熱應激對母豬繁殖性能的影響及其作用機制

王明威劉遠佳顏欣欣

（1華南農業大學獸醫學院，廣東廣州 510642；2浙江伊科拜克動物保健品有限公司，上海 200063）

熱應激對母豬繁殖性能的影響及其作用機制

王明威1劉遠佳2顏欣欣1

（1華南農業大學獸醫學院，廣東廣州 510642；2浙江伊科拜克動物保健品有限公司，上海 200063）

熱應激可對母豬繁殖性能造成負面影響，這種影響在子代豬生長發育的特定時間仍能顯現出來。熱應激對母豬妊娠不同階段的影響是不一樣的，其中妊娠早期母豬對熱應激敏感。這其中涉及的作用機制包括熱應激導致的內毒素 （LPS）直接和間接性作用于卵巢，使得促黃體素、促卵泡素以及雌激素等激素的分泌紊亂阻滯了胚胎形成；而機體內高濃度的胰島素則激活了磷脂酰肌醇3-激酶 （PI3K）信號通路，介導了卵母細胞的凋亡，在熱應激狀態下自噬和細胞凋亡則幫助了機體對有限的能量和物質的重新利用，同時對有毒物質進行清除。本文綜述了熱應激對母豬繁殖性能的影響以及其中的作用機制，可為熱應激的防控提供一些理論上的指導。

熱應激；母豬；繁殖

我國養豬業由家庭散養模式逐漸發展為高度集約化模式，這種飼養模式提高了生產成績，但也削弱了豬對環境的適應能力，其中包括豬群的抗熱應激性能。“熱應激”是指動物機體處于高溫環境時所作出的非特異性生理反應的總和。熱應激限制了母豬胚胎發育，擾亂了母豬的神經-體液調節，導致母豬采食量下降、產奶量減少，仔豬腹瀉率上升、繁殖性能抑制，嚴重時可引起豬死亡[1,2]。2017年7月以來，我國大部分地區遭受了高溫熱浪的襲擊，其中四川盆地和長江中下游部分地區更是迎來超過40℃的高溫，對我國養豬業造成了嚴重的經濟損失。隨著全球氣候變暖形勢日趨嚴重，熱應激將會成為制約養豬業發展的重要因素，為了對抗豬群的熱應激而進行定向遺傳選育是養豬業發展的必然趨勢。本文通過對豬的遺傳育種與抗熱應激的關系、熱應激對母豬繁殖性能的影響及其作用機制進行綜述，期望能對養豬業抗熱應激工作有所幫助。

1 遺傳選育與熱應激

在過去的五十年中，遺傳選育充分激發了豬的遺傳潛力，大幅提高了豬的生產性能，是現代化養豬業的中心環節。然而，通過遺傳選育在改善豬生產和繁殖性能的同時，也增加了豬對環境的敏感性[3]。Zumbach等[3]研究育肥豬的胴體重與抗熱應激間的遺傳相關性表明，溫帶地區經選育豬會增加對熱應激的敏感性，而該現象同樣在經選育奶牛的相關研究中報道過。Bloemhof等[4]對溫帶地區豬（約克夏）和熱帶地區豬（大白）進行了溫度對不同氣候條件地豬的繁殖性能影響的研究，結果表明飼養環境溫度的逐漸上升均對不同地區豬造成了繁殖障礙，表現為母豬產仔率降低、窩產仔數下降。約克夏豬在低于最適溫度范圍的上臨界溫度（UCT）時得到更好的繁殖成績，但當溫度逐漸高于UCT時，溫度因素對約克夏繁殖性能的影響比大白豬更為顯著，大白豬的抗熱性能更為優良。以上研究說明不同氣候條件地區豬的抗熱應激性能表現出明顯的差異性，遺傳育種提高了豬只對環境的敏感性，這給豬場帶來了較多的負面影響。然而，在遺傳育種技術不斷提高的今天，這或許是解決熱應激問題的一個契機。Bloemhof等[4]的研究表明飼養于熱帶地區的大白豬或許可以作為選育母系進行抗熱性的遺傳選育。然而，在實際的養豬生產中，需要考慮的是在特定氣候條件下選育出來的抗熱性能優良的豬能否在多樣化的氣候條件下仍然保持優良的生產和繁殖性能。有研究表明在特定環境下選育的抗熱性能優良的豬，并非能在多樣化的氣候條件下仍保持良好的生產性能[5,6]。因此，為了確保在實際育種計劃中滿足不同地區的選育要求，應根據實際情況選擇不同氣候條件下抗熱性能的親本。這一理論對我國南方的豬抗熱應激遺傳選育有著重要的指導性意義。

