■M.V.Sanz-FernandezS.K.StoakesJ.S.JohnsonM.Abuajamieh J.T.SeibertS.C.PearceN.K.GablerR.P.RhoadsL.H.Baumgard

(1.愛荷華州立大學(xué)，艾姆斯愛荷華州50011；2.弗吉尼亞理工大學(xué)暨州立大學(xué)，布萊克斯堡弗吉尼亞州24061)

熱應(yīng)激(HS)影響動物飼料效率，給畜牧業(yè)的發(fā)展、遺傳選擇、營養(yǎng)和藥學(xué)進(jìn)展方面帶來不利的影響。尤其是HS導(dǎo)致養(yǎng)豬業(yè)經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重，具體表現(xiàn)為母豬生產(chǎn)性能降低、生長受阻，屠體質(zhì)量下降、獸醫(yī)成本增加和顯著的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)(在美國，每年因熱應(yīng)激造成的養(yǎng)豬業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失超過300美元/年)(St Pierre等，2003；Pollman,2010)。當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生改變，無論是超過或者低于動物的適溫舒適區(qū)，營養(yǎng)成分就會從合成產(chǎn)品(肉、奶等)轉(zhuǎn)移為維持體溫，從而影響效率。另外，遺傳選擇瘦肉型豬會降低豬的耐熱性，增強(qiáng)蛋白質(zhì)沉積導(dǎo)致基礎(chǔ)產(chǎn)熱增加(Brown-Brandl等，2004)。雖然良好的管理(例如：冷卻系統(tǒng)，VanBaale等，2005)可部分緩解HS對牛的負(fù)面影響，但是在夏季其生產(chǎn)力還是會持續(xù)下降。Luber等（2008）報道，在大多數(shù)美國動物產(chǎn)區(qū)模擬夏季極端條件模型預(yù)測出HS對動物福利和生產(chǎn)的不利影響，在預(yù)測全球持續(xù)變暖情況下(IPCC，2007)將可能成為一個更大的問題。因此，HS可能是限制動物蛋白生產(chǎn)的主要因素，會繼續(xù)危及糧食安全，尤其是在發(fā)展中國家(Baumgard等，2013)。因此，目前迫切需要更深入地了解HS是如何改變養(yǎng)分利用率和最終降低動物生產(chǎn)力的。明確HS是如何危害動物生產(chǎn)性能的生物學(xué)定義，弄清楚這一點是為改善當(dāng)前生產(chǎn)問題和提高動物福利及生產(chǎn)性能而研發(fā)一些方法（遺傳、管理、營養(yǎng)和制藥）的關(guān)鍵。

1 生產(chǎn)反應(yīng)

在熱負(fù)荷時降低采食量是跨物種高度保守的反應(yīng)，這大概是企圖減少代謝產(chǎn)熱(Baumgard等，2012；圖1)。大多數(shù)認(rèn)為，熱應(yīng)激對生產(chǎn)的不利影響已經(jīng)完全歸因于飼料攝入量的不足(Beede等，1986)。然而，我們最近的研究發(fā)現(xiàn)：分別給予適溫和熱應(yīng)激環(huán)境下的奶牛、肉牛和生長豬在同一營養(yǎng)水平，但兩個溫度條件下各自的生產(chǎn)反應(yīng)卻不同(Rhoads等，2009；O’Brien等，2010；Pearce等，2013a)。這使我們假設(shè)HS是通過直接和間接作用(經(jīng)由降低飼料攝入量)來影響動物生產(chǎn)性能。

圖1 熱應(yīng)激對采食量和日增重的影響

1.1 哺乳期

奶牛產(chǎn)奶對熱應(yīng)激是非常敏感的，其產(chǎn)奶量降低到35%～40%并不罕見(West,2003)。這并不只是在奶牛上有影響，熱應(yīng)激也顯著降低母豬泌乳期的產(chǎn)奶量(Messias de Bragance等，1999)。我們的試驗證明在環(huán)境誘導(dǎo)高溫情況下，采食量的降低僅僅只能影響奶牛產(chǎn)奶量減少量的大約35%～50%(Rhoads等，2009；Wheelock等，2010)；表明隨著奶產(chǎn)量下降超過預(yù)期水平時，HS打亂了營養(yǎng)攝入量和奶產(chǎn)量的關(guān)系。

