劉懿慧，周宇橋，周 智，張佩華*

(1. 湖南農業(yè)大學 動物科學技術學院，湖南 長沙 410128；2. 湖南農業(yè)大學 化學與材料科學學院，湖南 長沙 410128)

自然界環(huán)境的變化呈現季節(jié)性(周期性)波動狀態(tài)。生物體具有感知外部環(huán)境變化并靈活調整個體狀態(tài)的能力，該能力源于機體內部存在生物鐘系統(tǒng)[1]。生物鐘受氣候、溫度、光照、進食等多種外源節(jié)律因子調節(jié)[2]，同時也具有內源節(jié)律性，即不受外源節(jié)律因子影響也會產生節(jié)律性波動，且周期為24 h，因此也被稱為晝夜節(jié)律[3]。內源節(jié)律與外源節(jié)律往往是同步的，當這種平衡被破壞后，機體將會受到負面影響，出現代謝紊亂、疾病等現象[4]。

光周期(24 h中黑暗與光照的時間分配比例)作為機體內源節(jié)律響應外源節(jié)律變化最敏感的線索[3]，極大程度上影響著動物的生理和行為活動，其中很典型的是動物季節(jié)性繁殖現象。本文分別梳理光照調控動物繁殖活動的通路，以便更好的理解不同類別脊椎動物的繁殖機制，并就畜禽生產中人工光照應用現狀進行歸納，為在畜禽生產中科學應用光照提供參考。

1 動物的季節(jié)性繁殖現象

動物的繁殖活動受下丘腦-垂體-性腺軸(hypothalamic-pituitary-gonadalaxis，HPGA)的調控[5](圖1)。當光照時長達到或超過臨界值時，HPGA被激活，導致性腺發(fā)生變化。有研究表明，倉鼠處于12.5 h或更長時間的光照才能看到睪丸生長；日本鵪鶉超過11.5 h的光照時間可以刺激睪丸生長[6]；揚州鵝的繁殖活動也受長光照調控[7]；這與嚙齒動物和禽類在春、夏長日照季節(jié)繁殖的現象相一致。家畜中呈季節(jié)性繁殖最明顯的動物是羊，繁殖活動主要發(fā)生在秋季；其性腺也是在短光照條件下更大[8]；馬、兔的繁殖雖無明顯的季節(jié)性,但長光照條件更能促進繁殖活動[9-10]。當光照時長不處于臨界范圍時(繁殖季節(jié)過后)，它們的HPGA自動關閉，性腺也開始退化[11]，繁殖活動暫時停止。動物間不同的繁殖特性都是為了確保后代可以在氣候適宜、食物充足的季節(jié)出生，繼而提高繁殖成功率及后代生存率。但現在僅依靠動物季節(jié)性繁殖無法滿足市場對畜禽產品的需求，通過調控光照、注射激素等方法可以提高動物繁殖力，使畜禽產品產量滿足市場需求，進而獲得較高的經濟效益[12]。

圖1 下丘腦-垂體-性腺軸

關于光照調控動物季節(jié)性繁殖的研究方向一直處于穩(wěn)定發(fā)展狀態(tài)(圖2)，隨著光化學與動物學等相關研究的深入，研究者們進一步確定動物季節(jié)性繁殖能力受光照具體參數-光強度與光波長(光色)影響，且光照調控哺乳動物與禽類的季節(jié)性繁殖機制還存有差別。

圖2 光照調控動物季節(jié)性繁殖研究發(fā)展趨勢(2012-2021)

2 動物的光感受器

2.1 哺乳動物的光感受器

哺乳動物對光的感知僅依賴于視網膜中的光感細胞[11]。其中，含有視紫紅質的視桿細胞與含有視錐蛋白的視錐細胞主要發(fā)揮著成像作用，而能夠合成OPN4(視黑蛋白，一種非視覺蛋白)的自主感光視網膜神經節(jié)細胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cells，ipRGCs)則在晝夜節(jié)律調控中扮演著重要角色[13]。

