石璐璐 王哲奇 徐元慶 毛晨羽 郭世偉 金 曉 史彬林
(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院,呼和浩特010018)
環(huán)境溫度是影響畜禽生產(chǎn)的重要外部因素。低溫是一種常見的應(yīng)激源,能增加動(dòng)物的應(yīng)激水平,動(dòng)物為維持體溫恒定,機(jī)體會(huì)通過改變行為、生理、代謝、內(nèi)分泌等一系列反應(yīng)增加產(chǎn)熱,從而對(duì)畜體的正常生理活動(dòng)和生產(chǎn)性能產(chǎn)生影響。動(dòng)物長(zhǎng)期處于寒冷刺激下的應(yīng)激反應(yīng)會(huì)破壞機(jī)體的生理平衡,導(dǎo)致其生產(chǎn)性能下降、免疫和抗氧化功能受損、抗病力降低、死亡率升高[1-4]。這嚴(yán)重制約了高寒地區(qū)動(dòng)物生產(chǎn)力的發(fā)展,降低了畜牧養(yǎng)殖業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。研究發(fā)現(xiàn),荷斯坦奶牛在冬季慢性寒冷應(yīng)激(-20~-4 ℃)條件下CD3+T淋巴細(xì)胞和CD21+B淋巴細(xì)胞比例下降,奶牛的特異性免疫功能受到抑制[3]。Thompson等[5]研究指出,將弗里斯蘭綿羊在1 ℃條件下冷暴露48 h后,其泌乳量顯著降低。彭孝坤等[6]研究表明,綿羊在舍外冷暴露(-23.8~-16.5 ℃)12 h后,血清白細(xì)胞介素(IL)-4和免疫球蛋白(Ig)G含量顯著下降,表明在急性冷應(yīng)激條件下綿羊的免疫功能受損。
綿羊具有較寬的等熱區(qū)(5~25 ℃),因其具備抗旱耐寒的特性,一直以來在畜牧生產(chǎn)中都占據(jù)極為重要的地位[7]。但在極端氣候條件下,它們的生理功能和生產(chǎn)性能仍會(huì)受到負(fù)面影響。2008—2018年內(nèi)蒙古羊存欄量為5 125.3萬~6 001.9萬只,占全國(guó)羊養(yǎng)殖總量的18.25%~20.20%,而內(nèi)蒙古地區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng)且晝夜溫差極大,極端最低氣溫可達(dá)-37.4 ℃,因此,綿羊過冬這一無法回避的生產(chǎn)環(huán)節(jié)會(huì)嚴(yán)重限制該地區(qū)養(yǎng)羊業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[8]。目前關(guān)于畜禽寒冷應(yīng)激的研究較為匱乏,有關(guān)寒冷應(yīng)激對(duì)綿羊體增重、血清免疫和抗氧化機(jī)能影響的研究鮮見報(bào)道。因此,本試驗(yàn)擬通過測(cè)定冬季不同溫度條件下綿羊生長(zhǎng)性能指標(biāo)、血清免疫和抗氧化指標(biāo)及相關(guān)基因表達(dá)的變化,探究慢性寒冷應(yīng)激對(duì)其體增重、血清免疫和抗氧化機(jī)能的影響,為科學(xué)健康養(yǎng)殖綿羊提供理論依據(jù)。
