热应激会引起牛干物质采食量（DMI）和生产性能下降，造成的经济损失远远大于牛死亡造成的经济损失[1]。有研究指出，预计2030年至2050年间温度会上升1.5 ℃，动物机体需要较长时间适应环境的变化[2]。全球气温的升高导致热应激出现更加频繁，这一现象会对乳制品和牛肉品质造成影响。热应激的相关研究多集中在奶牛生产中，很少有关于肉牛热应激的研究[3]。恒温动物在冬季还面临冷应激，可导致动物生长性能降低、内分泌系统遭到破坏、代谢发生改变，导致动物发生腹泻，免疫功能降低，增加动物患病率[4]。因此，为了更好地了解冷热应激对动物生产和健康产生的影响、预防和缓解冷热应激对动物的不良影响，本文总结了冷热应激的概念、判定标准及其对牛生产的影响，提出调控冷热应激的方法及抗冷热应激品种的选育，为深入研究冷热应激和提高养殖经济效益提供参考。1牛冷热应激的概念及判定标准1.1牛热应激的概念及判定标准热应激是一种非特异性应答反应，当环境温度的变化超过动物自身体温调节能力的上限，热应激会通过刺激动物机体从而产生一系列的生理反应[5]。动物在热应激环境中出现的生理反应有呼吸频率（RR）加快、出汗，其中RR加快已被证实是动物产生热应激的标志。牛在无应激的状态下RR是26~50次/min，若环境温度超过适温，会使牛的RR升高到50~60次/min，当环境温度持续升高到32 ℃时，牛的RR甚至能够到100次/min[6]。牛在热应激条件下的直肠温度（RT）超过38.5 ℃时，奶牛的生产性能会发生显著变化。牛在生产上以温湿指数（THI）作为判断动物热应激程度的重要指标，当THI≤72时，牛无热应激反应；当72THI≤79时，牛处于轻度热应激；当79THI≤88时，牛处于中度热应激；THI88时，牛处于重度热应激[7]。1.2牛冷应激的概念及判定标准至今为止，关于动物冷应激尚无明确的定义，但不同的动物对于温度变化具有能够承受的大致范围及程度。在寒冷的季节，由于环境温度大幅度下降，当环境温度低于5 ℃时，肉牛为应对环境温度的变化，机体会进行一系列的活动，从而造成肉牛体重降低。根据冷应激的强度和持续时间不同，通常可分为急性冷应激（低于常温10~15 ℃，持续时间2~24 h）和慢性冷应激（持续时间长达3~10 d）[8]。若使用THI判断牛是否产生冷应激，则THI38为无冷应激，25THI≤38为轻度冷应激，8THI≤25为中度冷应激，-12THI≤8为重度冷应激，-25THI≤-12为极端冷应激[9]。冷应激还可根据风寒指数进行判定，风寒温度（WCT）计算公式为WCT=13.127+0.621 5T-11.947V 0.16+0.486TV 0.16。式中：WCT以温度表示（℃），V为风速（m/s），T为气温（℃）。WCT在-10~-25 ℃为轻度冷应激，-25~-45 ℃为中度冷应激，-45~-59 ℃为高度冷应激，-60 ℃以上为致命冷应激。当V≤1.34 m/s时，WCT与实际T相等[10]。2冷热应激对牛的影响机制2.1热应激对牛的影响机制热应激会降低肉牛的DMI和饲料转化率，这是因为热应激抑制了位于下丘脑室旁核（PVN）和弓状核（ARC）的食欲中枢，而动物通过下丘脑-垂体-肾上腺皮质轴（HPA)和下丘脑-垂体-甲状腺轴(HPT)的协调作用调节机体的新陈代谢，从而使动物对热应激具有一定的耐受力，PVN可以合成促甲状腺激素释放激素（TRH），TRH使垂体产生促甲状腺激素（TSH），最终使甲状腺产生三碘甲腺原氨酸（T3）、甲状腺素（T4）[11]。T3分泌量的减少被认为是动物通过减少身体热量的积累和产生，以维持动物机体的热量平衡。T4能够在环境改变时发挥重要的作用，T4可通过增加细胞耗氧量提高基础代谢率，使葡萄糖（GLU）的使用增加[12]。