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热应激对猪肠道健康、免疫系统和肉品质的影响及作用机制

热应激对猪肠道健康、免疫系统和肉品质的影响及作用机制

赛尔畜牧 2017-11-22 17:07:40 |

[导读] 熊云霞,马现永*,郑春田,田志梅,张健,陈伟,胡友军,王丽 广东省农业科学院动物科学研究所,农业部华南动物营养与饲料重点实验室,国家畜禽育种重点实验室,广东省动物育种与营养公共实验室,广东省畜禽育种与营养研究重点实验室

  在实际生产中,热应激导致猪生长性能降低、免疫力减弱以及肉品质下降,给养猪业带来严重的经济损失。因此,研究热应激对猪肠道健康、免疫系统和肉品质的影响规律对指导实际生产具有十分重要的意义。本文就热应激对猪肠道健康、免疫系统和肉品质的影响及分子机制进行综述,并对改善热应激的可行性措施进行总结,为缓解养猪业中热应激带来的猪生长性能和肉品质下降等问题提供理论基础和指导。

  猪是恒温动物,汗腺发育不完善,当环境温度超过猪的热中性区上限时会产生应激,出现咬尾、呼吸急促和不喜采食等行为,新陈代谢和生理机能出现异常,生长性能降低,平均日采食量(average daily feed intake,ADFI)和平均日增重(average daily gain,ADG)降低、料重比(the ratio of feed to gain,F/G)增加;免疫力减弱,血清中炎症因子含量升高,抗病能力降低,致病致死率升高;肉品质下降,肌肉组织和脂肪组织代谢均受影响,肌内脂肪含量下降,脂肪组织中脂肪沉积量增多;且不同生长阶段猪对环境温度的敏感性不同。在中国南方,夏季潮湿炎热,且持续时间较长,给养猪业带来严重的经济损失。本文就热应激对猪肠道健康、免疫系统和肉品质的影响及分子机制进行综述,并总结了改善热应激的可行性措施,为缓解热应激带来的猪生长性能和肉品质下降等问题提供理论基础和指导。

  1 热应激对猪肠道健康的影响

  热应激对猪生长性能的影响,首先表现为采食量和饲料转化率的降低,当环境温度为20℃~30℃时,温度每升高1℃,ADFI降低40g~80g,ADG也随之降低,F/G有所增加。这是由于热应激影响了猪肠道结构的完整性和屏障功能,降低了消化酶活性,破坏了消化道的菌群平衡,使猪的消化吸收功能严重受阻,进一步影响了猪的生长发育。同时,采食量的降低可减少体增热,减轻散热负荷。

  1.1 热应激对猪肠道黏膜的影响

  猪在热应激状态下,肠道热休克蛋白(heatshock proteins,HSP)表达水平上调。为了更好地散热,机体中的血液更多地流向外周组织,导致肠道缺氧,肠细胞对氧和营养物质的缺乏特别敏感,进而导致三磷酸腺苷消耗、氧化应激和亚硝化应激,引起肠道形态结构和渗透性功能发生变化,最终导致肠道屏障功能受损。热应激导致小肠绒毛顶端上皮细胞凋亡脱落,促凋亡因子半胱天冬酶3(caspase-3)、半胱天冬酶8(caspase-8)、半胱天冬酶9(caspase-9)和B淋巴细胞瘤2关联X蛋白(B cell lymphoma 2-associated X,Bax)基因表达水平显著上调,抗凋亡因子B淋巴细胞瘤2(B cell lymphoma 2,Bcl-2)基因表达水平显著下调;各肠段绒毛高度/隐窝深度不同程度地降低,肠黏膜上皮内杯状细胞增多,肠道黏膜结构形成损伤,这在研究热应激对鹅小肠形态结构的影响中也得到了验证。热应激导致的肠道损伤进一步表现在肠道渗透功能和肠道完整性的变化。在生理范围内的热应激会导致肠上皮细胞的渗透性显著增加,回肠和结肠跨膜电阻(transepithelial electrical resistance,TEER)显著降低,肠道完整性降低,热休克因子1(heat shock factor-1,HSF-1)介导调控的封闭蛋白(occludin)表达水平代偿性升高,并伴随肌球蛋白轻链激酶(myosin light chain kinase,MLCK)、酪蛋白激酶Ⅱ-α(casein kinase Ⅱ-α,CK Ⅱ-α)蛋白表达水平上调,紧密连接(tight junction,TJ)蛋白表达水平上调,紧密连接骨架蛋白3(claudin 3)和occludin表达水平上调。利用体外肠细胞培养试验发现,热应激通过蛋白激酶(protein kinase C,PKC)和MLCK信号通路导致人源肠上皮细胞T84屏障功能紊乱,验证了动物试验中热应激对肠道功能造成的影响。热应激对肠道功能的影响,除了影响猪肠道形态结构和增加肠道通透性外,还显著降低相关消化酶的活性,如降低空肠食糜淀粉酶和胰蛋白酶等的活性,进而影响猪的消化吸收功能。不仅如此,热应激还影响肠道内源性蛋白质的氨基酸组成,导致内源性肠道蛋白质和氨基酸损失增加。