2.2 禽類的光感受器

禽類的光感受器較哺乳動物復雜，包括眼部感光器和大腦深部感光器[14]。研究者最先在禽類松果體(pineal gland，PG)和下丘腦上發(fā)現了OPN4的存在[15]，之后VA-opsin(脊椎動物古老視蛋白)和OPN5(神經視蛋白)也相繼被發(fā)現存在于下丘腦中[16]。經過一系列致盲、戴帽、松果體切除、局部照射等試驗后，確定與禽類季節(jié)性繁殖相關的腦深部光感受器存在于下丘腦中[17]。

OPN4雖然存在于下丘腦中，但表達量低于PG且其光譜最大敏感度為476～484 nm[18]，這一范圍不在繁殖光譜范圍(483～492 nm)[19]，所以排除了OPN4神經元負責繁殖光周期反應的可能性。VA-opsin神經元和OPN5神經元作為控制季節(jié)性繁殖的光感受器有很強的相關性證據[20]。Nakane等[16]通過系列試驗推測OPN5在禽類季節(jié)性繁殖中發(fā)揮著作用；首先，研究團隊發(fā)現OPN5的光譜最大敏感度約在420 nm，確定了OPN5為一種短波敏光色素；接著他們利用短波光處理，發(fā)現鵪鶉(戴著眼罩且已進行松果體切除術)睪丸依舊呈現發(fā)育狀態(tài)，進而驗證了OPN5是調節(jié)鵪鶉季節(jié)性繁殖周期的大腦深層光感受器。VA-opsin光譜最大敏感度約為490 nm[21]；而且研究者們發(fā)現VA-opsin與促性腺激素釋放激素(gonadotropin releasing hormone，GnRH)神經元共定位，光信號可直接調節(jié)GnRH在禽類中的表達，因此推測VA-opsin在該細胞群體中的共存可以控制禽類季節(jié)性繁殖[22]。由上述內容可以看出，禽類具有全波段的光感視蛋白；而且禽類視網膜上近乎均勻的鑲嵌著5種視錐細胞[23]，所以禽類擁有著驚人的色彩感知力(圖3)；繼而禽類可以利用多種光波段來測量光周期。針對禽類這一特性進行研究發(fā)現光色對禽類的影響不具有普適性，藍、綠光對肉雞的影響效果較佳，可以促進其生長[24]；而對于更重視繁殖能力的蛋雞則紅光效果更好[25]。

圖3 豬、雞視覺光譜對比[26-27]

3 動物的季節(jié)性繁殖機制

動物的季節(jié)性調控過程受生物鐘系統(tǒng)調控，可歸納為感知、傳遞、調控的過程。光感受器將感知到的光信號傳遞到生物鐘中樞振蕩器引發(fā)內分泌系統(tǒng)激素分泌，進而調控外周振蕩器活動[5]。

3.1 哺乳動物的季節(jié)性繁殖機制

哺乳動物的中樞振蕩器為下丘腦視交叉上核(suprachiasmatic nucleus，SCN)[28]；ipRGCs將感知到的光信號傳遞到SCN上，通過多突觸連接將光信號傳遞到PG，引發(fā)褪黑素(melatonin，MLT)分泌活動的變化[29]。研究表明，MLT是最具有晝夜節(jié)律分泌特性的激素[30]，在哺乳動物的季節(jié)性繁殖調控中發(fā)揮核心作用[31]；其通過介導HPGA調節(jié)相關激素分泌，影響生殖腺與繁殖能力[32]。光周期可以通過MLT調節(jié)繁殖相關神經遞質——甲狀腺激素(thyroid hormone，TH)、親吻素(Kisspeptin)、RF酰胺相關肽-3(RF amide-related Peptide，RFRP-3)的節(jié)律性表達，影響GnRH神經元對GnRH的分泌，繼而調控動物繁殖活動(圖4)。