1.2 生長期

熱應(yīng)激顯著降低生長動物的營養(yǎng)攝入量。然而，與泌乳模型比較，在生長動物上鑒別應(yīng)激間接或者直接作用對生產(chǎn)力降低多少很難。主要是因為當(dāng)測量總體增重變化時沒有考慮組織增生成分。例如，熱應(yīng)激母豬(Prunier等，1997)和小母牛(Ronchi等，1999)體重和體況不會改變太多，與它們在適溫時采用對飼法一樣的，我們最近證明這結(jié)果也適用于生長(Pearce等，2013a；見圖1)。因此，降低飼料采食量可以作為解釋生長動物生產(chǎn)性能降低的大部分原因，但是熱應(yīng)激的直接效應(yīng)可能是改變了組織合成的層次結(jié)構(gòu)。

豬飼養(yǎng)在HS條件下降低肌肉量和增加了脂肪組織(Close等，1971；Collin等，2001)。這種現(xiàn)象不只是在豬上出現(xiàn)，HS也改變嚙齒動物(Schmide等，1967)和生長家禽(Baziz等，1996)屠體成分。此外，我們最近研究證明，由受熱應(yīng)激母豬所生產(chǎn)的仔豬更易于增加每日脂肪，而不是蛋白質(zhì)沉積(Johnson等，未發(fā)表數(shù)據(jù))，突出了在懷孕期間環(huán)境條件對后期生長性能的深遠(yuǎn)影響。熱應(yīng)激引起營養(yǎng)攝入量降低和抑制生長，但另外一方面卻增加屠體脂質(zhì)沉積和減少屠體氮含量，這是有悖常理的。在適溫條件，豬限飼在損失沉積脂肪時會沉積蛋白(例：屠體脂肪與蛋白質(zhì)比例下降)和每單位能量消耗沉積脂肪的量減少(Van Milgen等，2003)。因此，豬在熱應(yīng)激條件下的飼料攝入量和體成分之間的關(guān)系是完全相反的，是獨立的營養(yǎng)面。盡管都知道對經(jīng)濟(jì)效益的影響巨大，但是很少知道熱應(yīng)激是怎樣直接或者間接改變豬的代謝和營養(yǎng)分配。

2 代謝反應(yīng)

上述生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明HS改變代謝與根據(jù)期望計算出來的整個身體的能量平衡不同。研究都證明，在熱應(yīng)激情況下嚙齒動物(Sanders等，2009)、豬(Pearce等，2013a)、羊(Sano等，1983)和牛(Shwartz等，2009)盡管在采食量顯著降低的情況下其血漿NEFA水平仍然降低，尤其是與適溫條件下采用對飼法的飼喂組相比時情況更為明顯(見圖2)。此外，我們最近也報道：與適溫條件下采用對飼法的飼喂組相比，熱應(yīng)激的牛和豬NEFA降低伴隨腎上腺素的變化(Baumgard等，2011；Sanz-Fernandez等，2013a)。熱應(yīng)激動物的脂肪組織分解脂肪的能力變?nèi)?，?dǎo)致嚴(yán)重的營養(yǎng)限制，通常與循環(huán)中NEFA的水平相關(guān)(Bauman等，1988)。

