田宏志，劉江靜，陳曉麗，李藍祁,3，李 欣，李茹意，王 棟*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所，北京 100193；2.吉林農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，吉林長春 130118；3.湖南農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，湖南長沙 410128）

繁殖管理是奶牛生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，直接關系到奶牛的繁育成效和牛奶產(chǎn)量。科學高效的繁殖管理技術對提高奶牛的繁殖性能和產(chǎn)業(yè)競爭力具有重要意義[1]?？茖W高效的發(fā)情鑒定是成功進行奶牛人工授精及受孕的基礎。采用人工觀察法進行發(fā)情鑒定的母牛情期受胎率只有40%～50%；采用直腸檢查發(fā)情鑒定的母牛情期受胎率為70%[2]。因此，發(fā)情鑒定的效率是提高受胎率的重要基礎。傳統(tǒng)的發(fā)情鑒定需耗費較大的人力、物力[3]，且很難實現(xiàn)夜間發(fā)情母牛的鑒定，檢出率僅為53.37%，而基于活動量的自動化發(fā)情鑒定檢出率為70.23%[4]，仍無法檢測到奶牛安靜發(fā)情。如能跨越發(fā)情鑒定環(huán)節(jié)，則可使奶牛繁殖技術路線發(fā)生顛覆性變化。同期排卵-定時輸精技術跨越了發(fā)情鑒定環(huán)節(jié)，該技術通過外源激素調(diào)控母牛發(fā)情周期，使其在相對集中的時間內(nèi)同步排卵，并于固定時間人工輸精，減少了發(fā)情鑒定的工作量[5]。然而，由于個體差異較大，使部分處理母牛錯過了最佳輸精時間，該技術實際受胎率較低，處理母牛受胎率只有32%～45%[6]。研究表明，奶牛繁殖活動由生殖激素調(diào)控并伴隨體溫變化[7]。本文就奶牛性周期的生殖激素和體溫變化規(guī)律等進行綜述，以期為奶牛同期排卵-定時輸精技術研發(fā)與優(yōu)化提供重要參考，推動奶牛養(yǎng)殖業(yè)集約化、標準化、智能化發(fā)展。

1 奶牛卵泡發(fā)育過程中生殖激素的變化規(guī)律

卵泡是在很多生殖激素共同調(diào)控下逐漸發(fā)育成熟，生殖激素種類和濃度變化對卵泡發(fā)育和排卵的調(diào)控關系是卵泡發(fā)育調(diào)控的核心，也是多年來繁殖生理領域的研究熱點[8]。母牛到初情期后，在下丘腦-垂體-卵巢軸分泌生殖激素共同調(diào)節(jié)下，卵巢上開始交替出現(xiàn)卵泡發(fā)育和黃體形成，每一次從卵泡發(fā)育、成熟、排卵、黃體形成到下一次卵泡發(fā)育即為一個發(fā)情周期，每一次周期性變化所經(jīng)歷的時間即為性周期[9]。一般來說，奶牛性周期由2～3個卵泡發(fā)育波構成，原始卵泡經(jīng)歷募集、選擇、優(yōu)勢化形成優(yōu)勢卵泡，但并非所有優(yōu)勢卵泡都能成熟并排卵，只有與黃體溶解同步的卵泡波中的優(yōu)勢卵泡才能發(fā)育成熟并排卵，其余卵泡波中的優(yōu)勢卵泡則發(fā)生閉鎖，卵泡進入下一個卵泡波[10]。

