动物热应激的生理变化机制

文文 献献 综综 述述 题题 目 目 动物热应激的生理变化机制动物热应激的生理变化机制 1 动物热应激的生理变化机制动物热应激的生理变化机制 摘摘 要要 随着畜牧业产业化和集约化的逐步深入 畜禽应激方面的研究已成为动物研究领域中的一 个热点 有关动物应激机理的研究则更加引人注目 因此 只有彻底弄清楚 HSPs 的调控机制才有 可能了解应激的作用本质 为应激的研究提供参考 从而为动物生产中的应激监测系统提供科学依 据 热应激蛋白 heat shock proteins HSPs 是动物在不良因素作用下所产生的一组特异性蛋白质 任何应激均可诱导机体的 HSPs 合成增加 它能使动物迅速适应环境变化 保护机体不受或少受损 害 HSPs 作为应激的调控蛋白对阐明动物的应激机理有着非常重要的作用 热应激反应的最大特点是在应激蛋白 heat shock proteins HSPs 合成增加 而正常蛋白质的 合成则受到抑制 从而对机体的生长代谢 免疫功能等造成影响 文章综述畜禽热应激发生机制的 国内外研究现状 运用系统动物营养学的思维方法 从动态和整体的角度探讨畜禽热应激生理变化 规律 关关 键键 词 词 畜禽 热应激 生理变化 系统动物营养学 热应激是指动物机体处于高温环境中所做出的非特异性生理反映的总和 随着集约化高密度饲 养方式的迅速发展 热应激对畜禽生产造成的危害越来越受到人们的关注 大量研究显示 热应激 严重影响机体呼吸 循环 消化 免疫和内分泌等系统的功能 使机体新陈代谢发生改变 但有关 畜禽热应激发生发展规律的研究多从静态和局部的角度出发 少有以机体整体为研究对象 动态的 研究热应激发生发展规律的报道 文章运用系统动物营养学的思维方法 以众多学者的研究成果为 基础 从动态和整体的角度探讨畜禽热应激生理变化规律 1 1 畜禽热应激生理变化规律探讨 畜禽热应激生理变化规律探讨 在大量的试验研究中 对温热环境强度量化和统一的困难 可能也是造成各试验 结论不一致甚至相悖的原因之一 能量代谢与物质代谢是机体新陈代谢的 2 个方面 热刺激下机体散热受阻导致能量代谢失衡 引起物质代谢失衡 机体便做出一系列反 映来维持新陈代谢的动态平衡 运动着的事物都有一个发生 变化和发展的过程 因 此可推测机体对热应激的调节同样有一个发生 变化和发展的过程 1 11 1 开始阶段开始阶段 只有能量代谢平衡受到破坏 当温热环境最开始作用于机体时 抑制了机体的散 热 在很短时间内 也许是数十分钟到数小时 无法散发的热量在体内蓄积 引起体 温的细微变化 作用于体内的温度感受器 如颈动脉窦的温度感受器 感受器发出神 经冲动 与体表神经末梢由于温热刺激而产生的神经冲动一同传至中枢神经 中枢首 先从行为调节与加强机体散热上做出反映 机体表现出一系列有利于散热的行为与生 理变化 如静止 伸展四肢及轻微喘息等 1 正如 Zhou 和 Yamamoto 1997 的研究 表明 温度升高使肉鸡呼吸频率升高 此时机体的物质代谢平衡没有受到影响 镉对雌性性腺的生殖毒性及妊娠母体和胎儿发育影响的研究进展 2 1 21 2 发展阶段发展阶段 由能量代谢失衡导致物质代谢失衡 当上述调节不能有效散热 机体散热仍然受 阻时 体内热量会继续蓄积 体温持续升高 正如大量报道显示 热应激下机体体温 显著升高 此时 温度效应器继续被刺激 于是中枢对散热的调节进一步加强 呼吸 频率剧烈上升 体表血管进一步扩张 血流进一步加快 此时饮水的增加是与机体加 