鐮刀菌及其伏馬毒素的危害和防控

郭志青 張霞 刁立功 許曼琳 于靜 李瑩 何康 宋新穎 王維婷 遲玉成

摘要：真菌毒素（mycotoxin）是真菌產生的有毒次級代謝產物，其中伏馬毒素對糧食的污染嚴重威脅人和動物健康，長期過量暴露于含有毒素的食品或飼料會引起人類和動物的中毒或各種疾病，嚴重者甚至死亡。本文綜述了伏馬毒素的結構、種類、毒性機理、生物合成基因序列群和基因調控機制及其控制和預防方法，為鐮刀菌的生物防治和有效控制伏馬毒素污染提供理論基礎，對其它真菌毒素的抑制和防治具有參考意義。

關鍵詞：真菌毒素;伏馬毒素;鐮刀菌

中圖分類號：S432.4+4 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2022）01-0157-08

近年來，國家在推動農業現代化過程中對糧食安全給予越來越多的關注。植物病原真菌一方面可引起糧食變質、腐爛造成巨大的經濟損失，另一方面產生的毒素威脅動物和人類健康。真菌毒素是產毒真菌在生長過程中產生的次級代謝產物，在食用和飼用農產品加工原料中普遍存在，并已成為威脅糧食質量與安全的首要因素。根據聯合國糧農組織（FAO）的統計，全球每年的糧食總產量約為25億噸，有近25%的農作產品被霉菌污染，中國每年約3100萬噸的糧食受到污染[1，2]。

本文以近幾年在真菌毒素領域成為研究熱點的伏馬毒素為例，系統總結了其種類、毒性機理、生物合成基因序列群和基因調控機制及其預防控制技術等，以期為鐮刀菌的生物防治和有效控制伏馬毒素污染提供理論基礎，為其它真菌及其毒素的防控提供參考，對保障糧食安全具有重要意義。

1 鐮刀菌及其伏馬毒素

在中國，真菌毒素對糧食作物侵染頻率較高，污染較為嚴重的5類產毒霉菌分別為曲霉屬（Aspergillusspp.）、鐮刀菌屬（Fusarium spp.）、青霉屬（Penicilliumspp.）、鏈格孢屬（Alternariaspp.）和麥角菌屬（Clavicepsspp.）。其中，鐮刀菌種類繁多，約1500種，常見的侵染作物的病原菌有70余種，多具土傳性。由于不同小種的基因多樣性和廣泛的寄主特異性，能夠引起100多種作物的枯萎病、梢腐病和根腐病等，是最具經濟破壞性的真菌致病菌群之一[3]。鐮刀菌作為半活體營養類型真菌，以活體營養真菌的形式在寄主上進行定殖;在死體營養階段，通過產生毒素和纖維素分解酶導致寄主死亡以便其更好地吸收寄主營養[4]。

鐮刀菌孢子侵染寄主植物后，引起寄主產生一系列反應。信號轉導激活超敏（寄主防御）反應產生的抗性已被證明是基因對基因系統的結果，在該系統中，病原菌無毒（avr）基因與寄主植物中的抗性（R）基因相對應。這種通過超敏反應獲得抗性的基因對基因系統發生在由專性細胞內病原體（如病毒和軟體動物）引起的疾病中，以及由專性和兼性病原體（如細菌、真菌和線蟲）引起的疾病中。無論是哪種病原體，通過超敏反應產生的抗性響應是植物識別特定信號分子（激發子）的結果，激發子由病原體的無毒基因產生，并由植物中R基因編碼的特定受體分子識別。這樣的識別引起宿主基因級聯的激活，導致氧爆發、細胞膜破壞、酚類和其他有毒化合物的釋放、高致病性-敏感反應、程序性細胞死亡、抑制病原體生長，從而產生抗性。還可導致許多其他防御相關基因的激活，從而產生其他類型的抗性，包括水平抗性和系統獲得性抗性[5]（圖1）。鐮刀菌侵染寄主植物后除了引起寄主植物細胞的一系列免疫反應，還能產生3類主要真菌毒素，分別為單端孢霉烯族毒素類（trichothecenes）、玉米赤霉烯酮類（zearalenones）和伏馬毒素（fumonisins）。

