種公雞繁殖性能調控機制的研究進展

孫研研，陳繼蘭

[中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所（畜禽生物育種全國重點實驗室），北京 100193]

種公雞于雞繁育體系具有至關重要的作用。種雞采用人工授精時，種公雞和種母雞的比例高達1∶80～1∶100。種雞采用本交交配方式時，生產后期種公雞交配能力和精液品質的下降也是產業重點關注的種雞管理難點。因此，種公雞的繁殖性能是維持種群高效繁育的關鍵。如何選育提高并維持種公雞較高的繁殖性能成為科研和育種中的熱點話題。

種公雞繁殖性能受到多方面的影響。在遺傳方面，主要精液品質的遺傳參數估計結果表明其具有一定的遺傳變異基礎，通過全基因組關聯分析、蛋白質組學和轉錄組學等多組學分析鑒定與精液量、精子活力等精液品質相關的候選基因和關聯位點，為精液品質和繁殖性能的遺傳選育提供分子技術手段。在營養因素方面，日糧中的蛋白含量低、能量不足、維生素及礦物質等營養元素的缺乏會直接導致種公雞精液品質的降低。維生素、微量元素、植物油、礦物質、氨基酸及其衍生物等生物活性物質可在一定程度改善種公雞精液品質。在飼養模式與環境條件方面，養殖模式和光照等環境因素也會影響種公雞性成熟和繁殖性能的發揮。本文介紹了公雞的生殖生理調控機理，總結了遺傳、營養、飼養模式與環境條件等因素對公雞精液品質和繁殖性能的影響，以期為種公雞繁殖性能的選育、管理和性能調控提供參考。

1 公雞的生殖生理特征

相對于哺乳動物，家禽擁有較為特殊的生殖系統，了解其生殖基礎是提升其繁殖效率的重要前提。

1.1 公雞的生殖系統

公雞生殖系統由睪丸、附睪、輸精管和交媾器4 部分組成。睪丸是精子發生和性激素分泌的主要器官。睪丸發育主要發生在2～15 周，在此階段，睪丸重量沒有明顯的增加，主要是精原細胞增殖，精原細胞的數量決定了睪丸生成精子的能力。15 周齡后睪丸增重明顯，曲細精管管腔內開始出現成熟精子。睪丸重和精液量在28～30周齡達到高峰，受精率最高。35 周齡后睪丸發生萎縮，精液量減少[1]。成年公雞睪丸主要由大量的曲細精管組成，曲細精管緊密排列有精原細胞、精母細胞、精細胞、精子細胞和支持細胞，形成生精上皮。管腔內有精子，曲細精管外壁之間有狹長的間質細胞，支持細胞作為營養細胞為精子發生提供合適的微環境，支持精子發育。間質細胞能產生雄激素，參與睪丸發育和精子發生的調控。

附睪緊貼在睪丸兩側，由睪丸網、輸出管和附睪管構成，參與精子的運輸、成熟、重吸收睪丸網液和濃縮精液等生理過程[2]。輸精管位于睪丸背部，前端與附睪相連，尾端彎曲膨大并埋于泄殖腔內，終端變直開口于泄殖腔兩側，并向泄殖腔內突出形成射精管。公雞沒有真正的陰莖，只有退化的交媾器，由位于肛門腹側緣的生殖突起（陰莖體）、淋巴襞等結構組成。在交配或人工采精時，陰莖體合攏成縱溝翻出泄殖腔，精液流入縱溝而排出體外。

1.2 精子的生成與成熟

精子發生是一種復雜的細胞分化過程，包括精原細胞的有絲分裂增殖、初級精母細胞減數分裂為圓形精子細胞、圓形精子細胞向精子細胞的形態分化3 個階段[3]。研究人員根據頂體發育和核結構的變化將家禽圓形精子細胞向精子細胞的形態變化過程又細分為12個步驟（圖1）[4]。步驟1～3為高爾基體期，主要進行染色質凝結，形成頂體囊泡；步驟4～6 為加帽期，精子細胞核繼續濃縮，形成核內管，頂體形成絲狀結構的原基；步驟7～9 為頂體期，細胞核逐漸拉長，鞭毛被纖維鞘包裹；步驟10～12 為成熟期，細胞核繼續拉長，形成成熟精子。

