奶牛生殖激素和体温的性周期变化及调控机制研究进展

田宏志，刘江静，陈晓丽，李蓝祁,3，李 欣，李茹意，王 栋*

（1.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，北京 100193；2.吉林农业大学动物科技学院，吉林长春 130118；3.湖南农业大学动物科技学院，湖南长沙 410128）

繁殖管理是奶牛生产的重要环节，直接关系到奶牛的繁育成效和牛奶产量。科学高效的繁殖管理技术对提高奶牛的繁殖性能和产业竞争力具有重要意义[1]。科学高效的发情鉴定是成功进行奶牛人工授精及受孕的基础。采用人工观察法进行发情鉴定的母牛情期受胎率只有40%～50%；采用直肠检查发情鉴定的母牛情期受胎率为70%[2]。因此，发情鉴定的效率是提高受胎率的重要基础。传统的发情鉴定需耗费较大的人力、物力[3]，且很难实现夜间发情母牛的鉴定，检出率仅为53.37%，而基于活动量的自动化发情鉴定检出率为70.23%[4]，仍无法检测到奶牛安静发情。如能跨越发情鉴定环节，则可使奶牛繁殖技术路线发生颠覆性变化。同期排卵-定时输精技术跨越了发情鉴定环节，该技术通过外源激素调控母牛发情周期，使其在相对集中的时间内同步排卵，并于固定时间人工输精，减少了发情鉴定的工作量[5]。然而，由于个体差异较大，使部分处理母牛错过了最佳输精时间，该技术实际受胎率较低，处理母牛受胎率只有32%～45%[6]。研究表明，奶牛繁殖活动由生殖激素调控并伴随体温变化[7]。本文就奶牛性周期的生殖激素和体温变化规律等进行综述，以期为奶牛同期排卵-定时输精技术研发与优化提供重要参考，推动奶牛养殖业集约化、标准化、智能化发展。

1 奶牛卵泡发育过程中生殖激素的变化规律

卵泡是在很多生殖激素共同调控下逐渐发育成熟，生殖激素种类和浓度变化对卵泡发育和排卵的调控关系是卵泡发育调控的核心，也是多年来繁殖生理领域的研究热点[8]。母牛到初情期后，在下丘脑-垂体-卵巢轴分泌生殖激素共同调节下，卵巢上开始交替出现卵泡发育和黄体形成，每一次从卵泡发育、成熟、排卵、黄体形成到下一次卵泡发育即为一个发情周期，每一次周期性变化所经历的时间即为性周期[9]。一般来说，奶牛性周期由2～3个卵泡发育波构成，原始卵泡经历募集、选择、优势化形成优势卵泡，但并非所有优势卵泡都能成熟并排卵，只有与黄体溶解同步的卵泡波中的优势卵泡才能发育成熟并排卵，其余卵泡波中的优势卵泡则发生闭锁，卵泡进入下一个卵泡波[10]。

1.1 卵泡发育的激素调控机制 奶牛性周期生殖激素调控机制如图1所示。研究表明，腔前卵泡不受促性腺激素调控，主要受生长因子调节[11]，直到发育为有腔卵泡，其卵泡内膜细胞和颗粒细胞才逐渐表达促性腺激素和雌激素受体，使卵泡发育受到促性腺激素的调控[12]。卵泡发育波开始前，下丘脑分泌促性腺激素释放激素（GnRH）、促进垂体分泌卵泡刺激素（FSH），FSH经血液循环作用于有腔卵泡颗粒细胞的FSH受体，卵泡颗粒细胞发育明显增强，并产生活化芳香化酶，将雄激素转化为雌激素，雌激素通过促进细胞合成代谢，与FSH协同促进颗粒细胞及卵泡进一步生长发育[13]。随着卵泡发育，雌激素和卵泡抑制素分泌增加，并通过雌激素和抑制素对下丘脑和垂体的负反馈作用抑制垂体FSH分泌，FSH浓度随之降低[14]，低FSH浓度下，最大的卵泡继续生长，成为优势卵泡，而其余卵泡减缓或停止生长，成为从属卵泡。优势卵泡增大又进一步抑制了从属卵泡的生长和下一卵泡波的出现[15]，当优势卵泡生长到9 mm时，卵泡颗粒细胞促黄体生成素（LH）受体增加，对LH敏感性增加，LH和FSH协同促进优势卵泡继续发育[16]。而黄体早期，LH脉冲幅度小（0.3～1.8 ng）、频率高（20～30脉冲/d），黄体中期，LH脉冲幅度大（1.2～7.0 ng）、频率小（6～8脉冲/d），都不足以使优势卵泡成熟排卵，最终黄体期的优势卵泡将逐渐闭锁[17]。闭锁卵泡导致了雌激素和卵泡抑制素减少，解除了对FSH的抑制作用，FSH分泌增加，下一个卵泡波开始发育。