本試驗(yàn)于2016年12月31日至2017年1月27日在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)?zāi)翀?chǎng)開展。選取體重為(55.50±0.80) kg、毛叢長(zhǎng)度為(11.60±1.47) cm的3歲健康杜蒙雜交母羊18只,隨機(jī)分為3組,每組6只。不同組的試驗(yàn)羊飼養(yǎng)于不同羊舍,且各試驗(yàn)羊單欄飼喂。其中舍內(nèi)加熱組(對(duì)照組)綿羊舍內(nèi)安置電暖氣,調(diào)節(jié)舍內(nèi)溫度處于舒適范圍;舍內(nèi)組綿羊處于舍內(nèi)自然溫度條件下;舍外組綿羊處于舍外接受冷暴露。試驗(yàn)共28 d,第1~14天為試驗(yàn)前期,第15~28天為試驗(yàn)后期。試驗(yàn)羊自由飲水,由于舍外環(huán)境溫度較低,因此每隔2 h換水1次,保證舍外組綿羊飲水自由。每天于08:00和15:00飼喂全混合日糧顆粒料1次,每次保證有5%的剩余料量,按照NRC(2007)飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)配制基礎(chǔ)飼糧,其組成及營(yíng)養(yǎng)水平見表1。
表1 基礎(chǔ)飼糧組成及營(yíng)養(yǎng)水平(干物質(zhì)基礎(chǔ))
分別于試驗(yàn)第14和28天08:00空腹采集頸靜脈血樣于非抗凝采血管和含乙二胺四乙酸(EDTA)的抗凝采血管中,3 000×g離心20 min后分別收集血清和白細(xì)胞。血清-20 ℃保存,白細(xì)胞中加入Trizol(TaKaRa)混勻并存于-80 ℃,用于總RNA的提取和后續(xù)指標(biāo)的測(cè)定。
1.3.1 環(huán)境溫度的測(cè)定
試驗(yàn)期間,于羊舍中部和羊舍外距地面1 m處(畜體高度)懸掛日記型自記式溫度記錄儀(ZJI-2A型,上海隆拓儀器設(shè)備有限公司),避免試驗(yàn)羊觸碰。分別監(jiān)測(cè)并計(jì)算3組試驗(yàn)前期(第1~14天)和試驗(yàn)后期(第15~28天)的整點(diǎn)平均環(huán)境溫度。在試驗(yàn)前期(圖1),對(duì)照組的溫度為5.57~10.51 ℃,全天平均溫度為6.84 ℃;舍內(nèi)組的溫度為0.94~6.53 ℃,全天平均溫度為2.79 ℃;舍外組的溫度為-18.81~2.64 ℃,全天平均溫度為-10.62 ℃。在試驗(yàn)后期(圖2),對(duì)照組的溫度為5.51~10.25 ℃,全天平均溫度為7.18 ℃;舍內(nèi)組的溫度為0.53~4.83 ℃,全天平均溫度為2.05 ℃;舍外組的溫度為-25.60~-0.45 ℃,全天平均溫度為-15.49 ℃。
圖1 試驗(yàn)前期(第1~14天)不同羊舍環(huán)境溫度日變化曲線
圖2 試驗(yàn)后期(第15~28天)不同羊舍環(huán)境溫度日變化曲線
1.3.2 生長(zhǎng)性能的測(cè)定
每次飼喂前稱取給料量,第2天晨飼前稱量并記錄料槽中剩余量,計(jì)算各組試驗(yàn)羊的平均日采食量(ADFI)。試驗(yàn)第1、14和28天晨飼前對(duì)所有試驗(yàn)羊空腹稱重,計(jì)算平均日增重(ADG)。
1.3.3 血清免疫指標(biāo)的測(cè)定
血清中IgA、IgG、IgM、IL-1、IL-12及腫瘤壞死因子-α(TNF-α)含量采用酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)(ELISA)試劑盒(瑞星生物科技有限公司)測(cè)定,按照制造商說明書要求進(jìn)行。
1.3.4 血清抗氧化指標(biāo)的測(cè)定
血清中總抗氧化能力(T-AOC)與過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)、總超氧化物歧化酶(T-SOD)活性以及脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)含量采用比色法通過南京建成生物工程研究所的試劑盒測(cè)定。
1.3.5 總RNA提取、反轉(zhuǎn)錄和實(shí)時(shí)熒光定量PCR反應(yīng)
