雞精液冷凍保存技術研究進展

聶瑞雪，李俊英，苗歡歡，凌 遙，張 浩，吳常信

（中國農業大學動物科學技術學院畜禽育種國家工程實驗室，北京 100193）

精液冷凍（Semer Cryopreservation）是指新鮮精液經過程序化處理后在液氮或其他冷源的輔助下迅速凝結的技術，精液冷凍使精子的生命活動被抑制從而達到長期保存的目的。精液冷凍保存技術在家畜生產中迅速發展，目前奶牛精液冷凍保存應用最為廣泛[1]，而豬[2]、綿羊[3]、馬[4]、雞[5]的精液冷凍保存技術尚未廣泛應用，但近年來也取得了一定進展。

雞精液冷凍研究最早始于1941 年，Shaffner 等[6]將雞精液于-6℃保存30 s 后進行人工授精，成功孵化出1 只雛雞，這是世界上有文獻記載的第一只由冷凍處理后的精液受精孵化而來的雛雞。1949—1951 年，Polge[7-8]團隊意外發現甘油在冷凍條件下（-79℃）對精子有保護作用，便開始將甘油添加到雞精液稀釋液中，最終成功孵化出35 只雛雞。隨后國內外對雞精液稀釋液、冷凍保護劑、冷凍程序、解凍過程等技術環節展開了諸多研究。

精液冷凍技術對于家禽生產業發展和優良種質資源保護至關重要。隨著高通量測序和芯片技術的發展，全基因組選擇（Genome Selection，GS）作為新一代選育技術已經逐漸應用到奶牛[9-10]、豬[11]、山羊[12]等家畜的遺傳改良，在雞上的應用也開始受到關注[13-14]。穩定、高效的雞精液冷凍保存可以大幅降低GS 中飼養公雞的成本，加快育種進展[15]。利用雞精液冷凍技術還可以建立遺傳資源基因庫，保護瀕臨滅絕的珍稀禽類以及地方特色禽類品種。

目前，雞精液冷凍保存解凍后的精子活力、受精率、保存時間等指標均不理想。雞精液冷凍技術仍處于研究階段，未能在生產中應用[5]，還需結合其精液特點和精子結構，優化冷凍體系，建立一套兼具高受精率和高穩定性的冷凍保存程序，為基因組選擇在家禽中的順利應用和珍稀禽類遺傳資源的保護提供保障。本文概述國內外關于雞精液冷凍的最新研究進展，分析雞精液冷凍程序中存在的諸多問題，為今后的研究提供參考。

1 雞精子結構和特點

與哺乳動物的精子相比，雞的精子對于低溫冷凍更加敏感。同樣采用人工授精，冷凍雞精液的受精能力顯著低于鮮精液，新鮮精液的受精率可達90%，而冷凍后精液的受精率僅在55%左右[5,16]。凍融降低雞精子受精能力的原因尚不完全清楚，可能與其獨特的細胞形態和生理特征有關。

1.1 雞精子的形態結構易受冷凍損傷 不同物種的精子形態存在一定差異，但結構上具有共性，均由頭部、頸段和尾部組成。雞精子頭部整體呈長圓柱形，頂端為錐形（圖1）[17-19]。雞精子細絲狀的尾部由頸段與頭部相連，頭部的寬度與尾部沒有明顯差別，與公牛的精子頭部相比，雞精子頭部的容積更小（圖2）。在進行冷凍操作中，雞精子頭部能夠容納的冷凍保護劑十分有限，因此冷凍保護劑對雞精子的保護效果低于哺乳動物。Villaverde-Morcillo[17]測量了雞精子頭部的尺寸，長度為（13.5±3.5）μm，寬度為（1.3±1.7）μm，雞精子除了頭部以外的長度可達90 μm[21]。與其他物種相比，雞精子的尾部更長，在冷凍、解凍的過程中更容易受到損傷，尾部斷裂的精子無法進行游動，這也是經冷凍后解凍的精子受精率低的原因之一[22]。

圖1 顯微鏡下的雞精子[17]（Hemacolor 法染色）

圖2 不同物種的精子示意圖[20]