热应激会使肠道中有害的微生物大量繁殖，从而使肠道完整性受损和肠道屏障通透性增强，造成甲状腺激素、神经递质的合成及产奶量减少，还会造成肠道组织缺氧，细胞的形态和功能遭到破坏，使内毒素脂多糖（LPS）从肠道渗透到门静脉再到全身血液。LPS可导致动物产生生殖障碍，已有研究证实原始卵泡数量或雌激素（E2）分泌的减少与LPS有关。色氨酸在肠道微生物的作用下（Trp）可转化为色氨酸衍生物，可通过间接的方式改善肠道屏障的完整性和降低炎症反应，微生物还可利用肠道分泌的牛磺酸抑制病原微生物，增强机体的免疫及抗氧化能力[13]。处于热应激的肉牛血清中尿素（UREA）和赖氨酸（Lys）含量会升高。Lys是限制肉牛生长的氨基酸之一，其作用是促进小牛骨骼肌生长所需蛋白质的合成。热应激期间肉牛体内β-氧化过程会减少，降低血清中游离脂肪酸的含量，这是因为将糖原作为能量来源而不是将脂类作为能量，从而诱导脂质代谢发生变化[14]。5-羟色胺酸（5-HT）对先天免疫和适应性免疫具有调节作用，可作为一种抗氧化剂保护动物，与维生素E（VE）的效果类似。产生急性热应激的动物外周循环和大脑中5-HT的浓度会增加，表明5-HT在动物的体温调节中发挥了一定作用[15]。热应激不仅影响牛的HPT轴和HPA轴，还会影响肠道菌群和其他代谢途径，造成机体代谢紊乱，使生产性能降低。2.2冷应激对牛的影响机制当动物机体产生大量氧自由基（ROS），无法被及时清除，大量积累的ROS会使细胞的功能和结果受到破坏，使生物膜中的不饱和脂肪酸发生脂质过氧化，最终产生丙二醛（MDA）。外界的刺激会激活动物机体的交感-肾上腺-髓质轴（SAM），使交感神经兴奋从而促进肾上腺髓质对多巴胺（DA）、去甲肾上腺素（NE）、肾上腺素（EPI）的分泌，进而提高动物对应激的适应能力[16]。当SAM轴无法调节应激对机体的刺激时会激活HPA以对抗应激，但HPA过量分泌相关激素会使动物处于亚健康状态[17]。HPA轴可以控制促炎介质的过度表达，从而控制组织损伤的程度。当动物长期暴露在寒冷中会激活HPA轴，皮质醇（COR）会过量分泌，COR通过负反馈抑制HPA轴对冷应激的反应，进而增强了促炎反应[18]。3冷热应激对牛的影响3.1冷热应激对牛生产性能的影响3.1.1热应激对牛生产性能的影响在热应激期间，奶牛的DMI和产奶量分别下降15%和8%，而且DMI与牛舍THI呈负相关，与奶牛日产奶量呈正相关[19]。热应激还会造成奶牛的RT升高，RT的升高使奶牛站立行为增多以及站立时间延长，进而导致奶牛产奶量的下降。在热应激期间奶牛所处的泌乳阶段不同导致产奶量下降的程度也不相同，在泌乳前期、泌乳中期、泌乳后期产奶量分别下降为15.41%、12.56%、11.87%[20]。热应激还可破坏奶牛肝功能，从而使奶牛所生产的牛奶中乳糖含量降低200~400 g/d。热应激还会使牛奶中乳糖、蛋白质和不饱和脂肪酸（USFA）含量下降，而且在此期间机体产生的氧自由基（ROS）会氧化USFA，尤其是多不饱和脂肪酸（PUFA），因此牛奶中的PUFA会降低，饱和脂肪酸（SFA）升高[21]。热应激造成DMI下降，而牛为机体功能正常运行会动员脂肪，使体重降低，生长速度减慢。3.1.2冷应激对牛生产性能的影响当环境温度低于5 ℃时，奶牛用于维持正常体温的能量增加，用于生产的能量减少，进而使奶牛产奶量降低，严重时会出现冻伤的情况。冷应激会使动物胃肠道的收缩和蠕动加剧，使食糜在胃肠道停留的时间缩短，促进胃排空，从而提高动物的采食量；冷应激也可以使动物网胃容积变小，食糜无法被充分消化吸收就被排出体外，导致动物饲料利用效率下降，体重减轻[22]。研究发现，冷应激使肉牛血清中甘油三酯（TG）、总胆固醇（TC）和高密度脂蛋白胆固醇（HDL-C）含量较低，但可通过补充膳食纤维提高肉牛血清中TC含量[23]。