采用Trizol法從白細(xì)胞中提取總RNA,紫外分光光度法測(cè)定總RNA的濃度和純度。按照Prime ScriptTMRT reagent Kit with gDNA Eraser(TaKaRa)說明書進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄,采用TB GreenTMPremix Ex TaqTM試劑盒(TaKaRa)進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR反應(yīng),程序如下:95 ℃預(yù)變性30 s;95 ℃變性5 s,退火60 s,72 ℃延伸20 s,40個(gè)循環(huán)。綿羊IL-1β、IL-2、TNF-α、CAT、GPx、超氧化物歧化酶1(SOD1)、超氧化物歧化酶2(SOD2)、核轉(zhuǎn)錄因子2(Nrf2)和內(nèi)參β-肌動(dòng)蛋白(β-actin)引物序列及參數(shù)如表2所示,由北京六合華大基因科技有限公司合成,各目的基因的相對(duì)表達(dá)量根據(jù)2-△△Ct法計(jì)算。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SAS 9.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA),采用Duncan氏法進(jìn)行多重比較,P<0.05表示差異顯著。結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。
由表3可知,試驗(yàn)前期各組綿羊的ADG均為負(fù)值。試驗(yàn)后期各組綿羊的ADG為正值,且與對(duì)照組相比,舍外組綿羊的ADG下降45.73%(P<0.05)。從試驗(yàn)全期來看,舍外組綿羊的ADG與對(duì)照組相比降低189.81%(P<0.05),且舍外組綿羊的ADG為負(fù)值。各組間綿羊的體重和ADFI在試驗(yàn)各階段差異均不顯著(P>0.05)。
由表4可知,在試驗(yàn)第14天,舍內(nèi)組和舍外組綿羊血清IL-1含量較對(duì)照組分別降低42.04%和47.78%(P<0.05),而各組間其他血清免疫指標(biāo)差異不顯著(P>0.05)。在試驗(yàn)第28天,舍外組綿羊血清IgG含量較對(duì)照組下降27.63%(P<0.05),而血清TNF-α含量較對(duì)照組升高89.72%(P<0.05)。此外,與對(duì)照組相比,舍內(nèi)組和舍外組綿羊血清IL-2含量分別降低25.73%和45.13%(P<0.05)。
表3 慢性寒冷應(yīng)激對(duì)綿羊生長(zhǎng)性能的影響
表4 慢性寒冷應(yīng)激對(duì)綿羊血清免疫指標(biāo)的影響
由表5可知,在試驗(yàn)第14天,與對(duì)照組相比,舍內(nèi)組和舍外組綿羊白細(xì)胞中IL-1β基因相對(duì)表達(dá)量分別下調(diào)25.00%和33.00%(P<0.05),且舍外組綿羊白細(xì)胞中IL-2基因相對(duì)表達(dá)量下調(diào)52.00%(P<0.05)。在試驗(yàn)第28天,舍外組綿羊白細(xì)胞中IL-2基因相對(duì)表達(dá)量較對(duì)照組下調(diào)24.00%(P<0.05),而白細(xì)胞中TNF-α基因相對(duì)表達(dá)量上調(diào)25.00%(P<0.05);各組間白細(xì)胞中IL-1β基因相對(duì)表達(dá)量差異不顯著(P>0.05)。