2 熱應激對豬繁殖性能的影響

2.1 熱應激抑制母豬繁殖

繁殖是物種延續的一個基本條件，良好的生理條件才能保證物種繁衍生息。對于恒溫動物而言，環境溫度對機體的生理狀況有著重要影響，繼而影響著動物的生長、發育和繁殖。在養豬生產中影響豬繁殖性能的因素眾多，其中包括飼料營養、管理水平、品種差異以及各種原因導致的應激[7-9]。熱應激造成的母豬繁殖障礙每年給養豬業帶來巨大的經濟損失[10]。熱應激對母豬繁殖性能的影響在生產成績上表現為產仔率低、窩產仔數低以及死胎和畸形比例高[11-13]。夏彩鋒等[12]研究發現，某豬群從2月份起平均產仔數和平均產活仔數上升，7月份以后明顯下降，下半年各月份的平均產仔數普遍低于上半年，8月份窩產死仔數最高。袁焰平等[13]研究發現，在6～10月期間配種的母豬產活仔數和平均產仔數水平較低，且發現當環境溫度每升高1℃會導致大白豬的產活仔數和平均產仔數分別下降0.02045頭和0.01347頭。由此可知，熱應激對母豬繁殖性能的影響較大。不同妊娠時期受到熱應激對繁殖性能影響不同，其中妊娠早期對熱應激更為敏感。Tompkins等[14]將妊娠早期的母豬暴露于高溫飼養環境中飼養5天，發現在妊娠第27天時其有效胚胎的數量為6.8，明顯少于適溫對照組的11.0。Sakatani等[15]的研究結果表明相當一部分季節性繁殖障礙是由早期胚胎對高溫敏感導致。這是因為此時大多數胚胎基因組尚未激活，不能對熱應激產生有效的防御性反應。

2.2 子宮熱壓力對子代豬的影響

熱應激導致的表觀遺傳現象在許多動物中被發現，它主要包括子代生長發育、模仿行為以及生長代謝發生改變。由于豬的皮下脂肪厚、汗腺不發達以及生產中長期對生長速度和瘦肉率的定向選育導致豬對熱應激特別敏感。熱應激狀態下的妊娠母豬體內高水平的胰島素以及限飼行為可能會對母豬的胎體代謝和激素水平產生影響。Boddicker等[16]首次證實了熱應激會對妊娠母豬產生表觀遺傳現象，發現子代的背膘厚和體內的胰島素水平發生了改變。這種表觀遺傳特征會在仔豬特定的生長階段表現出來，Johnson的研究很好地證實了這一點。Johnson等發現母豬子宮內的熱壓力會使得子代豬在脂肪增長期（60～90 kg）實現更快速的脂肪堆積（相較于無子宮熱壓力的對照組）[17]，而在瘦肉增長期（30～60 kg）并沒有發現這一現象[18]。這或許是因為受子宮內熱壓力影響，胎體趨向于降低瘦肉比而提高脂肪比，以盡可能降低內源性產熱來適應熱應激環境，這種表觀遺傳在脂肪生長期（60～90 kg）表現出來。子宮內熱壓力還會削弱子代豬的體溫調節能力，導致子代豬的體溫輕微升高（0.3℃），并且這種體溫的上升是由自體產熱導致的[6,17,18]。盡管這種體溫改變的幅度非常細微，但在豬生長過程中長期累積會提高料肉比（熱增耗提高），降低了經濟效益。Boddicker等[16]通過RNA測序技術檢測了豬肝組織、脂肪組織以及背最長肌組織的mRNA，表明mRNA翻譯模式的改變是熱應激對妊娠期母豬產生表觀遺傳的原因。

