《Biomolecules》：Heat Stress and Bull Semen: From Endocrine and Molecular Dysregulation to Targeted Intervention
热应激作为一种在全球化变暖背景下加剧的关键环境应激源，日益威胁公牛精液质量。本综述综合了该损伤背后的多层次机制。受到热应激的公牛表现出可作为生殖功能障碍早期指标的行为变化，同时伴有常规精液参数的显著下降以及精浆生化微环境的改变。在内分泌层面，热应激扰乱下丘脑–垂体轴（hypothalamic–pituitary axes），抑制睾酮（testosterone）合成并扰动睾丸微环境，从而损害精子发生（spermatogenesis）。在分子层面，热应激相关基因表达改变以及表观遗传重编程（epigenetic reprogramming）——涉及非编码RNA（non-coding RNAs, ncRNAs）、DNA甲基化（DNA methylation）和m6A甲基化（m6A methylation）——共同干扰这一过程。值得注意的是，“肠道–睾丸”（gut–testis）轴作为一个关键通路出现：热诱导的肠道微生物群失调（gut microbiota dysbiosis）损害肠屏障完整性（intestinal barrier integrity），来自易位微生物代谢物（translocated microbial metabolites）的免疫和内分泌信号最终损害睾丸功能和精液质量，这已由跨物种研究证实。在应用层面，上述机制证据大多来源于模型动物或非牛家畜，仍需在公牛中进行直接且系统的验证。总体而言，本综述为热应激诱导的公牛精液质量恶化提供了一个整合机制框架，并突出了在全球气候变化下开发靶向缓解策略（targeted mitigation strategies）的关键方向。
1. 引言：全球变暖与极端高温事件频发使热应激成为制约家畜繁殖生产力的重要限制因素。在牛业中，热应激不仅引起采食减少和行为异常，还严重干扰生理代谢与繁殖功能；种公牛作为遗传改良和人工授精（AI）的核心载体，其精液质量直接决定群体繁殖效率和遗传进展。热应激通常导致精子活力、浓度下降及形态异常率升高，并呈夏季高湿高温期加重、冬春季自然恢复的季节性特征。研究已从表型观察深入到氧化应激、神经内分泌失调、下丘脑–垂体–性腺（HPG）轴抑制、表观遗传重编程及“肠道–睾丸”轴等机制层面。本综述整合行为、常规精液参数、精浆微环境、氧化应激、神经内分泌和表观基因组重塑，并区分公牛直接证据与其他物种机制支持。
2. 文献检索策略：检索在PubMed数据库进行，关键词包括热应激、公牛、精液质量、神经内分泌、miRNA、circRNA、lncRNA、DNA甲基化、m
6A甲基化、肠道微生物群、“肠道–睾丸”轴和基因编辑等，覆盖截至2026年9月20日的英文文献。纳入优先考虑方法严谨性、与综述范围的相关性和证据质量，而非仅依据期刊索引状态。所用热应激模型主要包括自然环境热暴露和培养细胞体外高温；前者生态效度高但实验控制有限，后者可解析机制但缺乏系统互作。因公牛直接分子证据有限，综述纳入啮齿动物、小反刍动物、猪和人类等研究作为机制支持，并对不一致结果按研究设计质量和证据强度权衡。