冷热应激可通过影响奶牛的DMI以及对饲料的消化吸收影响奶牛的生产性能，严重时会破坏奶牛机体器官，造成奶牛死亡。与冬季出生的犊牛相比，在热应激下出生的犊牛平均日增重（ADG）以及断奶体重（BW）较低，原因是犊牛饲料和养分摄入量的减少以及水摄入量（WI）增加[24]。冷应激会降低牛对饲料的利用效率，但牛为应对冷应激需要大量能量，因此造成体重降低。3.2冷热应激对牛免疫功能和抗氧化能力的影响3.2.1热应激对牛免疫功能和抗氧化能力的影响热应激使奶牛体内淋巴细胞的增值减少，无法及时清除入侵的病原体，导致机体患病。急性热应激一般会使免疫系统做好应对病原体入侵的准备，而慢性热应激会使免疫功能受到抑制以及使未成熟的淋巴细胞死亡[25]。陈浩等[26]研究发现，热应激会造成放牧肉牛血清中免疫球蛋白A（IgA）、免疫球蛋白G（IgG）、免疫球蛋白M（IgM）、白细胞介素-2（IL-2）含量显著下降，而白细胞介素-6（IL-6）含量显著上升。热应激会抑制干扰素-T（IFN-T）的激活，但IFN-T会参与调节全身和局部的先天免疫反应，可以调节中性粒细胞（NE），而NE可以参与奶牛的炎症反应[27]。热应激导致细胞的氧化与抗氧化的失衡，产生大量ROS，使动物遭受氧化应激。为应对氧化应激，动物机体中许多酶和非酶系统均会参与消除ROS。超氧化物歧化酶（SOD）可催化超氧化物转化为氧元素和过氧化氢（H2O2），从而抑制超氧阴离子自由基引发的一连串氧化反应，进而避免氧化反应氧化应激对细胞造成损伤。当THI69时，水牛血清SOD活性会下降[28]。SOD还可通过与过氧化氢酶（CAT）和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）结合清除细胞内外的超氧阴离子自由基，从而起到阻止脂质过氧化的作用，而且CAT和GSH-Px具有协同作用[29]。3.2.2冷应激对牛免疫功能和抗氧化能力的影响冬季由于缺乏青饲料和产生冷应激，从而导致放牧肉牛能量短缺以及对营养吸收能力降低，因而造成放牧肉牛免疫功能降低[30]。牛遭受冷应激后单核细胞和B淋巴细胞的数量下降，浆细胞受损，从而使其分泌免疫球蛋白的能力下降，IL-2和IL-4含量也会降低，从而增加机体产生炎症的可能性[31]。通常细胞在抗氧化酶的作用下，ROS的含量较低，但长期的慢性冷应激会使细胞的抗氧化能力降低，代谢强度加大，导致ROS大量积累，从而使动物产生氧化应激[32]。蒙古牛遭受冷应激时血清中促肾上腺皮质激素（ACTH）含量增加，从而提高机体的新陈代谢以达到增加产热的目的，但冷应激可使蒙古牛血清中GSH-Px活性降低，导致机体抗氧化能力下降[33]。冷应激的放牧西门塔尔母牛血清中总抗氧化能力（T-AOC）下降。因此，当反刍动物发生冷应激时会造成免疫功能和抗氧化能力降低，生产性能下降，降低畜牧业的经济效益。3.3冷热应激对牛繁殖性能的影响3.3.1热应激对牛繁殖性能的影响动物的生产性能和繁殖性能是我国畜牧业发展的重要基础，但热应激会造成母牛的受胎率降低、流产率和新生犊牛的死亡率增加[34]。热应激造成奶牛繁殖性能下降的主要原因是热应激会加速血液从心脏流向外周，从而影响奶牛妊娠，同时热应激也可通过影响奶牛卵泡的生长、类固醇的生成、发情时间，最终导致奶牛繁殖性能下降[30]。热应激使动物发情时间缩短和强度降低，甚至会使促黄体生成素（LH）受体活性和E2的含量下降，造成繁殖率下降。卵母细胞的能力是哺乳动物能否成功繁殖的限制条件之一，夏季卵母细胞的存活率和发育能力会受到抑制。综上所述，热应激通过影响卵泡发育、发情时间以及E2等激素的分泌影响牛的繁殖性能。