圖2 熱應(yīng)激對血漿中NEFA和胰島素的影響

本試驗報道血漿中胰島素濃度增加與Itoh等(1998)關(guān)于熱應(yīng)激對反芻動物影響、Hall等（1980）關(guān)于惡性高熱豬模型和Torlinska等（1987）的熱應(yīng)激嚙齒動物模型的報告結(jié)果一致。另外，葡萄糖耐受試驗研究結(jié)果表明，熱應(yīng)激的母牛和犢牛與對飼組相比胰島素增加，而葡萄糖的處理更快或者保持不變(O’Brien等，2010；Wheelock等，2010)。我們在使用高胰島素正常血糖技術(shù)也證明受熱應(yīng)激的小牛(Rhoads等，2009)和泌乳牛(Skrzypek等，2010)對胰島素的敏感性提高，正如應(yīng)激動物要求更多的葡萄糖來維持血糖。相似地，生長豬的葡萄糖耐受試驗發(fā)現(xiàn)由于胰島素對葡萄糖的反應(yīng)引起胰島素的敏感性增加(Sanz-Fernandez等，2013a)。在熱應(yīng)激期間整個體內(nèi)葡萄糖的利用增加，但是不同組織對此效應(yīng)的影響仍然不清楚。我們的奶牛試驗結(jié)果表明，在熱應(yīng)激期間骨骼肌可能有輕度胰島素抵抗，在某種程度上與減少營養(yǎng)攝入量相關(guān)(Cole等，2011)。因此，葡萄糖利用增加機(jī)理仍然未知。免疫系統(tǒng)是一個潛在的葡萄糖接受者，正如下面描述的，由于熱應(yīng)激對腸道健康的有害影響可能受到刺激，一旦激活，免疫細(xì)胞變成葡萄糖的專用者(Mclver等，2008)，這就可能引起全身營養(yǎng)的轉(zhuǎn)移分配，以便于免疫系統(tǒng)利用葡萄糖(Baumgard等，2013)。

3 熱應(yīng)激和腸道健康

熱應(yīng)激調(diào)節(jié)營養(yǎng)分配的機(jī)理還不清楚，可能是通過對腸道健康和功能的影響來調(diào)節(jié)的。在熱負(fù)荷的情況下，腸道是首先上調(diào)熱休克蛋白的組織(Flanagan等,1995)。熱應(yīng)激時，為了更好的散熱，機(jī)體中的血液更多的流向外周組織(Lambert等，2002)，導(dǎo)致腸道缺氧(Hall等,1999)。腸細(xì)胞對氧和營養(yǎng)缺乏特別敏感(Rollwagen等，2006)，導(dǎo)致ATP消耗、氧化應(yīng)激和亞硝化應(yīng)激(Hall等，2001)；進(jìn)而引起緊密連接功能紊亂、腸道形態(tài)變化，最終導(dǎo)致腸道屏障功能下降(Lambert等,2002;Pearce等,2013b)。總的來說，熱應(yīng)激增加了進(jìn)入血液的腸道內(nèi)物質(zhì)（如革蘭氏陰性菌分泌的內(nèi)毒素）(Hall等，2001；Pearce等,2013b)。在中暑的病人中，內(nèi)毒素血癥很常見(Leon,2007)，而且因為降低腸道細(xì)菌(Bynum等，1979)或中和血漿內(nèi)毒素后(Gathiram等,1987)存活率增加，所以內(nèi)毒素血癥在中暑病理生理學(xué)中非常重要。熱應(yīng)激和內(nèi)毒素血癥在生理和代謝癥狀（如胰島素水平升高）上非常相似(Lim等,2007)。哺乳奶牛乳房組織中注射LPS（脂多糖）可以增加約2倍的胰島素水平(Waldron等，2006)。此外，我們給小牛靜脈注射LPS，發(fā)現(xiàn)胰島素水平增加了十多倍(Rhoads等,2009)。此外，試驗中胰島素的升高很難說明為什么顯著降低飼料采食量。

4 應(yīng)對措施

4.1 飼養(yǎng)管理措施

通風(fēng)和降溫仍然是緩解熱應(yīng)激的主要措施。調(diào)整飼喂時間也是有益的，例如一天中較涼爽的清晨和傍晚飼喂可以降低采食后的熱增耗。其他應(yīng)激源（如免疫注射）在一天中熱的時候應(yīng)該避免，因為熱應(yīng)激和處理應(yīng)激一起將造成傷害。此外，應(yīng)避免注射非類固醇抗炎藥，因為此類藥會破壞胃腸道完整性。

4.2 營養(yǎng)措施

盡管隨著降溫技術(shù)的進(jìn)步，熱應(yīng)激仍然在夏季影響動物福利、降低生產(chǎn)力。選種（耐熱品種）是一個有效降低熱應(yīng)激影響力的手段，但是需要很長一段時間，而且會降低溫度適宜時動物的生產(chǎn)力(Baumgard等，2013)。通過多種措施立即降低熱應(yīng)激的敏感性而不影響生產(chǎn)力將對全球畜牧業(yè)產(chǎn)生巨大價值。其中一個很好的調(diào)節(jié)策略就是補充日糧，因為能被各種動物產(chǎn)業(yè)使用，也能很好的適應(yīng)各種生產(chǎn)系統(tǒng)。

