能量負平衡導致奶牛繁殖力下降的機制進展

馮肖藝,郝海生,杜衛華,朱化彬,崔 凱,趙學明*

(1.中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所,北京 100193;2.青島農業大學動物科技學院,青島 266000)

近幾年,乳制品行業經營中管理和營養等方面在不斷變化[1],奶牛的生產效率逐步提高[2],牛奶產量不斷增加[2]。然而,現代高產奶牛在產犢后需每天提供約40 L牛奶,這導致其出現代謝紊亂[3]和繁殖障礙[4]等問題。研究表明,產奶量與繁殖力之間存在著拮抗關系[5],高產奶牛的繁殖力不斷下降[2-3,6],妊娠率從55%下降到35%[7],這種下降與牛奶產量增加、奶牛生理和管理變化有關[7]。奶牛具備良好泌乳性能的先決條件是定期生產后代[8],因此,繁殖力低是現代乳制品行業關注的主要問題[9]。繁殖力不僅是影響奶牛平均產奶量[8,10]、平均產奶天數[8,10]、后代數量、世代間隔[8]和乳制品行業經濟[8,11]的主要因素,還與奶牛妊娠期間的健康密切相關[11]。其中,能量平衡是與繁殖性能關系最密切的營養指標[1]。能量平衡(energy balance,EB)是指維持和產奶的能量總和與所需攝入能量之間的差異[1,5]。產后泌乳奶牛早期的能量狀況是影響生殖性能的主要因素[2],EB水平可調節與卵巢功能相關的繁殖和代謝參數[12],EB不僅對卵泡發育、卵母細胞和胚胎質量以及奶牛產后首次排卵時間有影響[6],哺乳期EB還與妊娠率呈正相關[5]。

奶牛健康和繁殖最關鍵的時期是圍產期[13]和哺乳期[3],在此期間,產奶量快速增長[4],代謝和營養需求迅速增加[14]。然而,當奶牛無法通過消耗足夠的飼料來滿足生產牛奶的能量需求[15-16],產奶和維持的能量需求超過能量攝入時[15-17],奶牛就會發生能量負平衡(negative energy balance,NEB)[3-4,12,18-21]。NEB是奶牛泌乳早期的一種生理現象[16],更易發生于高產奶牛[15-16,22],會影響奶牛的健康、產奶效率和奶質量[23-24]。NEB與繁殖力之間的相互作用已被充分證實[14,17,25],其會導致奶牛繁殖力下降[14,17,22,24,26-27]以及泌乳性能受損[16]。此外,NEB的程度和持續時間因奶牛的遺傳價值、產犢前身體狀況、產奶量、采食量和飲食而異[13,28],是奶牛產后卵巢周期恢復正常的重要決定因素[29-30]。探究NEB導致繁殖力下降的機制[23]以及參與NEB發生的遺傳基礎[16],并提出有效的解決方法[31],可以促進奶牛的健康并加快其產后排卵的恢復[31],降低泌乳早期NEB的強度和持續時間[6,10],提高奶牛繁殖力[16]。因此,本文總結了NEB導致奶牛繁殖力下降的內分泌機制和代謝機制,旨在為提出緩解NEB的有效方法提供參考。

