鄭 卓,柳雷振,張黎杰,楊新露,滕戰(zhàn)偉,劉深賀,高騰云

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物科技學(xué)院,河南省家畜營養(yǎng)調(diào)控與生態(tài)養(yǎng)殖國際聯(lián)合實驗室,河南 鄭州 450046)

夏南牛是中國獨立自主培育的第1個肉牛品種,具有生長快、耐粗飼、肉質(zhì)優(yōu)良的特點,在牛肉行業(yè)具有廣闊的消費前景[1]。夏季高溫導(dǎo)致的熱應(yīng)激嚴(yán)重影響肉牛的生理、生長和生產(chǎn)性能,具體表現(xiàn)為營養(yǎng)代謝水平下降、繁殖損失和免疫功能紊亂,嚴(yán)重時導(dǎo)致其死亡[2]。據(jù)統(tǒng)計,熱應(yīng)激每年造成肉牛產(chǎn)業(yè)損失達(dá)3.69×108美元[3]。在肉牛飼養(yǎng)行業(yè)中,常參考奶牛的溫濕度指數(shù)(THI)標(biāo)準(zhǔn)以衡量肉牛的應(yīng)激程度,即當(dāng)THI>68時發(fā)生熱應(yīng)激反應(yīng)[4]。

在奶牛養(yǎng)殖行業(yè)中常見的降溫措施主要是噴淋與風(fēng)扇的配合使用[5],而在肉牛的集約化飼養(yǎng)模式中,缺少防暑降溫的措施,因此需要一些經(jīng)濟高效的防暑降溫措施來緩解肉牛的熱應(yīng)激。有研究表明,長時間暴露于太陽輻射下導(dǎo)致動物體溫升高,而遮陽網(wǎng)可以有效阻隔30%以上的輻射[3],因此可以通過架設(shè)遮陽網(wǎng)減少讓光直射緩解肉牛的熱應(yīng)激。

動物可通過器官感知外界變化而產(chǎn)生生物學(xué)刺激,從而自主改變行為以適應(yīng)環(huán)境,滿足生理需求[6]。據(jù)報道,肉牛體內(nèi)的激素分泌、蛋白合成和免疫應(yīng)答受熱應(yīng)激影響而發(fā)生明顯改變[2],在熱應(yīng)激狀態(tài)下動物體溫升高,從而激活下丘腦-垂體-甲狀腺軸,分泌T3、T4控制代謝速率,降低體內(nèi)代謝產(chǎn)熱[7],而且在應(yīng)激狀態(tài)下,COR含量會異常升高。HSP70、HSP90作為應(yīng)激蛋白,除了高溫條件下,多種應(yīng)激源也會導(dǎo)致其過表達(dá)[8]。同時,在高溫條件下,動物的抗氧化能力受損,T-AOC和SOD含量變化異常,宋小珍等[9]研究發(fā)現(xiàn),與非熱應(yīng)激階段相比,SOD活性在熱應(yīng)激階段顯著降低。肉牛的呼吸頻率和直腸溫度隨THI的升高而升高,可作為評判肉牛熱負(fù)荷能力的重要指標(biāo)[10]。本試驗旨在研究熱應(yīng)激對夏南牛的生理、生化指標(biāo)和行為學(xué)的影響以及遮陽網(wǎng)的抗熱應(yīng)激效果,以期對夏季肉牛的養(yǎng)殖提供理論基礎(chǔ)和應(yīng)用參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

本試驗于2020年8月7—20日和10月7—27日在河南省南陽市新野縣科爾沁牛業(yè)南陽有限公司進(jìn)行。挑選出體重相近(289.63±17.32 kg)、生長狀況良好的夏南牛青年母牛32頭隨機分為4組,分別是夏季組(8月7—20日)、秋季組(10月7—27日)、夏季架設(shè)遮陽網(wǎng)組(8月7—20日)和秋季遮陽網(wǎng)組(10月7—27日)。黑色塑料材質(zhì)遮陽網(wǎng)架設(shè)在距離地面3.5 m處,密度為8針,遮光率為70%左右。試驗期間,各組夏南牛均可自由采食和飲水,日糧配制參考《肉牛飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)》(NY/T815—2004)[11]。