强蒸发散热相适应的 有报道指出 高温刺激时肉鸡的呼吸频率从 25 次 min 猛增到 150 次 min 2 这时体温的明显升高破坏了机体内环境中温度的衡定 同时呼吸率的上升引起呼 吸性碱中毒 也破坏机体内环境中 PH 衡定 大量研究都曾指出 热应激时鸡血液 PH 显著升高 而碱储 BE 下降 此时 由于内环境温度和酸碱度平衡遭到破坏 体内 的生命物质 如各种功能蛋白质 核酸等及与之相关的多种生化反应处于不适宜的环 境中 产生了一系列的变化 最明显的如细胞内蛋白质变性 细胞凋亡加速及 HSPs 的 迅速表达等 Wang 等 1998 Zulkifli 等 2002 的研究指出 畜禽在热应激状态下 HSPs 家族得到高表达 这时还可从超微组织结构观察到机体热损 李静等 2004 宁章勇等 2003 的报道 热应激引起肉鸡呼吸 消化 循环 泌尿 内分泌和免疫 等系统的器官组织发生充血 出血和水肿 实质细胞颗粒变性 水泡变性和脂肪变性 此时由热应激造成的热代谢不平衡最终破坏了机体的物质代谢平衡 3 4 1 31 3 严重阶段严重阶段 机体对整体物质与能量代谢进行调节 在发展阶段的基础上 由物质代谢紊乱而 产生的异常或过量化学物质刺激着机体的化学感受器 此时 中枢将接收到从温度与 化学感受器传来的双方面的神经冲动作用 机体将从整体的物质与能量代谢 2 方面来 维持其内环境平衡 一方面 对热平衡的调节 由于散热已发挥到极致 机体将从降 低产热量来试图恢复热平衡 表现为降低采食量 从而减少消化吸收产热 通过抑制 HPT 轴 降低血清甲状腺浓度来降低基础代谢 减少产热 Brigmon 等 1992 呙于 明 1998 赵芙蓉 1993 等都对热应激抑制鸡的甲状腺分泌有过相似的报道 许 多研究指出 耐过缓慢热应激的畜禽 甲状腺明显萎缩 也许可推测 对高温能长期 耐受的机体在根本上是由于其基础代谢的降低 生长在热带地区的哺乳动物 其静止 能量代谢比温带和寒带地区的动物低 正是动物对热长期适应的结果 另一方面 机 体对物质代谢平衡的调节 由于内环境遭破坏 细胞内各种生命物质受损 影响着细 胞内的各种生化反应 威胁机体的生命 HSPs 开始大量合成 作为分子伴侣参与蛋白 质的合成 折叠 装配 运输和通过降解及抗氧化 协同免疫和抗细胞凋亡等作用对 应激和再次出现的应激产生保护和耐受 维持着细胞内环境的稳定 此 时 各 种 蛋 白 大 量 的 HSPs 一些由于变性必需补充的功能蛋白质等 不断合成 同时 HSPs 和一些未知因子对内环境稳定起维持作用 这些都需要消耗大量能量 而此时机体采 3 食量却下降 营养物质供应不足 因此机体从神经内分泌的调节来抑制机体合成代谢 减少非必需的能量消耗 加速分解代谢 为维持机体内环境稳定提供足够的能源 表 现为交感 肾上腺肾髓质系统兴奋 HPA 轴兴奋 HPT 轴兴奋 HPG 轴抑制等 这些 都是机体在应激状态下的非特异性反应 从而使血浆中儿茶酚胺类升高 肾上腺皮质 激素升高 甲状腺素和性激素降低 分解代谢加强 合成代谢降低 大量能量被用于 机体对抗热应激 维持内环境的稳定 1 41 4 结束阶段结束阶段 新平衡的获得或自身调节的失败 最后 当机体从整体的新陈代谢 物质代谢与 能量代谢 上对机体内环境的动态平衡进行调节后 若热平衡得以恢复 则机体对温 热环境表现出适应 采食量 血液生化指标和组织损伤等逐渐恢复 直至接近于正常 但与热应激前相比 最显著的区别就是甲状腺的萎缩 意味着基础代谢的降低 有报 