圖1 家禽圓形精子細胞向精子細胞發育過程[4]

剛從睪丸排出的精子功能尚不成熟。當哺乳動物精子通過附睪時進一步成熟，獲得受精能力。家禽附睪發生一定退化，但近年來越來越多研究表明家禽附睪和輸精管對精子成熟有調控作用[2,5]。

精子發生呈周期性、連續不斷的特征。雞的精子發生周期僅為14d，顯著低于小鼠的35d 和人的64d。一方面可能是由于禽類精原細胞增殖過程中的有絲分裂少于哺乳動物[6]，另一方面家禽精子成熟主要在輸精管內，精子自睪丸經輸精管到泄殖腔只需要24h，成熟時間也顯著短于哺乳動物。

1.3 雞的精子和精液特征

精子一般分為頭部、頸部和尾部三部分，尾部又分為中段、主段和末段。與人類和家畜等哺乳動物精子的扁圓形頭部不同，雞精子頭部呈長圓柱狀，最大直徑僅為0.5～0.7μm，尾部長達80μm[7]。頂體位于精子頭部的頂端，內有大量與受精相關的酶。精子細胞核染色質高度濃縮，線粒體聚集于中段形成線粒體鞘，是精子運動的主要能量來源（圖2）。

圖2 雞精子及各段超微結構電鏡圖[1]

精液中除了精子還有精漿，雞精漿占精液體積的90%以上。由于缺乏精囊腺、前列腺和尿道球腺等哺乳動物的副性腺，附睪不發達，禽類精漿主要成分與哺乳動物有較大差異，主要包括水、糖類、脂類、蛋白質、有機酸、有機堿和無機離子等。精漿具有為精子提供充足的能量、吸收精子代謝產物、緩沖內外環境刺激、維持精子生存環境穩態、輔助精子進入雌性生殖道等多重功能。

2 影響公雞繁殖性能的因素

精液品質與受精率呈顯著相關[8]，是對種公雞繁殖能力的間接度量指標。因此，影響睪丸發育、精子生成等諸多因素均可調控公雞繁殖性能，主要包括遺傳、營養和管理等因素。

2.1 遺傳因素

遺傳參數估計的結果表明，主要精液品質性狀是可遺傳性狀，受遺傳變異的影響。Hu 等[9]估計地方品種北京油雞43 周齡主要精液品質性狀遺傳力，發現精子活率、精子活力和精子畸形率3 個性狀為高遺傳力（h2=0.52、0.85、0.60），精液量、精液顏色和精子密度為中等遺傳力性狀（h2=0.28、0.19、0.12），精液pH 值的遺傳力較低（h2=0.03）。Bongalhardo 等[10]估計白來航公雞26周齡精液量、精子密度和精子活力性狀遺傳力分別為0.27、0.34 和0.26。Kabir 等[11]估計羅德公雞精子活力、精子活率、精液量、精液顏色、精子密度和精子畸形率的遺傳力分別為0.82、0.33、0.45、0.55、0.52 和0.42。Gebriel 等[12]估計埃及地方品種雞46 周精液量、精子密度、精子活力、精子活率、精子畸形率和精液pH 值的遺傳力分別為0.28、0.11、0.32、0.25、0.12 和0.25。整體來看，公雞精液品質性狀屬于中等偏高遺傳力性狀，其中精子活力、精液量、精子活率在不同品種中都具有較高的遺傳力，但精子密度、精液pH的遺傳力普遍較低。