圖4 哺乳動物季節(jié)性繁殖機制

3.1.1 促甲狀腺激素參與調控哺乳動物的季節(jié)性繁殖 垂體結節(jié)部(pars tuberalis，PT)是MLT協(xié)調季節(jié)功能的中心靶點[33]。MLT通過涉及轉錄調節(jié)因子EYA3的機制響應光周期，該機制在長光照條件下會促使PT的促甲狀腺激素β亞單位(thyroid stimulating hormone Beta，TSHβ)輸出增加[34]，TSHβ與促甲狀腺激素受體(TSHR)結合，調節(jié)下丘腦內側基底部(mediobasal hypothalamus，MBH)伸展細胞中2型甲狀腺素脫碘酶基因(Type 2 Iodothyronine Deiodinase，DIO2)和3型甲狀腺脫碘酶基因(Type 3 Iodothyronine Deiodinase，DIO3)的表達和轉換，繼而改變MBH的TH分泌量[35]。長光照誘導DIO2編碼甲狀腺激素激活酶，將四碘甲腺原氨酸(T4)轉化為高生物活性的三碘甲腺原氨酸(T3)，而短光照誘導的DIO3則鈍化T3、T4；即長光照能夠加速T3的積累[36]。T3與受體結合引起正中隆起部GnRH神經元末梢與神經膠質末梢間形態(tài)的變化，進而影響GnRH的釋放，介導HPGA調節(jié)動物的繁殖活動；上述過程經歷了從垂體到下丘腦逆行信號的傳遞，因此被稱為逆向調節(jié)通路[37]。

3.1.2 Kisspeptin參與調控哺乳動物的季節(jié)性繁殖 Kisspeptin為KISS1基因編碼的一種神經肽，由位于第三腦室周圍區(qū)域(rostral periventricular region of the third ventricle，RP3V)和弓狀核(hypothalamic arcuate nucleus，ARC)的兩個主要神經元群產生[38]。Revel等[39]在研究過程中發(fā)現，短光照處理的金色倉鼠中Kisspeptin表達比長光照處理的個體低，Mason等[40]的研究結果與之一致，繼而證明Kisspeptin的表達受光周期調節(jié)；但切除PG后，短光照處理并沒有引發(fā)Kisspeptin表達的下降[39]，因此確定Kisspeptin的表達是受MLT調節(jié)的；而在ARC區(qū)并沒有發(fā)現MLT受體[41]，故此調節(jié)方式為間接調節(jié)。有研究指出，Kispeptin神經元還可通過SCN神經元投射精氨酸加壓素進行直接調節(jié)[42]。同時，Kisspeptin的表達還受下游性激素的反饋調節(jié)，具體表現為促進RP3V中的Kispeptin神經元，抑制ARC中的Kispeptin神經元，上、下游通路共同調控Kisspeptin的表達[43]。被激活的Kisspeptin與分布在GnRH神經元上的受體(GPR54)結合，作用于GnRH神經元，刺激GnRH分泌，介導HPGA調節(jié)動物的繁殖活動[44]。近期，研究者在Kisspeptin神經元上發(fā)現TH受體的存在[45]，因此人們推測TH為MLT調控Kisspeptin的中間介質。

3.1.3 RFRP-3參與調控哺乳動物的季節(jié)性繁殖 RFRP-3是當前哺乳動物體內唯一被發(fā)現的HPGA抑制因子[46]，與鵪鶉體內發(fā)現的促性腺激素抑制激素(gonadotropin inhibitory hormone，GnIH)同源，能夠抑制GnRH的釋放[47]。研究證實，RFRP神經元受SCN神經元與光照周期調節(jié):SCN通過投射血管活性腸肽直接抑制RFRP神經元活動[48]；MLT介導光周期間接調節(jié)RFRP神經元活動(中間介質為TH)[49]，同時光周期可能會影響性激素調節(jié)RFRP神經元活動的敏感性[50]。RFRP-3與受體(GPR147、GPR74)結合，阻斷GnRH的信號轉導通路抑制繁殖活動[51]。在GnRH細胞和Kisspeptin細胞上有GPR147和GPR74表達，由此，提出一種假設:Kisspeptin可能位于RFRP信號環(huán)路的下游，這需要進一步研究驗證。最新研究指出動物體重波動與季節(jié)性繁殖相同步[52]，Kisspeptin、RFRP在其中扮演著重要角色[46,53]。