1.2 樣品采集和測定指標(biāo)

1.2.1 溫濕度指數(shù)(THI)的測定 試驗期在各牛舍距離地面1.5 m處掛溫濕度儀(德圖溫濕度數(shù)據(jù)記錄儀Testo),每隔30 min自動記錄溫濕度,并根據(jù)以下公式計算:

THI=0.8×Tdb+RH/100×(Tdb-14.4)+46.4[12]

式中:Tdb為干球溫度,RH為相對濕度。

1.2.2 行為學(xué)指標(biāo)的測定 試驗開始前在牛舍安裝監(jiān)控設(shè)備,每個牛舍安裝2臺監(jiān)控攝像頭(海康威視DS-2CD3T26WD-L(4 mm)),調(diào)試至無監(jiān)控死角,試驗期間保持不間斷錄像并保存在硬盤中。試驗結(jié)束后根據(jù)錄像進(jìn)行統(tǒng)計,記錄并分析夏南牛躺臥時間、游走時間、飲水次數(shù)以及采食時長。數(shù)據(jù)按吳富鑫等[13]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量。

1.2.3 直腸溫度與呼吸頻率的測定 試驗期每天中午12:30—14:30進(jìn)行直腸溫度(Respiratory rate,RT)與呼吸頻率(respiratory rate,RR)的測定。

直腸溫度:使用獸用電子體溫計,測定時插入直腸10 cm左右,待讀數(shù)穩(wěn)定后記錄。

呼吸頻率:觀察和記錄夏南牛在安靜狀態(tài)下腹部起伏次數(shù),每頭牛連續(xù)觀察3次,每次1 min,取平均值。

1.2.4 血液樣品的采集與測定 分別在夏季和秋季試驗最后一天中午12:30使用真空采血管(肝素鈉抗凝),收集各組夏南牛血液5 mL,靜置30 min,3 000 r/min 離心15 min,分離血漿并用于測定熱休克蛋白70(HSP70)、熱休克蛋白90(HSP90)、超氧化物歧化酶(SOD)、總抗氧化能力(T-AOC)、皮質(zhì)醇(COR)、三碘甲腺原氨酸(T3)以及甲狀腺素(T4)的含量。具體操作步驟嚴(yán)格按照說明書進(jìn)行,ELISA試劑盒購自上海酶聯(lián)生物科技有限公司。

2 結(jié)果與分析

2.1 牛舍THI

試驗期間,夏季牛舍THI高達(dá)76.68,架設(shè)遮陽網(wǎng)后可降至75.10,而秋季牛舍THI低至61.00,后兩者相較于夏季牛舍THI分別降低了1.71%和20.45%。

表1 牛舍溫濕度

2.2 夏南牛的行為學(xué)指標(biāo)

由表2可以看出,夏南牛在夏季的飲水次數(shù)極顯著高于秋季組(P<0.01),通過架設(shè)遮陽網(wǎng),夏季組夏南牛的飲水次數(shù)減少了14.23%(P<0.01)。與秋季組相比,夏季組夏南牛的采食時間顯著降低(P<0.05)。夏季組夏南牛的游走時間極顯著高于秋季組(P<0.01),躺臥時間差異顯著(P<0.05);除了飲水次數(shù)之外,同一季節(jié)無遮陽與遮陽組之間夏南牛的行為沒有顯著差異(P>0.05)。季節(jié)和遮陽處理的交互作用對夏南牛行為的影響差異不顯著(P>0.05),但季節(jié)的不同對其影響差異顯著(P<0.05)。