基于精液品質性狀的可遺傳基礎，研究人員采用不同的技術手段解析精液品質的遺傳調控機制，其中最為關注的是精液量和精子活力性狀。Zhang 等[13]通過全基因組關聯分析檢測到7 號染色體上13.82～16.12Mb 與白羽肉種雞精液量性狀顯著關聯的位點，并篩選到脂肪酸結合蛋白1（Fatty Acid Binding Protein 1，FABP1）、氧固醇結合蛋白樣6（Oxysterol Binding Protein Like 6，OSBPL6）和精子特異性抗原2（Sperm Specific Antigen 2，SSFA2）等重要候選基因。精子的頂體膜和其他組分中含有多種精子相關抗原蛋白，其中精子相關抗原6（Sperm Associated Antigen 6，SPAG6）蛋白最早在衣藻的纖毛中發現，參與纖毛形成和運動等過程。隨后在動物的睪丸中也鑒定到SPAG6 蛋白，并確定為一種精子鞭毛中央軸絲微管控制鞭毛運動和穩定性的重要蛋白。Sun 等[1]通過蛋白質組學鑒定到弱精子癥（精子活力低）與正常公雞睪丸中差異表達的SPAG6 等93 個蛋白，是細胞骨架和鞭毛的成分，并參與精子受精、蛋白質轉運和細胞蛋白質定位相關的生物學過程，并進一步證實了SPAG6 在弱精子癥睪丸中表達下調，且其降低趨勢與睪丸發育和衰退速度一致。而SRY 盒轉錄因子5（SRY-box Transcription Factor 5，SOX5）也參與調控了SPAG6的下調表達。通過對北京油雞SPAG6 基因多態性與精液品質和性發育相關性狀進行關聯分析發現，SPAG6 基因SNP 突變與其精液品質顯著相關[14]。

近年來，非編碼RNA（包括lncRNA，miRNA 和piRNA 等）對精液品質的調控作用也成為研究熱點[15,16]。Liu 等[17]在地方品種北京油雞公雞睪丸樣本中鑒定到了518 個已知miRNA，同時預測到了106 個新miRNA，gga-miR-155 在低精子活力公雞睪丸的表達量是高精子活力個體的2.1倍。通過生物信息學工具進行靶基因的預測發現，gga-miR-155 能通過靶向結合鉀電壓門控通道亞家族A 成員1（Potassium voltage-gated channel subfamily A member 1，KCNA1）基因參與調控雞精子活力。Xing 等[18]在海蘭褐父母代的弱精子癥和正常公雞中鑒定出302 個差異表達基因和13 個差異表達miRNA，生物信息學分析發現這些差異表達基因與類固醇激素的生物合成有關。Li等[19]對比了高精子活力和低精子活力北京油雞精漿蛋白質表達譜的差異，發現8 個與糖酵解過程相關的蛋白酶，包括3-磷酸甘油醛脫氫酶（Glyceraldehyde-3-phosphate Dehydrogenase，GAPDH）和 己糖激酶3（Hexokinase 3，HK3）以及3 個線粒體功能相關的蛋白質，包括線粒體磷酸激酶（Creatine Kinase,Mitochondrial 2，CKMT2）、細胞色素c（Cytochrome c，CYC）和精子發生相關蛋白18（Spermatogenesis Associated 18，SPATA18），在低精子活力組高表達的這些蛋白質可能來源于精子鞭毛結構損傷，其在精漿中的高表達可能意味著精子的結構損傷是造成活力下降的主要原因。

除了睪丸中基因和蛋白的表達對精液品質有調控作用外，精子排出睪丸后的成熟過程依然發揮重要的調控作用[20]。其中外泌體是由細胞分泌的直徑為30～150nm 的小囊泡，可以介導細胞間的物質轉運，在配子發育和成熟等生理過程中發揮重要調控作用[20]。Cordeiro 等[21]和Luo 等[22]鑒定了雞精漿外泌體的蛋白質表達譜，將高精子活力組的外泌體孵育低精子活力組的精子，可在一定程度上改善精子運動和受精[21]。Han 等[23]鑒定了雞精漿外泌體的miRNA 表達譜，發現高表達的miRNA 可以靶向調控精子和母雞貯精腺細胞中的mRNA，通過調控精子成熟和雌性生殖道免疫抑制等過程影響精子活力。