  为了从肠道细胞整体范围理解热应激对肠道功能的影响,国内外相关的转录组学和蛋白质组学研究也取得了一定进展。Yu等研究热应激对猪小肠形态和基因表达的影响,对空肠样品进行基因芯片分析发现,热应激处理后基因变化主要集中在折叠蛋白质、调控翻译、调控细胞增殖、细胞迁移和抗氧化调控等方面。Cui等研究持续温和热应激对肥育猪的肠道影响,对空肠黏膜蛋白质组进行分析发现有53种小肠蛋白质的表达水平显著改变,其中18种蛋白质与细胞结构和细胞流动性相关,这可能与肠道完整性和功能降低有关;表达下调的蛋白质主要涉及三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle,TCA)、电子传递链和氧化磷酸化,说明持续温和热应激主要导致了能量代谢紊乱,进而导致了氧化应激。10种涉及热应激应答和防御的蛋白质表达水平的改变说明猪在适应长期热应激和反馈调节热应激所带来的负面效应。

  仅限饲就可引起动物肠道功能、营养物质运输和肠道形态发生改变,热应激对动物造成的影响可能被大幅度降低的采食量混淆并加剧。Pearce等发现间接热应激(常温限饲,减少采食量,采食量与热应激组一样)和直接热应激对猪肠道造成的影响相似,都表现出肠道完整性降低和内毒素渗透性增加。但是对比急性短期热应激和相应的限饲组的猪空肠蛋白质和基因表达谱图发现,直接热应激导致肠道蛋白质和基因表达谱图改变的很大一部分原因并不是因为限饲,因此采食量降低只是热应激对肠道完整性影响的部分原因。直接热应激影响动物的代谢和生长性能,不仅与热应激导致的采食量的降低有关。

  1.2 热应激对猪肠道菌群的影响

  热应激对猪肠道健康的影响一方面表现为对肠道屏障功能和相关消化酶活性的影响,另一方面表现为对肠道菌群代谢的影响。肠道环境存在肠道微生物屏障,是一个由肠道共生菌与宿主形成的微空间结构和微生态系统。当这个微生态系统的稳定性遭到破坏时,容易导致肠道中潜在的病原体(包括条件致病菌)的入侵。有关热应激对鸡肠道菌群影响的研究表明,热应激不仅对肠道结构有显著的损伤作用,对空肠和回肠微生物菌群也有显著影响,导致乳杆菌属的增殖受到抑制,而促进了卵形拟杆菌的繁殖,消化道菌群平衡遭到破坏。这与彭骞骞等研究热应激对肉鸡盲肠菌群多样性影响的结果相一致。

  补充单一或混合益生菌有助于改善热应激造成的肠道菌群失衡,并增强肠道屏障功能。饲粮中添加富硒益生菌后,增加了高温环境中仔猪肠道微生物的多样性,并改善了肠道微生物的组成。张盼望研究表明,屎肠球菌HDRsEf1和枯草芽胞杆菌HDRaBS1复合益生菌制剂可显著降低蛋鸡盲肠大肠杆菌的数量,显著增加回肠乳酸杆菌的数量,使失调的肠道菌群得到改善,且修复肠黏膜,显著上调TJ蛋白的表达水平,多层次地增强肠道屏障功能。Song等研究发现,地衣形芽孢杆菌、枯草芽胞杆菌和胚牙乳杆菌的混合益生菌改善了热应激导致的鸡肠道有益菌数量降低、肠道形态结构和功能损伤。混合益生菌缓解猪的热应激损伤在控制经济成本的前提下,在生产实践中已经得到了一定范围的应用。