3. 热应激诱导牛的行为反应：牛在热应激下出现一系列行为性体温调节反应，包括采食时间和采食量显著减少、躺卧时间减少和站立时间增加，以减少与地面接触并增加散热面积；反刍活动受抑制，以降低内源产热。呼吸率和直肠温度升高是识别热应激的显著指标，呼吸率可由约30–40次/min升至72–89次/min，严重时出现伸舌、张口喘气和大量流涎；直肠温度可从约38.5 °C（THI > 68）升至39.2 °C（THI > 88）。上述数值来自特定实验群体和暴露条件，评估时应结合牛群自身特征和环境条件。
4. 热应激对公牛精液质量的影响
4.1 热应激诱导的常规精液质量参数下降：热应激导致精子活力下降，通常在热暴露约两周后充分显现，与鞭毛形成受影响及精子发生周期一致。热应激还严重损害冻后精液质量，冻后精子活力可降至36.8%，并伴DNA碎片增加、顶体完整性和质膜完整性降低。射精量、精子浓度和每次射精总精子数也下降，主要与雄激素合成抑制、附性腺分泌减少及采食和水平衡紊乱有关。效应幅度受品种、个体和饲养环境影响，公牛存在热敏感与耐热表型；多数研究涉及慢性环境热暴露，急性短期热暴露影响尚不明确，且精液质量参数不等同于确证生育力。
4.2 热应激诱导的精液生化微环境改变：精浆为精子提供营养、代谢中间物和酶，热应激扰乱其能量代谢稳态。在地中海水牛中，夏季热应激升高果糖、酸性磷酸酶和α-葡萄糖苷酶，但精子活力反而下降，提示能量利用受损或代谢失调。局部睾丸温度升高可直接导致蛋白变性、酶失活和结构蛋白功能受损；热应激还可通过降低采食引起负能量平衡。猪支持细胞研究显示热应激破坏电子传递链（ETC），增加活性氧（ROS）。公牛精浆中ROS积累并伴随超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）和过氧化氢酶（CAT）活性受抑，精子高多不饱和脂肪酸（PUFA）含量使其易发生脂质过氧化。
5. 热应激通过系统生理反应影响牛精液质量
5.1 热应激通过神经内分泌系统影响牛精液质量：正常体温调节维持睾丸适宜温度。热应激扰乱稳态，引起神经内分泌紊乱、生殖轴失衡和睾丸微环境损伤。下丘脑–垂体–甲状腺（HPT）轴受抑，血清三碘甲状腺原氨酸（T
3）和甲状腺素（T
4）下降，以减少代谢产热；热应激可使T
4下降45.4%、T
3下降25.9%，并伴皮质醇升高和睾酮下降，但HPT轴是否直接调控雄性生殖仍待验证。下丘脑–垂体–肾上腺（HPA）轴激活后，促肾上腺皮质激素释放激素（CRH）和促肾上腺皮质激素（ACTH）释放，糖皮质激素尤其皮质醇升高并负反馈抑制HPG轴；公牛中激素同步变化仅为观察关联，啮齿动物提示糖皮质激素抑制促性腺激素释放激素（GnRH）和黄体生成素（LH）。皮质醇还影响免疫，降低L-选择素和IgG。胰岛素在热应激下可升高约30–37%，生长激素（GH）下降，胰岛素样生长因子-I（IGF-I）可下降16%，瘦素升高并抑制Leydig细胞类固醇生成和Sertoli细胞支持。
5.2 HPG轴失调对睾丸微环境和睾酮合成的直接抑制作用：HPG轴是维持雄性生殖和精子发生稳态的中枢。高温抑制下丘脑GnRH合成和分泌，进而减少垂体前叶LH和卵泡刺激素（FSH）生成与释放。FSH主要作用于Sertoli细胞，LH作用于Leydig细胞并启动睾酮合成。热应激下LH和FSH下降协同损害Sertoli细胞营养支持和Leydig细胞睾酮合成，破坏精子发生所需微环境。夏季热应激公牛GnRH、LH和FSH降低，与精液质量下降和睾丸功能障碍相关，提示HPG轴是热应激生殖损伤的中心驱动和干预靶点。
