鏈格孢霉菌侵染番茄產毒機制

曲勁堯，林煜程，毛 馨，盧國柱，袁智鵬，張瑤瑤，尤艷莉，李彥伸*

（煙臺大學生命科學學院，山東 煙臺 264005）

鏈格孢霉屬（Alternariaspp.）是一種廣泛分布于自然界的真菌，屬于暗梗孢科磚隔孢亞科[1-2]，包括腐生菌和內生菌，是多種谷物、水果和蔬菜的致病菌[3]。由于其在低溫下也能生存，因此普通的低溫冷鏈技術運輸和貯存方式仍然避免不了由其引起的農產品的腐爛，造成巨大的經濟損失[4]。除此之外，鏈格孢霉可產生約70 種有毒代謝產物，如已經在多種食品中檢測到的鏈格孢酚（alternariol，AOH）、鏈格孢甲基醚（alternariol monomethyl ether，AME）、細鏈格孢菌酮酸（tenuazonic acid，TeA）、鏈格孢霉烯（altenuene，ALT）、騰毒素（tentoxin，TEN）[5-6]。據報道，許多鏈格孢霉毒素具有細胞毒性、基因毒性、致突變性[7-10]。此外，大量研究發現，在一定條件下，真菌毒素分子可與糖、氨基酸或硫酸鹽等極性較強的物質結合，生成結合型真菌毒素[11]。這些毒素在代謝過程中一經水解就會釋放毒素本體，成為危害人類健康的潛在風險之一[12]。

液相色譜-質譜聯用已成為多種真菌毒素準確分析的首選技術[13]，但由于商業化標準品的缺乏，隱蔽型真菌毒素在常規檢測中往往被忽視，再者百萬級的質譜數據無疑增加了數據分析和挖掘有用信息的艱難程度[14]。利用高分辨質譜和后續數據分析軟件進行非靶向代謝組學分析為隱蔽型真菌毒素的檢測和天然化學產物的研究提供了新的解決方案[15]。

首先，開源性軟件MZmine的數據處理模塊利用嵌入式可視化工具，允許直接預覽分析結果，經峰值檢測、去同位素等處理后，可去除大量無用的峰，從而得到更有價值的分析結果，適合大批量的數據分析[16]。其次，Xcalibur軟件可對全掃描、二級質譜掃描、同位素峰、公式預測、保留時間進行精準分析。最后，全球天然產物社會分子網絡（global natural products social molecular networking，GNPS）是一個基于網絡的質譜生態系統，旨在成為一個開放獲取的知識庫，供社區組織共享、加工和鑒定串聯質譜原始數據[17-18]。基于特征的分子網絡（feature based molecular networking，FBMN）可以對質譜碎片數據和評估結構相似性之間的代謝物進行可視化分析，對于化合物的快速鑒定及新型化合物發現具有重要的作用[14,19-21]。Quinn等[22]介紹了分子網絡的應用范圍，并認為其可作為創新工具用于藥物發現、臨床應用和精準醫療。Xu Shanshan等[23]使用基于高分辨質譜的 代謝組學和GNPS-FBMN評估了在濕熱或干冷環境中存儲1～9 年的普洱茶，結果表明，普洱茶的化學特征在早期相似，但在濕熱環境中的第5年和干冷環境中的第7年，其化學特征開始相互區分。

中國是世界上主要的番茄生產國、消費國、貿易國[24]。由于番茄果皮很薄，所以容易受到真菌的感染，而鏈格孢霉是發霉番茄上最常見的真菌[25]。本研究以番茄為實驗材料，模擬室溫（25 ℃）和低溫（4 ℃）貯藏過程中，番茄被鏈格孢霉感染的過程，對不同感染時期鏈格孢霉毒素及隱蔽型真菌毒素進行定性和代謝通路分析，為番茄鏈格孢霉污染防控和鏈格孢霉毒素代謝分析提供理論依據和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 材料、菌株與試劑

成熟度相同的番茄（每個番茄質量約200 g，無機械損傷和病害、顏色均勻）購自山東省煙臺市萊山區煙大市場；鏈格孢霉M1-2為本實驗室保存菌株。

鏈格孢霉毒素標準品（AOH、AME、TeA、TEN、ALT） 青島普瑞邦生物工程有限公司；馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養基 北京路橋技術有限責任公司；NaCl（分析純）、乙腈（分析純）、乙醇（分析純） 國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