2.3 熱應激對體外胚胎培養的影響

由于在體內進行熱應激相關研究存在許多的困難，體外卵母細胞成熟和胚胎培養模型的建立使得研究溫度對胚胎發育的影響機制的工作有了重要的突破。體外培養模型模擬了卵母細胞和胚胎發育成熟的過程。研究表明，妊娠前卵母細胞成熟階段對環境熱刺激敏感[19,20]。熱應激對妊娠早期的影響已有大量的報導，也在體外胚胎培養的試驗中得到證實。Ju等[21]發現熱應激會改變體外培養的豬卵泡細胞核和細胞骨架的形態，這種變化阻滯了卵泡的發育。Isom等[20]將一細胞胚于42℃下培養9小時，發現在第5天時熱應激組胚胎細胞凋亡率（45.6%）明顯高于對照組（26.7%），第7天熱應激組囊胚形成率（8.8%）遠低于對照組（20.6%）。以上多項研究證實了熱應激對豬胚胎培養的早期階段是敏感的，而隨著胚胎的發育，熱應激的負效應逐漸減弱，胚胎的抗熱能力逐漸增強。體內和體外胚胎對熱應激的耐受能力表現出不同。李華威等[22]研究發現豬卵巢于36±2℃的運輸溫度下，試驗組與對照組的囊胚形成率無顯著差異，而在36～38℃飼養的母豬的繁殖性能會受到影響[23]。張啟耀等[24]發現體外培養的卵裂前胚胎39℃處理12小時后，胚胎發育率未發生變化，這表明39℃高溫對體外培養的胚胎沒有影響。因此，熱應激對動物繁殖性能的影響是由環境溫度與動物機體生理條件相互作用決定的。熱應激作用于母豬導致其體內蛋白酶基因表達異常以及有害物質的釋放或許是造成母豬繁殖障礙的原因。

3 熱應激抑制母豬繁殖性能的作用機制

3.1 LPS誘導的信號轉導對卵巢功能的影響

在熱應激狀態下，組織血液趨向于流向外周毛細血管以便散發機體熱量，導致了腸道缺氧。腸壁細胞對氧氣和營養物質缺乏高度敏感，在其供應不足的情況下，消耗大量腸壁細胞內ATP并產生氧自由基和氮自由基[25]，氧自由基和氮自由基作用于腸壁從而破壞了細胞壁的完整性，大量的毒性物質進入血液循環中，其中包括由革蘭氏陰性菌產生的內毒素脂多糖（LPS）[26]，這些不斷增加的內毒素損害了卵巢功能[27]。從生殖的角度來看，LPS誘導的生殖力低下的現象可能與LPS可以通過體液循環直接作用在卵母細胞有關，因為卵巢中濾泡液LPS含量與體液循環中LPS的濃度保持協調一致[28]。Bromfield和Sheldon[29]的研究發現，在山羊中LPS會作用于卵巢皮質外植體，引起卵巢閉鎖加劇而導致原始卵泡數量減少。在嚙齒類動物中，LPS暴露在體內，也會減少原始卵泡的數目，可能是由于 Toll樣受體 4（TLR4）基因表達量發生變化介導了卵巢閉鎖加劇[27]。這一假說在母豬中得到驗證。Bidne等[30]發現暴露于LPS的母豬卵巢中TLR4基因表達大幅下調，并且卵巢中的許多卵泡發生萎縮。除了對卵泡的直接影響外，機體內循環的LPS還會作用于下丘腦-垂體-卵巢軸間接地影響著卵泡的發育與成熟。盡管，目前暫無太多關于LPS對母豬的生殖激素影響的研究，但研究發現了對斷奶仔豬下丘腦-垂體-腎上腺顯著的影響。Touchette等[31]發現暴露于LPS的斷奶仔豬中類固醇類激素分泌增多。LPS在機體內會誘導炎性反應并產生大量的細胞因子，而這些細胞因子作用于丘腦-垂體-腎上腺而影響神經內分泌功能[32]。因此，LPS可能最終會影響到生殖激素的分泌。這一假想在非繁殖階段母羊中得到驗證，LPS抑制它的促黃體生成激素釋放，同時會刺激催乳素和皮質類激素的分泌[33]。LPS還會改變垂體前葉激素的分泌。Herman等[31]對母羊注射LPS后，運用RT-PCR技術檢測發現促黃體素受體基因的mRNA發生下調，而促卵泡素受體和催乳素受體的mRNA均發生上調。因此，LPS對繁殖性能的抑制還可能是因為介入機體的神經體液調節，使得用于促進排卵和維持妊娠的各種激素分泌紊亂，打亂了正常的繁殖生理過程。