图1 奶牛性周期生殖激素调控示意图

如果母牛未妊娠，黄体和垂体则分泌催产素，刺激子宫脉冲式分泌前列腺素（PG），PG通过子宫静脉与卵巢动脉的血液逆流机制快速进入卵巢动脉，溶解黄体；如果母牛妊娠，胚胎产生滋养层蛋白，抑制黄体溶解，黄体功能得以维持，并成为妊娠黄体[10]。PG的分泌依赖于孕激素和雌激素的互相协调，孕激素可提高过氧化物合成酶活性，加速花生四稀酸等PG原料积累，促进PG合成；黄体溶解始于子宫内膜细胞催产素受体的增加，雌激素通过增加催产素受体数量，促进PG分泌，为黄体溶解奠定了基础[18]。黄体溶解后，孕激素浓度降低，解除了对下丘脑的抑制作用，卵泡开始生长发育，雌激素分泌逐渐增加，当雌激素达到一定阈值时，就会诱导母牛发情，还依次诱导下丘脑GnRH波和LH峰，刺激优势卵泡迅速成熟，并最终排卵。但正常排卵需LH和FSH协同作用。研究发现，LH可使卵巢上成熟及未成熟卵泡全部破裂，而FSH可抑制未成熟卵泡破裂，只有LH和FSH协同作用时，才能确保成熟卵泡排卵[19]。

1.2 雌激素对牛卵泡发育的影响 为探索雌激素与卵泡发育的规律，刘继龙等[20]对离体水牛卵泡的雌激素水平进行了分析，发现较大卵泡（直径＞6 mm）的雌激素含量为中小卵泡（直径为2～5 mm）的8.5倍。张寿等[21]对牦牛进行卵泡发育和雌激素含量分析发现，卵巢内选择卵泡（6～8.9 mm）和优势卵泡（9～15 mm）个数与雌激素含量呈显著正相关，替补卵泡（1～5.9 mm）个数与雌激素含量呈不显著负相关，表明高浓度内源雌激素可促进卵泡发育。Breke等[22]对外源雌激素的研究却得出了相反的结论，对发情母牛不予配种，发情后第13天检测到卵泡直径约为9.4 mm，血液雌激素浓度为1 pg/mL，肌肉注射1 mg雌激素后，血液雌激素浓度上升到12 pg/mL，优势卵泡开始退化，到第20天时仅能检测到7.5 mm的卵泡，而正常奶牛发情后第20天卵泡直径可达11.8 mm。可见，高浓度的外源雌激素可能诱导了优势卵泡闭锁。

为系统揭示卵泡发育与雌激素的辩证关系，李桂芝等[23]借助于超声检查对荷斯坦奶牛进行了完整性周期的激素检测，发现雌激素浓度从发情当天迅速上升，第2天达到第1个峰值（22.5 pg/mL），排卵后迅速下降到第5天后开始回升，直到第12天达到第2个峰值（15.2 pg/mL），相应的卵泡直径也从发情第1天的1.2 cm迅速上升，到第2天达到第1个峰值（1.5 cm），随后排卵，新的卵泡不断发育，并于第12天再次达到峰值（1.5 cm）（第1个卵泡波）；第1个卵泡波处于黄体期，孕酮浓度较高，雌激素浓度较低，而排卵卵泡是黄体溶解后的发育卵泡。虽然2个卵泡波中卵泡大小基本相同，但未排卵卵泡经历了与正常排卵卵泡不同的激素调节过程，可能并不具有成熟卵泡功能。所以，在第1个卵泡波后期PG处理母牛能否发情排卵，值得深思。

1.3 孕酮对牛卵泡发育的影响 传统观点认为，孕酮对卵泡发育具有抑制作用。Miura等[24]对5头荷斯坦和4头日本黑牛母牛卵泡发育和激素变化的分析发现，排卵前10 d孕酮浓度为6.5 ng/mL，但从排卵前5 d开始，由于黄体溶解，孕酮浓度迅速降低，并于发情当天下降到1 ng/mL以下；孕酮浓度下降解除了对卵泡发育的抑制，卵泡迅速发育、成熟，使血液雌激素浓度逐渐增加，对应的卵泡直径也从6 mm上升到13 mm。Endo等[25]对10头荷斯坦母牛排卵后激素和卵巢变化的研究同样发现，母牛排卵后孕酮浓度仅为0.5 ng/mL，随后逐渐上升，到排卵后14 d，血液孕酮浓度达到4.5 ng/mL，黄体直径也从12.5 mm上升到25 mm；但仅对排卵后14 d激素水平进行监测，不能完全覆盖整个发情周期，也没有关于卵泡发育及孕酮与雌激素变化关系的分析，要充分揭示黄体和卵泡发育的调控关系还需更多证据。