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1 能量負平衡對繁殖力的影響

NEB不僅會導致奶牛代謝紊亂[16-17]、繁殖性能變差[4,13,16]、生育能力受損[13,17,32-33],還會導致產后卵巢周期紊亂[16,34]、功能受損[5,9]以及卵巢活動恢復延遲[16,32]。其中,產后卵巢活動恢復延遲是奶牛產后再次受精的主要障礙[31]。此外,NEB還會導致奶牛出現發情障礙[9]、發情周期延長[5,10,13,31-32]、產后早期排卵延遲[27,31,35-37]以及奶牛免疫功能降低[5,24-25,33]等問題。奶牛產后首次排卵發生在能量平衡最低點之后幾天,因此,到能量平衡最低點所需的時間越長,產后首次排卵的延遲時間就越長[2]。產后首次排卵的間隔時間不僅與開始恢復EB的時間有關[34],還與繁殖后期的受孕率相關[6]。研究表明,卵母細胞和胚胎的質量[8]以及受孕率、早期胚胎死亡率是影響高產奶牛繁殖機制的主要因素[5,9],提高卵母細胞和胚胎質量對于解決高產奶牛的低生育力問題至關重要[8]。然而,NEB會損害卵母細胞、胚胎的發育[38]和質量[9,32]以及卵泡發育[32],導致胚胎存活率[5,10,16,32]和受孕率降低[16,31-32]。此外,NEB還會改變輸卵管和子宮對胚胎發育的支持,降低早期胚胎的發育能力及其成功觸發母體識別的能力,對母體妊娠的維持產生負面影響[32]。

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奶牛的營養狀況是影響卵泡生長、成熟和排卵能力的重要因素,其主要是通過影響下丘腦促性腺激素釋放激素(gonadotropin-releasing hormone, GnRH)和垂體促性腺激素的分泌直接介導或間接通過生長軸介導[10]。生長激素(GH)是一種調控奶牛泌乳的垂體激素[15]。生長激素能夠通過增強促性腺激素受體功能來增強促性腺激素的作用[15,45]。研究表明,外源性GH通過引起代謝反應,能夠獲得更高的牛奶產量,奶牛的高產奶量與GH濃度呈正相關[2]。哺乳期開始與GH增加有關,GH促進營養物質分配,主要在肝臟和脂肪中,從而支持產奶[15],并且GH和IGF-1協同調節奶牛的哺乳期[15]。此外,奶牛產后恢復排卵是一個協調過程,包括肝臟中GH和IGF-1軸重新偶聯、卵泡發育和類固醇生成增加以及下丘腦中雌二醇負反饋消除[31]。

2.2.2 人工濕地凈化技術 國外大量修建恢復自然濕地和人工濕地，作為控制暴雨徑流面源污染的重要手段[9]。國內對人工濕地也開展了很多研究，種植風車草、香根草的人工濕地對氮、硝態氮和磷的吸收分別達到79%、96%和25%～98%[10]。人工濕地對總氮去除率達60%[11]；用燈心草、香蒲人工濕地來凈化城鎮污水，燈心草和香蒲濕地對污水的去除率達到了80以上[12]。生態溝渠系統和人工濕地備受人們關注。

2 能量負平衡導致繁殖力下降的內分泌機制

妊娠的建立和維持依賴于母體下丘腦-垂體-性腺軸之間的相互作用[31],動物能量狀態的生理途徑是復雜的[5,40],包括特定的營養物質和底物以及代謝物[5,40],營養控制的激素水平在繁殖過程中起主要作用[41]。在生產系統中,生殖軸能量平衡狀態的主要內分泌信號是生長激素(growth hormone,GH)-胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)系統、胰島素(insulin)和瘦素(leptin)等[30,34,42]。這些激素集體作用于卵巢促進卵泡發育和排卵[15],對類固醇生成、卵母細胞成熟和早期胚胎發育有直接影響[5,40],是能量平衡影響奶牛生育能力的重要介質[5,10,42](圖1)。每種激素也可以直接通過卵巢上各自的激素受體起作用,因此,哺乳期通過涉及GH、IGF-1和胰島素的激素連接與生殖事件相關聯[15]。Cavestany等[42]研究表明,產犢前3周補充能量能夠增加產奶量,并對卵巢活動的重新開始產生積極影響,這與產前更好的EB、較高的IGF-1、瘦素和胰島素水平以及產后早期較高的胰島素水平相一致[42]。

圖1 營養影響卵巢卵泡功能的內分泌機制[10]Fig.1 Endocrine mechanisms by which nutrition affects ovarian follicular function[10]