2.2 營養因素

2.2.1 能量

能量是保證種公雞正常生長發育的基礎。長期飼喂低能量日糧會導致種公雞精子密度和活力下降。飼喂高能日糧容易導致公雞體重超標，本交籠的雞交配困難，精液品質下降，受精率降低[24]。不同品種公雞在不同生長發育時期的能量需求存在差異。姚會等[24]在海蘭褐種公雞上的試驗表明，11.7～11.9MJ/kg 為22 周齡公雞的適宜能量水平，其精子活力和精液量最佳[24]。王竹偉等[25]指出50 周齡北京油雞公雞的適宜能量水平為11.72MJ/kg。高小芳等[26]研究表明，32周齡廣西三黃雞種公雞的適宜能量水平為11.3～11.7MJ/kg。

2.2.2 脂肪酸

雞精子質膜中含有大量花生四烯酸、二十二碳四烯酸等多不飽和脂肪酸（Polyunsaturated Fatty Acid，PUFAs），與膜流動性、頂體反應和精子活力緊密相關，主要體現在PUFAs 可以穿透精子細胞膜，提高精子質膜的可擴展性，保持其結構和功能的完整性，增強頂體膜的滲透阻力[27]。由于家禽體內缺少脂肪酸去飽和酶，PUFAs 或其前體主要來源是飼料，因此，飼料中添加PUFAs 對提升公雞精液質量具有重要意義[28]。當在公雞的日糧中添加富含2%n-3 PUFA 的魚油40d 后，精子活力、質膜完整性及脂質過氧化反應等精液品質均優于未添加組[29]。47 周齡Ross 種雞飼料中持續13 周添加2%魚油也可以改善其精液質量和繁殖性能，添加魚油組的睪丸激素、精子活力和運動性以及受精率均顯著提高[30]。但由于魚油成本高，在飼料加工和生產過程中也容易變質[31]，一些替代品也在不斷挖掘。如亞麻籽油作為α-亞麻酸的豐富來源，在酶的作用下可以通過去飽和和延伸過程將其轉化為二十碳五烯酸（Eicosapentaenoic acid，EPA）和二十二碳六烯酸（Docosahexaenoic Acid，DHA）[32]。在公雞 日糧中添加2%的亞麻籽油可以改善老齡公雞的精液質量和繁殖性能，同時可以增加其EPA 和DHA 含量[33]。而且亞麻籽油增強精液量、精子活力和精子總數是通過上調參與類固醇生成的限速酶（如類固醇生成急性調節蛋白）的mRNA 表達水平實現的[34]。

2.2.3 氨基酸及其代謝物

一些重要的氨基酸及其代謝產物參與了睪丸發育、精子生成和精子抗氧化等功能的調節，當日糧中氨基酸不能滿足機體需要時，可能會導致繁殖性能下降。在55 周齡肉種雞日糧中添加200～300mg/kg D-天門冬氨酸可以提升睪酮（Testosterone，T）水平以及精子密度、質膜完整性、精子活力和受精能力[35,36]。精氨酸主要參與精子蛋白質魚精蛋白的合成，能有效提高精子質量，增強精子運動能力。除此之外，精氨酸還可以促進生長激素、雄性激素正常分泌，以及精子正常生成。家禽無法通過鳥氨酸循環等生化途徑合成精氨酸。有研究表明，連續3 周在52 周齡Ross 肉種雞日糧添加0.68%的L-精氨酸可以提升T 水平、精子質量和生精能力[37]。胍基乙酸是由精氨酸生物合成的，用來產生肌酸。肌酸被磷酸化后產生磷酸肌酸并產生能量[38]。當添加1200mg/kg 的胍基乙酸時，不僅可以提高肌酸合成效率，保障精子代謝能量，同時可以提升精液量和精子活力，也可以作為抗氧化劑保護精子質膜完整性，有效改善生精小管上皮的厚度，增加精原細胞數量，顯著提高公雞的繁殖能力[39,40]。L-肉堿由賴氨酸和蛋氨酸生成，可向線粒體運輸長鏈脂肪酸參與脂肪代謝，也可以通過調節過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶（Glutathione Peroxidase，GSH-Px）等抗氧化酶的活性來防止脂質氧化損傷[41,42]。在白來航公雞從出雛開始在飼料中長期添加125mg/kg 的L-肉堿可以穩定的提高精子密度[43,44]。而在36 周齡種雞中飼料中添加125mg/kg 的L-肉堿可以顯著提升T 水平和受精率[42]。