5.3 热应激相关基因表达对精液质量的分子调控：热应激诱导的氧化应激连接多种损伤，涉及热休克蛋白（HSP）反应和凋亡通路。ROS导致变性蛋白积累，激活热休克转录因子并快速转录HSP基因；HSP70和HSP90等在睾丸组织显著上调，修复变性蛋白、清除氧化产物并维持结构完整性。持续高强度热应激使HSP过度积累并负向调节信号通路，ROS超过抗氧化能力后引起线粒体功能障碍和caspase介导凋亡。Gir公牛冻前精液HSP70表达与精子活力、活率、顶体完整性和受精能力正相关。牛有HSP70-1、HSP70-2、HSP70-3和HSP70-4等基因，HSP70-2参与精子发生并保护细胞免于凋亡和氧化应激，HSPs尤其HSP70-2可作热耐受和精液质量标志及候选干预靶点。
5.4 热应激通过表观基因组重塑影响精子发生：精子发生易受环境扰动，热应激可诱导生殖细胞广泛表观基因组重塑，虽不改变DNA序列，但通过调节转录活性、基因组稳定性和配子互作影响生精效率和功能完整性，涉及非编码RNA、DNA甲基化和RNA化学修饰动态平衡。
5.4.1 热应激通过非编码RNA影响精子发生：非编码RNA主要包括miRNA、lncRNA和circRNA。热应激可改变牛精子中300多个miRNA表达，miR-181d在高温暴露后富集并损害受精能力和胚胎发育；阴囊热应激下调miR-9-5p、miR-34b、miR-146a和miR-200b。circRNA在牛睾丸中丰富，可作为miRNA海绵，但热应激下牛circRNA动态仍待探索。lncRNA长度超过200 nt，可调控基因表达；部分lncRNA参与精子发生，热应激上调lncRNA 4930555K19Rik和LINE-1，但牛lncRNA研究有限。
5.4.2 热应激通过DNA甲基化影响精子发生：DNA甲基化在CpG二核苷酸胞嘧啶第五碳加甲基生成5-甲基胞嘧啶（5mC），参与基因组印记、基因表达调控、染色体失活和生殖发育。水牛全基因组DNA甲基化测序显示热应激诱导精子差异甲基化并与精液质量下降相关，但现有证据仅表明相关性，不能确立因果；热应激可同时通过氧化应激和激素紊乱损伤精子，甲基化改变可能是伴随现象，仍需甲基转移酶抑制剂和位点特异性表观基因组编辑验证。若稳定性和特异性可行，DNA甲基化标志有望纳入耐热种公牛选育。
5.4.3 热应激通过m
6A甲基化影响精子发生：m
6A是哺乳动物mRNA最丰富修饰之一，参与有丝分裂、减数分裂和精子形成，由甲基转移酶、去甲基化酶和阅读蛋白动态调控。热应激可通过FTO/IGF2BP2/m
6A-Anxa2通路扰乱HPG轴稳态并降低精子活力。猪Sertoli细胞中，热应激上调METTL3和YTHDF1，增强SOS2 mRNA的m
6A修饰并促进翻译，激活ERK1/2和NLRP3炎症小体。公牛中m
6A证据仍碎片化，其作为耐热评价标志或干预靶点尚待机制阐明和表型验证。
6. 热应激通过“肠道–睾丸”轴影响精液性状
6.1 肠道微生物群作为调节雄性生殖的机制基础：肠道微生物群被称为宿主“第二基因组”，参与肠道发育、营养消化和免疫调节；反刍动物中瘤胃微生物密度最高。热应激既直接损伤精子发生，又可通过破坏肠道微生物稳态损害繁殖性能。
6.1.1 肠屏障与免疫信号：“肠道–睾丸”轴的结构基础：肠屏障完整性依赖微生物群稳态。菌群失调增加通透性，脂多糖（LPS）经门静脉或淋巴系统进入循环，降低血清睾酮。LPS可结合Leydig细胞和Sertoli细胞表面的Toll样受体4（TLR4），激活TLR4/MyD88/NF-κB通路并触发炎症。肠道相关淋巴组织分泌IL-6、TNF-α和TGF-β，经血流调节睾丸局部免疫微环境和生精细胞增殖凋亡平衡，存在双向通讯。