表2 夏季高溫環(huán)境和遮陽對夏南牛行為的影響

2.3 夏南牛的直腸溫度和呼吸頻率

夏季無遮陽網(wǎng)組夏南牛的直腸溫度極顯著高于其余3組(P<0.01);相較于夏季無遮陽網(wǎng)組,夏季遮陽網(wǎng)組和秋季組夏南牛呼吸頻率顯著降低。季節(jié)和遮陽處理的交互作用對夏南牛直腸溫度和呼吸頻率有顯著影響(P<0.05)(表3)。

表3 夏季高溫環(huán)境對夏南牛呼吸頻率和直腸溫度的影響

2.4 夏南牛的血液指標(biāo)

夏季組夏南牛血漿HSP70、HSP90極顯著高于秋季組(P<0.01)。夏季組夏南牛血清中T-AOC、SOD極顯著低于秋季組(P<0.01),夏季遮陽網(wǎng)組夏南牛血清中SOD的含量極顯著高于夏季無遮陽網(wǎng)組(P<0.01)。夏季組夏南牛血清中的T3、T4含量極顯著低于秋季組(P<0.01),分別降低了15.69%和12.49%,夏季遮陽網(wǎng)組血清中T4極顯著高于夏季無遮陽網(wǎng)組(P<0.01)。夏季無遮陽網(wǎng)組夏南牛血清中Cor含量極顯著高于遮陽網(wǎng)組和秋季2組(P<0.01)。季節(jié)和遮陽處理的交互作用對夏南牛血清生化的影響差異不顯著(P>0.05),季節(jié)因素對其影響顯著(P<0.05)(表4)。

表4 夏季高溫環(huán)境和遮陽對夏南牛血液指標(biāo)的影響

2.5 抗氧化、熱休克蛋白與行為學(xué)的相關(guān)性

COR與RR、RT和HSP70、HSP90呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(P<0.05),與T3、T4和SOD呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05);SOD與T3和T4呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(P<0.05),與RR、RT和HSP70、HSP90呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05);T-AOC與RR、RT呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),與T3、與T4呈現(xiàn)正相關(guān)(P>0.05);HSPs與RR、RT呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(P<0.05),與T3、T4呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05);T3、T4與RR、RT呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05);飲水次數(shù)與RR、RT呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(P<0.05),與甲狀腺激素呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),與HSP90和COR呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(P<0.05),游走時間與RR、RT呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(P<0.05),與HSP90呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(P<0.05)(圖1)。

圖1 抗氧化、熱休克蛋白與行為學(xué)的相關(guān)性分析

3 討 論

在肉牛養(yǎng)殖行業(yè)中,熱應(yīng)激是影響肉牛生產(chǎn)的最主要的應(yīng)激源,主要因素包括環(huán)境溫度、相對濕度、太陽輻射以及風(fēng)速[14]。對于動物來說,環(huán)境的變化會對其行為帶來影響。恒溫動物在一定溫度范圍內(nèi),可以通過自身的調(diào)節(jié)來維持體溫恒定以保持較為舒適的狀態(tài),但肉牛因個體較大、代謝旺盛、皮下脂肪層較厚、毛發(fā)短而密的特點,導(dǎo)致其耐寒不耐熱,機體產(chǎn)生的熱量不能及時散發(fā)出去,同時,肉牛在熱應(yīng)激的刺激下,神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)發(fā)生改變,作為內(nèi)環(huán)境的外在表現(xiàn),其行為必然發(fā)生改變[15],主要包括躺臥、站立、飲水、反芻和排泄等行為的變化,可以在一定水平上反應(yīng)機體的需求[16]。從本試驗的結(jié)果來看,夏季高溫條件下,夏南牛為了散發(fā)機體代謝產(chǎn)生的熱量,會損失大量水分,導(dǎo)致飲水次數(shù)增加,通過架設(shè)遮陽網(wǎng),減少了太陽的直射,緩解了夏南牛體表的蒸發(fā)散熱,飲水次數(shù)顯著減少。同時,夏南牛在夏季高溫下,為了增大體表散熱面積,通過空氣流動來降低體表溫度,加之白天地面溫度較高,因此白天的躺臥時間較短,夏南牛始終處于站立、游走和間斷性的采食狀態(tài)。夏季高溫導(dǎo)致肉牛食欲降低[17],夏南牛在夏季高溫條件下采食時間極顯著低于秋季階段,且采食始終處于斷斷續(xù)續(xù)的狀態(tài),雖然通過架設(shè)遮陽網(wǎng)減少了陽光直射,一定程度上降低了體表溫度,但是與無遮陽網(wǎng)條件下夏南牛采食時間相比差異不顯著。躺臥是衡量奶牛舒適度的一個重要指標(biāo),在正常狀態(tài)下,躺臥時間約占一天時間的1/2[18]。魯煜建等[19]研究發(fā)現(xiàn)牛在夏季高溫條件下躺臥時間比例降低了9%,站立時間相應(yīng)地提升了9.1%,與本試驗結(jié)果一致。本試驗通過架設(shè)遮陽網(wǎng),提高了夏南牛的躺臥時間,降低了游走時間,緩解了濕熱氣候?qū)ο哪吓淼牟贿m。

