动物繁殖学研究中自主设计性试验的运用

  　　在动物繁殖学本科教学实验中, 传统的验证性实验教学模式无法充分调动学生的学习兴趣和发挥学生的主观能动性, 教学效果也会大打折扣。而自主设计性试验可以让学生从选题到撰写报告、论文参与整个试验过程, 极大地激发学生的科学研究兴趣, 并充分提高学习能力。文章以热应激对小鼠生殖能力影响的试验为例, 阐述了自主设计性试验如何在动物繁殖学上应用。

　　《教育与装备研究》(月刊)创刊于1984年8月，是由教育部主管、教育部教育装备研究与发展中心主办，国内外公开发行的国家级综合性教育类学术期刊。从2016年3月起由《教学仪器与实验》更名为《教育与装备研究》，更名后将在继续关注实验教学的基础上，紧跟教育改革步伐。

　　为了适应日益发展的畜牧生产需要, 让学生能从容面对和处理动物生产中错综复杂的生产难题, 同时为了进一步增强学生的科研思维方式和提高动手操作能力, 有必要在本科教学中增加更多的自主设计性试验。

　　自主设计性试验是首先给学生指定某个试验方向, 让学生自行查阅文献资料, 再根据所学理论知识, 分小组自主设计试验路线和具体方案, 然后在教师的指导下调整和修正试验设计, 并顺利执行, 最后得到预期结果和达到设定目标。这种自主设计性试验可以让学生在面对问题时, 通过理论求证、逻辑思考、系统规划、动手操作、试验总结等过程, 充分地自主学习和研究, 从而掌握完整的理论体系, 并具备解决各种疑难问题的能力。

　　1、 自主设计性试验选题

　　1.1、 试验主题的选择

　　近几年来, 随着全球气候变暖, 温室效应不断加剧, 环境温度经常发生改变, 特别是在炎热夏季, 室外最高气温经常达到40℃, 高温和潮湿的环境给动物及人类带来许多不便, 动物在这种环境条件下极易出现热应激反应 (HSR) , 主要表现为体温升高、呼吸频率加快、采食量下降、日增重降低、繁殖性能下降、发病率增加, 热应激给动物生产带来了巨大经济损失。随着畜牧业集约化、规模化的发展, 热应激对动物生殖系统的影响和由此带来的对动物繁殖效率的影响, 以及如何降低热应激对动物繁殖性能的影响逐渐成为近年来动物生产研究者十分关注的问题。因此, 在目前的“动物繁殖学”课程实习中, 逐步开展相应的动物热应激试验, 让学生能更好地了解和掌握动物热应激现象、基本原理和应对策略, 提高综合分析能力, 以便能更好地服务动物生产。

　　1.2、 试验动物的选择

　　由于试验条件和教学经费的限制, 针对本科生的热应激试验不能采用常见家畜 (猪、牛、羊、鸡、鸭等) 作为试验动物, 而由于小鼠具有个体小、成本低、繁殖周期快、饲养环境易于控制等优点, 成为热应激试验的最好选择。另外, 针对小鼠的热应激试验, 可以从热应激对未成年动物生长发育 (生殖系统的发育) 的影响、热应激对雄性动物的生殖影响、热应激对雌性动物的生殖影响以及各种缓解热应激的因素等多方面引导学生进行自主设计性试验的开展, 从而提高学生的科研设计、动手操作及试验分析总结等能力。