1.1 卵泡發(fā)育的激素調(diào)控機制 奶牛性周期生殖激素調(diào)控機制如圖1所示。研究表明，腔前卵泡不受促性腺激素調(diào)控，主要受生長因子調(diào)節(jié)[11]，直到發(fā)育為有腔卵泡，其卵泡內(nèi)膜細胞和顆粒細胞才逐漸表達促性腺激素和雌激素受體，使卵泡發(fā)育受到促性腺激素的調(diào)控[12]。卵泡發(fā)育波開始前，下丘腦分泌促性腺激素釋放激素（GnRH）、促進垂體分泌卵泡刺激素（FSH），F(xiàn)SH經(jīng)血液循環(huán)作用于有腔卵泡顆粒細胞的FSH受體，卵泡顆粒細胞發(fā)育明顯增強，并產(chǎn)生活化芳香化酶，將雄激素轉化為雌激素，雌激素通過促進細胞合成代謝，與FSH協(xié)同促進顆粒細胞及卵泡進一步生長發(fā)育[13]。隨著卵泡發(fā)育，雌激素和卵泡抑制素分泌增加，并通過雌激素和抑制素對下丘腦和垂體的負反饋作用抑制垂體FSH分泌，F(xiàn)SH濃度隨之降低[14]，低FSH濃度下，最大的卵泡繼續(xù)生長，成為優(yōu)勢卵泡，而其余卵泡減緩或停止生長，成為從屬卵泡。優(yōu)勢卵泡增大又進一步抑制了從屬卵泡的生長和下一卵泡波的出現(xiàn)[15]，當優(yōu)勢卵泡生長到9 mm時，卵泡顆粒細胞促黃體生成素（LH）受體增加，對LH敏感性增加，LH和FSH協(xié)同促進優(yōu)勢卵泡繼續(xù)發(fā)育[16]。而黃體早期，LH脈沖幅度小（0.3～1.8 ng）、頻率高（20～30脈沖/d），黃體中期，LH脈沖幅度大（1.2～7.0 ng）、頻率?。?～8脈沖/d），都不足以使優(yōu)勢卵泡成熟排卵，最終黃體期的優(yōu)勢卵泡將逐漸閉鎖[17]。閉鎖卵泡導致了雌激素和卵泡抑制素減少，解除了對FSH的抑制作用，F(xiàn)SH分泌增加，下一個卵泡波開始發(fā)育。

圖1 奶牛性周期生殖激素調(diào)控示意圖

如果母牛未妊娠，黃體和垂體則分泌催產(chǎn)素，刺激子宮脈沖式分泌前列腺素（PG），PG通過子宮靜脈與卵巢動脈的血液逆流機制快速進入卵巢動脈，溶解黃體；如果母牛妊娠，胚胎產(chǎn)生滋養(yǎng)層蛋白，抑制黃體溶解，黃體功能得以維持，并成為妊娠黃體[10]。PG的分泌依賴于孕激素和雌激素的互相協(xié)調(diào)，孕激素可提高過氧化物合成酶活性，加速花生四稀酸等PG原料積累，促進PG合成；黃體溶解始于子宮內(nèi)膜細胞催產(chǎn)素受體的增加，雌激素通過增加催產(chǎn)素受體數(shù)量，促進PG分泌，為黃體溶解奠定了基礎[18]。黃體溶解后，孕激素濃度降低，解除了對下丘腦的抑制作用，卵泡開始生長發(fā)育，雌激素分泌逐漸增加，當雌激素達到一定閾值時，就會誘導母牛發(fā)情，還依次誘導下丘腦GnRH波和LH峰，刺激優(yōu)勢卵泡迅速成熟，并最終排卵。但正常排卵需LH和FSH協(xié)同作用。研究發(fā)現(xiàn)，LH可使卵巢上成熟及未成熟卵泡全部破裂，而FSH可抑制未成熟卵泡破裂，只有LH和FSH協(xié)同作用時，才能確保成熟卵泡排卵[19]。

1.2 雌激素對牛卵泡發(fā)育的影響 為探索雌激素與卵泡發(fā)育的規(guī)律，劉繼龍等[20]對離體水牛卵泡的雌激素水平進行了分析，發(fā)現(xiàn)較大卵泡（直徑＞6 mm）的雌激素含量為中小卵泡（直徑為2～5 mm）的8.5倍。張壽等[21]對牦牛進行卵泡發(fā)育和雌激素含量分析發(fā)現(xiàn)，卵巢內(nèi)選擇卵泡（6～8.9 mm）和優(yōu)勢卵泡（9～15 mm）個數(shù)與雌激素含量呈顯著正相關，替補卵泡（1～5.9 mm）個數(shù)與雌激素含量呈不顯著負相關，表明高濃度內(nèi)源雌激素可促進卵泡發(fā)育。Breke等[22]對外源雌激素的研究卻得出了相反的結論，對發(fā)情母牛不予配種，發(fā)情后第13天檢測到卵泡直徑約為9.4 mm，血液雌激素濃度為1 pg/mL，肌肉注射1 mg雌激素后，血液雌激素濃度上升到12 pg/mL，優(yōu)勢卵泡開始退化，到第20天時僅能檢測到7.5 mm的卵泡，而正常奶牛發(fā)情后第20天卵泡直徑可達11.8 mm?？梢姡邼舛鹊耐庠创萍に乜赡苷T導了優(yōu)勢卵泡閉鎖。