由表6可知,在試驗(yàn)第14天,舍外組綿羊血清GPx和T-SOD活性較對(duì)照組分別下降28.82%和25.97%(P<0.05);舍內(nèi)組和舍外組綿羊血清MDA含量較對(duì)照組分別升高64.38%和91.78%(P<0.05)。在試驗(yàn)第28天,舍內(nèi)組和舍外組綿羊血清CAT活性較對(duì)照組分別降低31.91%和48.09%(P<0.05),而舍外組較舍內(nèi)組降低23.75%(P<0.05);舍內(nèi)組和舍外組綿羊血清T-AOC較對(duì)照組分別下降12.00%和38.00%(P<0.05),而舍外組較舍內(nèi)組降低29.55%(P<0.05);此外,與對(duì)照組相比,舍外組綿羊血清GPx和T-SOD活性分別下降43.85%和41.94%(P<0.05),而血清MDA含量升高51.28%(P<0.05)。
表5 慢性寒冷應(yīng)激對(duì)綿羊白細(xì)胞中IL-1β、IL-2和TNF-α基因相對(duì)表達(dá)量的影響
表6 慢性寒冷應(yīng)激對(duì)綿羊血清抗氧化指標(biāo)的影響
由表7可知,在試驗(yàn)第14天,舍外組綿羊白細(xì)胞中GPx和SOD1基因相對(duì)表達(dá)量較對(duì)照組分別下調(diào)26.00%和25.00%(P<0.05)。在試驗(yàn)第28天,與對(duì)照組相比,舍外組綿羊白細(xì)胞中Nrf2基因相對(duì)表達(dá)量上調(diào)68.00%(P<0.05),而白細(xì)胞中GPx和SOD2基因相對(duì)表達(dá)量分別下調(diào)27.00%和39.00%(P<0.05)。此外,舍內(nèi)組綿羊白細(xì)胞中CAT基因相對(duì)表達(dá)量下調(diào)31.00%(P<0.05),而舍外組綿羊白細(xì)胞中CAT基因相對(duì)表達(dá)量上調(diào)34.00%(P<0.05)。
我國(guó)北方高寒地區(qū)冬季氣溫普遍較低,且寒冷期普遍偏長(zhǎng)。這種長(zhǎng)期的寒冷刺激或者突降大雪、寒潮突襲等短暫性強(qiáng)降溫對(duì)動(dòng)物的正常生長(zhǎng)和機(jī)體健康都有很大影響,會(huì)降低家畜的生產(chǎn)力和抗病力。不同畜禽的等熱區(qū)或適宜溫度范圍不同,其中綿羊的等熱區(qū)為5~25 ℃,最適溫度為-3~23 ℃[7,14]。此外,羊的最適環(huán)境溫度范圍受其被毛性狀的影響。Acharya等[15]研究表明,相較于長(zhǎng)毛羊,暴露在太陽輻射下的短毛羊直腸溫度、皮膚溫度和呼吸頻率會(huì)大幅升高,采食量則會(huì)降低。而在寒冷的冬季,被毛作為綿羊的保溫絕熱層,在減少體熱散失、維持冬季正常體溫方面發(fā)揮較大作用。本試驗(yàn)中各組的環(huán)境溫度均較穩(wěn)定,其中對(duì)照組試驗(yàn)全期平均溫度為7.01 ℃,舍內(nèi)組試驗(yàn)全期平均溫度為2.42 ℃。而舍外組試驗(yàn)全期平均溫度為-13.05 ℃,且試驗(yàn)后期平均溫度為-15.49 ℃,較試驗(yàn)前期-10.62 ℃下降4.87 ℃,這表明舍外組綿羊遭受寒冷應(yīng)激的程度最為嚴(yán)重。
表7 慢性寒冷應(yīng)激對(duì)綿羊白細(xì)胞中CAT、GPx、SOD1、SOD2和Nrf2基因相對(duì)表達(dá)量的影響