SHH-250L生化培養箱 重慶市永生實驗儀器廠；SW-CJ-2DX型雙人單面超凈工作臺 蘇州凈化設備有限公司；D-1-70型自動控制壓力蒸汽滅菌鍋 北京發恩科貿有限公司；3k15高速臺式冷凍離心機 德國SIGMA 公司；MP2002電子天平 上海市舜宇恒平科學儀器；血球計數板 上海市求精生化試劑儀器有限公司；M150顯微鏡 麥克奧迪實業集團有限公司；Q Exactive plus組合型四極桿Orbitrap質譜儀 賽默飛世爾科技 （中國）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 分生孢子懸液的制備

將鏈格孢霉供試菌株接種于馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養基，在25 ℃下光暗交替各12 h培養7 d。吸取2 000 μL無菌生理鹽水于培養真菌的平板上，用接種環輕輕刮取平板 表面的孢子，吸取平板上含有分生孢子的生理鹽水并轉移至50 mL離心管內。繼續向平板上加入1 000 μL無菌生理鹽水，將平板表面殘留的孢子洗下，合并含有孢子的生理鹽水于50 mL離心管中，并用無菌生理鹽水定容至10 mL，充分漩渦后用4 層滅菌擦鏡紙過濾，以除去菌絲。使用血球計數板在顯微鏡下計數后，用無菌生理鹽水將分生孢子懸液濃度調整至1×105個/mL，置于4 ℃下保存備用。

1.3.2 番茄樣品處理及毒素提取

選取成熟度相同的番茄果實36 個，浸泡在75%（體積分數，后同）乙醇溶液中表面消毒2 min。在超凈臺中用無菌去離子水沖洗3 次后晾干。在無菌環境下進行接種：用無菌牙簽在果實赤道處刺1 個約5 mm深度的傷口，吸取5 μL孢子懸液接種于刺好的傷口處；接種相同體積的無菌生理鹽水作為對照組。接種后的番茄果實放于塑料筐（已用75%乙醇溶液消毒）中，用保鮮膜密封，分別放置于4 ℃和25 ℃下貯藏。分別在接種后5、10、15 d進行取樣，每次取3 個平行。無菌條件下，取病斑腐爛處樣品1.00 g于10 mL離心管內，加入5 mL 84%乙腈溶液。漩渦振蕩混勻后，10 000 r/min離心10 min，取上清液經0.22 μm有機濾膜過濾，濾液進行超高效液相色譜-質譜分析。

1.3.3 液相色譜-質譜條件

液相色譜條件：Hypersil GOLD? C18色譜柱（100 mm×2.1 mm，1.9 μm）；柱溫：25 ℃；流動相：A相為0.05%（質量分數）氨水，B相為0.1%甲酸-乙腈溶液；梯度洗脫程序：0.0～1.0 min，5% B；1.0～3.0 min，5～30% B；3.0～4.0 min，30～40% B；4.0～5.5 min，40～55% B；5.5～7.5 min，55～95% B；7.5～9.0 min，95～5% B；9.0～10.0 min，5% B；進樣量：5 μL；流速：0.3 mL/min。

質譜條件：離子源參數：鞘氣流速：45 L/min；輔助氣流速：10 L/min；擋錐氣流速：0 L/min；電噴霧電壓：3.5 kV；離子導管溫度：320 ℃；離子源溫度：350 ℃；采集的模式為負離子模式下的一級全掃描和數據依賴性二級質譜掃描dd-MS2。

一級全掃描的具體參數：分辨率：70 000；離子注入數目：3×106；最大離子注入時間：250 ms；掃描范圍：120～900m/z。

數據依賴性二級質譜掃描dd-MS2的具體參數：分辨率：17 500；離子注入數目：1×105；最大離子注入時間：64 ms；循環次數：5 次；隔離窗口：1.2m/z；歸一化碰撞能量：20、40、60 eV。dd參數：注入離子數目：1×103；頂點激發：2～6 s；同位素峰排除：開；動態排除：8.0 s。