為系統(tǒng)揭示卵泡發(fā)育與雌激素的辯證關系，李桂芝等[23]借助于超聲檢查對荷斯坦奶牛進行了完整性周期的激素檢測，發(fā)現(xiàn)雌激素濃度從發(fā)情當天迅速上升，第2天達到第1個峰值（22.5 pg/mL），排卵后迅速下降到第5天后開始回升，直到第12天達到第2個峰值（15.2 pg/mL），相應的卵泡直徑也從發(fā)情第1天的1.2 cm迅速上升，到第2天達到第1個峰值（1.5 cm），隨后排卵，新的卵泡不斷發(fā)育，并于第12天再次達到峰值（1.5 cm）（第1個卵泡波）；第1個卵泡波處于黃體期，孕酮濃度較高，雌激素濃度較低，而排卵卵泡是黃體溶解后的發(fā)育卵泡。雖然2個卵泡波中卵泡大小基本相同，但未排卵卵泡經(jīng)歷了與正常排卵卵泡不同的激素調(diào)節(jié)過程，可能并不具有成熟卵泡功能。所以，在第1個卵泡波后期PG處理母牛能否發(fā)情排卵，值得深思。

1.3 孕酮對牛卵泡發(fā)育的影響 傳統(tǒng)觀點認為，孕酮對卵泡發(fā)育具有抑制作用。Miura等[24]對5頭荷斯坦和4頭日本黑牛母牛卵泡發(fā)育和激素變化的分析發(fā)現(xiàn)，排卵前10 d孕酮濃度為6.5 ng/mL，但從排卵前5 d開始，由于黃體溶解，孕酮濃度迅速降低，并于發(fā)情當天下降到1 ng/mL以下；孕酮濃度下降解除了對卵泡發(fā)育的抑制，卵泡迅速發(fā)育、成熟，使血液雌激素濃度逐漸增加，對應的卵泡直徑也從6 mm上升到13 mm。Endo等[25]對10頭荷斯坦母牛排卵后激素和卵巢變化的研究同樣發(fā)現(xiàn)，母牛排卵后孕酮濃度僅為0.5 ng/mL，隨后逐漸上升，到排卵后14 d，血液孕酮濃度達到4.5 ng/mL，黃體直徑也從12.5 mm上升到25 mm；但僅對排卵后14 d激素水平進行監(jiān)測，不能完全覆蓋整個發(fā)情周期，也沒有關于卵泡發(fā)育及孕酮與雌激素變化關系的分析，要充分揭示黃體和卵泡發(fā)育的調(diào)控關系還需更多證據(jù)。

另外，李桂芝等[23]研究發(fā)現(xiàn)，母牛排卵后，雌激素迅速下降，到第5天后開始回升，直到第12天達到峰值，新的卵泡不斷發(fā)育，并于第12天達到最大。在此過程中，孕激素迅速上升，也于第12天達到一個小高峰，隨后再次短期小幅攀升后迅速下降，且第1個卵泡波的優(yōu)勢卵泡和排卵卵泡大小相似。這一現(xiàn)象說明，孕激素并不是完全抑制卵泡的發(fā)育，其對卵泡的調(diào)控作用還需深入研究。

孕酮濃度對發(fā)情表現(xiàn)的影響也極其復雜。Divdge等[26]研究發(fā)現(xiàn)，隨著孕酮濃度增加，雌激素誘導的12頭去卵巢荷斯坦奶牛母牛發(fā)情行為頻率呈極顯著線性下降，表明高濃度孕酮抑制了奶牛發(fā)情行為。但孕酮能增加健全母牛下丘腦上的雌二醇受體，增加下丘腦對雌二醇的敏感性，進而促進發(fā)情[27]。孕酮和雌激素對發(fā)情的調(diào)節(jié)機制還需進一步探究。

1.4 生長因子對牛卵泡發(fā)育的影響 卵泡生長發(fā)育除受生殖激素調(diào)控外，卵巢內(nèi)的許多生長因子也可通過自分泌和旁分泌方式調(diào)節(jié)卵泡生長發(fā)育[28]。其中，胰島素樣生長因子（IGFs）是一類促生長物質(zhì)，能促進細胞對葡萄糖的攝入和氧化，加速氨基酸轉運，促進 DNA的合成。卵泡內(nèi)膜細胞和顆粒細胞上均有IGFs受體，IGFs與其受體結合可促進內(nèi)膜細胞和顆粒細胞有絲分裂，使細胞數(shù)量增加。同時，卵泡內(nèi)膜細胞生成雄激素、顆粒細胞將雄激素轉化為雌激素、顆粒細胞合成分泌孕酮等生理活動均可受到IGFs的促進作用[29]。另外，堿性成纖維細胞因子（bFGF）可刺激腔前卵泡顆粒細胞增殖，促進啟動卵泡發(fā)育[30]。牛成熟卵泡內(nèi)膜細胞可分泌內(nèi)皮因子（ET-1），促進前列腺素E2（PGE2）釋放，并與PGE2協(xié)同調(diào)節(jié)血管通透性，增強蛋白水解酶活性，促進卵泡破裂排卵[31]。表皮生長因子（EGF）可促進腔前卵泡糖酵解和卡式循環(huán)關鍵酶（果糖磷酸化酶和丙酮酸激酶）表達，提高卵泡對葡萄糖的利用率，進而促進其生長發(fā)育[32]。