　　2、 试验设计的基本理论

　　2.1、 HSR基本理论知识

　　大多数哺乳动物属于恒温动物, 其核心体温需要维持在一个恒定的温度 (一般为35~39℃) , 以维持其正常的生理功能。当环境温度发生变化时, 动物可通过散热调节或者产热调节两种方式对自身体温进行调节。如果环境温度继续升高, 上述两种调节方式都无法使动物维持体温恒定时, 则会使动物出现HSR[1]。热应激能够影响动物机体的生产性能、代谢机能、免疫机能, 同时能够激活机体细胞内的信号途径从而改变机体内基因表达。在高热高湿等应激状态下, 动物机体通过热应激因子 (HSF) 基因→HSF蛋白→热应激元件 (HSE) 基因→热休克蛋白 (HSPs) 基因→HSPs途径, 能合成一组保护性HSPs, HSPs能够提高机体细胞对应激的耐受能力, 并具有分子伴侣功能、免疫学作用、抗氧化作用、抗细胞凋亡等, 从而降低动物机体因应激而造成的不可逆损伤[2]。

　　2.2、 热应激对雄性动物生殖的影响

　　由于热应激破坏动物机体体温调节平衡, 从而发生生理功能紊乱, 尤其是下丘脑-垂体-睾丸轴受到显着影响, 导致雄性动物生殖激素分泌紊乱。并且在热应激条件下, 睾丸散热困难会导致精细管、生精细胞等出现病变, 使睾丸的生精能力受到损伤[3], 精液品质严重下降[4]。

　　2.3、 热应激对雌性动物生殖的影响

　　热应激同样是因为影响下丘脑-垂体-卵巢轴的平衡, 而引起雌性动物生殖激素, 如促性腺激素释放激素 (GnRH) 、卵泡刺激素 (FSH) 、黄体生成素 (LH) 等出现显着变化, 卵巢功能受损, 导致卵泡发育受阻或抑制[5], 子宫环境不适宜胚泡附植, 雌性动物出现发情减弱、短促发情、乏情、受胎率降低、产弱仔或死胎[6]等现象。

　　3、 试验操作步骤

　　3.1、 小鼠的饲养管理

　　在小鼠标准饲养房内, 恒定温度 (20~25℃) 、湿度 (40%~50%) , 控制光照时间 (每天10~12 h) , 保证充足干净饮水和饲料, 定期更换垫料。

　　3.2、 小鼠组织切片的制作

　　需要对雄鼠睾丸或雌鼠卵巢进行组织切片观察, 掌握小鼠生殖器官的热应激变化情况。组织切片的制作程序为采样→固定→清洗→脱水→透明→浸蜡、包埋→切片→展片→烤片→脱蜡、水化→染色→封片。

　　3.3、 小鼠生长发育指标的测定

　　可以根据试验设计有针对性地选择小鼠生长发育指标, 如体重、体长 (身长) 、胸围、平均日增重、饲料转化率、平均初生重、肢体畸形率等。

　　3.4、 小鼠繁殖性能指标的测定

　　可以根据试验设计选择小鼠繁殖性能指标, 如精子密度 (附睾内) 、精子活力 (附睾内) 、精子畸形率 (附睾内) 、睾丸重、卵巢重、受胎率、窝产仔数、活仔数等。

　　3.5、 小鼠生理生化指标的测定

　　小鼠生理生化指标包括肛温、呼吸频率、组织活性氧 (ROS) 含量、超氧化物歧化酶 (SOD) 活性、丙氨酸氨基转移酶 (ALT) 活性、三酰甘油 (TG) 含量, 对于雄性小鼠还可以考虑测定精液顶体酶 (ACE) 、酸性磷酸酶 (ACP) 、乳酸脱氢酶 (LDH) 活性等。

　　3.6、 小鼠热应激分子指标的测定

　　可以测定小鼠睾丸或卵巢中HSPs基因的表达情况。

　　4、 自主设计性试验基本策略

　　由于自主设计性试验主要锻炼学生综合试验能力, 因此教师的主要职责是引导, 只在特殊情况下给予帮助。

　　4.1、 试验任务的布置

　　召集学生, 针对目前环境恶化、气候变化等背景知识进行简单讲解, 然后安排试验题目, 并将试验设计的基本思路与试验中涉及的试验技能与学生进行详细沟通, 让学生有基本的认识, 同时按照每组4人或5人将学生进行分组。