1.3.4 分析工具及參數設定

使用MZmine 2軟件的碎片過濾診斷對偶聯產物進行 篩選，本研究中設置診斷中性丟失值為m/z79.956 8，m/z公差（tolerance）為0.02或5×10-6，基峰設置為20%。使用MZmine 2軟件的質譜掃描和色譜峰建立功能進行過濾和建立色譜峰；使用色譜峰的分離和同位素峰去除功能進行色譜峰的分離和去同位素峰；使用列表對齊功能使所有數據特征峰根據保留時間和特征列表進行對齊；使用自定義數據庫對化合物進行鑒定。最后，導出包含完整一級質譜和二級質譜的特征文件用于GNPS分析。

將MZmine 2軟件導出的特征文件上傳至GNPS平臺，使用FBMN工具進行分析。設置母離子質量誤差和子離子碎片質量誤差均為m/z0.02。使用邊緣過濾，使其余弦值大于0.7并且匹配的峰超過6 個，建立分子網絡。導出分子網絡數據文件，在Cytoscape軟件中進行可視化分析。

1.4 數據分析

利用Xcalibur軟件對5 種已有商業標準品的鏈格孢毒素（AOH、AME、TeA、ALT、TEN）的保留時間、母離子、子離子等相關信息進行確定，樣品采用相同的儀器條件進行分析，研究3 次取樣中鏈格孢霉毒素的產生情況。對質譜采集后的數據文件使用MZmine 2軟件的碎片過濾診斷功能，對所有硫酸鹽結合的二項代謝物進行篩查研究。在MZmine 2軟件篩查結果的基礎上，采用Xcalibur軟件對篩查后的結果進行數據分析，基于保留時間（硫酸鹽結合產物極性增強，保留時間提前）、母離子和子離子碎片（脫SO3的質量碎片）、精確質量數、中性丟失值（m/z79.9568）、同位素峰（含S同位素的1.995質量位移）等進行確證。利用Mzmine軟件中自定義數據庫篩查功能，對鏈格孢霉毒素篩選結果建立熱圖，對各個毒素的含量隨時間的變化進行可視化分析。最后借助GNPS平臺的基于特征的分子網絡功能構建分子代謝網絡，對鏈格孢霉毒素代謝通路進行分析。

2 結果與分析

2.1 接種后番茄果實在不同貯藏條件下的外觀變化

人工接種鏈格孢霉分生孢子后，番茄果實在不同貯藏條件下的外觀變化如圖1所示。25 ℃條件下貯藏5 d時，刺傷接種處開始出現黑色病斑，隨著貯藏時間延長，病斑直徑也增大，10～15 d病斑增大速度加快，15 d后番茄底部開始出現自發的腐爛。4 ℃下貯藏15 d的過程中，番茄果實表皮逐漸褶皺，但刺傷接種處無黑色病斑出現。結果表明，低溫抑制了鏈格孢霉的生長和產毒，能夠起到有效的保鮮作用。

圖1 接種后番茄果實在不同貯藏條件下的外觀變化Fig.1 Change in visual appearance of tomato fruit under different storage conditions

2.2 不同貯藏條件下番茄樣品中5 種真菌毒素的含量 變化檢測結果

100 μg/L 5 種真菌毒素標準溶液的母離子色譜圖如圖2所示。不同貯藏條件下番茄樣品中5 種真菌毒素的含量變化如表1所示。在4 ℃下貯藏15 d的過程中，接種處并無黑色病斑發生，也未檢出5 種鏈格孢毒素。在25 ℃下，AOH、AME、TeA、TEN在3 次取樣（5、10、15 d）中均有檢出；ALT直至第15天才在取樣中檢出。

圖2 5 種真菌毒素標準品母離子色譜圖Fig.2 Mother ion chromatograms of five fungal toxin standards

表1 不同貯藏溫度下被浸染番茄的鏈格孢毒素檢測結果Table 1 Results of detection of Alternaria toxins in infected tomatoes during storage at different temperatures

2.3 隱蔽型真菌毒素分析

對負離子模式二級質譜的原始數據的初步檢測顯示，幾種代謝物解離的中性丟失值為m/z79.956 8，表明存在SO3。為了充分了解代謝物與硫酸鹽的結合程度，使用MZmine軟件對完整原始數據集進行碎片過濾診斷[26]，設置診斷中性丟失值為m/z79.956 8，生成中性丟失圖，中性丟失圖可以使失去的相應SO3（m/z79.956 8）分子質量的前體離子進行可視化展示[27]。如圖3所示，在接種鏈格孢霉后的番茄提取物中存在大量的硫酸化反應。

圖3 接種鏈格孢霉番茄提取物的中性丟失圖Fig.3 Mass spectrum showing neutral mass losses of metabolites extracted from tomatoes inoculated with Alternaria spp.