研究表明,產后早期NEB與下丘腦-垂體-卵巢-子宮軸之間存在相互作用[8],阻礙了卵泡的發育過程[8],并且NEB會干擾內分泌穩態[43],內分泌紊亂導致產后卵巢周期性恢復延遲,是導致奶牛繁殖力下降的主要因素[3,8,14]。其中,NEB主要影響內分泌激素促黃體生成素(luteinizing hormone,LH)、GH、胰島素和IGF-1以及瘦素的水平,這些內分泌機制直接通過影響卵巢對促性腺激素的敏感性或間接通過降低LH濃度和脈沖性抑制高產奶牛卵泡的生長[8]。NEB通過抑制LH脈沖頻率以及降低胰島素和IGF-1濃度延遲奶牛產后首次排卵的時間并抑制了優勢卵泡產生雌激素[28]。奶牛卵泡生長在卵巢水平上取決于這些激素水平,然而,每種激素的獨立貢獻很難確定,當營養得到改善時,每種激素都會發生協調變化[15]。

2.1 能量負平衡影響促黃體生成素的機制

奶牛體內細胞能量代謝穩態的調控是必要的,以適應分娩和泌乳[51],然而,奶牛泌乳早期極易發生NEB,會導致奶牛代謝紊亂[18,52],并損害高產奶牛的健康和生育能力[18]。泌乳早期血漿中代謝物非酯化脂肪酸(nonesterifiedfatty acid,NEFA)和β-羥基丁酸(β-hydroxybutyrate,BHBA)的濃度與能量平衡之間密切相關[5]。高產奶牛NEB導致繁殖力下降與代謝物濃度的變化有關,代謝物的水平能夠直接或間接地改變卵泡功能,導致排卵延遲[2]。NEB會導致代謝物BHBA和NEFA的循環水平增加[8,34,53]。此外,高產奶牛排卵延遲與NEB導致血漿代謝激素葡萄糖濃度低有關[2,47](圖2),葡萄糖作為營養物質對生殖有重要影響,其低水平會導致促性腺激素FSH和LH濃度降低[50]。

IGF-1響應于生長激素從肝臟釋放,調控著奶牛的生長和哺乳期[15]。IGF-1不僅能夠增加LH結合位點的數量以增強LH刺激雄烯二酮和黃體酮產生的能力,還能增強卵泡細胞對LH的反應性,并促進卵泡分泌雌二醇,這是排卵發生的先決條件[10],血漿雌二醇濃度與IGF-1水平高度相關[28]。營養引起的全身IGF-1濃度變化與卵巢活性有關[45],營養作用部分通過IGF-1介導,對產后奶牛恢復排卵產生影響[10]。血漿中較高的IGF-1濃度能夠促進哺乳前期早期排卵的恢復[5,34],并且產后早期IGF-1濃度與受孕率相關[5]。奶牛血清中的IGF-1濃度對卵泡發育至關重要[8,28]。產后快速恢復排卵的奶牛和未排卵的奶牛相比,IGF-1水平高出40%～50%[28]。IGF-1濃度的增加增強了細胞發育和顆粒細胞增殖的能力,這表明IGF-1直接影響垂體和下丘腦功能[10]。研究表明,IGF-1直接刺激卵母細胞成熟、促進胚胎發育以及提高胚胎質量[8],奶牛血液中IGF-1濃度不僅與胚胎存活之間呈正相關[8],還與身體狀況、營養攝入[10]以及能量狀態呈正相關[5,8,28],因此,IGF-1是營養調控生育能力的潛在激素介質[5]。此外,調節激素生物活性的IGF-1結合蛋白也會隨能量平衡的改變而發生變化[8]。

