串珠鐮刀菌素的理化性質(zhì)、毒作用機理及中毒動物概況

高 思 雷明彥 齊德生 張妮婭 張金鳳

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院 飼料與飼料生物技術(shù)實驗室，湖北武漢 430071；2.武漢市多寶微生物技術(shù)有限公司，湖北武漢430312)

Cole等在患有枯葉病的玉米種子中分離出了一株產(chǎn)真菌毒素的串珠鐮刀菌（F.moniliforme）菌株，并從其培養(yǎng)物中首次提純出了一種會導(dǎo)致植物生長抑制的水溶性毒素，命名為moniliformin[1]，即串珠鐮刀菌素，簡寫為MON。其后的研究發(fā)現(xiàn)串珠鐮刀菌素對嚙齒類和禽類均具有強烈毒性。該毒素的主要產(chǎn)毒菌株除了串珠鐮刀菌外，還有串珠鐮刀菌膠胞變種(F.moniliforme var subglutinus)、禾谷鐮刀菌(F.graminearum)、半裸鐮刀菌(F.semitectum)、本色鐮刀菌(F.concolor)、燕麥鐮刀菌(F.avenaceum)、木賊鐮刀菌(F.equiseti)、銳頂鐮刀菌(F.acuminatum)等30余種[2-4]，且其中部分菌種也能產(chǎn)生其他鐮刀菌毒素[5]。

1 串珠鐮刀菌素的理化性質(zhì)

串珠鐮刀菌素通常以鈉鹽和鉀鹽的形式存在于自然界中，分子式為C4HO3R（R=Na或K），化學(xué)名稱為1，2-二酮-3-羥基環(huán)丁烯（3-hydrox ycyclobutene-1,2-dione），平面結(jié)構(gòu)如圖1所示。其游離酸為強酸，pKa為0.0±0.05至1.7[6]，化學(xué)性質(zhì)屬于半方酸陰離子,與無機酸性質(zhì)類似，故從結(jié)構(gòu)上也可將串珠鐮刀菌素命名為半方酸鈉（或鉀）。通常為淡黃色針狀結(jié)晶,易溶于水和甲醇,不溶于二氯甲烷和三氯甲烷。Springer等運用X射線衍射技術(shù)確定了串珠鐮刀菌素的空間立體結(jié)構(gòu)[7]。

由串珠鐮刀菌素鈉鹽（sigma，純度≥99%）的紫外掃描圖（見圖2）可知，串珠鐮刀菌素在227 nm處有最大吸收峰，在256 nm處有次級吸收峰；而紅外光譜表明串珠鐮刀菌素在 1 780 cm-1、1 709 cm-1、1 682 cm-1、1 605 cm-1、1 107 cm-1和 846 cm-1處均有吸收[8]。串珠鐮刀菌素在水溶液中以單體形式存在[9]，并在pH值為7時最穩(wěn)定；另外，在pH值為10時也較穩(wěn)定[10]。試驗結(jié)果顯示，串珠鐮刀菌素在100℃且pH值為4的溶液中加熱60 min不會遭到破壞，冷凍干燥也不會影響串珠鐮刀菌素的穩(wěn)定性[11]，但堿法蒸煮能夠部分或者完全將其破壞，破壞程度依賴加工的溫度和時間。在串珠鐮刀菌素的水溶液中通入O3曝氣15 min，其四元環(huán)會被打開形成2,3-二羥基-2,3-環(huán)氧-丁二酸和 2-羰基-3-羥基-丁二酸[12]。

2 串珠鐮刀菌素的毒作用機理

串珠鐮刀菌素毒作用的分子機理主要是特異性抑制丙酮酸進入三羧酸循環(huán)，并能夠阻礙三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物(如：α-酮戊二酸)的氧化。

Burka等和Gathercole等首先發(fā)現(xiàn)串珠鐮刀菌素能抑制丙酮酸脫氫酶的活性[13-14]，Pirrung等的進一步研究證實串珠鐮刀菌素可通過與丙酮酸脫羧酶、α酮戊二酸脫氫酶競爭活性位點來發(fā)揮毒性作用[15]。并且串珠鐮刀菌素能通過抑制酮糖移轉(zhuǎn)酶[13]和醛糖還原酶[16]來干擾碳水化合物的代謝；而其引起的成肌細胞氧化損傷可能與抑制谷胱甘肽氧化酶和還原酶的活性有關(guān)[17]。另外，串珠鐮刀菌素對琥珀酸脫氫酶和細胞色素氧化酶也具有競爭型抑制作用，可導(dǎo)致呼吸鏈的中斷[18]，從而引起心肌供能不足，最終造成心肌損傷。