MLT是光周期調控哺乳動物繁殖最重要的介導因子。因此在哺乳動物繁殖調控中，除了利用光照間接調控MLT含量以改變動物繁殖狀態(tài)外，還常通過直接給予外源性MLT(埋置、注射、飼喂)的方式調節(jié)機體內MLT含量，影響動物繁殖活動[54]。

3.2 禽類的季節(jié)性繁殖機制

禽類具有三個中樞振蕩器，包括SCN、視網膜與PG。值得注意的是，不同品種的禽類體內起主導地位的中樞振蕩器有所不同[55]。光信號通過光感受器傳達到主中樞振蕩器引發(fā)相關激素分泌，影響禽類繁殖活動(圖5)。與哺乳動物相同，TH在禽類的季節(jié)性繁殖調控中發(fā)揮著重要作用[56]；但這一過程不確定是否有MLT參與調控。關于MLT作為核心因子介導光照調控禽類繁殖活動的觀點始終存有爭議性。起初，人們認為MLT僅表達在視網膜與PG中[57]，因此在發(fā)現PG切除術沒有對盲禽的繁殖活動造成影響后，斷定MLT不是光照調控禽類繁殖活動的介導因子。隨著檢測手段的精進，研究者發(fā)現切除鵪鶉PG，會導致GnIH前導肽mRNA和成熟肽水平下降，而給予外源MLT可復原此現象[58]，由此確定MLT是光照調控禽類繁殖活動的介導因子。禽類GnIH神經元中存在MLT受體,MLT直接誘導下丘腦中GnIH的表達與成熟GnIH神經肽的分泌,進而影響HPGA，實現對禽類繁殖活動的調控[59]。但目前僅能確定GnIH是介導MLT調控禽類繁殖的重要激素，MLT是否影響TH通路需進一步研究確定。

圖5 禽類季節(jié)性繁殖機制

4 人工光照在畜禽生產中的應用

最初畜禽生產中燈光的應用主要是為了方便養(yǎng)殖人員管理。而隨著實際生產中人們發(fā)現光照條件是影響畜禽生長、繁殖的重要因素，畜禽生產中人工補光技術才受到重視。

4.1 人工光照在畜禽生產中的應用歷程

早期畜禽生產中選擇的人工光源是白熾燈，其利用燈絲電加熱到白熾狀態(tài)，以熱電輻射發(fā)出光。因其光色接近太陽光且價格實惠，被養(yǎng)殖業(yè)高度認可并廣泛應用；但其使用壽命短、發(fā)光效率低、耗能高，提高了養(yǎng)殖成本，逐漸被市場淘汰。熒光燈利用低氣壓下的汞蒸氣通電后釋放紫外線激發(fā)熒光粉而發(fā)出可見光；其優(yōu)點在于使用壽命長、發(fā)光效率高、耗能低，光色可隨熒光材料的不同而變化，但幾乎所有熒光燈無法實現全優(yōu)光譜；并不適用于禽類養(yǎng)殖照明(禽類可響應多種光波段)[60]。LED燈是目前最新的人工光源，通過半導體器件將電能直接轉化為可見光。LED燈價格較高，但發(fā)光效率高、更加節(jié)能、使用壽命長，從長遠性分析會大大降低養(yǎng)殖成本[61]，在養(yǎng)殖業(yè)中使用率逐漸上升[62]。而且LED燈涵蓋全光譜范圍，能夠滿足禽類養(yǎng)殖光照條件的要求，在禽類養(yǎng)殖中使用率最高(圖6)。目前，大型禽類養(yǎng)殖場采用了更為科學的光控系統(tǒng)，將LED燈與調光器結合使用，平穩(wěn)調節(jié)光的輸出強度，避免強光與弱光突然轉換造成禽類應激反應[60]。然而有研究指出燈具的頻閃問題會影響機體健康；研究者不斷的開發(fā)、探索，設計出頻閃范圍在人體適應區(qū)間(人眼最大感知值為25 Hz)的燈具[63]，并廣泛的應用在各個領域(包括養(yǎng)殖業(yè))，但禽類對頻閃感知的范圍更大(可感知205 Hz)，人類無法感知的頻閃也會對禽類造成影響，所以這種燈具并不適合于禽類養(yǎng)殖(圖7)。由上述內容可知，LED燈是目前最適用于畜禽生產的人工光源，在實際生產中應進一步推廣，并且為進一步促進禽類健康養(yǎng)殖，應針對禽類特性制作專業(yè)的LED養(yǎng)殖燈。