伏馬毒素主要由輪枝鐮刀菌（Fusariumverticillioides）、層出鐮刀菌（F.proliferatum）、尖孢鐮刀菌（F.oxysporum）等絲狀植物病原真菌產生[6]。其中，F.verticillioides是非宿主特異性、非專性的病原真菌，可侵染玉米、水稻、小麥、高粱等多種糧食作物，引起玉米穗腐病、玉米苗枯病、小麥根腐病、水稻幼苗的苗枯、根腐等[7]。F.proliferatum具有更廣泛的植物寄主和繁殖能力，除侵染玉米、水稻、小麥、高粱等主要糧食作物，還侵染蘆筍、洋蔥、大蒜等蔬菜及香蕉、無花果、李子等水果[8，9]。F.oxysporum 具有高度的寄主專化性[10]，其侵染引起的植物枯萎病是一種世界性的土傳真菌病害，病菌從根部危害植物，引起維管束病害，造成植株枯死，在植株的全生育期均可發生，對作物生產造成了巨大的經濟損失。

2 伏馬毒素種類、毒性及合成調控基因

2.1 伏馬毒素的結構、種類和毒性

伏馬毒素是一類由不同多羥醇和丙三羧酸組成的結構類似的雙酯化合物，分子極性較強，能溶于水和其他極性溶劑，包括FA1、FA2、FA3、FB1、FB2、FB3、FB4、FP1、FP2、FP3（表1）。B族具有較強毒性，其中，伏馬毒素B1（FB1）是產量最多且毒性最大的毒素。

伏馬毒素常污染玉米和玉米制品，人攝食被伏馬毒素污染的玉米食品會引起疾病[11，12]。在巴西食用伏馬毒素污染玉米的人群得食道癌的幾率增大[13]。此外，動物取食被伏馬毒素污染的玉米飼料也會引起疾病，在美國、阿根廷、巴西、澳大利亞、日本、中國、德國和法國等許多國家均有報道[14]。1989年，美國愛荷華州南部1100余頭豬因取食霉變玉米而死于肺水腫和胸腔積水，引起人們的廣泛關注。后期大量試驗證明，霉變玉米中主要毒素成分是FB1[15，16];除肺水腫，伏馬毒素還可造成豬生殖系統的紊亂，如早產、流產、死胎和發情周期異常等[14]。在巴西，取食伏馬毒素污染的玉米中毒馬匹死亡前癥狀為視力模糊甚至失明，走路不穩，轉圈，用頭撞墻壁、飼槽或者栓樁，死亡后剖檢發現大腦白質有大小不一的灰黃色液化，被確定為馬腦白質軟化癥[17]。2015年11月，新疆奇臺縣半截溝鎮石河子鄉牧場5匹馬因取食發霉玉米中毒死亡，臨床癥狀和病理解剖與馬腦白質軟化癥一致[18]。

伏馬毒素B1對老鼠具有肝臟毒性和致癌的風險[19];引起雛雞的體重下降和多個器官（腎臟、肝臟和心臟）的損傷[20]。動物細胞的離體試驗表明伏馬毒素B1抑制細胞的繁殖并導致細胞毒性[21-23]。此外，伏馬毒素B1被證明能夠致癌、致畸形，有研究證實其與食道癌的發生成正相關[24，25]，還可導致兒童神經管缺陷[26]。

2.2 伏馬毒素的毒性機理

Wang等[27]發現伏馬毒素B1抑制神經鞘脂類物質的生物合成，鞘脂類物質作為細胞膜的重要構成成分和細胞功能調節劑，在細胞的生長和分化中起重要作用。由于伏馬毒素的化學結構與人或動物機體內的二氫鞘氨醇有高度相似性（圖2），因此在神經鞘脂類的代謝過程中，伏馬毒素B1競爭性地結合神經鞘氨醇N-2酰基轉移酶，從而抑制二氫鞘氨醇的生物合成，阻礙鞘脂類代謝[22，27，28]（圖3）。神經鞘脂類生物合成的破壞給人類以及動物的健康造成嚴重危害。

2.3 伏馬毒素生物合成基因序列群及其表達

目前為止，在F.verticillioides基因組中共鑒定出11個FUM基因族類基因。其中，所有能產生伏馬毒素B族的F.verticillioides中都含有其生物合成所必需的多酮肽合成酶基因fum5[29];啟動伏馬毒素的生物合成基因fum1[29];與伏馬毒素生物合成相關的基因fum2、fum3、fum4[30];生物合成協同調節基因簇fum6、fum7、fum8、fum9[31，32]。然而，這些基因如何調控伏馬毒素的合成，并與FUM基因家族之間具有怎樣的調控關系和途徑需進一步研究。此外，在FUM 基因家族以外，其他與伏馬毒素產量相關的基因也正在日益發掘，如AREA、CPP1、FCC1、FST1、FvVE1、GBP1、GBB1等多個基因均被報道在伏馬毒素合成和產量上具有重要調控作用[33-40]。