研究表明,動(dòng)物在寒冷應(yīng)激條件下為維持自身體溫恒定和正常的生命活動(dòng),需要消耗更多的飼糧能量。如果攝入的營(yíng)養(yǎng)少于消耗部分,那么將消耗部分體脂,最終導(dǎo)致發(fā)育緩慢、體重下降。谷英等[16]研究表明,鄂爾多斯細(xì)毛羊冬季體重會(huì)出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。張士軍[17]研究發(fā)現(xiàn),-17 ℃冷暴露組羔羊(6月齡)相較于5 ℃對(duì)照組羔羊ADG顯著下降。本試驗(yàn)結(jié)果與前人研究結(jié)果相似,試驗(yàn)前期各組綿羊均處于減重狀態(tài),試驗(yàn)后期雖有所回升,但舍外組綿羊的ADG顯著下降,且從試驗(yàn)全期來看,舍外組綿羊的體重并未恢復(fù)到試驗(yàn)開始水平,處于減重狀態(tài),而對(duì)照組和舍內(nèi)組綿羊的體重均有所升高。這可能是由于綿羊在舍外寒冷應(yīng)激條件下需要消耗更多的能量,甚至消耗部分體脂來保證體溫恒定,從而減少了脂肪的沉積。值得注意的是,在本試驗(yàn)中,寒冷應(yīng)激雖然降低了綿羊的ADG,但各組綿羊的體重并無顯著差異,這可能是由于個(gè)體差異大或樣本數(shù)少而沒有達(dá)到差異顯著水平。此外,De等[18]研究表明,Malpura羔羊(3~5月齡)在寒冷應(yīng)激條件下干物質(zhì)采食量增加,而在本試驗(yàn)中各組綿羊的ADFI差異不顯著。這可能是由于寒冷應(yīng)激對(duì)成年動(dòng)物采食量的影響要小于幼年動(dòng)物。郭春華等[19]的試驗(yàn)結(jié)果,20~40 kg的小豬在低溫時(shí)的采食量增加要高于60~80 kg的大豬,也印證了這一推測(cè)。
由于機(jī)體免疫系統(tǒng)和應(yīng)激系統(tǒng)的復(fù)雜性,關(guān)于寒冷應(yīng)激對(duì)畜禽免疫功能影響的研究結(jié)論不一而足,這可能與動(dòng)物種屬、刺激強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間等因素有關(guān)。但一般認(rèn)為短期急性寒冷應(yīng)激能夠增強(qiáng)機(jī)體的免疫應(yīng)答能力,而長(zhǎng)期慢性寒冷應(yīng)激則會(huì)抑制機(jī)體免疫功能,且多數(shù)研究表明冷刺激對(duì)畜體免疫功能的影響主要呈免疫抑制作用[2,20-22]。血清免疫球蛋白能夠與抗原特異性結(jié)合,刺激抗體的產(chǎn)生,發(fā)揮特異性免疫效應(yīng),其含量是反映機(jī)體體液免疫功能的重要指標(biāo)之一[23]。IgG作為Ig的主要組成部分,在促進(jìn)免疫細(xì)胞吞噬病原體、中和病毒和細(xì)菌毒素等過程中發(fā)揮重要作用[24]。高靜雯等[25]將阿勒泰公羔羊置于2個(gè)不同的溫度組,即常溫對(duì)照組(15~20 ℃)和低溫冷應(yīng)激組(-35~-30 ℃),發(fā)現(xiàn)冷應(yīng)激4 d時(shí)羔羊血清IgG含量相較常溫對(duì)照組顯著下降。與前人研究結(jié)果相似,本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)舍外組綿羊血清IgG含量顯著低于對(duì)照組,這表明在寒冷應(yīng)激條件下綿羊的Ig含量下降,機(jī)體體液免疫功能受到抑制。
細(xì)胞因子水平是衡量機(jī)體免疫功能的重要指標(biāo)。其中IL-1能夠刺激T細(xì)胞和抗原呈遞細(xì)胞(APC)活化,IL-2可以促進(jìn)T細(xì)胞生長(zhǎng)、刺激B細(xì)胞增殖分化并產(chǎn)生抗體,二者均在反芻動(dòng)物免疫調(diào)節(jié)過程中發(fā)揮重要作用[26-27]。在本試驗(yàn)中,寒冷應(yīng)激顯著降低了試驗(yàn)前期綿羊血清IL-1含量和白細(xì)胞中IL-1β、IL-2基因相對(duì)表達(dá)量,以及試驗(yàn)后期綿羊血清IL-2含量和白細(xì)胞中其基因相對(duì)表達(dá)量,該結(jié)果與魏殿華等[26]、楊莉等[21]研究結(jié)果相似。