圖6 不同燈光光譜對比

圖7 頻閃對禽類的影響

4.2 人工光照調控畜禽繁殖的效果

目前畜禽生產中補光主要從光周期、光強度與光色三個參數介入。有研究表明，對奶牛采取長光照處理可以對其繁殖性能起到促進作用，并且在冬季進行長光照會促使母畜發(fā)情和提高受孕率[64]。He等[65]通過試驗證實外源性褪黑素和光周期變換都會對母雞性成熟產生影響。朱勇等[66]發(fā)現20 lx光照強度有利于提高母羊發(fā)情率、受胎率和胎均產羔數；而20 lx的光照強度也可明顯提高蛋雞的產蛋性能[67]。艾堯天等[68]指出哺乳母兔在60 lx光照強度和波長較長的紅黃色光下，受胎率、產活仔數、初生窩重、泌乳力、仔兔平均日增重均呈現較好狀態(tài)；潘孝青等[69]的試驗也證實LED彩色光比白熾燈光更易促進母兔同期發(fā)情率。對于揚州鵝來說，白光和紅光處理可促使產蛋率呈增高趨勢[70]。相關研究指出，不僅單一的光照參數會影響動物繁殖，復合光照參數也發(fā)揮著作用。胡平等[71]發(fā)現補光時間為4 h、強度為20.5 lx時，白羽王鴿產蛋性能較好。羅剛等[72]的試驗結果指出在強度為100 lx的綠光LED光環(huán)境下，飼養(yǎng)的母兔繁殖性能最佳。

4.3 養(yǎng)殖光照標準

研究的深入以及實際生產取得的應用效果，使人們愈加認可“光照在養(yǎng)殖中的重要性”。國家標準(GB/T32148-2015)、地方標準(DB21/T2740-2017等)、企業(yè)標準(T/SZFAA05-2020等)以及動物福利要求(TCAS242-2017等)均提出:在畜禽養(yǎng)殖中需制定科學的光照計劃并實施，然而內容里并沒有準確的說明光照系統(tǒng)全面的參數指標。

5 小結與展望

科學化養(yǎng)殖技術的應用源于堅實的理論基礎，目前光照影響動物季節(jié)性繁殖調控機制已基本明晰。PT來源的TSH是調節(jié)動物季節(jié)性繁殖的關鍵激素，MLT是調控哺乳動物季節(jié)性繁殖活動的核心激素，但通路中各調控因子間是否存在上下游介導關系還未確定，多種科研方法(轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學等)的迅速發(fā)展為下一步研究提供了有力支持。

光照是調控動物季節(jié)性繁殖的重要環(huán)境因素，研究證明LED燈作為人工光源對畜禽繁殖影響效果較好。不同畜禽適用的最佳光照參數不同，需進一步研究確定畜禽感光特性，并制定相應的養(yǎng)殖光照參數標準，為專業(yè)養(yǎng)殖燈的制作提供理論依據。