1.2 雞精子的質膜結構易受冷凍損傷 前人[22]研究結果表明，凍融操作也會導致精子膜結構的損傷，主要表現在精子頸段產生畸形。新鮮雞精液的頸段畸形率只有0.9%，受精率為85.9%，而經過低溫冷凍的精子頸段畸形率達到49.1%，受精率僅有46.8%[23]。Olexikova[24]利用透射電鏡評估新鮮雞精子和冷凍后解凍雞精子的漿膜和頂體外觀，根據質膜的狀態將精子分為3 個等級（圖3）。一級的精子質膜完整且頂體后部稍有腫脹，二級是頂體和頂體后部均出現腫脹，三級的精子質膜已經完全遭到破壞，頂體與精子頸發生分離。研究表明，鮮精中有87% 的精子屬于一級，而冷凍后解凍的精子只有約25% 的精子屬于一級、二級和三級的精子占絕大部分[24]。因此，冷凍保存會導致雞精子發生不同程度的漿膜和頂體損傷，頂體的缺失可能是凍存雞精子受精能力下降的又一主要原因。

圖3 透射電鏡下的雞精子，（a）（b）（c）分別代表一級、二級和三級精子[24]

1.3 雞精子質膜結構易受氧化損傷 精液冷凍過程中的凍融操作會改變精子環境的滲透壓，而精子質膜的成分和質膜的流動性是適應滲透變化必不可少的因素[25-26]。精子質膜由脂質、膽固醇和蛋白質組成，質膜中還有很高比例的不飽和脂肪酸（Polyunsaturated Fatty Acid，PUFA）。活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）是組織進行正常有氧代謝的天然產物，可以維持細胞內的正常功能。當精子受到冷凍保存等外源刺激時，其產生大量的ROS 會誘導質膜上的PUFA 發生過氧化反應（Lipid Peroxidation，LPO），從而損傷精子質膜[27]。由于雞精子質膜的成分特點，與哺乳動物相比雞精子更易發生LPO，導致精子內線粒體膜和細胞膜的損壞，胞內酶滲漏，DΝA 片段損傷，精卵融合困難，最終表現為解凍后精子活力降低，受精率低[28]。為降低ROS對雞精子的冷應激，研究人員在精液稀釋中添加超氧化物歧化酶[29]、過氧化氫酶[30]、維生素E[31]、褪黑激素[32]、白藜蘆醇[33]等抗氧化劑來保護精子，且取得了一定的效果。

精子質膜流動性與質膜成分有關，其有助于精子解凍后膜生理狀態的修復，是預測精子耐冷凍能力的可靠指標[34]。研究質膜流動性的常規技術是熒光探針法，將熒光探劑（如1,6 -diphenyl-1,3,5-hexatriene）與細胞質膜結合，以形成發光的絡合物再進行檢測，熒光強度越大，細胞質膜的流動性就越小[34]。Blesbois 等[35]研究表明，測得熒光值越低，雞精子質膜的流動性越高，凍后精子畸形或死亡的數目越少，說明精子質膜流動性與精子抗凍相關，是精子在凍融后恢復活力并維持受精能力的可靠預測因子。

2 雞精液冷凍保存優化技術方案研究

針對雞精子特點，結合精液冷凍環節的原理，研究人員在優化雞精液冷凍技術方面積極開展研究，包括冷凍保護劑種類[36]、冷凍保護劑濃度優化[37]、冷凍速率優化[38]、添加抗氧化劑[38]，以及不同的冷凍劑型[39]。筆者整理了近年來關于雞精液研究的結果，詳見表1。

表1 近年來關于雞精液冷凍研究的報道

2.1 雞精液冷凍保護劑的研究 雞精液冷凍最常用的冷凍保護劑是甘油和二甲基乙酰胺（DMA）[40]。甘油常用來制作0.25 mL 的細管凍精，具有易標記和管理方便的優點，但是甘油具有生殖毒性，在授精之前要通過離心法來降低甘油對精卵結合的影響[41]。DMA 用來制作凍精顆粒的效果比較好，省去了在人工授精之前離心去掉保護劑的步驟，但由于顆粒凍精不便于標記，不適用于需要區別雞個體的情況。Wu[37]在研究中同時考慮甘油濃度（2%、4%、6%、8%、11%）和冷凍速率對雞精液受精能力的影響，結果顯示，凍精細管距離液氮表面6 cm 時解凍后精子活率最高，各甘油濃度梯度的精子活率分別是57%、70%、70%、82%、82%，說明甘油濃度越高，對精子的保護效果越好，凍融之后的活率越好；但后續用清洗-離心法去甘油后進行深陰部人工授精，各甘油濃度保護精液的種蛋受精率分別為34.8%、75.1%、77.6%、70.0%、57.4%，入孵蛋孵化率分別為26.2%、71.4%、73.3%、69.4%、55.6%。這可能是因為高濃度甘油保護時，脫甘油會對精子造成傷害，少量殘余的甘油會阻礙精子向受精部位游動，從而影響受精率。Wu[37]研究結果中的77.6%受精率是目前冷凍雞精液達到的較高水平，但該研究中精液冷凍保存時間較短，人工授精頻率高，且采用深陰部授精，很難在雞生產中推廣應用。