研究表明,NEB所影響的激素和代謝環境與LH脈沖的長期抑制有關[35],會降低LH脈沖頻率[8,10,28,31]和卵巢對LH刺激的反應性[6,28,33]、抑制LH分泌[28,32]并導致雌二醇濃度降低以及發情較差[6,33],損害卵泡發育、卵泡細胞功能和卵母細胞發育能力[31],最終導致排卵延遲[8,28,33]。NEB奶牛的優勢卵泡必須更大才能建立起能夠觸發排卵的血液雌二醇濃度,因此延遲了排卵[6]。其中,LH峰缺失會導致無排卵[3]。研究表明,NEB會導致卵泡生長速度降低并且變小[6],而在NEB最低點之后出現的卵泡比之前直徑更大[6,10,28],具有更快的生長速度[10],以及雌二醇分泌增多[6],促進了排卵[6,10,28]。此外,NEB雖然不影響中小型卵泡的數量,但會影響優勢卵泡的大小和排卵[10]。

2.2 能量負平衡影響生長激素的機制

高產奶牛通過動員脂肪和肌肉來支持泌乳早期的產奶量,然而這會導致身體狀況較差,嚴重的NEB通過多種機制降低奶牛的生育能力[13]。其中,NEB會引起奶牛體內激素和代謝物濃度的改變[32],這影響了奶牛的繁殖力[13,29]。研究表明,奶牛通過動員脂肪組織和骨骼肌蛋白中脂質來緩解NEB,這個過程是通過內分泌和代謝適應來實現的[29],初產奶牛的代謝和內分泌狀況更不平衡,其NEB恢復難度更大[34]。營養狀況在調節參與繁殖過程的許多內分泌激素和代謝物的濃度以及卵泡發育方面起著至關重要的作用,在產犢后泌乳開始時NEB期間尤其明顯[3,32]。NEB奶牛的內分泌、代謝和生理狀態都發生了顯著變化[9,33],這些途徑的破壞在很大程度上損害了奶牛的生育能力[31]。此外,用于評估奶牛能量平衡的參數并不是單一的,不能單獨使用,并且代謝物還會通過與控制卵巢功能和繁殖過程的內分泌激素相互作用來影響奶牛的繁殖力[30,39],其中,瘦素的血漿濃度與血漿胰島素和葡萄糖的濃度呈正相關,與生長激素和非酯化脂肪酸的血漿濃度呈負相關[10]。

然而,在NEB期間,由于肝臟生長激素受體下調,GH-IGF軸解偶聯,這與IGF-1濃度降低和GH濃度升高有關[46]。奶牛在產后的前4～8周內經歷一段時間的NEB,在此期間,由生長激素、生長激素受體和IGF-1組成的生長軸功能異常,在循環中存在GH水平升高和IGF-1水平降低的現象[15],并且這些激素濃度的變化與高產奶牛分娩后排卵延遲有關[2,47]。NEB會改變GH-IGF軸的適應性,這會降低循環IGF-1的生物利用度,是EB狀態對生殖功能的關鍵介質[13]。此外,NEB通過對輸卵管和子宮環境的作用延遲第一次排卵的時間并降低受孕率以及降低奶牛產后子宮恢復的能力[13]。

2.3 能量負平衡影響胰島素的機制

胰島素介導營養狀況對子宮和胚胎的影響,以及對卵巢卵泡發育和排卵的影響[47],胰島素影響著奶牛產后卵巢周期性恢復[39,42],在產后到第一次排卵的間隔中起著重要調節作用[10,28,45]。胰島素不僅直接作用于卵巢,增加卵巢對LH和FSH的敏感性[15,47],還對卵巢細胞有直接影響[5,47],包括刺激顆粒細胞增殖[5,22]、黃體細胞分泌黃體酮[5]以及生成孕酮、雌二醇[22]、卵泡膜細胞中的雄激素[22]。在泌乳早期,增加胰島素濃度不僅可以促進產后排卵[45],增加在此期間排卵奶牛的比例[39],還能夠促進優勢卵泡的分化和成熟,從而增加優勢卵泡在LH激增時排卵的機會[30,42]。Webb等[45]研究表明,將胰島素輸注到母牛體內會擴張優勢卵泡的直徑和提高能量不足母牛的排卵率[45]。Omari等[3]研究表明,通過增加胰島素進行良好的飼養管理,可降低發情周期紊亂的發生率[3]。胰島素作為影響垂體前葉LH釋放的代謝信號,在調節卵巢對促性腺激素的反應中起作用[10],其刺激卵巢黃體酮和雌二醇的產生[42]。胰島素還促進卵泡對促性腺激素的反應[8],從而促進卵泡生長[8,28,34,42,45],對卵母細胞的發育也有直接刺激作用[8]。此外,胰島素抵抗減少了具有胰島素依賴性葡萄糖轉運蛋白的組織對葡萄糖的攝取,從而保存了用于牛奶合成的葡萄糖[47]。胰島素作為介導營養攝入急性變化的物質[45],在能量代謝穩態的控制中起著核心作用,其濃度與能量攝入呈正相關[34,42]。