6.1.2 代谢信号：短链脂肪酸与微生物源代谢物：膳食纤维发酵产生乙酸、丙酸和丁酸等短链脂肪酸（SCFAs），既是肠上皮能量来源，也作为信号分子进入循环。猪中Muribaculaceae与精液质量正相关，与SCFAs减轻炎症有关；高能日粮诱导绵羊菌群失调，Ruminococcaceae_NK4A214减少，扰乱维生素A代谢并引起附睾炎症和睾丸基因异常。3-羟基苯乙酸可通过上调GPX4抑制铁死亡促进衰老小鼠精子发生。微生物代谢是“肠道–睾丸”轴功能调控的中心环节。
6.1.3 其他信号转导：内分泌与外泌体介导的远程调控：肠道微生物可通过精氨酸代谢调节一氧化氮（NO），其生理水平对雄性生殖重要；微生物合成5-羟色胺和γ-氨基丁酸等神经递质可调节HPG轴。外泌体miRNA也参与远程调控：菌群失调上调肠源外泌体miR-211-5p，抑制睾丸减数分裂特异卷曲螺旋蛋白并损害精子发生；菌群失调改变循环外泌体功能，导致睾丸视黄酸代谢异常；低聚果糖可调节肠上皮外泌体miR-690并增加Eubacterium，保护睾丸功能。
6.1.4 益生菌对生殖功能的保护作用：益生菌可通过抗氧化、抗炎和神经内分泌调节改善精液质量。鼠李糖乳杆菌可改善精子数量、活力、超微结构、DNA完整性和染色质凝聚；Lactobacillus rhamnosus CECT8361和Bifidobacterium longum CECT7347可改善无精子症患者射精量和精子活力；Bacillus amyloliquefaciens TOA5001增强公鸡精液质量。Enterococcus faecium和Clostridium butyricum通过重塑肠道微生物群降低LPS，保护精子发生；Lactobacillus reuteri提高老年小鼠血清睾酮，Bifidobacterium缓解环丙沙星诱导的睾酮下降。现有证据在模型、剂量、途径和持续时间上异质，公牛直接证据仍少。
6.1.5 瘤胃微生物对反刍动物雄性生殖的影响：反刍动物瘤胃微生物密度和多样性高，发酵产生的挥发性脂肪酸（VFAs）以乙酸、丙酸和丁酸为主，可占宿主总能量摄入70%以上，直接调节全身能量代谢并为精子发生和类固醇生成提供底物和能量。瘤胃微生物代谢物尤其丁酸信号参与繁殖调节；聚苯乙烯微塑料可通过破坏瘤胃丁酸信号损害绵羊精子发生；N-乙酰半胱氨酸可优化山羊瘤胃微生物和代谢轴，改善精子抗氧化、能量和脂质稳态；辣木叶提取物可重塑瘤胃微生物组和代谢组并提高睾酮和精子活力；渤海黑牛补充Bacillus maritimus N2可重塑瘤胃微生物–宿主代谢轴并上调睾丸生殖相关分子。牛研究仍有限，机制多由其他物种外推。
6.2 热应激通过“肠道–睾丸”轴损害精液性状：公牛直接证据有限。He等观察到热应激公牛粪便Akkermansia muciniphila减少且精液质量较差，将其粪菌移植至小鼠后睾丸生殖细胞和附睾精子减少；相关分析提示Akkermansia muciniphila调节次级胆汁酸代谢和肠道视黄醇吸收，进而调节睾丸视黄酸水平，缓解热应激诱导的精液下降，这是牛中“肠道–睾丸”轴信号通路的首个直接证据。山羊中，热应激肠道菌群失调可触发花生四烯酸过度合成，引起睾丸炎症和生精停滞，褪黑素可修复菌群稳态并恢复精子活力。单胃动物中，热应激菌群失调和屏障受损促进LPS入血，引发睾丸炎症和氧化应激；L-精氨酸和调节Lachnospiraceae_XPB1014可改善。反刍与单胃动物胃肠结构和发酵模式不同，外推至公牛需谨慎。
7. 缓解热应激诱导损伤的潜在干预策略