也有學(xué)者認為，MON的毒性可能是因其導(dǎo)致細胞內(nèi)外電位失衡而引起。串珠鐮刀菌素對心肌細胞的B、L、T三型離子通道具有阻滯作用，能引起細胞內(nèi)Ca2+平衡失調(diào)[19]，最終導(dǎo)致細胞的損傷。章紅等用串珠鐮刀菌素鈉鹽水溶液與方酸鈉水溶液（串珠鐮刀菌素的結(jié)構(gòu)類似物）的灌胃試驗首次證實了串珠鐮刀菌素結(jié)構(gòu)中4號位上的氫原子對其毒性的發(fā)揮起著重要的作用[12]。

3 串珠鐮刀菌素的毒性

串珠鐮刀菌素對動物有較強的毒性作用，主要作用于增殖活躍的細胞，例如心肌、肝、脾、骨骼肌以及軟骨細胞和骨細胞等。有學(xué)者提出串珠鐮刀菌素的急性毒性作用主要危害心肌[20]，造成充血性心力衰竭、心肌變性和壞死[21-22]。另外還會使中毒動物身體組織水腫，細胞線粒體異形、空泡變性或顆粒變性，同時還能造成乳頭肌、回腸末端肌肉和主動脈以及肺動脈的收縮力下降。亞慢性毒性試驗則發(fā)現(xiàn)其能影響生長性能，并具有免疫抑制[23]，還可導(dǎo)致豬的大骨軟骨病[24]。此外，通過流行病學(xué)等調(diào)查顯示，串珠鐮刀菌素可能與人的克山病存在相關(guān)性[25-26]，而且當(dāng)串珠鐮刀菌素與伏馬菌素（此兩種同為鐮刀菌產(chǎn)生，且產(chǎn)毒菌株種類有交叉）同時存在，由于具有協(xié)同作用，其毒性往往比串珠鐮刀菌素單獨引起的毒性強[27-29]。

3.1 串珠鐮刀菌素的急性毒性、病理學(xué)檢查及臨床癥狀

3.1.1 串珠鐮刀菌素的急性毒性概況

串珠鐮刀菌素對試驗動物的急性毒性數(shù)據(jù)見表1。

由表1可知：不同動物對串珠鐮刀菌素的敏感性是不同的，在性別和日齡間也有較大差異，并且禽類對串珠鐮刀菌素較哺乳類更為敏感。

3.1.2 病理學(xué)檢查

動物的串珠鐮刀菌素急性中毒的特征性損害是心血管系統(tǒng)損傷及心電圖異常[36-37]，這種損傷及異常與克山病發(fā)病情況非常類似[36，38]，故常將串珠鐮刀菌素列為克山病誘因之一。

表1 部分試驗動物對串珠鐮刀菌素的急性毒性數(shù)據(jù)

在攝食含串珠鐮刀菌素的飼料或注射串珠鐮刀菌素水溶液后死亡的雛鴨尸體剖檢時可觀察到腹水且伴有腸系膜水腫，腸壁變薄，內(nèi)容物稀薄；前胃、嗉囊、小腸、大腸以及皮膚輕度出血，心、肝、腎、肺淤血或出血以及膽囊擴張；心房擴大與淤血，心包積水及心肌蒼白，肝臟腫大。在串珠鐮刀菌素引起死亡的雛雞尸體中也可見腹水，腸系膜腫脹、出血，腸壁變薄，內(nèi)含稀薄內(nèi)容物，心、肝、腎、肺淤血或出血，膽囊擴張，心臟肥大，病理切片可見心肌細胞變性壞死，心肌線粒體增多、腫脹嵴減少、斷裂或異形，心肌膠原纖維減少或溶解，肝臟細胞顆粒變性和空泡變性，腎小管上皮細胞顆粒變性，心電圖顯示P-R段、Q-T段和ST段延長，提示心動過緩[37]。大鼠中具體表現(xiàn)為急性局灶性心肌炎和壞死,心肌線粒體增多、腫脹；肝、腎、胰、腎上腺和胃腸黏膜腫脹及單細胞壞死[39]。小型豬心肌肌原纖維嚴(yán)重損傷，大片肌原纖維節(jié)段性斷裂、溶解，線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)異常，腫脹，空泡樣變性，傳導(dǎo)細胞變性壞死，細胞膜結(jié)構(gòu)異常，血管內(nèi)有微血栓形成[40]。