在夏季高溫條件下,肉牛為了適應(yīng)環(huán)境的變化,其直腸溫度和呼吸頻率發(fā)生改變。相關(guān)研究表明,當(dāng)THI>68時,奶牛即進(jìn)入熱應(yīng)激狀態(tài)[20],肉牛最適宜的飼養(yǎng)溫度為5～25 ℃[21],在這個溫度范圍內(nèi),隨著外界溫度的升高,牛可以通過自身溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行自我調(diào)節(jié)來維持機體溫度的恒定,當(dāng)超過這個范圍后,體內(nèi)多余的熱量無法排出,各項生理指標(biāo)發(fā)生改變[22],最為突出的便是直腸溫度的升高和呼吸頻率的加快。在熱應(yīng)激狀態(tài)下,肉牛的直腸溫度達(dá)到39.04 ℃,呼吸頻率達(dá)到63.88次/min,與非熱應(yīng)激狀態(tài)下的直腸溫度37.41 ℃和呼吸頻率23.08次/min相比較有明顯的差異[23]。在本試驗夏季高溫階段,牛舍日均THI>78符合THI>68的條件,由此可以判斷夏南牛處于熱應(yīng)激狀態(tài),夏季組夏南牛直腸溫度和呼吸頻率極顯著高于秋季組,與上述研究相一致。通過架設(shè)遮陽網(wǎng),夏南牛的呼吸頻率顯著低于無遮陽網(wǎng)組,可以看出,架設(shè)遮陽網(wǎng)對緩解夏南牛在夏季高溫條件下的應(yīng)激反應(yīng)有改善作用。