為了進一步驗證硫酸鹽結合的隱蔽型真菌毒素的存在，使用Xcalibur軟件通過分辨率70 000以上的同位素模式進行確認。Heuillet等[28]的研究結果表明，高分辨質譜儀完全可以辨別出同位素信號，這對于化合物分子式的確認有極大的幫助。如圖4、5所示，通過使用精確的鏈格孢霉毒素標準品m/z信息和m/z79.956 8的中性丟失值，可以得到AOH和AME的硫酸鹽結合形式的色譜和質譜 信息。如圖4所示，硫酸鹽結合的毒素出峰時間早于未結合毒素的出峰時間，符合極性大的分子先出峰的原則。如圖5所示，自然豐度為4.21%的34S同位素峰在單同位素峰分別有m/z1.995 54和m/z1.995 36的質量位移，13C×2同位素峰存在m/z2.004 94和m/z2.004 89的質量位移，由此證實了兩種毒素硫酸鹽結合產物的存在。

圖4 硫酸鹽結合和未結合的鏈格孢毒素色譜圖Fig.4 Chromatograms of sulfate-bound and free Alternaria toxins

圖5 SO3（m/z 79.956 8）的中性丟失和34S、13C同位素峰的質譜圖Fig.5 Mass spectrum showing neutral mass loss of SO3 (m/z 79.956 8) and isotope peaks of 34S and 13C

2.4 隱蔽型真菌毒素的MZmine數據庫及含量熱圖分析

對鏈格孢霉菌在番茄中產生的隱蔽型真菌毒素進行研究，結果發現番茄中鏈格孢毒素的隱蔽形式主要為硫酸鹽結合產物。本實驗中檢測到AOH和AME的硫酸鹽結合產物，其保留時間、實驗m/z、理論m/z和質量測量準確度見表2。

表2 鏈格孢毒素及其與硫酸鹽結合產物保留時間、 實驗m/z、理論m/z和質量測量準確度Table 2 Retention time, measured m/z, calculated m/z and mass measurement accuracy of Alternaria toxins and their sulfated products

基于以上精準的分析數據，建立自定義數據庫，數據庫列表包括序號、m/z、保留時間、毒素名稱和化學分子式等信息。利用Mzmine軟件中自定義數據庫篩查功能， 導入自定義數據庫，設置m/z公差為0.02或5×10-6，對原數據集列表中所有的離子峰進行定性、定量和篩選。將篩選后的結果利用TBtools軟件建立熱圖，熱圖可對各毒素的含量隨時間的變化進行可視化分析。如圖6所示，番茄接種鏈格孢霉后，5 d后便檢測出AOH、硫酸鹽結合AOH、AME、硫酸鹽結合AME、TEN、TeA，直到15 d時才檢測出ALT。貯藏期間各鏈格孢霉毒素整體含量呈增長的趨勢，其中TeA的含量明顯高于其他毒素。

圖6 鏈格孢霉毒素及其與硫酸鹽結合產物的含量隨時間變化的熱圖Fig.6 Heat map for changes in free and sulfate-bound Alternaria toxins over time

2.5 基于FBMN的代謝通路分析

使用MZmine 2軟件對原始質譜數據進行質量檢測和過濾，建立色譜峰。對色譜峰進行分離和去同位素峰處理，使用Join aligner功能將所有特征峰值列表對齊，最后導出包含完整一級質譜和二級質譜的特征文件上傳至GNPS平臺，使用FBMN工具創建一個分子網絡[29]。設置母離子質量公差和子離子碎片質量公差均為m/z0.02。利用Cytoscape軟件對分子網絡結果進行可視化分析[30]。

圖7為TeA（m/z196.097 92，化學式C10H15NO3，保留時間6.02 min）分子集群，該集群包括54 個節點，每個節點代表一種化合物。其中與TeA分子節點直接相連的有10 個節點。m/z182.081 3（保留時間為5.16 min）的節點是TeA脫去了分子某一側的甲基后形成了分子式為C9H13NO3的化合物，其保留時間早于TeA，與其極性大、分子質量小有關。從GNPS平臺上給出的FBMN結果表明，m/z644.228 5（保留時間為6.03 min）、612.276 3（保留時間為6.02 min）和415.192 3（保留時間為5.99 min）的節點為TeA的前體物質，它們具有和TeA相同的保留時間。其他6 個直接相連節點為TeA的一些其他代謝產物。