2.4 伏馬毒素合成的基因調控

生化分析表明，伏馬毒素是鐮刀菌屬產生的有毒次級代謝產物，其來源于脂肪酸還是多酮肽尚不清楚，因為該兩類化合物皆來源于乙酸脂。通過對參與伏馬毒素生物合成的多酮肽合成酶（PKS）基因進行PCR擴增[29]，發現一個具有7.8kb編碼區的基因（fum5）的轉錄產物（Fum5p）與細菌和真菌Ⅰ型多酮肽合成酶非常相似。攜帶fum5的黏粒克隆轉化到F.verticillioides加強了這些菌株產生伏馬毒素的能力，并且使不產生伏馬毒素的突變株恢復了野生型的能力。反之，阻斷fum5可降低99%伏馬毒素的產生。有研究表明，Fum5p可能催化伏馬毒素C-3到C-20骨架的合成[41]。盡管Fum5p與脂肪酸合成酶相似，但其在一條鏈單一轉錄產物上具有6個公認的功能區（圖4）：β-酮酰基合成酶（ketoacylsynthase，KS）、酰基轉移酶（acyltransferase，AT）、脫水酶（dehydratase，DH）、烯酰還原酶（enoylreductase，ER）、β-酮酰基還原酶（ketoacylreductase，KR）和酰基載體蛋白（acylcarrierprotein，ACP），而在真菌脂肪酸鏈上這6個功能區及一個丙二酰基/棕櫚酰基轉移酶區（malonyl/palmityltransferase，M/PT）分布于脂肪酸合成酶1（fattyacidsynthase1，FAS1）和脂肪酸合成酶2（fattyacidsynthase2，FAS2）兩條多肽鏈上。由此推斷Fum5p是多酮肽合成酶，而不是脂肪酸合成酶，相應的，fum5為多酮肽合成酶基因[32，42]。

3 預防和控制鐮刀菌及其毒素積累技術

產生伏馬毒素的鐮刀菌可引起土傳病害，多年來科學家們致力于探求更安全、有效的防治土傳病害的方法。本文從生物防治、基因工程育種、選用優質種質資源、控制收獲后糧食發霉腐爛等方面探討從種質到收獲后降低鐮刀菌和伏馬毒素污染的預防控制措施。

3.1 生物防治

枯草芽孢桿菌在植物中與F.verticillioides具有相同的生態位，能有效抑制真菌的生長。枯草芽孢桿菌被美國食品和藥物管理局認為是安全的，并且易于培養和操作。研究發現，植物內寄生枯草芽孢桿菌RRC101可以在F.verticillioides的生長期中減少伏馬毒素積累[43]。其表面活性素和豐原素型脂肽（surfactinandfengycintypelipopeptides）具有抗F.verticillioide的真菌活性，這種拮抗作用表現為對絲狀菌絲生長的抑制，顯微鏡下顯示有明顯的菌絲萎縮、空泡化和裂解[44]。

焦鑄錦[45]從玉米等寄主植物中分離、篩選出了內生菌R-4（KP998181），經鑒定為Bacillusthuringiens;植物體內抑制試驗結果顯示，接種層出鐮刀菌（F.proliferatum）前噴灑內生菌R-4的抗侵染效果優于接菌后，表明菌株R-4有較好的開發應用前景，為開展層出鐮刀菌的生物防治奠定了基礎。

Guo等[46]從蚯蚓中分離純化出一株具有高效抑制和降解伏馬毒素的菌株粘質沙雷氏菌（Serratiamarcescens）。通過溶血活性檢驗，證明該菌株對人和動物不會造成健康威脅;可高效抑制F.verticillioides、F.proliferatum孢子萌發、菌絲生長及伏馬毒素的產生;0.5%發酵液對層出鐮刀菌產生伏馬毒素的抑制率為99.86%;PCR擴增結果顯示，此菌株具有幾丁質酶基因（chiA、chiB、chiD），能夠合成幾丁質酶，具有降解鐮刀菌及其他真菌細胞壁的活性;基因組測序發現粘質沙雷氏菌具有的羧酸酯酶（carboxyleasterase）和轉氨酶（aminotransferase）對伏馬毒素的降解率達98.50%。該菌株既能高效抑制伏馬毒素的產生，又能降解伏馬毒素，具有很高的研究和應用價值。

3.2 基因工程育種

魏鐵松等[47]報道，棉鈴蟲對玉米果穗的危害能顯著加重鐮刀菌引起的玉米穗腐病的發病程度;玉米螟對玉米秸稈和谷穗組織造成的物理性傷口反過來促進了F.verticillioides孢子的萌發，導致谷穗的進一步損傷和谷粒腐爛，最終引起伏馬毒素含量水平升高。在巴西，經蘇云金芽孢桿菌（Bacillusthuringiensis，Bt）cry基因遺傳修飾的玉米雜交種，其F.verticillioides侵染率和伏馬毒素含量降低[48]。在南非，由于蘇云金芽孢桿菌轉基因作物的種植，使用化學殺蟲劑數量有所減少[49]。