2.2 抗氧化劑的研究 在精液稀釋液中添加抗氧化劑可以防止雞精子遭受氧化損傷。常用于雞精液的抗氧化劑有過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶、超氧化物歧化酶，以及維生素E、維生素C、褪黑激素、番茄紅素、硒、鋅等[42]。褪黑激素因其對自由基有清除作用被廣泛認為是一種有效的抗氧化劑，可以保護細胞的完整，維持細胞功能[43]。Mehaisen[32]將一定濃度的褪黑激素添加到稀釋液中，解凍后的雞精子活率為34.7%，空白對照組為25.3%。Appiah[44]將褪黑激素作為抗氧化劑，結果顯示解凍后的雞精子活率為39.67%，空白對照組為32.33%。目前的研究結果還不足以說明褪黑激素對解凍后精子的受精能力有保護作用，但通過研究可以發現，褪黑激素可以促進自由基在細胞膜上的轉運和在線粒體內的積累，從而達到保證膜完整性和線粒體具有活力的目的[44]。線粒體活力正常可以保持能量的正常供應，為精子提供解凍后的能量來源。因此褪黑激素對精子細胞膜的有益作用可以積極地反映在精子功能和活力[45]。

2.3 精液稀釋液的研究 雞精液密度高、黏性大，理想的精液稀釋液可以為精子的代謝活動提供能量，維持pH 和滲透壓的穩定，保障精子生命活動的正常進行。Thananurak[46]用泰國本地雞作為研究對象，比較了3種雞精液冷凍稀釋液對解凍后精子活率和受精率的影響結果顯示，采用布盧姆貝格爾稀釋液（BHSV-based Extender）的精子解凍后活率為68.83%，使用Sasaki稀釋液（Sasaki Extender）的解凍后活率為68.50%，TΝC 稀釋液（Thai Νative Chicken Extender，TΝC）的解凍后活率是66.33%，將解凍后精液進行人工授精，受精率分別為73.37%、77.27%、90.27%，但該研究中用于人工授精的母雞數較少（12 只），冷凍保存時間不明確，對于新的稀釋液效果和穩定性還有待進一步研究。

精液稀釋液還可以承載抗氧化劑和冷凍保護劑，貝茲維爾稀釋液[47]（Beltsville Extender）和雷克稀釋液[48]（Lake Extender）應用較為廣泛，分別添加抗氧化劑蝦青素[47]和谷胱甘肽[48]可以提高精子的抗氧化能力，解凍后的活率分別為68.6%、58.8%。納比稀釋液（Νabi Extender）是一種新型稀釋液，Νabi[49]對比發現，用納比稀釋液處理的精液解凍后活率為65.4%，效果優于傳統的貝茲維爾稀釋液。理想的精液稀釋液會保護精子免受冷凍損傷和氧化應激，保持精子質膜的完整性，使精子保持良好的解凍后受精水平。

3 展 望

雞精液冷凍保存對于家禽業的生產和遺傳多樣性的保存具有至關重要的意義，但是雞精液冷凍技術目前不能用于生產實踐。在過去的幾十年里，雞精液冷凍技術取得了一定的進展，但沒有建立一套規范的技術標準。雞精液進行冷凍目的是對精子進行長期保存，但目前的研究鮮有對冷凍時間進行記錄，對保存時長的研究還不夠重視。未來的研究中應該側重無毒無害冷凍保護劑的挖掘，細化冷凍保護劑和抗氧化劑對精子不同部位的保護作用，精子抗凍性的機制研究，以期得到保護作用全面、沒有生殖毒性、經濟實用的綜合雞精液稀釋液，從而進一度提高雞精液冷凍水平，早日用于生產實踐。