除了上述生長因子外，卵泡發(fā)育還受許多其他生長因子調(diào)控，如神經(jīng)生長因子（NGF）[33]、骨形態(tài)發(fā)生蛋白2（BMP2）[34]、抗苗勒管激素（AMH）[35]等。卵泡發(fā)育是一種極為復雜的生理過程，現(xiàn)階段對牛卵泡調(diào)控機制雖然取得了初步認識，但還需更深入研究。

2 奶牛生殖周期中體溫的變化規(guī)律

體溫是奶牛最基本的生理指標，發(fā)情、排卵、妊娠、分娩等繁殖行為都伴隨著體溫的規(guī)律性變化[36]。對體溫進行監(jiān)測，為準確判斷奶牛繁殖階段、精準實施繁殖管理提供了指導。

2.1 奶牛不同生理時期體溫變化規(guī)律 奶牛發(fā)情期間伴隨體溫變化。研究發(fā)現(xiàn)，奶牛雖然是恒溫動物，平均體溫為38.3℃[37]，但奶牛發(fā)情時體溫逐漸升高，可升高到39.0℃[38]。葛立江等[39]研究發(fā)現(xiàn)，奶牛發(fā)情期體溫平均升高0.52℃或更高，當達到最高體溫后，體溫逐漸降低，高溫時間持續(xù)1 d左右，到排卵時體溫下降到最低，比發(fā)情期低0.37℃。Kyle等[40]研究發(fā)現(xiàn)，肉牛發(fā)情時體溫最高可升高0.9℃，但平均持續(xù)時間大大縮短，僅為6.5 h。Fisher等[41]研究表明，發(fā)情母奶牛的陰道溫度平均上升0.48℃，但該試驗沒有給出體溫升高的持續(xù)時間。本研究團隊發(fā)現(xiàn)，發(fā)情母牛陰道溫度平均升高0.50℃，并持續(xù)約9.32 h（數(shù)據(jù)未發(fā)表），溫度升高程度不同于前人研究，并且持續(xù)時間低于葛立江等[39]的研究（1 d），但長于Kyle等[40]的研究結果（6.5 h）。而Federico等[42]研究發(fā)現(xiàn)，肉牛發(fā)情前48 h體溫為37.93℃，發(fā)情時體溫上升到38.31℃，略低于奶牛發(fā)情時體溫[38]。發(fā)情和體溫的相互關系還有待進一步細化和深入研究。

奶牛妊娠期伴隨著明顯的體溫變化。Gil等[43]研究發(fā)現(xiàn)，奶牛輸精后5～12 d，胚胎自輸卵管進入子宮，引起奶牛免疫反應，使妊娠母牛體溫增加0.46℃。張金鐘等[44]研究表明，奶牛不但在妊娠早期體溫顯著增加，分娩前1個月體溫也顯著升高，產(chǎn)前第3天體溫可升高到39.37℃，隨后逐漸下降，分娩前12 h降至38.81℃，平均下降0.43℃。Burfeind等[45]研究發(fā)現(xiàn)，分娩當天，奶牛陰道溫度比分娩前24 h和48 h分別低0.3～0.5℃和0.6～0.7℃。關于妊娠期間的體溫變化研究較少，還需更多試驗以深入揭示其細微的變化規(guī)律。