道指出 生长猪在环境温度为 33 条件下饲养 比饲养于 23 环境下甲状腺质量减轻 18 4 g kg 若机体的整体调节仍然不足 则其散热继续被阻碍 体内温度持续升高 内环境 由于温度不断升高受到越来越严重的破坏 最终结果是细胞无法适应高温的内环境 无法完成必需的生命活动而导致机体热死 从另一个角度看 机体死亡后 与环境自 由的进行热交换最终仍然是死亡的机体与环境的物质和能量的新平衡 2 2 畜禽热应激生理变化规律研究现状畜禽热应激生理变化规律研究现状 畜禽的热应激是机体整体对温热环境的反映 十分复杂 在大量的试验中 常常 对动物在热应激情况下的一些行为学 生理学 生理 生化和内分泌激素 和免疫学 指标或参数进行深入研究 2 12 1 热应激对动物呼吸和体温的影响热应激对动物呼吸和体温的影响 动物在受到热应激后体温 呼吸频率和心率快速发生改变 Zhou 和 Yamamoto 1997 的研究表明 温度升高使肉鸡呼吸频率升高 Yanagi 等 2002 报 道 急性热应激时肉鸡深部体温 DBT 逐渐升高 而且环境温度越高对 DBT 的影响 越大 5 2 22 2 热应激对动物内脏器官组织形态与机体过氧化状态的影响热应激对动物内脏器官组织形态与机体过氧化状态的影响 宁章勇等 2003 李静等 2004 都报道 热应激引起肉鸡呼吸 消化 循环 泌尿 内分泌和免疫等系统的器官组织发生充血 出血和水肿 实质细胞颗粒变性 水泡变性和脂肪变性 3 4 鲍恩东等 2004 报道 AA 肉鸡组织脏器在急性热应激初 期即开始出现较明显的组织病理学改变 Aoyagi 1997 报道 短期高温应激使鸡血浆和肝脏中的脂质过氧化物 LPO 含量 镉对雌性性腺的生殖毒性及妊娠母体和胎儿发育影响的研究进展 4 显著升高 林海等 2001 报道 急性热应激下 32 24h 血浆和肝脏中脂质过 氧化物 LPO 显著升高 而过氧化程度升高表明机体在热应激状态下受到损伤 2 32 3 热应激对血液生化指标的影响热应激对血液生化指标的影响 2 3 12 3 1 PHPH Dridi 1993 李静等 2004 及其他一些研究者都曾指出 热应及其他一些研究 者都曾指出 热应激时鸡血液 PH 显著升高 而碱储 BE 下降 在热暴露一定时间后 出现失代偿代谢性酸中毒 然而也有不一致的报道 Altan 等 2000 将 35 日龄肉鸡 在 38 左右热暴露 2h 发现 肉鸡直肠温度升高 但酸碱平衡未受到影响 刘凤华等 1998 研究认为 蛋鸡热应激后 血气指标变化不显著 热应激导致呼吸性碱中毒被认为是由于应激初期呼吸频率升高引起血液中的 CO2 和 H 浓度下降并导致酸碱不平衡而引起 随后发生的失代偿代谢性酸中毒则是由于 热应激后期 分解代谢加强 体内酸性物质积累 同时急促呼吸有所缓和 导致酸碱 不平衡而引起 2 3 22 3 2 血糖和血清酶血糖和血清酶 热应激可导致血糖和血清酶活性变化 在正常情况下 组织特异性酶在血液中的活 性很低 热应激使组织器官受到损伤时 它们从组织器官中溢出进入血液 使血液中 浓度增加 活性提高 Vecerek 等 2002 报道 16 日龄肉鸡体内的血糖浓度随环境 温度的逐渐升高而显著增加 6 Sandercock 2001 报道 32 相对湿度 75 环境中 2h 应激使肉鸡血浆中肌酸激酶 CK 活性显著增加 而且鸡的日龄越大 CK 浓度变 化也越大 关于热应激使肉鸡血浆 CK 浓度增加有大量报道 但也有报道称 有些热应激试验中 