問題1 本節課研究直角三角形的邊角關系，想研究邊與角的關系，首先需要確定一個角，再研究它與兩邊的關系，前面研究過任意兩邊的和、差關系，接下來研究比商關系：存在幾種兩邊比商關系？

2.4 能量負平衡影響胰島素生長因子的機制

抗生素微生物檢定法作為抗生素檢測的傳統方法，通過對標準品和供試品溶液所產生抑菌圈直徑大小的比較分析，所得的實驗結果直觀可靠，且真實地反映了抗生素的抑菌能力[14]。但實際操作中，對人員操作技能要求較高，影響因素較多，測定用菌懸液不易保存，需定期傳代，單次實驗耗時較長等問題[15]。而高效液相色譜法操作簡單，影響因素較少、抗干擾強、用時短、結果準確、可靠。

在圍產期,奶牛通常處于嚴重的NEB狀態,血液中礦物質、維生素[49]和營養素的濃度會降低[47]。研究表明,瘦素濃度隨體重和體脂百分比的變化而變化,奶牛在泌乳早期會失去超過60%的體脂,瘦素濃度也有所降低[34]。產后瘦素濃度降低部分是由于NEB,因為產后未泌乳的奶牛中血漿瘦素濃度仍然很高[34]。NEB時奶牛體內瘦素的減少與產后周期性恢復延遲以及第一次發情間隔延長有關[34,42],并且從分娩到第一次排卵的間隔與從分娩到瘦素最低點的間隔相關[34]。瘦素的循環濃度在妊娠晚期下降,即使能量平衡有所改善,產后瘦素濃度仍然很低[46]。此外,瘦素影響采食量,這也導致圍產期奶牛出現外周胰島素抵抗[46],瘦素的血漿濃度與胰島素的血漿濃度呈正相關[50]。

2.5 能量負平衡影響瘦素的機制

瘦素是另一種與能量平衡相關的激素,瘦素的循環濃度與身體狀況評分密切相關[46]。瘦素是食欲中心的共同調節因子[43],其參與EB的調節,表示體內白色脂肪組織沉積物的數量[42],瘦素濃度隨體重和體脂百分比的變化而變化[34]。瘦素主要由白色脂肪組織分泌,作為下丘腦區域的能量儲備信號,控制新陳代謝和內分泌功能,以維持能量穩態[34]。當瘦素增加到臨界閾值0.250～0.312 nmol·L-1以上時,瘦素在下丘腦-垂體軸的激活和隨后的卵巢活動恢復中發揮著作用[34]。瘦素水平較高能夠縮短奶牛產后至第一次排卵的間隔[34]。瘦素作為奶牛繁殖能力的主要調節劑,通過調節采食量和卵巢中的局部效應來調節卵泡大小和卵母細胞質量[42],瘦素是高產奶牛能量狀態和卵母細胞質量之間聯系的關鍵因素[8]。研究表明,瘦素在體外卵母細胞成熟過程中刺激減數分裂進程,其對成熟卵母細胞周圍的卵丘細胞有抗凋亡作用,并且能夠增強卵母細胞和胚胎的發育能力,從而幫助發育出更多更好的優質囊胚[8]。生殖性能較好的奶牛具有較高濃度的瘦素和IGF-1[34],這表明IGF-1和瘦素是NEB奶牛生殖軸的主要內分泌信號[34]。