2.2 激素處理后奶牛體溫變化規(guī)律 除正常生理規(guī)律伴隨著體溫變化外，PG等藥物處理也可引起體溫變化。Suthar等[46]研究發(fā)現(xiàn)，奶牛用PG誘導發(fā)情后，陰道溫度降低0.1℃，推測PG通過溶解黃體，引起孕酮濃度下降，使體溫降低。為此，Suthar等[47]對泌乳期妊娠和非妊娠奶牛進行激素和溫度測定發(fā)現(xiàn)，妊娠母牛孕酮濃度比非妊娠母牛高2.1 ng/mL，而妊娠母牛陰道溫度比非妊娠母牛高0.3℃。妊娠母牛由于黃體和胎盤共同分泌孕酮，故孕酮濃度高于非妊娠母牛。Talukder等[48]在排卵前84 h對奶牛進行激素和體溫測定發(fā)現(xiàn)，奶牛孕酮濃度在排卵前72 h達到峰值（2.1 ng/mL），隨后下降，直至排卵，而紅外測定的鼻部溫度也在排卵前72 h達到峰值（35.2℃）。由此可見，較高的內(nèi)源孕酮濃度可能導致體溫升高。

然而，孕酮外源處理試驗卻得出了令人難以理解的結果。Suthar等[46]研究發(fā)現(xiàn)，奶牛排卵后第1天血液孕酮濃度為0.2 ng/mL，陰道溫度為38.9℃，在第3天外源孕酮處理排卵母牛后血液孕酮濃度上升到2.0 ng/mL，陰道溫度上升到39.2℃，兩者變化同步，而孕酮處理48 h后，血液孕酮濃度繼續(xù)上升，達到2.3 ng/mL，陰道溫度卻沒有持續(xù)升高，反而下降到38.8℃，外源孕酮對體溫的影響還需深入研究。Elsheikh等[49]研究表明，發(fā)情母牛陰道溫度和雌激素與孕酮的比值負相關（r=-0.29），該結論不僅與上述現(xiàn)象相悖，而且也無法解釋發(fā)情期奶牛雌激素濃度升高、孕酮濃度降低、陰道溫度升高的現(xiàn)象，有必要進一步探究雌激素和孕酮對體溫的調(diào)控作用。

3 物聯(lián)網(wǎng)在奶牛養(yǎng)殖中的應用

傳統(tǒng)的奶牛養(yǎng)殖管理主要靠人工采集和記錄體溫等基礎數(shù)據(jù)，存在時效性差及誤差大等問題，計算機技術的應用使得數(shù)據(jù)記錄的時效性得以改善，但自動化程度不高，無法實現(xiàn)精細化管理[50]。近年來，隨著機電傳感和生物信息技術的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術應運而生。物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識別（RFID）、智能傳感器、激光掃描儀、全球定位系統(tǒng)（GPS）等一系列設備和技術，把任何物品和互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種智能網(wǎng)絡[51]。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術在奶牛養(yǎng)殖中的應用主要集中在奶牛生理監(jiān)測、生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測、精細飼喂、溯源信息等方面[52]。范永存等[53]利用紅外測溫等技術，設計了奶牛體溫檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集終端，實現(xiàn)了非接觸式測溫。蔡勇等[54]通過自行研發(fā)的體表測溫裝置，得出牛體表溫度和體內(nèi)溫度的最優(yōu)校正公式，準確反映牛體溫變化。韓靜等[55]研制出一套全自動無線智能環(huán)境采控器，可對牛舍內(nèi)濕度、溫度、有害氣體濃度及光照等信息進行采集。這些技術為奶牛精細化管理提供數(shù)據(jù)支持。但物聯(lián)網(wǎng)技術目前還存在產(chǎn)品不兼容、成本高、安全性低等問題，如何科學、有效地將物聯(lián)網(wǎng)技術與奶牛養(yǎng)殖結合起來，推動奶牛養(yǎng)殖科學化、智能化、現(xiàn)代化是當前面對的主要問題。

4 總結及展望

奶牛繁殖活動由生殖激素調(diào)控，并呈現(xiàn)一定的體溫變化規(guī)律。近年來，隨著生物技術的快速進展，激素及體溫等調(diào)控機制正在逐漸得以揭示。傳感技術為揭示奶牛性周期的生理規(guī)律提供了便利條件，在未來精細化奶牛飼養(yǎng)管理中，這些規(guī)律將發(fā)揮重要作用。然而，奶牛個體是一個復雜的生命系統(tǒng)，其詳細的性活動調(diào)控機制及其規(guī)律遠未得以深入揭示。而隨著生物信息技術的迅速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)時代已到來，奶牛體溫等指標的采集也變得越來越自動化、智能化，使從生殖激素、體溫變化等多個維度共同探究卵泡發(fā)育與排卵的規(guī)律、準確預測排卵時間成為可能，相關研究將為開展奶牛精細化繁殖提供一定的理論指導和技術支撐。