另外，李桂芝等[23]研究发现，母牛排卵后，雌激素迅速下降，到第5天后开始回升，直到第12天达到峰值，新的卵泡不断发育，并于第12天达到最大。在此过程中，孕激素迅速上升，也于第12天达到一个小高峰，随后再次短期小幅攀升后迅速下降，且第1个卵泡波的优势卵泡和排卵卵泡大小相似。这一现象说明，孕激素并不是完全抑制卵泡的发育，其对卵泡的调控作用还需深入研究。

孕酮浓度对发情表现的影响也极其复杂。Divdge等[26]研究发现，随着孕酮浓度增加，雌激素诱导的12头去卵巢荷斯坦奶牛母牛发情行为频率呈极显著线性下降，表明高浓度孕酮抑制了奶牛发情行为。但孕酮能增加健全母牛下丘脑上的雌二醇受体，增加下丘脑对雌二醇的敏感性，进而促进发情[27]。孕酮和雌激素对发情的调节机制还需进一步探究。

1.4 生长因子对牛卵泡发育的影响 卵泡生长发育除受生殖激素调控外，卵巢内的许多生长因子也可通过自分泌和旁分泌方式调节卵泡生长发育[28]。其中，胰岛素样生长因子（IGFs）是一类促生长物质，能促进细胞对葡萄糖的摄入和氧化，加速氨基酸转运，促进 DNA的合成。卵泡内膜细胞和颗粒细胞上均有IGFs受体，IGFs与其受体结合可促进内膜细胞和颗粒细胞有丝分裂，使细胞数量增加。同时，卵泡内膜细胞生成雄激素、颗粒细胞将雄激素转化为雌激素、颗粒细胞合成分泌孕酮等生理活动均可受到IGFs的促进作用[29]。另外，碱性成纤维细胞因子（bFGF）可刺激腔前卵泡颗粒细胞增殖，促进启动卵泡发育[30]。牛成熟卵泡内膜细胞可分泌内皮因子（ET-1），促进前列腺素E2（PGE2）释放，并与PGE2协同调节血管通透性，增强蛋白水解酶活性，促进卵泡破裂排卵[31]。表皮生长因子（EGF）可促进腔前卵泡糖酵解和卡式循环关键酶（果糖磷酸化酶和丙酮酸激酶）表达，提高卵泡对葡萄糖的利用率，进而促进其生长发育[32]。

除了上述生长因子外，卵泡发育还受许多其他生长因子调控，如神经生长因子（NGF）[33]、骨形态发生蛋白2（BMP2）[34]、抗苗勒管激素（AMH）[35]等。卵泡发育是一种极为复杂的生理过程，现阶段对牛卵泡调控机制虽然取得了初步认识，但还需更深入研究。

2 奶牛生殖周期中体温的变化规律

体温是奶牛最基本的生理指标，发情、排卵、妊娠、分娩等繁殖行为都伴随着体温的规律性变化[36]。对体温进行监测，为准确判断奶牛繁殖阶段、精准实施繁殖管理提供了指导。

2.1 奶牛不同生理时期体温变化规律 奶牛发情期间伴随体温变化。研究发现，奶牛虽然是恒温动物，平均体温为38.3℃[37]，但奶牛发情时体温逐渐升高，可升高到39.0℃[38]。葛立江等[39]研究发现，奶牛发情期体温平均升高0.52℃或更高，当达到最高体温后，体温逐渐降低，高温时间持续1 d左右，到排卵时体温下降到最低，比发情期低0.37℃。Kyle等[40]研究发现，肉牛发情时体温最高可升高0.9℃，但平均持续时间大大缩短，仅为6.5 h。Fisher等[41]研究表明，发情母奶牛的阴道温度平均上升0.48℃，但该试验没有给出体温升高的持续时间。本研究团队发现，发情母牛阴道温度平均升高0.50℃，并持续约9.32 h（数据未发表），温度升高程度不同于前人研究，并且持续时间低于葛立江等[39]的研究（1 d），但长于Kyle等[40]的研究结果（6.5 h）。而Federico等[42]研究发现，肉牛发情前48 h体温为37.93℃，发情时体温上升到38.31℃，略低于奶牛发情时体温[38]。发情和体温的相互关系还有待进一步细化和深入研究。