內(nèi)分泌系統(tǒng)是調(diào)節(jié)環(huán)境應(yīng)激和機體代謝生長的重要機制,對生理活動起到興奮或抑制的作用。內(nèi)分泌系統(tǒng)不直接參與體內(nèi)變化的調(diào)節(jié),而是通過分泌激素影響應(yīng)激反應(yīng)[24]。內(nèi)外環(huán)境的變化引起體溫調(diào)節(jié)中樞的活動,從而導(dǎo)致骨骼肌、皮膚血管和內(nèi)分泌等組織器官活動的而變化[25]。熱休克蛋白是指在應(yīng)激狀態(tài)下尤其在高溫的條件下所產(chǎn)生的所生成的一系列蛋白[26],其中HSP70是由高度保守的應(yīng)激蛋白組成的最具有特點的熱休克蛋白家族之一,在應(yīng)激反應(yīng)中進(jìn)行表達(dá),對環(huán)境應(yīng)激的耐受和適應(yīng)起到了重要的作用[27]。因此可以通過夏南牛血清HSP70的含量判斷夏南牛是否發(fā)生應(yīng)激反應(yīng)和發(fā)生應(yīng)激的程度[28]。宋代軍等[29]研究表明,在熱應(yīng)激階段奶牛血清熱休克蛋白含量顯著高于非熱應(yīng)激階段,本試驗與其研究相一致。在本試驗中,夏季組夏南牛血清HSP70含量極顯著高于秋季組,雖然夏季2個組間含量無顯著差異,但通過架設(shè)遮陽網(wǎng),減少了夏南牛血清中熱休克蛋白的表達(dá),證明架設(shè)遮陽網(wǎng)對緩解夏季高溫條件下夏南牛的應(yīng)激反應(yīng)有一定的效果。酶的活性受溫度影響,夏季高溫的特點導(dǎo)致酶的活性升高,代謝速率增快,自由基增多,自由基的強氧化性導(dǎo)致機體的抗氧化能力紊亂,細(xì)胞受到氧化損傷進(jìn)而影響肉牛的繁殖和生產(chǎn)性能[30]。SOD是廣泛存在于機體內(nèi)的一種過氧化物分解酶,在消除自由基、維持機體氧化平衡和抗氧化損傷起著至關(guān)重要的作用,SOD代表著機體消除自由基的能力[31],T-AOC代表著機體抗氧化系統(tǒng)和自由基的代謝狀態(tài),是反應(yīng)機體抗氧化能力的重要指標(biāo)[32]。彭孝坤等[33]研究發(fā)現(xiàn)在急性熱應(yīng)激狀態(tài)下山羊血清中SOD和T-AOC活性顯著降低。武思同等[34]通過熱應(yīng)激狀態(tài)下放牧妊娠母牛也得出了相同的結(jié)論。在本試驗中,相比較于秋季組,夏季組T-AOC、SOD 含量顯著降低,與前面描述的結(jié)果相一致。T-AOC、SOD活性的降低的原因可能是因為,在夏季高溫的狀態(tài)下,夏南牛機體產(chǎn)生大量自由基,氧化平衡紊亂,長期的高溫大量消耗體內(nèi)的抗氧化劑[35],T-AOC、SOD含量降低導(dǎo)致機體自身無法完全消除自由基,發(fā)生氧化損傷,抗氧化能力受損。架設(shè)遮陽網(wǎng)后夏南牛血清中T-AOC、SOD含量升高,說明通過減少陽光直射來達(dá)到一定程度上降溫的措施,對減少夏南牛的氧化損傷起到了一定的作用。甲狀腺激素是營養(yǎng)代謝的重要指標(biāo),在動物生長繁殖中發(fā)揮著重要的作用,血液中甲狀腺激素濃度受到諸多因素的影響,包括品種、年齡、性別、季節(jié)和溫度等[36]。甲狀腺激素通過促進(jìn)糖、脂肪和蛋白質(zhì)的分解氧化,增加機體的產(chǎn)熱量與耗氧量。在熱應(yīng)激狀態(tài)下,為了減少機體的代謝產(chǎn)熱維持自身的熱平衡,受到溫度刺激的下丘腦-垂體-甲狀腺軸應(yīng)激系統(tǒng)使甲狀腺激素分泌減少[37]。在本試驗中,在夏季高溫條件下,夏南牛血清中T3和T4的顯著降低,與前文的結(jié)論保持一致。COR作為應(yīng)激反應(yīng)下腎上腺分泌的一種糖皮質(zhì)激素,在機體的熱調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用,在急性熱應(yīng)激條件下,血清中COR的濃度會升高[38]。本試驗中,在高溫的夏季,夏南牛血清中COR的濃度有明顯的升高,與以上研究結(jié)果一致。