圖7 基于FBMN的TeA代謝通路圖Fig.7 Metabolic pathway map of TeA based on FBMN

由于AOH（m/z257.045 55，化學式C14H10O5，保留時間為6.58 min）和AME（m/z271.061 19，化學式C15H12O5，保留時間為7.71 min）有著相似的分子結構，所以處于同一分子網絡集群。如圖8所示，該網絡包含23個節點。與AOH直接相連的有5 個節點。由FBMN工作流結果顯示，m/z336.999（保留時間為5.77 min）、337.00 9（保留時間為7.80 min）和515.111 4（保留時間為6.48 min）為AOH的前體物質。其中m/z337.009的節點由于其保留時間晚于AOH，并不是前文所分析的硫酸鹽結合的隱蔽型真菌毒素。m/z337.095 9（保留時間為5.89 min）和257.1757（保留時間為5.89 min）的節點為AOH的代謝產物。其中337.095 9節點為前文所分析的硫酸鹽結合AOH（m/z337.0023 6，化學式C14H10O5SO3， 保留時間為5.74 min），由于處理軟件的不同，其保留時間稍有偏差。毒素AME相連點只有3 個，其中m/z273.04（保留時間為6.77 min）的節點為AME的前體物質。m/z351.010 6（保留時間為6.55 min）的節點為前文所分析的硫酸鹽結合AME（m/z351.018 01，化學式C15H12O5SO3，保留時間為6.58 min）。m/z287.057 4（保留時間為6.79 min）的節點為AME的另一代謝產物，它與AME的m/z相差16，在分子式上相差1 個氧原子。

圖8 基于FBMN的AOH和AME代謝通路圖Fig.8 Metabolic pathway maps of AOH and AME based on FBMN

如圖9所示，ALT（m/z291.087 41，化學式C15H16O6，保留時間為5.89 min）與TEN （m/z413.219 43，化學式C22H30N4O4，保留時間為6.57 min）為兩個孤立的節點。未在番茄果實內檢測到其代謝產物及其隱蔽型真菌毒素，這與Li Yanshen等[15]在人工培養基中培養的鏈格孢霉實驗結果相似。

圖9 基于FBMN的TEN和ALT代謝通路圖Fig.9 Metabolic pathway maps of TEN and ALT based on FBMN

3 結 論

本實驗利用高分辨質譜結合GNPS、Xcalibur、MZmine軟件或平臺對鏈格孢霉感染番茄后產毒機制進行了分析。番茄果實接種鏈格孢霉后在不同溫度下貯藏15 d，每5 d取樣1 次進行分析。在4 ℃下貯藏過程的番茄果實中未檢測到任何毒素；在25 ℃下貯藏的番茄果實中，除ALT外，AOH、AME、TeA、TEN在5、10、15 d時均被檢出，ALT在貯藏15 d后才被檢出。鏈格孢霉感染后的番茄在貯藏過程中，TeA含量最高。相較于室溫（25 ℃），番茄更適合在低溫（4 ℃）下貯藏。使用Mzmine軟件的診斷碎片過濾工具，根據質譜中m/z79.956 8的特異性中性丟失值篩選出了硫酸鹽結合的隱蔽型真菌毒素，并使用Xcalibur軟件通過與5 種毒素標準品比對進一步驗證了AOH和AME的硫酸鹽結合隱蔽型真菌毒素的存在。將原始質譜數據集經過Mzmine軟件處理，導入GNPS后軟件利用FBMN軟件建立了毒素的可視化代謝通路圖。FBMN結果顯示，3 種毒素（AOH、AME、TeA）有明顯的代謝通路，代謝產物的種類較多，而TEN和ALT在代謝通路圖中節點孤立存在，未在番茄中檢測到代謝產物。結果表明MZmine、Xcalibur結合GNPS的數據分析方法適用于真菌天然產物的分析，實驗對于番茄的鏈格孢霉污染防控和鏈格孢霉毒素代謝研究提供了理論依據和數據支撐。