奶牛妊娠期伴随着明显的体温变化。Gil等[43]研究发现，奶牛输精后5～12 d，胚胎自输卵管进入子宫，引起奶牛免疫反应，使妊娠母牛体温增加0.46℃。张金钟等[44]研究表明，奶牛不但在妊娠早期体温显著增加，分娩前1个月体温也显著升高，产前第3天体温可升高到39.37℃，随后逐渐下降，分娩前12 h降至38.81℃，平均下降0.43℃。Burfeind等[45]研究发现，分娩当天，奶牛阴道温度比分娩前24 h和48 h分别低0.3～0.5℃和0.6～0.7℃。关于妊娠期间的体温变化研究较少，还需更多试验以深入揭示其细微的变化规律。

2.2 激素处理后奶牛体温变化规律 除正常生理规律伴随着体温变化外，PG等药物处理也可引起体温变化。Suthar等[46]研究发现，奶牛用PG诱导发情后，阴道温度降低0.1℃，推测PG通过溶解黄体，引起孕酮浓度下降，使体温降低。为此，Suthar等[47]对泌乳期妊娠和非妊娠奶牛进行激素和温度测定发现，妊娠母牛孕酮浓度比非妊娠母牛高2.1 ng/mL，而妊娠母牛阴道温度比非妊娠母牛高0.3℃。妊娠母牛由于黄体和胎盘共同分泌孕酮，故孕酮浓度高于非妊娠母牛。Talukder等[48]在排卵前84 h对奶牛进行激素和体温测定发现，奶牛孕酮浓度在排卵前72 h达到峰值（2.1 ng/mL），随后下降，直至排卵，而红外测定的鼻部温度也在排卵前72 h达到峰值（35.2℃）。由此可见，较高的内源孕酮浓度可能导致体温升高。

然而，孕酮外源处理试验却得出了令人难以理解的结果。Suthar等[46]研究发现，奶牛排卵后第1天血液孕酮浓度为0.2 ng/mL，阴道温度为38.9℃，在第3天外源孕酮处理排卵母牛后血液孕酮浓度上升到2.0 ng/mL，阴道温度上升到39.2℃，两者变化同步，而孕酮处理48 h后，血液孕酮浓度继续上升，达到2.3 ng/mL，阴道温度却没有持续升高，反而下降到38.8℃，外源孕酮对体温的影响还需深入研究。Elsheikh等[49]研究表明，发情母牛阴道温度和雌激素与孕酮的比值负相关（r=-0.29），该结论不仅与上述现象相悖，而且也无法解释发情期奶牛雌激素浓度升高、孕酮浓度降低、阴道温度升高的现象，有必要进一步探究雌激素和孕酮对体温的调控作用。

3 物联网在奶牛养殖中的应用

传统的奶牛养殖管理主要靠人工采集和记录体温等基础数据，存在时效性差及误差大等问题，计算机技术的应用使得数据记录的时效性得以改善，但自动化程度不高，无法实现精细化管理[50]。近年来，随着机电传感和生物信息技术的飞速发展，物联网技术应运而生。物联网是通过射频识别（RFID）、智能传感器、激光扫描仪、全球定位系统（GPS）等一系列设备和技术，把任何物品和互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种智能网络[51]。目前，物联网技术在奶牛养殖中的应用主要集中在奶牛生理监测、生产环境监测、精细饲喂、溯源信息等方面[52]。范永存等[53]利用红外测温等技术，设计了奶牛体温检测系统数据采集终端，实现了非接触式测温。蔡勇等[54]通过自行研发的体表测温装置，得出牛体表温度和体内温度的最优校正公式，准确反映牛体温变化。韩静等[55]研制出一套全自动无线智能环境采控器，可对牛舍内湿度、温度、有害气体浓度及光照等信息进行采集。这些技术为奶牛精细化管理提供数据支持。但物联网技术目前还存在产品不兼容、成本高、安全性低等问题，如何科学、有效地将物联网技术与奶牛养殖结合起来，推动奶牛养殖科学化、智能化、现代化是当前面对的主要问题。

4 总结及展望

奶牛繁殖活动由生殖激素调控，并呈现一定的体温变化规律。近年来，随着生物技术的快速进展，激素及体温等调控机制正在逐渐得以揭示。传感技术为揭示奶牛性周期的生理规律提供了便利条件，在未来精细化奶牛饲养管理中，这些规律将发挥重要作用。然而，奶牛个体是一个复杂的生命系统，其详细的性活动调控机制及其规律远未得以深入揭示。而随着生物信息技术的迅速发展，物联网时代已到来，奶牛体温等指标的采集也变得越来越自动化、智能化，使从生殖激素、体温变化等多个维度共同探究卵泡发育与排卵的规律、准确预测排卵时间成为可能，相关研究将为开展奶牛精细化繁殖提供一定的理论指导和技术支撑。