魏殿華等[26]研究表明,阿勒泰羔羊在-20~-10 ℃條件下,外周血白細(xì)胞中IL-1 mRNA的表達(dá)量低于常溫對(duì)照組(10~20 ℃);楊莉等[21]研究發(fā)現(xiàn),阿勒泰羊在-30~-15 ℃條件下,血清IL-2含量呈下降趨勢(shì),IL-4含量顯著下降。這表明寒冷應(yīng)激可能通過降低IL-1β和IL-2的基因相對(duì)表達(dá)量來減少二者的分泌量,抑制機(jī)體免疫功能。此外,TNF-α作為炎癥早期反應(yīng)的主要前炎性因子,能夠與多種免疫細(xì)胞上的受體結(jié)合,發(fā)揮免疫調(diào)控作用,但隨著其分泌量的增加,機(jī)體的炎癥反應(yīng)會(huì)加劇,最終造成組織損傷,降低機(jī)體免疫功能。本研究結(jié)果表明,試驗(yàn)后期舍外組綿羊在寒冷應(yīng)激條件下血清TNF-α含量和白細(xì)胞中其基因相對(duì)表達(dá)量顯著升高,這與Shini等[28]的研究結(jié)果一致。該結(jié)果可能是由于應(yīng)激條件下過量生成的活性氧(ROS)作為第二信使,通過泛素化和磷酸化核因子-κB(NF-κB)的抑制蛋白IκB,釋放細(xì)胞質(zhì)的NF-κB二聚體到細(xì)胞核中,從而促進(jìn)了下游TNF-α等相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄,加速了機(jī)體的炎癥反應(yīng)[29]。值得注意的是,本試驗(yàn)舍內(nèi)組綿羊試驗(yàn)前期血清IL-2、試驗(yàn)后期血清TNF-α和試驗(yàn)全期血清IgG含量與對(duì)照組綿羊相比差異不顯著,這可能與寒冷應(yīng)激的強(qiáng)度較低且機(jī)體本身具有一定抵抗或適應(yīng)不利環(huán)境的能力有關(guān)。
Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白1-核因子E2相關(guān)因子2-抗氧化反應(yīng)元件(Keap1-Nrf2-ARE)信號(hào)通路是機(jī)體抵抗氧化應(yīng)激關(guān)鍵的防御性轉(zhuǎn)導(dǎo)通路[36]。但也有研究表明,持續(xù)的Nrf2激活反而會(huì)加重組織細(xì)胞的氧化損傷[37]。本研究測(cè)定了寒冷應(yīng)激期間綿羊白細(xì)胞中Nrf2基因相對(duì)表達(dá)量,結(jié)果表明在試驗(yàn)第28天,舍外組綿羊白細(xì)胞中Nrf2基因相對(duì)表達(dá)量顯著升高。此外,本研究發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)后期舍外組綿羊白細(xì)胞中CAT基因相對(duì)表達(dá)量顯著高于其他2個(gè)組,而血清CAT活性顯著低于其他各組,這可能是由于ROS通過修飾Keap1上的半胱氨酸殘基,激活Nrf2入核并與ARE結(jié)合,進(jìn)而啟動(dòng)了下游CAT基因的表達(dá),但隨著寒冷應(yīng)激嚴(yán)重程度和持續(xù)時(shí)間的增加,大量CAT、GPx和SOD被堆積的ROS消耗,最終導(dǎo)致抗氧化酶活性下降。
在本研究中,與對(duì)照組相比,舍外組綿羊的體增重下降,且舍外組和舍內(nèi)組綿羊血清IL-1和IL-2的含量降低,白細(xì)胞中IL-1β基因相對(duì)表達(dá)量下調(diào),血清CAT活性以及白細(xì)胞中CAT基因相對(duì)表達(dá)量降低,血清T-AOC降低,而MDA含量升高。這表明慢性寒冷應(yīng)激能夠降低綿羊的體增重,抑制其血清免疫和抗氧化水平,而安置供暖設(shè)備的保溫圈舍可以顯著緩解這種負(fù)面影響。