3.2 胰島素對卵巢功能的影響

在熱應激的狀態下，胰島素分泌上升的現象在多種動物中發現，而這種高胰島素血癥可能會影響到卵巢功能。其中的一個作用機制是血漿中高濃度胰島素激活了磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）信號通路，而該信號通路的激活介導卵母細胞凋亡[34]。在特殊的生理狀態時，如多囊卵巢綜合征和肥胖癥等，胰島素水平會上升并導致一系列繁殖問題包括產卵能力降低和妊娠失敗率上升。Nteeba等[35]發現將母豬暴露在高溫環境中，其卵巢中的胰島素受體基因表達顯著上升，表明在熱應激狀態下卵巢對胰島素濃度上升敏感。除此之外，熱應激使得類固醇酶類基因表達上調，影響著雌二醇的合成，還會改變卵巢中濾泡液微環境，限制卵母細胞的發育[36,37]。因此，可能是因為母豬在熱應激狀態下，胰島素濃度逐漸上升，激活了胰島素誘導信號作用于卵巢，阻滯了胚胎發育，導致了母豬受精后有效胚的數量減少。

3.3 自噬對卵巢功能的影響

自噬是一個吞噬自身細胞質蛋白或細胞器，使其包被進入囊泡，并與溶酶體融合形成自噬溶酶體，降解其所包裹的內容物的過程，藉此實現細胞本身的代謝需要和某些細胞器的更新。自噬過程可以分解為細胞質細胞器被包被入囊泡、自噬體的形成、自噬體與溶酶體的融合和最終的消化。在正常的生理狀態和應激狀態下，均在卵母細胞和胚胎中觀察到自噬現象，而自噬相關基因的缺失對早期和后期胚胎發育有著負面影響。Tsukamoto等研究發現，對小鼠自噬相關基因敲除會導致卵母細胞不能發育至四細胞胚階段。除此之外，發情期的熱應激壓力會導致豬卵巢內自噬信號發生改變。具體而言，熱應激提高了自噬誘導標記分子的豐度，其中包括Beclin 1和LC3-II標記分子。Beclin 1主要參與自噬體的形成，而LC3-II是一種促進自噬體膜膨脹的核心組成部分。自噬和細胞凋亡共同參與上游調控，對細胞命運至關重要。它們均通過BCL2進行調控，BCL2既可以與Beclin 1互作抑制自噬，也可以與BAX互作抑制細胞凋亡。最初，低水平磷酸化的BCL2與Beclin 1作用減弱，誘導發生細胞自噬。隨著BCL2的過度磷酸化對BAX作用減弱，誘導發生細胞凋亡。因此，BCL2的磷酸化狀態反映了機體受外界應激壓力水平。這為熱應激狀態下的卵母細胞能量和物質的利用進行了很好的調節。在應激狀態下，激活了卵巢內的細胞自噬加強了對能量物質的循環利用，而非應激狀態下則可更多地激活細胞自噬，清除“垃圾”進行解毒。該種調節模式或許對卵母細胞的發育有著積極的作用。

4 結語

綜上所述，熱應激對母豬繁殖性能損害嚴重。然而，目前我們對熱應激的研究還比較淺顯。如何在豬群中篩選出抗熱性能優良的個體，選育出耐熱型豬需要進一步研究，并且熱應激對母豬繁殖性能抑制的作用機制仍不甚明確。對熱應激更深入的研究，將對我國養豬業長期健康穩定的發展有著重要意義。

[1]Nardone A,Ronchi B,Lacetera N,et al.Climatic effects on productive traits in livestock [J].Veterinary Research Communications,2006,30(1):75-81.