  2 热应激对猪免疫系统的影响

  热应激引起猪机体免疫应答,易导致猪的抗病能力减弱,增加了猪的致病致死率。

  首先,热应激破坏猪肠道的完整性,增加内毒素渗透性,猪空肠TEER降低30%,内毒素水平提高45%,脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)渗透系数提高2倍,碱性磷酸酶活性增加。由于毒素渗透导致免疫细胞增多,引起免疫炎症反应,并激活肠道和肝脏的解毒机制。

  其次,热应激可通过影响神经内分泌进而影响机体的免疫功能。应激引起下丘脑-垂体-肾上腺轴(hypothalamic-pituitary-adrenal axis,HPA)反应,导致促肾上腺皮质激素释放激素(corticotropin releasing hormone,CRH)、糖皮质激素(glucocorticoid,GC)、促肾上腺皮质激素(adrenocorticotropic hormone,ACTH)和阿黑皮素(proopiomelanocortin,POMC)等分泌亢进,而这些激素又作用于各种细胞因子和免疫细胞,使机体免疫系统受到影响。热应激刺激猪血清中的炎症因子如白细胞介素2(interleukin-2,IL-2)、γ干扰素(interferon-γ,IFN-γ)及肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor α,TNF-α)的产生,导致白细胞数量显著增加,嗜中性粒细胞百分率降低,嗜酸性、嗜碱性粒细胞以及单核细胞百分率显著增加。Chen等研究发现,热应激通过胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinases,ERK)和核转录因子-κB(nuclear factor-kappa B,NF-κB)途径可导致人类B淋巴细胞Toll样受体9(Toll-like receptor 9,TLR9)的基因表达水平显著增加,热应激导致了免疫系统抑制和疾病的易感。热应激上调了巴马香猪外周血单核细胞Toll样受体2(TLR2)、Toll样受体4(TLR4)、血浆皮质醇和IL-2的基因转录水平,但对白细胞介素8(IL-8)的基因转录水平却无显著影响;利用体外培养的巴马香猪外周血单核细胞模型验证也发现,热应激可刺激TLR2、TLR4及白细胞介素12(IL-12)的基因表达,但对IFN-γ的基因表达有抑制作用。而Ju等研究表明,热应激不仅显著增加了猪外周血皮质醇含量和TRL2、TRL4的基因表达水平,增加了血清中炎症细胞因子的含量,显著降低了血球数和粒细胞数,且影响了CD8 T细胞数和CD4 T细胞与CD8 T细胞的比例。

  此外,研究还发现热应激会抑制免疫器官的发育,引起免疫器官的细胞凋亡。热应激可引起肉仔鸡免疫器官如胸腺、脾脏和法氏囊的发育分化不良,且对免疫器官的组织结构有显著不良影响。

  3 热应激对猪肉品质的影响

  热应激对养猪业造成的经济损失,一方面是由于热应激降低了猪的生长性能,引起免疫系统应答,另一方面是由于热应激影响器官和肌肉代谢以及脂肪沉积,扰乱了能量在脂肪、碳水化合物及蛋白质之间的平衡,导致猪肠道涉及糖分解和TCA路径的几类代谢酶活性降低,进而影响猪的肉品质。

  3.1 热应激对猪肌肉代谢的影响

  持续高温抑制肌肉结构和功能发育,降低肌肉物质代谢能力,促进细胞凋亡以及应激反应,从而影响肉品质。Zhang等发现持续热应激显著增加了肉鸡肌肉中的乳酸含量,改变了肌肉糖酵解途径,降低了肌肉pH,从而降低了肉品质,易导致肌肉亮度增加进而产生白肌肉(pale soft exudative meat,PSE)。其原因可能是热应激导致肌肉中钙离子(Ca2+)调控基因α尼丁受体(α ryanodine receptors,αRYR)、β 尼丁受体(β ryanodine receptors,βRYR)和Ca2+储备蛋白收钙素(Ca2+-storage protein calsequestrin,CASQ)的基因表达水平上调延迟。Hao等用Illumina测序法研究热应激对猪背最长肌microRNA表达图谱的影响,发现热应激主要影响了肌肉组织的葡萄糖代谢、细胞骨架结构和功能以及应激应答。热应激导致丙酮酸脱氢酶激酶4(pyruvate dehydrogenase kinase 4,PDK4)、热休克蛋白90(HSP90)和肌间线蛋白(desmin,DES)的基因表达水平显著上调,酰基-辅酶A去饱和酶(stearoyl-CoA desaturase,SCD)和乳酸脱氢酶A(lactate dehydrogenase A,LDHA)的基因表达水平显著下调,钙调蛋白1(calmodulin 1,CALM1)、DES和低氧诱导因子1α亚单位(hypoxia inducible factor 1 alpha subunit,HIF1α)的蛋白质表达水平显著升高。进一步用亚硫酸盐测序法研究热应激对猪背最长肌和骨骼肌生成与肉品质相关的基因甲基化的影响发现,GC岛区域无显著差异,差异集中在非GC岛区域;差异显著区域主要涉及能量和脂肪代谢、细胞防御和应激应答以及钙信号通路。