7.1 建立公牛多组学整合与综合耐热评价模型：现有研究多限于单组学，难以全面捕捉系统损伤。公牛中已有蛋白质组与代谢组联合分析显示精胺通过抗氧化途径增强冻融耐受；转录组、蛋白质组和代谢组整合可识别影响精子代谢和生育力的核心分子；Holstein种公牛精子转录组与精浆代谢组整合可从“基因表达–代谢物”层面解析精子活力。针对热应激生精的多组学整合仍几乎空白。应结合基因组、转录组、表观基因组、蛋白质组和微生物组构建层级分子网络，并利用单细胞组学解析细胞类型特异反应。可尝试建立整合遗传、表观和肠道微生物特征的多维评价模型，但候选标志仍需大队列验证并与传统精液指标比较。
7.2 耐热干预策略的建立与育种应用：目前主要策略是降温环境管理，如遮阴、喷淋–风扇系统和通风，可降低THI并缓解采食下降和体温调节负担，但作用外部且短暂，不能内化为个体持久耐热，也不能完全阻断深层生精损伤。将分子和微生物发现转化为实用耐热干预仍有限，营养干预和分子育种是两大基本策略。
7.2.1 通过日粮补充的精准营养干预：热应激引起ROS积累并损害精子发生。补充抗氧化饲料添加剂可缓解精液质量下降。硒和维生素E作为谷胱甘肽过氧化物酶等酶系统组分和辅因子，清除过量ROS并修复精子膜脂质过氧化。褪黑素可清除自由基并恢复氧化还原稳态，缓解水牛精液质量下降。ω-3多不饱和脂肪酸如二十二碳六烯酸可改善精子膜磷脂组成和流动性，提高热应激Holstein公牛精子活力。益生菌代谢物如Bacillus maritimus可重塑瘤胃微生物–宿主代谢轴并改善渤海黑牛睾丸分子特征，但公牛直接证据有限。
7.2.2 基于基因编辑的分子育种改良：除营养干预外，候选热应激基因功能验证和遗传改良是提高牛群耐热性的重要途径。CRISPR等基因编辑平台可生成条件敲除或敲入模型，验证核心分子必要性。已明确功能的标志可纳入耐热种公牛选育。现有耐热牛基因编辑多聚焦耐热表型，尚未直接以热应激下精液质量为主要终点。例如SLICK基因编辑牛改善被毛结构和体温调节；PRLR编辑Angus和Jersey牛未发现对阴囊围、精子浓度、精子运动学或体外受精能力的明显不利影响，但未证明热应激下精液质量改善。未来应结合精液表型系统评估。基因编辑家畜应用仍受安全、技术和伦理限制。
8. 研究空白与未来展望：现有研究已涉及内分泌、氧化应激、基因表达和表观修饰，但多来自单组学，热应激生精功能障碍的网络层级结构未系统阐明，通路激活时序和信号协同不清。分子育种中许多候选基因仍限于关联和体外验证，系统体内验证不足；干预用代谢物和益生菌仍待大规模实验和生产应用确认。未来应推进多组学整合，同时开展转录组、代谢组、表观组和微生物组测序，构建跨层分子网络；利用基因编辑生成耐热公牛；将基因组选择与传统育种结合，导入耐热优势等位基因；并基于“肠道–睾丸”轴筛选具有抗氧化、抗炎和维持肠屏障功能的益生菌，通过饲料或口服制剂调节宿主–微生物互作，恢复氧化还原和激素微环境。
9. 结论：热应激通过行为改变、常规精液参数下降、精子微环境改变、氧化应激、神经内分泌紊乱和表观遗传重编程等多层级生物反应损害种公牛精液质量。“肠道–睾丸”轴为理解热应激生殖损伤提供了新框架，但公牛直接机制证据有限，当前认识多由其他物种外推。多数研究仍基于单组学，多通路时序激活和协同效应尚待探索。未来应整合多组学重建热应激下精子发生调控网络，建立结合遗传、表观和微生物特征的多维评估框架，并明确候选标志能否预测个体热应激易感性、后续精液质量恶化或实际生育结局。这些分子和微生物指标仍处于候选标志阶段，需独立人群前瞻性验证并证明其相对THI、体温、呼吸率和常规精液质量指标的附加价值。在此基础上，精准营养干预和遗传改良有望将机制发现转化为全球变暖下种公牛耐热管理的实用策略。