研究表明,奶牛生育能力下降與產后NEB以及胰島素濃度降低有關[28,45]。NEB會降低胰島素濃度[8,10,28],這抑制了肝臟生長激素受體和胰島素生長因子的分泌,導致生長軸功能障礙[15,33]。NEB期間,血液中低濃度的胰島素會對生殖產生負面影響,不僅會導致胰島素無法與促性腺激素協同作用于卵巢細胞[48],降低卵巢對促性腺激素的反應[15],阻止顯性卵泡排卵[48],導致發情周期不規律[3,39,45],還會影響類固醇的生成和卵泡的大小[42],這延遲了卵巢周期性恢復[33,42]。此外,胰島素濃度低減少了雄激素和雌二醇的產生,從而損害了卵泡獲得LH受體的能力,導致卵泡發育受阻[10]。

奶牛發生NEB時,會導致血液中IGF-1濃度降低[13,22,42],低濃度的IGF-1不僅會影響卵巢功能和早期胚胎發育[13]、延遲產犢后的子宮修復[10,13],還會導致母牛生育能力下降[13]并損害犢牛的生長[32]。NEB早期,卵泡產生足夠的雌二醇進行排卵的能力取決于血清中胰島素和IGF-1的濃度以及不斷變化的能量平衡譜[28],并且NEB奶牛恢復排卵由IGF-1的分泌介導,圍產期IGF-1的循環濃度是NEB奶牛在分娩后恢復周期性能力的良好指標[34]。NEB影響卵泡發育的生理機制與IGF-1有關,IGF-1會改變卵泡對促性腺激素的敏感性和卵母細胞質量,并與子宮容受性和胚胎著床有關[6]。NEB還改變了輸卵管和子宮內膜的IGF系統[6],低濃度的IGF-1對卵泡和胚胎發育有害[8],也導致子宮內的微環境較差[8],使子宮無法維持早期胚胎存活[8],影響了子宮容受性和胚胎著床[6],這是NEB高產奶牛受孕率[8]和生育能力[6]低以及早期胚胎死亡率高的原因之一[8]。此外,NEB還導致IGF結合蛋白(IGF-binding proteins,IGFBPs)的循環濃度降低[10]。由于IGFBPs運輸并增加胰島素樣生長因子(insulin-like growth factors,IGFs)的半衰期,NEB引起低濃度的IGFBPs將限制IGFs作用于卵泡中的靶細胞,從而限制IGFs與垂體促性腺激素協同作用以刺激細胞增殖和類固醇生成[10]。

3 能量負平衡導致繁殖力下降的代謝機制

奶牛的生殖事件主要由促性腺激素(促黃體生成素和促卵泡素)控制[15,44]。促黃體生成素的內分泌調節機制復雜,隨著奶牛的營養和生理狀況而變化[10]。LH和IGF-1協同作用以促進卵泡發育[33],在黃體酮升高(周期性動物的黃體期)的情況下,LH脈沖頻率保持在每4 h一個脈沖,顯性卵泡經歷閉鎖;在卵泡期(周期性動物的排卵前期),LH脈沖頻率增加到每1 h一個脈沖,這刺激了卵泡最終成熟[35]。產后早期LH脈沖頻率的增加刺激了卵泡分泌雌激素,對于排卵前卵泡生長、雌二醇分泌和優勢卵泡排卵是必要的[10,28],并且在很大程度上決定了卵巢周期性恢復[35]。在自發性黃體水解過程中,隨著黃體酮濃度下降、LH脈沖頻率增加、促性腺激素釋放激素脈沖分泌頻率增加[10]以及雌二醇濃度增加,從而誘發排卵[10,35]。LH脈沖頻率與發情期[10]和產后優勢卵泡排卵[35]密切相關[10],是排卵延遲的主要原因[28]。此外,排卵前LH激增是恢復減數分裂所必需的關鍵信號,并且能夠引起顆粒細胞產生類固醇,從主要是雌激素的一種環境轉變為一種產生孕激素的環境,LH的分泌和排卵前LH激增確保了卵母細胞的發育能力[8]。