[2]Renaudeau D,Collin A,Yahav S,et al.Adaptation to hot climate and strategies to alleviate heat stress in livestock production [J].AnimalAn InternationalJournalofAnimal Bioscience,2012,6(5):707.

[3]Zumbach B,Misztal I,Tsuruta S,et al.Genetic component of heat stress in finishing pigs,parameter estimation[J].Journal of Animal Science,2008,86(9):2076-2081.

[4]Bloemhof S,Eh VDW,Merks JW,et al.Sow line differences in heatstress tolerance expressed in reproductive performance traits[J].Journal of Animal Science,2008,86(12): 3330-3337.

[5]Eh VDW.A resource allocation model describing consequences of artificial selection under metabolic stress[J].Journal of Animal Science,2004,82(4):973-981.

[6]Johnson JS,Boddicker RL,Sanz-fernandez MV,et al.Effects of mammalian in utero heat stress on adolescent body temperature[J].International Journal of Hyperthermia the Official Journal of European Society for Hyperthermic Oncology North American Hyperthermia Group,2013,29(7):696-702.

[7]雷東風.夏季母豬飼養管理 [J].中國豬業,2015,10(6): 63-65.

[8]胡燕蓉,胡蘭銀,任祥.不同母豬品種的繁殖性能觀察[J].畜禽業,2008(7):23-24.

[9]陳旭,譚輝.熱應激與豬子宮內膜炎的關系及解決方法[J].中國豬業,2016,11(6):43-45.

[10]St-Pierre NR,Cobanov B,Schnitkey G.Economic losses from heat stress by US livestock industries[J].Journal of Dairy Science,2003,86(5):E52-E77.

[11]Bertoldo M,Grupen CG,Thomson PC,et al.Identification of sow-specific risk factors for late pregnancy loss during the seasonal infertility period in pigs[J].Theriogenology,2009,72(3): 393.

[12]夏彩鋒,方建新,李菊峰.高溫對母豬產仔數的影響 [J].養豬,2006(4):12-13.

[13]袁焰平,秦春娥,王振華,等.溫度對母豬產仔性能影響的分析及適宜配種方案的探討[J].養豬,2011(5):25-30.

[14]Tompkins EC,Heidenreich CJ,Stob M.Effect of post-breeding thermal stress on embryonic mortality in swine[J].Journal of Animalence,1967,26(2):377-380.

[15]Sakatani M,Alvarez NV,Takahashi M,et al.Consequences of physiological heat shock beginning at the zygote stage on embryonic development and expression of stress response genes in cattle[J].Journal of Dairy Science,2012,95 (6):3080-3091.

[16]Boddicker RL,Seibert JT,Johnson JS,et al.Gestational heat stress alters postnatal offspring body composition indices and metabolic parameters in pigs[J].Plos One,2014,9(11): e110859.

[17]Johnson JS,Sanz-fernandez MV,Patience JF,et al.Effects of in utero heat stress on postnatal body composition in pigs:II.Finishing phase[J].Journal of Animal Science,2015c,93 (1):82-92.

[18]Johnson JS,Sanz-fernandez MV,Gutierrez NA,et al.Effects of in utero heat stress on postnatal body composition in pigs:I.Growing phase[J].Journal of Animal Science,2015b,93 (1):71-81.

[19]Tseng JK,Tang PC,Ju JC.In vitro thermal stress induces apoptosis and reduces development of porcine parthenotes[J].Theriogenology,2006,66(5):1073-1082.