3.3 選用優質種質資源

層出鐮刀菌可以系統侵染小麥。Guo等[8]研究表明，小麥種子若被層出鐮刀菌侵染，將侵染后的小麥種子種植到滅菌土中并在無層出鐮刀菌污染的溫室中生長，在成熟的小麥粒中檢測到層出鐮刀菌DNA和伏馬毒素。焦鑄錦[45]根據層出鐮刀菌菌絲在維管束中篩管和導管的分布，認為存在系統侵染的可能性。以上研究說明種子在收獲前存在被病原菌侵染的可能性，可在播種前加強種子檢疫，嚴格杜絕帶菌種子在生產上推廣使用，確保從種源上控制鐮刀菌的傳播蔓延。

3.4 控制收獲后糧食發霉腐爛

防止谷物、豆類、飼料的采后霉變和腐敗需要一定的預防措施和控制收獲前、收獲期間以及儲藏期間的條件。如果作物在收獲時是健康和高品質的，可采取以下方法避免隨后的感染和貯藏中的腐敗。（1）水分含量應保持在普通貯藏真菌生長所需水分最低限度以下。一些頑強的曲霉會在含水量13.0% ～13.2%的淀粉谷類種子和含水量約為11.5% ～11.8%的大豆中生長;一般最低含水量為14%或更多才會導致腐敗。（2）貯藏谷物的溫度盡量保持在較低水平，大多數貯藏真菌在20～35℃生長最快，12～15℃生長非常緩慢，5～8℃幾乎停止生長。此外，低溫還減緩了谷物的呼吸作用，阻止了谷物水分的增加。（3）通過使用熏蒸劑將儲存產品受到昆蟲和螨蟲的侵害控制在最低程度。（4）貯存的糧食不得未熟或過老;而應清潔，有良好的發芽能力，無機械損壞和種子破碎，從而抵抗儲存真菌的感染[5]。

以上措施在預防和控制真菌毒素的積累中均發揮著重要作用，若糧食不可避免被鐮刀菌及伏馬毒素污染，霉變糧食的處理措施主要包括封存、用作飼料或燃料，對霉變糧食單獨清理、集中堆放、統一處理，嚴禁將發霉的糧食用于食品加工。具體措施：（1）受損較輕并符合國家飼料衛生標準的，降級用于飼料生產，如此可以降低經濟損失且不會對人畜健康造成威脅;（2）真菌毒素污染的糧食一般用來發酵酒精，伏馬毒素雖然不會在發酵過程中降解，但在蒸餾出的酒精中沒有殘留，主要留在酒糟里[1，50]。

4 研究展望

FB1在人和動物體內的有毒中間代謝產物不容忽視。在動物體內，FB1的代謝主要發生在腸道和肝臟中，代謝途徑為水解作用和酰化作用。FB1可在腸道中發生完全水解，產物為水解型FB1（hydrolyzedFB1，HFB1），HFB1在細胞中的吸收速率更高，而HFB1的酰化產物N-酰基-HFB1具有比FB1更強的細胞毒性。此外，FB1的酰化產物N-酰基-FB1（N-acylationofFB1，N-acyl-FB1）的細胞毒性也比FB1大。因此，只有將伏馬毒素中的毒性基團（丙三羧酸基團和氨基）完全降解成無毒的代謝產物才能從真正意義上消除毒素代謝過程中對人和動物的危害，這將是未來伏馬毒素防控的研究方向之一[51]。

在自然環境中，伏馬毒素還可能與其它霉菌毒素（如單端孢霉烯族毒素、玉米赤霉烯酮、黃曲霉毒素、赭曲霉毒素）同時污染食物和動物飼料，其毒性和危害有相加或協同作用，嚴重威脅人類健康和動物的生長繁殖。因此，建立同時檢測樣品中多種真菌毒素和原型及其有毒中間代謝產物的液質聯用檢測方法對食品進行全面監控是急需解決的問題。

針對上述情況，相關部門需加緊對伏馬毒素和其他毒素及其有毒中間代謝產物風險監測和風險評估的步伐，在保障食品、飼料安全和充分考慮食品、飼料企業、初級農產品生產者等利益的情況下，建立科學的、嚴格的限量標準或制定微生物安全相關指標，這對我國有效控制糧食和飼料中伏馬毒素的危害、減少養殖中帶來的損失、提升消費者健康保護的能力和人民的健康生活具有積極而深遠的影響。