3.3.2冷应激对牛繁殖性能的影响长时间暴露在低温度下还会导致死亡率显著增加，寒潮期间动物死亡率高达23%。死亡率还取决于动物的生产类型和年龄段，这种额外的死亡风险随着暴露时间和强度的增加而增加[35]。由于环境温度的变化，奶牛的寿命和繁殖性能会受到负面影响[36]。应激会抑制下丘脑-垂体-性腺轴（HPG）的作用，下丘脑分泌促性腺激素释放激素（GnRH）的能力减弱，无法刺激垂体分泌LH和促卵泡激素（FSH），导致牛的繁殖性能降低。冬季的THI超出了牛最适的THI范围，会抑制牛发情，因此环境温度的变化会对牛的繁殖性能产生影响[37]。当动物暴露在冷热应激环境条件中，精子和卵细胞质量降低，发情异常，动物繁殖性能下降。4缓解牛冷热应激的措施4.1物理降温和防寒措施4.1.1物理降温措施养殖场动物密度大，所以在畜舍中常装有通风设施。通风设施可防止有害气体浓度过高，对动物造成危害；还可降低畜舍内外温差，使畜舍在夏季不会出现温度过高的情况[38]。隧道通风可缓解奶牛因热应激造成的体温过高，还能够降低奶牛产奶量下降的程度[39]。喷淋能够通过蒸发散热降低动物的热量，从而降低动物体温。夏季常用喷淋给牛降温，但要特别注意喷淋会使牛舍湿度过高，从而造成THI升高，使牛产生热应激[40]。传统的喷淋方式有许多的弊端，如只有在奶牛挤奶时进行喷淋，使奶牛大部分时间处在高温的状态。温度传感器喷淋设备可有效解决这些问题，而且比传统喷淋设备节约水资源50%以上，繁殖率升高32%以上，产奶量升高20%以上，提高牛采食量17%左右[41]。与抗热应激品种的选育相比，改变环境条件是一种更简单、更快捷的方法，有遮阴的奶牛RR和RT比无遮阴的奶牛低，表明遮阴可缓解奶牛的热应激。夏季对奶牛使用喷淋降温的效果高于遮阴，但奶牛更喜欢遮阴的降温措施[42]。因此，夏季给动物进行降温时，要根据本地区的实际情况选择，可采取多种降温方法结合或单独使用，充分发挥其降温功能。4.1.2物理保温措施牛耐寒不耐热，但超出牛自身调节范围，寒冷也会对牛造成不良影响。冬季为安格斯牛建造人工避难所抵御风雨。人工避难所和自然植被一同出现时，人工避难所的使用率降低。因此为提高人工避难所使用率，可将每头牛的可利用空间从4 m2增加至6 m2或8 m2，使整个牛群的使用率增加一倍[43]。在肉牛养殖场安装热塑性温室屋顶（PGR），以保护肉牛免受寒冷、雨水、极端温度变化、风等的影响，从而降低肉牛在冬季遭受的冷应激程度[44]。我国西北地区冬季长且寒冷，昼夜温差大，为提高生产性能可给肉牛饮用温水。研究表明，与饮用4 ℃左右的水相比，给肉牛饮用20 ℃左右的水的育肥效果更好[45]。冬季风速加大可加速牲畜热量损失，因此为降低风速造成牲畜热量的损失可在牛场或牛舍周边建造防风林减少动物热量的损失，从而提高冬季动物的福利。奶牛冬季长时间在牛床上躺卧，导致其易患呼吸道疾病，为降低冷应激的影响和提高奶牛福利可给牛床添加稻草、锯末等。4.2冷热应激的营养调控措施4.2.1热应激的营养调控措施热应激期间可添加营养性添加剂以提高断奶犊牛DMI，提高犊牛生长性能、饲料转化效率，而且还可降低犊牛发病率。不仅如此，热应激期间还可饲喂益生菌酵母添加剂、抗氧化剂、甜菜和改变喂养时间减少牛代谢产热。在热应激条件下，动物日粮中添加瘤胃保护c-氨基丁酸（RP-GABA）可提高肉牛的DMI和ADG，降低MDA含量，从而提高肉牛的抗氧化能力[46]。在日粮中添加脂肪可起到改善奶牛生产性能的作用。TC是通过脂肪代谢在肝脏中合成，因此奶牛日粮中脂肪含量越高，合成TC的底物就越多。在热应激条件下，也可以通过给动物饲喂高能日粮调节动物的体温，且饲喂高能日粮可满足动物在热应激状态下对能量的需求[17]。