在應(yīng)激狀態(tài)下,合成T3、T4所需求的甲狀腺過氧化氫酶等活性降低,為了抵抗應(yīng)激反應(yīng),腎上腺活動增強,COR分泌增多,COR的不斷分泌抑制甲狀腺軸的分泌活動,減少甲狀腺激素釋放激素(thyroid hormone-releasing hormone,TRH)和促甲狀腺激素(thyroid stimulating hormone,TSH)的分泌,進(jìn)而減少T3的分泌,同時COR的不斷分泌阻礙了T4向T3的轉(zhuǎn)化,對抗應(yīng)激反應(yīng)起著一定的積極作用[39],在本試驗中,夏季高溫導(dǎo)致夏南牛處于應(yīng)激狀態(tài),通過對COR和T3、T4的檢測,發(fā)現(xiàn)COR濃度升高和T3、T4濃度降低,呈顯著負(fù)相關(guān),證實該機制是機體對應(yīng)激反應(yīng)的一種保護機制。HSP70可以通過參與調(diào)節(jié)糖皮質(zhì)素受體對COR的產(chǎn)生起到一定的調(diào)節(jié)作用[40],Rollo等[41]研究發(fā)現(xiàn),COR含量較高的個體HSP70含量較低,Basu等[42]研究表明在魚腹腔中注射皮質(zhì)醇可以減少熱應(yīng)激后HSP70的表達(dá)。在本試驗中,夏季高溫條件下,皮質(zhì)醇含量雖然增加,但HSP70含量沒有減少,原因可能是高溫導(dǎo)致夏南牛應(yīng)激程度較大。相關(guān)研究表明,熱休克蛋白的作用不是抵抗熱應(yīng)激,而在熱應(yīng)激后的修復(fù)過程起到重要作用[43],長期的高溫條件致使機體發(fā)生氧化損傷,自由基增多,體內(nèi)抗氧化劑被大量消耗,抗氧化劑含量減少。本試驗通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),SOD和HSP70、HSP90呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān),與上述結(jié)論相一致。在夏季高溫環(huán)境下,夏南牛呼吸急促,CO2大量排出,血液中碳酸根離子減少,血液碳酸根/碳酸氫根緩沖對失去平衡,血液pH升高,嚴(yán)重時可能會誘發(fā)呼吸性堿中毒,引起肺部損傷,段滇寧等[44]認(rèn)為熱應(yīng)激引起的肺部損傷與氧化損傷關(guān)系密切,所以血液中的T-AOC、SOD含量降低,同時熱休克蛋白為了修復(fù)氧化應(yīng)激損傷大量表達(dá),在本試驗中,RR與T-AOC、SOD呈顯著負(fù)相關(guān),與HSP70、HSP90呈顯著正相關(guān),是機體對夏季高溫帶來的氧化應(yīng)激做出的連鎖反應(yīng),以減少熱應(yīng)激帶來的損傷。同時,躺臥時間和T-AOC、SOD呈正相關(guān),其原因可能是夜間溫度降低,夏南牛通過睡眠緩解白天高溫帶來的氧化損傷。

4 結(jié) 論

夏季高溫環(huán)境使夏南牛產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng),為了適應(yīng)環(huán)境的改變,其行為發(fā)生改變,同時呼吸頻率和直腸溫度升高,導(dǎo)致血液應(yīng)激相關(guān)指標(biāo)發(fā)生改變,表現(xiàn)為抗氧化能力受損,熱休克蛋白和皮質(zhì)醇含量增加以及甲狀腺激素異常改變。架設(shè)遮陽網(wǎng)減少陽光的照射,夏南牛直腸溫度上升幅度減小,血漿中皮質(zhì)醇和熱休克蛋白含量減少,抗氧化能力得到一定的恢復(fù)。綜上所述,可以通過夏南牛行為以及相關(guān)血液指標(biāo)的變化對其應(yīng)激反應(yīng)做出評價,并通過架設(shè)遮陽網(wǎng)等措施來緩解其應(yīng)激反應(yīng)。