黏附過程。然而，過量ROS常與精子活力降低，精子畸形率增加密切相關，研究指出過量的ROS可能會破壞細胞的蛋白質和DNA，破壞細胞膜導致膜流動性下降，誘導生殖細胞發生凋亡等。熱應激（42℃，3 h）下種公豬睪丸細胞內活性氧水平顯著使睪丸細胞線粒體形態學發生改變，誘發細胞氧化損傷，進而可能影響睪丸的生殖功能[28]。

4 小結

熱應激會造成種公豬性欲低下，精液品質變差（采精量下降，精子活力降低，精子形態變化，畸形率增加）等許多消極影響，這些變化與熱應激引起的睪丸支持細胞緊密連接結構破壞，AMPK調控通路變化，生殖激素分泌紊亂以及細胞凋亡加劇等多種生理機制密切相關。深入研究熱應激與種公豬繁殖性能之間的關系，有助于理解在實際生產過程中通過營養措施減弱或消除熱應激的負面效應的機制（例如維持電解質平衡，添加維生素C等措施很可能與活性氧的調節相關），并輔之以必要的降溫措施，能夠有效改善種公豬的繁殖性能。