  肌纤维组成可影响肉品质的诸多方面,包括肉色、滴水损失、嫩度、多汁性以及风味,影响肌纤维类型转化的因素包括激素、营养及环境,热应激导致的猪机体激素和营养成分的变化可通过影响肌纤维类型的转变从而影响肉品质。根据肌纤维的形态、功能以用生理特点,可分为Ⅰ型肌纤维和Ⅱ型肌纤维。Ⅰ型肌纤维为慢速肌纤维,以氧化代谢为主,多为红肌纤维;Ⅱ型肌纤维为快型肌纤维,多为白肌纤维。Ⅰ型肌纤维的比例与肉的风味存在正相关关系。持续温和热应激会导致猪的白肌纤维数和比例极显著增加,红肌纤维数和比例极显著降低。但也有研究报道表明,持续温和热应激可通过过氧化物酶体增殖活化受体γ共激活因子1α(peroxisome proliferative activated receptor gamma coactivator 1 alpha,PGC-1α)介导钙依赖磷酸酶/活化T细胞核因子(calcineurin/nuclear factor of activated T-cells,calcineurin/NFAT)路径导致哺乳动物肌纤维类型由快肌(Ⅱ型肌纤维)向慢肌(Ⅰ型肌纤维)转化。得到相反结论的可能原因是后者采用的体外肌卫星细胞模型不同于机体个体的应激反应,这个体外模型更贴近于机体的局部热疗模型。且Ohno等研究热应激对鼠比目鱼肌影响的研究结果也与此不一致,Ⅰ型肌纤维的比例在热应激前后并无改变,热应激对于肌纤维类型的转化作用也许存在物种差异。

  3.2 热应激对猪脂肪代谢的影响

  肌内脂肪含量与肌肉嫩度和风味有关,是评价肌肉品质的重要指标之一。肌内脂肪是肌肉风味的重要前提物质,与肉质性状如肌肉pH、系水力和嫩度等具有一定联系。持续高温使生长猪背最长肌的肌内脂肪含量显著下降,从而影响肉品质。

  热应激影响脂肪组织的代谢,脂肪分解代谢基因表达水平下调,脂肪摄入、合成基因表达水平上调,导致脂肪沉积,且脂肪酸的构成比例受到影响。Kouba等发现热应激加强了肥育猪肝脏的脂肪代谢和脂肪组织的脂肪代谢。Qu等发现热应激导致猪肠系膜细胞脂蛋白脂肪酶(lipoprotein lipase,LPL)活性显著升高,脂肪酸摄入和甘油三酸酯(triglyceride,TAG)合成相关基因[如脂肪酸合成酶(fatty acid synthase,FAS)、脂肪蛋白2(adipocyte protein 2,aP2)、脂肪酸易位酶36(fatty acid translocase 36,CD36)、脂肪酸转运蛋白4(fatty acid transport protein 4,FATP4)、脂肪酸转运蛋白6(fatty acid transport protein 6,FATP6)、LPL、葡萄糖转运蛋白(glucose transporter protein type 4,GLUT4),磷酸烯醇丙酮酸羧激酶( phosphoenol-pyruvate carboxykinase 1,PCK1)和甘油激酶(glycerol kinase,GK)]表达水平显著上调。热应激不仅导致肉鸡腹部、皮下和肌外脂肪沉积量增加,且降低了肉鸡腹部和皮下脂肪中不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸的比例。热应激导致生长猪循环非酯化脂肪酸减少20%,非酯化脂肪酸应激减弱71%。热应激使猪皮下和肠系膜的脂肪组织PCK1基因表达水平显著升高,表明甘油异生导致了猪的脂肪沉积,且肠系膜脂肪组织中CCAT/增强子结合蛋白同源蛋白(CCAT /enhancer-binding homologous protein,CHOP)含量显著上调。