[20]Isom SC,Prather RS.Heat stress-induced apoptosis in porcine in vitro fertilized and parthenogenetic preimplantationstage embryos[J].Molecular Reproduction&Development,2007, 74(5):574.

[21]Ju JC,Tseng JK.Nuclear and cytoskeletal alterations of in vitro matured porcine oocytes underhyperthermia[J].Molecular Reproduction&Development,2004,68(1):125-133.

[22]李華威,朱淑文,華修國,等.卵巢運輸溫度對豬卵母細胞體外受精和發育的影響[J].中國獸醫學報,2004,24(6):617-618.

[23]苗玉濤,李廣東,王健誠,等.豬舍溫度對豬繁殖性能的影響[J].北方牧業,2015(2):23.

[24]張啟耀,田文儒,高善頌,等.預熱誘導HSP70表達對高溫引致胚胎損傷的保護作用[J].畜牧與獸醫,2009,41(9):67-69.

[25]Lambert GP,Gisolfi CV,Berg DJ,et al.Selected Contribution:Hyperthermia-induced intestinal permeability and the role of oxidative and nitrosative stress[J].Journal of Applied Physiology,2002,92(4):1750.

[26]Hall DM,Buettner GR,Oberley LW,et al.Mechanisms of circulatory and intestinal barrier dysfunction during whole body hyperthermia[J].American Journal of Physiology Heart&Circulatory Physiology,2001,280(2):H509.

[27]Pearce SC,Mani V,Boddicker RL,et al.Heat stress reduces intestinal barrier integrity and favors intestinal glucose transport in growing pigs[J].Plos One,2013,8(8):e70215.

[28]Herath S,Williams EJ,Lilly ST,et al.Ovarian follicular cells have innate immune capabilities thatmodulate their endocrine function[J].Reproduction,2007,134(5):683.

[29]Bromfield JJ,Sheldon IM.Lipopolysaccharide reduces the primordial follicle pool in the bovine ovarian cortex ex vivo and in the murine ovary in vivo[J].Biology of Reproduction,2013,88 (4):98.

[30]Bidne K.Lipopolysaccharide exposure in swine alters ovarian toll-like receptor 4 expression [J].Journal of Animal Science,2016,94(supplement 5):523.

[31]Touchette KJ,Carroll JA,Allee GL,et al.Effect of spray-dried plasma and lipopolysaccharide exposure on weaned pigs:I.Effects on the immune axis of weaned pigs[J].Journal of Animal Science.2002,80(2):494-501.

[32]Mandrup-Poulsen T,Nerup J,Reimers JI,et al.Cytokines and the endocrine system.I.The immunoendocrine network[J].European Journal of Endocrinology,1995,133(6):660.

[33]Herman AP,Romanowicz K,Tomaszewska-Zaremba D.Effect of LPS on Reproductive System at the Level of the Pituitary of Anestrous Ewes[J].Reproduction in Domestic Animals,2010, 45(6):e351-e359.

[34]Liu H,Luo LL,Qian YS,et al.FOXO3a is involved in the apoptosis of naked oocytes and oocytes of primordial follicles from neonatal rat ovaries[J].Biochemical&Biophysical Research Communications,2009,381(4):722-727.

[35]Nteeba J,Sanz-fernandez MV,Rhoads RP,et al.Heat Stress Alters Ovarian Insulin Mediated Phosphatidylinositol-3 Kinase and Steroidogenic Signaling in Gilt Ovaries[J].Biology of Reproduction,2015,92(6):148.

[36]Gosden RG,Hunter RH,Telfer E,et al.Physiological factors underlying the formation of ovarian follicular fluid[J].Journal of Reproduction&Fertility,1988,82(2):813.

[37]Fortune JE.Ovarian follicular growth and development in mammals[J].Biology of Reproduction,1994,50(2):225.

S852

：A

：1673-4645(2017)08-0029-05

2017-08-16

王明威（1992-），男，江西樂平人，碩士研究生，E-mail：1371083127@qq.com