研究发现，在牛的饲料中添加甜菜碱可以提高瘤胃发酵、表观消化率、产奶量，但在牛热应激期间每天添加甜菜碱最高为15 g，若甜菜碱添加过量其作用效果会下降[47]。热应激会抑制动物的抗氧化能力并产生氧化损伤，但添加矿物质，如硒（Se）、铜（Cu）、锌（Zn）、铬（Cr）、锰（Mn）以及维生素（VA）、维生素E（VE）均可提高牛的抗氧化能力，从而增强免疫反应，其中Se和VE可增强备奶牛抗氧化能力，降低产犊后奶牛的乳房炎的发病率[48]。刘玉强等[49]指出，在动物日粮中添加维生素C（VC）和VE可提高动物机体抗氧化功能，VC还可缓解因热应激造成的肉牛体温过高，降低血液COR含量，而VE可以增强免疫球蛋白的合成提高动物的免疫力。综上所述，在动物日粮中添加维生素、矿物质及其他饲料添加剂可有效地缓解热应激。4.2.2冷应激的营养调控措施研究指出，饲喂发酵豆粕（FSBM）的断奶犊牛血清中COR的含量低于饲喂豆粕（SBM）的犊牛，表明饲喂FSBM可以降低寒冷条件下犊牛突然断奶引起的急性促炎反应[49]。冬季饲喂品质优良玉米、干草等能够提高奶牛的抗寒能力。动物处于冷应激的情况下，淀粉作为能量供应对于提高育成母牛的生产性能更有利，但脂肪作为能量供应对胎儿的发育有益，还可提高犊牛的初生重，也可促进繁殖母牛的产后发情[50]。在奶牛日粮中添加酒糟类和根皮类等可显著提高奶牛抗冷应激的能力[51]。4.3抗冷热应激品种的选育4.3.1抗热应激品种的选育牛的耐热品种的选育可以运用RNA-Seq转录组分析，通过RNA-Seq可以筛选出差异表达基因（DEG）。RNA-Seq还能够预测牛奶产量、繁殖力和肉质等性状[52]。在热应激的环境条件下，在不同品种牛体内HSP的表达会有所不同，如在Nelore和Caracu这两个品种中HSP基因的表达具有显著的差异，从而造成不同品种牛的耐热性存在差异[53]。基因BTA-mir-2898 mirRNA会因为热应激的原因在杂交牛中的表达会出现差异，基因BTA-mir-2898 mirRNA的表达量会随着温度的升高而提高，从而出现高表达的某些HSPs，HSPs可以调节动物对于热应激的耐受性，HSP70对热应激最敏感[54]。因此在生产中常用HSP70作为牛热应激的生物标志物。在编码HSPs的诸多基因中热休克因子1（HSF1）会被热应激激活，而且与诱导HSP70的表达有关。在动物体中大多数的组织中几乎检测不到HSPA6基因，因此可以用HSPA6基因来培育耐热畜群[55]。HSP70也可以用于筛选耐热性能好、免疫能力强的动物[56]。与杂交奶牛相比，本地奶牛可以更好地适应热应激，所以在进行耐热品种选育时，要对本地黄牛耐热应激的特性进行保护和发展[57]。在以后的研究中应该加强耐热性状基因的研究，其中mirRNA基因中的HSP70可以作为培育耐热品种指标之一，为以后相关试验提供一定的参考。4.3.2抗冷应激品种的选育动物遭受冷应激时，骨骼肌中HSP70 mRNA的含量显著上升[58]。而外源性的HSP70会促进单核细胞或巨噬细胞与树突状细胞合成，释放促炎因子，从而激活Ｔ细胞介导的适应性免疫反应[59]。当环境温度降到-32 ℃时，三河牛处于严重冷应激状态，其血浆中基因LIN54和Krüppel样因子12（KLF12）的表达量显著降低，可作为三河牛参与调节冷应激反应的候选基因[60]。HSP和HSP70等基因不仅参与热应激的调控，还会在调控冷应激中发挥作用，但对于调控冷应激基因的研究较少，许多调控机制尚未明确。5结论相较于冷应激，更加关注热应激对动物造成的影响，而热应激相关研究在奶牛中较多，肉牛中研究较少。冷热应激均可使动物的免疫能力、抗氧化功能、繁殖性能以及生产性能下降，目前缓解冷热应激的方法主要为物理降温和保温、营养调控和抗冷热应激品种的选育。