3.1.3 急性中毒癥狀

動物急性中毒的主要臨床癥狀有：肌無力、呼吸加快、心肌變性，組織病理檢查可見腎臟、肺和胰腺的水腫和壞死[20]。

章紅等給4日齡北京鴨灌毒12 mg/只后記錄的心電圖顯示：給毒后前期雛鴨出現(xiàn)心律不齊，心肌損傷，二度房室傳導(dǎo)阻滯，并產(chǎn)生高血鉀癥，后期發(fā)生心房顫[36]，最終心臟停止。趙獻軍給1日齡雛雞飼喂含高濃度（153.96 mg/kg）串珠鐮刀菌素的飼料，引起了中毒組20只雛雞的腹瀉、食欲減退、呼吸困難和站立不穩(wěn)，死亡從第3 d開始，至第7 d時全部死亡，特征性病變?yōu)楦巍⒛I細胞顆粒變性和空泡變性，心肌凝固性壞死[22]。

3.2 串珠鐮刀菌素的亞慢性毒性及慢性毒性

Burmeister等在成年小鼠（體重在11.8～19.9 g之間）的飲水中加入串珠鐮刀菌素使其濃度分別為0.1 g/l和0.5 g/l，飲用21 d后，低劑量組小鼠（每日毒素攝入量約0.7 mg）未見不適癥狀，高劑量組小鼠（每日毒素攝入量約2.9 mg）日增重下降但未見死亡。雖然高劑量組小鼠每日攝毒量遠高于其LD50，但小鼠并沒有死亡[32]，推測小鼠并非一次攝入毒素而是分多次少量攝入，故在小鼠體內(nèi)可能有有效的解毒和排毒機制。Allen等也發(fā)現(xiàn)，給1～21日齡的肉雞飼喂含毒飼料，當(dāng)每千克飼料含16 mg純毒素時（約是一次給毒LD50的2倍）未見動物死亡，而直到每千克飼料含64 mg毒素時才出現(xiàn)體增重減少和部分死亡，存活的肉雞未發(fā)現(xiàn)行為異常[21]。

Lecloux等將含有串珠鐮刀菌素的菌株培養(yǎng)物按不同比例加入飼料中喂養(yǎng)1日齡雛雞21 d，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)每千克飼料中含100 mg鐮刀菌培養(yǎng)物時，動物出現(xiàn)體重減輕、飲食減少，而肝臟、心臟重量增加，毒性損傷發(fā)現(xiàn)心肌右心室肥大，出現(xiàn)多而大的異常心肌細胞核及心肌細胞橫紋狀改變，當(dāng)每千克飼料中含培養(yǎng)物為200 mg或以上時死亡率才明顯上升[41]。Qureshi等用每千克含42.7 mg培養(yǎng)物的飼料喂養(yǎng)7日齡白來航雞，兩周后動物也出現(xiàn)飲食減少，6周后體重減輕，胸腺、脾、腎重量減輕而心臟重量增加，顯著抑制了免疫球蛋白總量和IgG水平[42]。王凱等按23 mg/kg的濃度將MON加入試驗組雛雞飼料中，進行毒性試驗，結(jié)果試驗組在第15 d出現(xiàn)精神沉郁、食欲減退、腹瀉(以醬油色稀糊糞為主)，第20 d開始死亡，第20～25 d死亡率較高；以后逐漸消瘦，生長遲緩，繼之羽毛粗亂，呼吸急促，最后不食，站立困難，昏迷而死，試驗組總死亡率可達70%(21/30只)，剖檢發(fā)現(xiàn)中毒雛雞心肌發(fā)生炎癥[23]，導(dǎo)致大量NO合成，雛雞體內(nèi)NO含量顯著上升。試驗第35 d時，試驗組平均體重233 g/只，對照組為388 g/只；而當(dāng)飼喂含有50 mg/kg串珠鐮刀菌素的飼料能造成肉雞心臟增生。Morgan等研究發(fā)現(xiàn)，日糧中含有17 mg/kg串珠鐮刀菌素時對雌性成年水貂生長沒有影響，但是會使其胎兒死亡率顯著增加[35]。

4 小結(jié)

MON作為污染玉米、小麥和燕麥等糧食作物的霉菌毒素之一，其主要與伏馬菌素等鐮刀菌素形成毒素的聯(lián)合污染。MON對動物的毒害作用主要表現(xiàn)在心臟和免疫力上，并且其能夠?qū)毎a(chǎn)生細胞毒性，其毒性作用機理主要體現(xiàn)在抑制三羧酸循環(huán)的正常運轉(zhuǎn)，導(dǎo)致機體能量供應(yīng)不足。

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