  4 改善猪热应激的可行性措施

  综上,热应激导致猪肠道功能受损、免疫力下降和肉品质降低,给养猪业带来严重的经济损失。因此,切实可行且经济方便的缓解热应激方法的推行,在养猪业中很有必要。现有的缓解热应激的方法包括选择耐热品种、改善饲养环境和条件(如增加通风、地板冷却降温、在相对湿度不高的情况下喷水降温等物理降温手段)、加强饲养管理、调整饲喂时间、供应充足饮用水、改变饲粮营养水平和调整饲粮配方。已知的通过营养策略缓解热应激的方法,相较于选择耐热品种、改善饲养环境和加强饲养管理等方法耗费的时间、人力、物力和财力更少,更经济方便,在生产实践中较易推广实施。

  通过改变饲粮营养水平来缓解热应激的理论基础是,热应激导致猪的采食量下降,会造成能量供应不足,进而影响猪的生长性能,可通过增加净能的同时减少能量增耗的方法来缓解这一状况。而饲粮在消化过程中产热,消化蛋白质比消化淀粉和脂肪的热增耗更多,因此减少能源物质消化代谢过程中的热增耗可提高代谢能转化为净能的效率。生产中通常采用饲喂高脂饲粮的方法来达到缓解热应激的效果,提高能量浓度,同时减少粗蛋白质的含量,减少体增热,可获得较高生产净能,同时也改善了饲粮的适口性,提高采食量,进而促进猪的生长,且改善了屠体的肉品质。通过调整饲粮配方(如添加赖氨酸来平衡氨基酸水平,并降低粗蛋白质含量)也可达到缓解热应激的目的。且热应激会导致猪的电解质平衡紊乱,维持饲粮中电解质的平衡可防止动物消耗能量来维持体内最佳的酸碱平衡。因此,在保证氨基酸水平的同时,提高能量浓度,降低粗蛋白质含量,提高饲粮中净能与代谢能的比值,同时维持饲粮的电解质平衡可达到缓解热应激的目的。

  除了从饲粮营养水平角度考虑外,还可以通过添加其他抗热应激营养物质[如微量元素(锌、硒、铬)、抗氧化剂(维生素C、维生素E、大豆黄素)、抗应激剂(中草药添加剂、蛋氨酸锌、吡啶甲酸铬、酸化剂)、益生菌等]来改善热应激导致的猪生长性能、免疫力和肉品质下降的问题。

  5 小结

  由于热应激作用机制的复杂性,且生产实践中各个饲养地区的气候变化规律不同,到目前为止许多研究结果尚未达成完全一致的观点,其原因主要是由于各实验室设计动物试验采用的热应激试验条件、试验温度和持续时间存在很大差异。如Pearce等热应激组的温度为35℃,常温对照组的温度为(20±1)℃,试验持续时间为1d、3d和7d;胡艳欣等模拟夏季气候气温,热应激组26℃~39℃间24h循环变温,39℃维持4h,常温对照组24℃,试验持续10d;Yu等采用的热应激条件与胡艳欣等[7]的比较接近,为试验组每天04:00-09:00 40℃持续5h,其余时间26℃,常温对照组23℃,试验持续10d;Cui等研究持续温和热应激对肥育猪的肠道影响采用的试验条件有所不同,试验组从第1天的27℃逐日增加1℃,直至30℃,对照组22℃,试验持续3周。本实验室采用的试验条件与上述报道均不同,为试验组35℃,常温对照组22℃,试验连续30d。可以看出,各实验室热应激设置的温度跨度从26℃~40℃,持续时间也不一致,试验条件存在差异较大,这就有可能导致所得结果不尽相同,也对不同实验室结果的横向比较以及避免试验重复造成资源浪费造成一定的困难。因此,建议试验设置的模拟条件尽量贴合当地生产实际情况,如短时间急性热应激条件可用于研究模拟短途或者长途运输条件中热应激对猪造成的影响,而长时间持续热应激条件尽量模拟饲养地区的自然气候变化来研究当地的炎热气候对猪造成的影响,以便更好地研究热应激对猪造成影响的规律,从而更准确地指导生产实践。

  目前国内外对猪热应激的相关研究,已经从动物试验深入到分子机制水平,相关的转录组学和蛋白质组学研究已取得长足的进展,热应激对猪肠道健康、免疫系统和肉品质的影响及分子机制已有一定的研究基础,缓解热应激的措施也取得一定范围的应用。到目前为止,国内外对猪热应激的研究仍然存在许多不足之处,今后急需进一步验证和完善,而对机体个体整体影响的分子机制研究尚有待开展。

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