并没有发现组织特异性酶的显著变化 可能 作为应激源的温热环境与不同动物对热应激的反应都很复杂 二者通过多种途径影响 血清中的酶活 有待于进一步深入研究 2 42 4 热应激对机体神经内分泌与免疫机能的影响热应激对机体神经内分泌与免疫机能的影响 自从认识到机体应激现象后 对其的经典解释是 应激是机体在各种刺激源作用下 发生的非特异性反应 并进一步认为 动物在受到应激时 包括交感神经 肾上腺髓 质系统 下丘脑 垂体 肾上腺皮质轴 HPA 轴 下丘脑 垂体 甲状腺轴 HPT 轴 下丘脑 垂体 HPG 轴 等神经内分泌轴在内的神经内分泌系统 或兴奋或抑 制 以最大限度调动机体的防御力来抵抗刺激对机体的不良作用 杨明等 2002 2 4 12 4 1 内分泌的变化内分泌的变化 关于热应激对畜禽内分泌的影响有许多研究 主要集中在甲状腺素 T3 和 T4 与 肾上腺皮质激素上 以此反映整个神经内分泌系统的变化 在大量的研究中 一般都 认为机体在热应激下 T3 浓度显著下降 甲状腺明显萎缩或有萎缩趋向 大多数赞同机 体在热应激下血清中皮质激素浓度升高 Brigmon 等 1992 呙于明 1998 赵芙蓉 5 1993 都对热应激抑制鸡的甲状腺分 泌 有 过 相 似 的 报 道 而 Geraert 等 1996 许多研究者则都对鸡热应激状态下肾上腺活动增强 肾上腺皮质类固醇分泌 增加以调节盐 糖 蛋白质及脂肪代谢有过报道 甲状腺激素几乎作用于机体所有的器官和组织 并主要是以 T3 发挥生物学效应 对生长 发育 代谢和组织的分化等各个方面均有影响 它的分泌关系到机体的代谢 和产热 是动物体维持基础代谢的重要激素 也是动物调节产热以维持体内热平衡的 重要激素 而在热应激期间肾上腺分泌的皮质激素以由束状带分泌的糖皮质激素 皮 质醇和皮质酮等为主 它们能维持循环系统对儿茶酚胺的正常反映 抑制肌肉和脂肪 组织对葡萄糖的摄取 促进糖的异生和儿茶酚胺 胰高血糖素和生长素的脂肪动员 及对糖元分解起 容许作用 从而引起相应代谢加强 热应激时甲状腺素与肾上腺皮质激素浓度的变化被认为是分别通过 HPT 轴和 HPA 轴来实现的 机体在热应激状态下 下丘脑 TRH 分泌减少 引起垂体 TSH 减少 HPT 轴的活动受到抑制 甲状腺素分泌减少 最终降低机体的基础代谢 减少产热 维持 内环境平衡 同时下丘脑 CRH 分泌增多 并通过垂体门脉系统转运到垂体前叶刺激 ACTH 分泌和释放 ACTH 可促进肾上腺皮质激素的分泌 HPA 轴兴奋 最终大量的 肾上腺皮质激素进入血液循环发挥生理作用 热应激时交感神经 肾上腺髓质系统兴奋也是机体非特异性反映之一 有关该系 统在畜禽应激反映中的机制研究较少 2 4 22 4 2 热应激对机体免疫的影响热应激对机体免疫的影响 大量研究表明 在热应激情况下 机体免疫机能受到抑制 蔡亚非 杜娟等 2005 在奶牛方面及章勇等 2004 在鸡方面得出相似结论 目前认为 热应激对免疫机能的抑制主要是由于肾上腺皮质激素 GC 分泌增加 与淋巴细胞上受体结合形成复合物 并转移到细胞核 结合在核酸基因的调节位点上 激活基因的转录 转录的 mRNA 进入胞质后 核酸酶基因被翻译成核酸酶蛋白 然后 返回到细胞核并在核粒位点降解基因组 从而扰乱基因转录 导致变异蛋白合成 最 终引起淋巴细胞溶解 抑制机体的免疫机能 可见热应激下 GC 大量分泌 在促进机体的分解代谢以抵抗应激的同时也破坏了 机体的免疫机能 2 52 5 热应激蛋白 