圖2 能量負平衡影響繁殖力的代謝機制[8]Fig.2 Metabolic mechanisms by which negative energy balance affects fecundity[8]

3.1 能量負平衡影響β-羥基丁酸的機制

泌乳初期的奶牛通常不能通過喂養來滿足其能量需求,因此奶牛會調動體內脂肪,從而產生酮體,包括β-羥基丁酸(BHBA)等[37]。酮體是一種小分子物質,主要由肝臟在禁食、長時間運動和限制碳水化合物時通過血液循環的脂肪合成[54-55],肝臟釋放的酮體能夠充當大腦和心臟等組織的替代燃料來源[51]。BHBA是奶牛體內最主要[56-59]、最豐富[54]的酮體,積聚在卵泡液中,其不僅是能量的被動載體,還具有多種信號功能[54]。奶牛飼喂高能量日糧或低能量日糧,其BHBA的濃度有所不同[59]。此外,脂肪組織中的可用脂肪是能量代謝的主要來源,在營養不足時,奶牛脂肪代謝的增加和全身對這種情況的適應可以通過血液BHBA濃度來監測[59]。研究表明,BHBA與哺乳早期EB之間的關聯已經確立,并且反映了身體儲備的增強和營養物質對牛奶生產的分配[5]。

NEB奶牛利用體內脂肪來滿足產奶的能量需求,然而如果過量,從體內脂肪中釋放的NEFA會抑制肝臟使用脂肪酸作為燃料的能力,被轉化為酮體,如丙酮、乙酰乙酸和BHBA[49,58]。血液中一定濃度的BHBA是泌乳早期對NEB正常適應的一部分[51],然而,NEB期間BHBA的濃度明顯升高[27,51,54],表明脂質動員和脂肪酸氧化,過多的脂質動員與代謝和生殖障礙有關[11]。NEB會導致血液中酮體BHBA濃度增加[60],高濃度的BHBA會干擾卵泡和子宮微環境[54],導致發情持續時間變短,從產后到開始第一次發情的時間間隔較長[54],隨著NEB的嚴重程度以及BHBA濃度的增加,奶牛的生育能力會受損[6,54]。此外,奶牛NEB易引發酮癥等代謝紊亂[58,60],酮癥會導致血液和牛奶中BHBA濃度升高[61-62]。酮癥通常發生在泌乳早期[60],酮癥奶牛會食欲不振,這會進一步加劇NEB[49]。產后血液中BHBA升高可直接損害卵母細胞質量、顆粒細胞活力和隨后的胚胎質量[54]以及奶牛健康[51],導致產奶量減少,影響生殖[6,51],導致產后奶牛的生育能力下降[51,54]。

3.2 能量負平衡影響非酯化脂肪酸的機制

脂肪酸(fatty acid,FA)是具有不同長度和飽和度脂肪鏈的羧酸,是所有活細胞的基本成分,其作為生物膜、細胞信號傳導(類固醇激素和前列腺素)和能量底物(例如二?；蛉；视?的組分具有重要作用[63]。在營養不足期間,通過激素敏感性脂肪酶的作用,脂肪組織儲存的脂質中FA脫酯化,導致血液循環中NEFA暫時升高,以應對身體的能量需求[63],NEFA介導許多不良代謝作用[64]。NEFA是運輸儲存在脂肪組織中的甘油三酯(triacylglycerol,TG)到其利用部位的載體[64]。NEFA從脂肪組織釋放到血液中,與血漿白蛋白結合在血液中循環,NEFA被肝臟和心肌等組織利用,血漿NEFA是以脂肪與蛋白質復合物形式產生肝脂質的主要底物[64]。此外,NEFA周轉迅速,在血漿中半衰期約為2～4 min,NEFA周轉是TG分泌和血漿TG濃度的決定因素[64]。