4.2.1 鋅

日糧鋅對于正常腸道屏障功能來說是必須的，而且補充鋅對于很多動物或人類（以增加腸道通透性為特征的疾?。┒际怯幸娴?Alam等，1994；Zhang等，2009)。補充鋅能部分緩解急性和慢性熱應(yīng)激破壞生長豬腸道完整性癥狀(Sanz-Fernandez等，2013b；Pearce等，2013c；見圖3)。鋅改善腸道緊密型的機(jī)理還不十分清楚，可能是上調(diào)致密連接蛋白表達(dá)(Zhang等，2009)；以金屬硫蛋白形式作為抗氧化劑(Wang等,2013)；提高抗菌物質(zhì)（如β-抵抗素）的表達(dá)(Mao等,2013)。

圖3 鋅對回腸跨上皮電阻的影響

4.2.2 乳制品

乳制品能減輕熱應(yīng)激對腸道屏障功能的影響，不管是在體內(nèi)(Prosser等,2004)還是體外(Marchbank等,2011)。其作用機(jī)理還不清楚，但是初乳和乳清蛋白中含有豐富的抗菌蛋白（如乳鐵蛋白）、免疫球蛋白、生長因子（如轉(zhuǎn)變生長因子-β）和一些特定氨基酸（谷氨酰胺、胱氨酸和蘇氨酸）（Krissansen,2007）。此外，乳制品還能上調(diào)熱休克蛋白70(Marchbank等，2011)和緊密連接蛋白(通過 TGF-β)(Hering等，2011)，這有可能是其對腸道健康產(chǎn)生作用的原因。

4.2.3 谷氨酰胺

谷氨酰胺是腸細(xì)胞能量的主要來源之一(Singleton等，2006)，而且其改善腸道健康和免疫功能的作用使其可能是消除熱應(yīng)激作用的潛在措施。其作用機(jī)理可能是提高熱休克蛋白70的表達(dá)(Singleton等，2006)，抑制NF-κB的激活(Zhong等，2012)。谷氨酰胺添加可以改善宮內(nèi)生長遲緩的斷奶仔豬增重和腸道重量，同時提高空腸IL-4和IL-10、降低IL-1和IL-8(Zhong等，2012)。此外，在受大腸桿菌攻毒時，給斷奶仔豬補充谷氨酰胺可以提高腸道屏障功能、降低腸膜炎癥因子表達(dá)、增加緊密連接蛋白豐度(Ewaschuk等，2011)。

4.2.4 抗氧化劑

熱應(yīng)激時小腸組織缺氧可能導(dǎo)致氧化狀態(tài)和自由基的生成(Hall等，1999)。此外，腸道炎癥導(dǎo)致抗氧化功能的降低(Buffinton等，1995a)。因此，熱應(yīng)激時在日糧中添加硒和維生素A、E、C有改善作用。

維生素A能減少誘發(fā)性黏膜損傷，而且維生素A缺乏時對腸道免疫(Elli等，2009)和完整性(Yang等，2011;Thurnham等，2000)有負(fù)面作用。此外，炎熱天氣下奶牛日糧中添加β-胡蘿卜素能增加產(chǎn)奶量和妊娠率(Aréchiga等,1998)。

維生素E添加減少細(xì)菌遷移、增加輻射誘導(dǎo)腸道損傷時的存活率(Singh等，2012)。與此同時，增加血清中維生素A的含量，說明維生素E對維生素的狀況具有保護(hù)作用(Sahin等，2002a)。日糧維生素E減少回腸細(xì)胞脫落和回腸勻質(zhì)在體外的氧化(Lopez Bote等,2001)。Sahin等(2002b)同樣認(rèn)為維生素C和E能改善熱應(yīng)激時日本鵪鶉的生長性能。但是，奶牛在兩個連續(xù)的夏季注射3 000 IU的維生素E時妊娠率與對照組相似(Ealy等,1994)。

同熱應(yīng)激哺乳母豬類似，腸道炎癥病人的維生素C減少(Buffinton等，1995a)。添加維生素C能通過將自由基轉(zhuǎn)化為活性的維生素E而產(chǎn)生積極效果(Sahin,2002a)。