热应激蛋白 HSPs 热应激蛋白又称为热休克蛋白 是一切生物细胞在受热 病原体和理化因素等应激 原刺激后 所产生的一类在生物进化中最保守产生的一类在生物进化中最保守的 Buchmeier 1990 7 并由热休克基因编码的伴随细胞蛋白质 Hatayama 等 1997 8 Ritossa 1962 在果蝇的热应激试验中首次发现 按相对分子质量大小及同源程度可 划分为不同的家族 如 HSP70 家族和 HSP90 家族等 其中最主要的是 HSP70 王鹏举 镉对雌性性腺的生殖毒性及妊娠母体和胎儿发育影响的研究进展 6 等 2000 9 Wang 等 1998 Zulkifli 等 2002 及相关的大量研究表明 畜在热应激状态下 HSPS 家族得到高表达 并且机体热耐受力的形成与 HSPS 特别是小分子 HSPS 的 表达有密切关系 现在认为 HSPS 主要是作为分子伴侣参与蛋白质的合成 折叠 装配 运输和通 过降解及抗氧化 协同免疫和抗细胞凋亡等作用 对应激和再次出现的应激产生保护 和耐受 Welch 1993 10 显然 机体在热应激情况下 神经内分泌 免疫机能 HSPS 表达之间发生着密切的联系 它们是机体为了对抗温热环境的不良影响 维持自身平 衡而在整体上对新陈代谢进行的调控 因此 HSPS 又称应激蛋白 stress protein SP 但 习惯上仍称热应激蛋白 它是目前已知的最保守的分子 同一家族内高度同源 11 3 3 小小 结结 大量事实证明 热应激严重影响畜禽的生产性能 降低采食量 日增质量 胴体品 质 饲料转化率 产奶量和存活率等 给畜牧生产造成巨大损失 寻找有效的热应激 防制措施是众多畜牧工作者的共同追求 在大量的研究与实践当中 对畜禽热应激的 防制措施可归纳为 2 个方面 1 对畜禽生存小环境的控制 目标是较快降低小环境的 温度 如对畜禽舍进行隔热和遮阴 使用隔热建筑材料 搭建凉棚 在建筑物周围植 树等 的处理 通过机械通风与自然通风相结合 加强舍内气流速度 使用湿帘或喷 雾装置降温及安装空调等 这类措施大多只能在一定程度上降低小环境温度 无法从 根本上消除热应激的发生 2 通过各类添加剂或改变日粮营养浓度对畜禽机体进行调 控 关于这方面有大量研究 如补充电解质和各种维生素 补铬 饮水中加入葡萄糖 调整日粮能量 蛋白的浓度及在日粮中添加中草药和镇静剂等 但这类措施对畜禽热 应激的缓解效果不一 缺乏效果明显 具有普遍可操作性的防制措施 到目前为止 对畜禽热应激发生机制 发生发展过程的认识不够清晰透彻 是热 应激防制措施研究的阻碍之一 要在热应激防制措施研究上有新的突破 有待于对畜 禽热应激机制更深入的认识 畜禽热应激是机体对不良环境做出的整体反映 在畜禽热应激机制研究中 从动 态与整体的角度来把握 运用系统动物营养学的思维方法 是否会更有利于深入揭示 禽热应激的发生机制 参考文献 参考文献 1 蔡亚非 杜娟 张利军 等 热应激奶牛外周血淋巴细胞凋亡相关基因表达达及血液学分析 动物学 报 J 2005 51 2 286 293 2 林海 杜荣 等 热应激对肉鸡组织过氧化状态的影响 动物营养学报 2001 13 2 30 32 3 李静 37 持续热应激对肉鸡血流动力学和酸碱平衡的影响 D 北京 中国农业大学 2004 4 宁章勇 刘思当 赵德明 等 热应激对肉仔鸡呼 消化和内分泌器官的形态和超微结构的影响 畜 7 牧兽医学报 J 2003 34 6 558 561 5 李燕 鸡热应激蛋白 108