嚴重和不受調節的脂肪分解是各種代謝性疾病的標志,如NEB等,NEB導致奶牛體液中NEFA水平持續升高[63]。奶牛產犢后易發生NEB,為了補償NEB并保持高產奶量,奶牛動員體內大量脂肪[9],主要以非酯化脂肪酸(NEFA)的形式,作為能量來源釋放到血液中[16,56-57],增加了脂肪酸的循環濃度[52,57-58],脂肪酸是牛奶生產的重要能量底物[59]。然而,這會導致NEFA水平升高[30],對卵母細胞質量和奶牛的免疫反應產生不利影響,血漿NEFA濃度>0.6 mmol·L-1通常用作判斷奶牛NEB的指標[56],NEFA濃度升高還會增加酮癥的風險[54]。血漿NEFA的濃度與NEB程度呈正相關[14],其是神經中樞提供飲食狀態的潛在信號[8]。高濃度的NEFA是NEB導致優質奶牛生育能力下降的機制之一,其不僅影響卵巢功能[58],還會抑制細胞成熟,導致卵母細胞質量、受精率、卵裂率和囊胚率降低[8],損害了母牛的生產性能和犢牛的生長[33]。此外,在代謝譜中顯示,參與脂質代謝和膽固醇轉運的基因在NEB奶牛中表達更高,然而,在NEB奶牛中涉及細胞分裂(BIRC5、CCNB1、CCNE2、CDC20、SKA2、UBE2C、ZWINT)和DNA修復(POLE2、UNG)方面的基因表達水平較低[64]。其中,BIRC5編碼Survivin蛋白,Survivin蛋白作為細胞凋亡的抑制劑,對細胞分裂起著至關重要的作用[65]。在NEB奶牛中表達較低的基因還包括11個編碼組蛋白的基因,組蛋白是染色質中將DNA包裝成核糖體的主要蛋白質,其通過乙?；⒓谆土姿峄姆g后修飾在調控基因轉錄中起著核心作用[64]。在產后早期,NEB奶牛經歷代謝失衡會對免疫系統提出更高的要求,參與免疫反應的關鍵基因也會上調表達(DEFB13、HP、OAS1、PTX3、TLR4)[64]。

4 展 望

NEB通過影響奶牛的內分泌和代謝導致奶牛的繁殖力下降,從而影響生產效率,因此,探究NEB導致奶牛繁殖力下降的機制并提出緩解NEB的方法已成為研究熱點。與大量關于內分泌紊亂的研究不同,NEB的典型代謝參數目前研究還較少,并且生殖內分泌軸和代謝內分泌軸之間的相互作用和關系目前尚未很好地界定。代謝物β-羥基丁酸酯和非酯化脂肪酸已有較多研究,以及脂肪因子在圍產期脂肪動員中的作用機制也得到了很好的描述,但目前對肌因子的影響知之甚少。纖連蛋白III型含結構域蛋白是最近發現的肌因子和脂肪因子,在代謝功能障礙中發揮作用。此外,通過檢測血液NEFA濃度來識別NEB需費時費力的采樣,最近已從牛奶樣本中預測出血液NEFA濃度,這表明牛奶代謝物可用作評估NEB和代謝狀態的指標。目前,已開發出一種使用牛奶中紅外光譜來預測血漿NEFA濃度的模型。

乳制品行業面臨的主要挑戰之一是設計飼養方案,以改善采食,促進早期泌乳牛的代謝健康,最大限度地減少奶牛產后NEB的程度和持續時間。最近已有研究表明,β-1,3-葡聚糖有助于改善過渡期奶牛由NEB引發的脂肪代謝紊亂,以及瘤胃保護性葡萄糖也在緩解奶牛NEB方面發揮著重要作用。此外,糖原飲食對生育有益,其能夠促進正常內分泌信號的恢復,促進卵巢活動開始。為了避免未來乳制品生產中的這些問題,采取綜合方法,選擇更健壯的奶牛并終生改善營養管理,并且隨著更好的自動化監控系統的開發,在未來變得更加可行。