2.2.4 維生素

維生素E 又名生育酚，作為重要脂溶抗氧化劑在PUFAs 過氧化反應中起著至關重要的保護作用[45]。在飼料中額外添加天然維生素E 可以顯著影響精子密度、活力、活率及受精率[46]。羅曼褐種雞日糧中添加100mg/kg 的維生素E 可以增加精液量，精子密度和精子活力[47]，地方品種種雞日糧中添加160mg/kg 維生素E 可以提高受精率[48]，而Ross 種公雞需要將添加量提高到200mg/kg 才能有類似的效果[33]。除了單獨添加維生素E，維生素E 與魚油、亞麻籽油以及大豆磷脂一起添加進飼料中均可以提高精液質量及繁殖性能[6,9,13]。

2.2.5 微量元素

硒作為與禽類生殖功能聯系最密切的一類重要微量元素，存在于所有家禽睪丸與精子中，是GSH-Px 的組分，發揮抗氧化作用[47,49,50]。在30 周齡洛島紅公雞飼料中添加0.3mg/kg 的硒可以提高睪丸、精子和肝臟中GSH-Px 的活性，對精子發生、精子質量和受精率提升等均有效果，在火雞、鵝、鵪鶉和鴿等其他家禽中的效果也得到充分驗證[51-53]。

2.3 飼養模式與環境條件

2.3.1 飼養模式

種雞的飼養模式主要有單籠、本交籠和平養。飼養模式對公雞精液量和質量也具有一定的影響。Du 等[54]對比70～210 日齡羅曼父母代種雞在單籠（50cm 長、40cm 寬、45cm 高）、大 籠（200cm 長、100cm 寬、80cm 高，無母雞）和本交籠（200cm 長、100cm 寬、80cm 高，公母配比9∶81）中飼養對公雞性成熟和精液品質等的影響，發現本交籠公雞精液量、精子密度和精子活率高于其他兩組，而且受精蛋孵化率也顯著提高，這可能與本交籠公雞在母雞的視覺刺激和激素刺激下，其促進垂體分泌促卵泡激素（Follicle-Stimulating Hormone，FSH）、促黃體生成素（Luteinizing Hormone，LH）和T 等激素水平較高有關[54,55]。隨著勞動力緊缺和人工成本的不斷上升，種雞場人工授精的成本不斷提升。蛋雞本交籠養模式作為一種新的養殖模式，因具有節約成本，以及便于實現飼養管理自動化、標準化和福利化等優點，正迎來巨大的發展契機[56]。本交籠養模式下每個籠為一個飼養單元，每籠目前常見的飼養量為50 或者100 只雞，公母比例為1∶9～1∶10。有研究表明，在50 和100 只種雞的本交籠中，同一籠內不同公雞的遺傳貢獻率差異顯著，剔除遺傳貢獻率最低的1 只公雞，不影響受精率，且可以降低飼養成本。公雞有效精子數及血清中的FSH、三碘甲狀腺原氨酸（Triiodothyronine，T3）水平與公雞的遺傳貢獻率的相關系數分別為0.79，0.80 和-0.80，可以作為潛在的選擇優秀種公雞的指標[57]。