　　4.2、 试验方案的初步设计

　　学生分组查阅热应激的相关文献, 要求学生通过文献掌握热应激的理论基础, 并根据自己的兴趣选择热应激试验的一个具体研究方向, 同时初步做出本小组的试验设计方案, 在方案中要明确试验材料及仪器、具体思路与实施方法、主要检测指标以及数据统计分析方法等。

　　4.3、 试验方案的调整与完善

　　每组学生提交试验设计方案, 并制作PPT, 在班级做5~10 min陈述, 学生间进行提问和讨论, 然后在教师的指导下修正初步方案, 再提交指导教师, 确定最终试验方案。

　　4.4、 试验开展的准备

　　根据试验方案, 做好试验准备, 包括符合要求的试验小鼠、试验器材及试剂、试验进展安排等。

　　4.5、 开展试验及发现问题

　　按照试验方案正式开展试验, 要求学生做好试验小鼠的日常饲养工作, 同时严格执行试验处理方案, 并及时做好试验记录。在试验过程中, 发生特殊情况, 如小鼠互相撕咬、死亡、母鼠食仔等需要及时处理。

　　4.6、 试验总结与分析

　　学生收集试验数据, 教师指导学生对数据进行统计分析, 并撰写试验总结。一般应该要求学生以小组为单位完成一篇完整的科技论文, 从而进一步提升学生的学术水平。

　　5、 热应激试验基本技术路线

　　根据每个小组的试验目的, 分别制订各自的技术路线。本自主试验的主体技术路线见图1;在教学过程中某小组的特定试验技术路线见图2。

　　6、 试验开展的注意事项

　　为了保证试验能够按照小组设定的技术路线和具体方案顺利开展, 要求各小组学生必须进行预试验。在预试验期间, 要求小组成员通过相关的试验技术训练, 掌握各小组涉及的技术操作步骤。各小组必须安排好值日人员, 保证小鼠每日的饲喂与试验处理。对于小鼠可以使用智能人工气候箱来模拟热应激环境, 精确控制应激处理的温度、湿度等条件。在进水箱中建议添加纯化水, 以防水源不净造成小鼠的呼吸道刺激。进行热应激处理前, 先要将智能人工气候箱进行预热, 达到设计温度并稳定后再放入小鼠。

　　7、 小结

　　自主设计性试验能够充分调动学生的团体协作和自主设计与思考。笔者在动物科学专业本科生中开展了热应激对小鼠生殖能力的试验, 从学生反馈的信息看, 这种自主设计性试验得到了学生的好评, 并从中感受到科学的魅力和学习的乐趣。

　　参考文献：

　　[1]唐俊英.热应激对奶牛生产力的影响[J].中国奶牛, 2000 (2) :27-28.

　　[2]BLACHERE N E, LI Z, CHANDAWARKAR R Y, et al.Heat shock protein-peptide complexes, reconstituted in vitro, elicit peptide-specific cytotoxic T lymphocyte response and tumor immunity[J].J Exp Med, 1997, 186 (8) :1315-1322.

　　[3]曾新斌.牡蛎粗多糖对热应激雄性动物血液生化指标及生精功能的影响[D].福州:福建农林大学, 2011.

　　[4]桑润滋, 田树军, 李俊杰, 等.热应激对荷斯坦种公牛精液品质的影响及机理[J].中国兽医学报, 2002, 22 (4) :407-410.

　　[5]DE RENSIS F, SCARAMUZZI R J.Heat stress and seasonal effects on reproduction in the dairy cow—a review[J].Theriogenology, 2003, 60 (6) :1139-1151.

　　[6]RENAUDEAU D, QUINIOU N, NOBLET J.Effects of exposure to high ambient temperature and dietary protein level on performance of multiparous lactating sows[J].J Anim Sci, 2001, 79 (5) :1240-1249.

《动物繁殖学研究中自主设计性试验的运用》

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