硒是硒蛋白（如谷胱甘肽過氧化物酶，其是細(xì)胞中主要的自由基清除系統(tǒng)）的組成成分(Loeb等,1988)。因為硒缺乏時導(dǎo)致DNA受損和細(xì)胞周期（可能與上皮細(xì)胞周轉(zhuǎn)時的緊密連接相關(guān)）失控，所以硒蛋白在細(xì)胞生長中扮演重要作用(Rao等,2001)。在小腸損傷病人中，由于吸收不好導(dǎo)致的硒缺乏是一個風(fēng)險，可能導(dǎo)致活性氧增加和炎癥(Barrett等,2013)。補充硒可能會減少脂質(zhì)過氧化和腸道黏膜上皮損傷、阻止細(xì)菌轉(zhuǎn)運(Baldwin等，2002;Oztürk等,2002)。綿羊熱應(yīng)激時注射硒能減少失重(Alhidary等,2012)。

以上列出的大部分抗氧化物質(zhì)互相之間或者礦物元素（如鋅）之間具有協(xié)同作用(Kucuk等，2003;Sahin等,2002a、b)。關(guān)于補充抗氧化劑對熱應(yīng)激下動物生長性能影響的研究很少，有必要進(jìn)一步研究以提供合理的推薦用量。

4.2.5 地塞米松

地塞米松以一種合成的具有抗內(nèi)毒素和抗炎癥效果的皮質(zhì)類固醇。先前的研究表明，熱應(yīng)激時皮質(zhì)類固醇含量顯著增加(Collier等，1982；Baumgard等，2013)。地塞米松能阻止中暑小鼠模型血液中天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶和丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶（肝臟健康的指標(biāo)）、IL-6和LPS的升高，可能原因是通過阻止內(nèi)毒素血癥(Lim等,2007)。在一個中暑模型中，靈長類動物注射皮質(zhì)類固醇同樣可以減少內(nèi)毒素血癥、增加存活率(Gathiram等,1988)。

4.2.6 甜菜堿

甜菜堿，也就是三甲基甘氨酸，一種滲透壓調(diào)節(jié)因子和甲基供體，對熱應(yīng)激動物可能存在一些正面效果，包括通過降低鈉鉀泵活性對抗?jié)B透壓(Cronje,2007)。添加甜菜堿改善健康以及球蟲感染的家禽的腸道完整性(Kettunen等,2001)。此外，甜菜堿改善兔在熱應(yīng)激情況下的增重、免疫功能、體溫(Hassan等,2011)。適溫區(qū)的奶牛補充甜菜堿能提高產(chǎn)奶量、降低牛奶中蛋白含量、改變?nèi)橹兄舅峤M成(Peterson等，2012)。但是在熱應(yīng)激奶牛中未出現(xiàn)明顯差異(Hall等，2012)。缺乏足夠證據(jù)表明甜菜堿在熱應(yīng)激時的效果，需要進(jìn)一步的研究。

5 結(jié)論

熱應(yīng)激是危害動物福利、產(chǎn)業(yè)利益、食品安全的全球性問題。熱應(yīng)激的間接作用（包括減少采食量）有助于解釋生產(chǎn)力的降低，但生產(chǎn)力的降低并不完全是間接作用的原因。熱應(yīng)激動物代謝狀況相對于其營養(yǎng)來說經(jīng)歷了更劇烈的改變。這表明熱應(yīng)激直接影響代謝和生長性能，與降低采食量誘導(dǎo)的其它作用無關(guān)。環(huán)境溫度過高損害了腸道屏障功能，導(dǎo)致腸道對內(nèi)容物（包括細(xì)菌及其代謝物）的通透性增加。腸道內(nèi)容物的滲漏最終導(dǎo)致系統(tǒng)循環(huán)產(chǎn)生炎癥反應(yīng)，從而加重?zé)釕?yīng)激對動物生產(chǎn)的影響。通過多種飼養(yǎng)管理措施（如營養(yǎng)性補充劑）降低熱應(yīng)激的敏感性而不影響生產(chǎn)力將對全球畜牧業(yè)產(chǎn)生巨大價值。