2.3.2 溫度

種公雞養殖環境的溫度條件也會對其精液品質和繁殖力產生一定的影響。高溫是一種重要的應激源，當環境溫度超過27℃時，雞群會產生熱應激，特別是在濕度較大時熱應激更大。熱應激一方面嚴重抑制雞采食行為和機體代謝，攝入營養不足會導致公雞繁殖性能下降。另一方面，高溫環境直接導致公雞體溫和睪丸溫度升高，生精細胞數量減少[58]，使精子發生的成熟和儲存受到影響，精子DNA 完整性受到破壞[59]；睪丸重和精液量降低，精液成分也發生變化，導致精子密度、活力和活率的下降[60,61]，在雌性生殖道的存活時間顯著降低，凋亡增加[61,62]。此外，睪丸中的支持細胞對生殖細胞的生長發育很重要，FSH 可以刺激支持細胞分泌結合T 的雄激素結合蛋白，熱應激可能通過降低FSH 對支持細胞產生負面影響，從而抑制精子發生[61]。溫度對公雞繁殖性能的影響不只局限于性成熟后。有研究表明，在蛋種雞孵化的第15～17 天每天進行3h 的40℃熱刺激，與對照組相比，成年后公雞的精子活率、抗氧化能力顯著提高，熱應激蛋白基因的表達量顯著降低[63]。

2.3.3 光照

光信號以周期變化、強度和光波長等屬性被光感受器所感知，并轉變成生物學信號，調節動物的生理和行為。家禽的繁殖活動受 “下丘腦-垂體-性腺軸” 的調控。下丘腦分泌促性腺激素釋放激素（Gonadotropin-releasing Hormone，GnRH），促進垂體分泌FSH 和LH。LH 作用于間質細胞膜上的LH 受體，促進T 合成。T 與支持細胞的雄激素受體結合，刺激雄激素分泌，進而刺激精子發生和性征的維持。FSH 則與支持細胞結合，激活腺苷環化酶，促進環腺苷酸（Cyclic Adenosine Monophosphatec，AMP）形成，激活蛋白激酶的活性，促進支持細胞合成和分泌促進曲細精管發育和精子發生的活性物質。禽類對光照敏感，光照可以直接作用于下丘腦或者通過視網膜感受器產生光信號傳遞至下丘腦[64]，引起血液LH 和FSH 濃度變化，影響生殖系統功能。因此，光照也是影響種公雞繁殖性能的一個重要環境因素[65]。在實際生產中，種公雞與種母雞飼養于同一環境中，一般是育成期每天8h 光照，20 周齡左右延長至每天12h，隨后每周逐步增加光照時長，直至25 周齡前后達到每天光照15h 左右，從而刺激其性成熟一致[66]。但也有研究發現，育成期每天光照4h 的公雞性成熟、睪丸重量和精子量與每天光照8h 的公雞無顯著差異[67]。Shi 等[68]對比16、18、20 和22 周光照刺激對白來航和北京油雞種公雞性成熟和精液品質的影響，發現不同組性成熟時間顯著差異，但成年期精液品質和受精率無顯著差異。在光波長方面的研究發現紅光可以促進睪丸增重[69]。在同等能量水平下，長波長的光比短波長的光所含的光子更多，這可能是長波長的紅光對繁殖性狀的刺激作用較短波長的藍光和綠光更顯著的主要原因[70]。

3 小結

不同的品種品系因遺傳背景導致精液品質和繁殖性能存在一定差異，在鑒定基因組和表觀遺傳調控元件基礎上挖掘可以用于分子選育的有效標記至關重要。在營養調控技術方面，飼料營養成分或功能性添加劑對精液品質的影響主要是通過改善精子細胞膜功能和抗氧化能力來實現，有必要的更進一步研究營養元素或抗氧化添加劑等在不同品種和不同周齡群體的最適添加量。此外，種公雞育雛育成期的養殖方式和環境管理對體成熟、性成熟和繁殖性能的維持都具有重要作用，不容忽視。