植物病原鐮刀菌產(chǎn)生的毒素種類及其危害

張嘉城，方香玲，南志標

（蘭州大學草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室 / 蘭州大學農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點實驗室/蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院，甘肅蘭州 730020）

鐮刀菌(Fusariumspp.)是一類重要的植物病原真菌，能夠侵染多種重要的糧食和飼料作物，從而引起根腐、穗腐和莖腐等病害，嚴重影響糧食和飼料作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。例如，禾谷鐮刀菌(F. graminearum)、黃色鐮刀菌(F.culmorum)和燕麥鐮刀菌(F.avenaceum)引起的小麥赤霉病普遍發(fā)生于我國西北、西南、黃淮和長江中下游的小麥(Triticum aestivum)產(chǎn)區(qū)，可造成小麥產(chǎn)量損失10%～50%[1]。擬枝孢鐮刀菌(F.sporotrichioides)、禾谷鐮刀菌、層出鐮刀菌(F.proliferatum)和亞粘團鐮刀菌(F. subglutinans)等引起的玉米穗腐病普遍發(fā)生于我國山西、河北、吉林、黑龍江、內(nèi)蒙古、遼寧和陜西等玉米(Zea mays)產(chǎn)區(qū)[2]。尖孢鐮刀菌(F.oxysporum)、茄病鐮刀菌(F.solani)、燕麥鐮刀菌、木賊鐮刀菌(F.equiseti)、半裸鐮刀菌(F. semitectum)、輪枝樣鐮刀菌(F. verticillioides)、禾谷鐮刀菌和三線鐮刀菌(F. tricinctum)等引起的大豆根腐病在我國東北、華北和黃淮海的大豆(Glycine max)產(chǎn)區(qū)均有發(fā)生，可導致大豆產(chǎn)量損失20%～60%[3]。尖孢鐮刀菌、銳頂鐮刀菌(F. acuminatum)、木賊鐮刀菌、半裸鐮刀菌、燕麥鐮刀菌、層出鐮刀菌和三線鐮刀菌等引起的苜蓿根腐病普遍發(fā)生于我國西北、華北和東北的苜蓿(Medicago sativa)種植區(qū)，嚴重發(fā)病地塊苜蓿產(chǎn)量損失在60%以上[4]。

植物病原鐮刀菌不僅可以影響重要農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，還可產(chǎn)生一系列對人類和家畜具有毒性和致癌作用的毒素。家畜攝入被鐮刀菌毒素污染的飼料會產(chǎn)生諸多不利影響，如采食量減少、拒食、飼料轉(zhuǎn)化率降低、體重增量減少、疾病發(fā)生率增加和生殖能力下降[5]，從而造成家畜產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟損失。此外，鐮刀菌毒素還可作為致病因子在促進鐮刀菌對作物的侵染以及相關(guān)病害發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用[6]。本文總結(jié)了鐮刀菌毒素的來源、種類及其對作物、家畜和人類的危害5個方面的研究進展，闡明了鐮刀菌毒素對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的危害；指出了迄今為止國內(nèi)外關(guān)于豆科牧草中鐮刀菌毒素研究較少的問題，并對此類研究的前景及其在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用進行了展望，旨在促進牧草中鐮刀菌毒素的研究并為草牧業(yè)的發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 鐮刀菌毒素的產(chǎn)生

鐮刀菌毒素可由多種植物病原鐮刀菌在人工培養(yǎng)基或宿主體內(nèi)合成(表1和表2)。與鐮刀菌在人工培養(yǎng)條件下產(chǎn)生毒素的過程相比，鐮刀菌在侵染植物時產(chǎn)生毒素的過程受到病原體和宿主植物相互作用的調(diào)節(jié)，由植物產(chǎn)生的信號分子或次生代謝產(chǎn)物能夠起到促進或抑制鐮刀菌產(chǎn)毒的作用[25]。因此，同一種鐮刀菌在人工培養(yǎng)基和植物體內(nèi)的產(chǎn)毒種類可能存在差異。此外，鐮刀菌在人工培養(yǎng)條件下的產(chǎn)毒能力也受到培養(yǎng)基成分、溫度、濕度等人工環(huán)境條件的影響[7,26-27]。由此可見，實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中鐮刀菌毒素對農(nóng)作物的影響同時受到溫度、濕度等多種非生物因子以及作物種類和病原鐮刀菌種類等生物因子的調(diào)控。鐮刀菌屬真菌既能夠產(chǎn)生3類最重要的真菌毒素(單端孢霉烯族毒素、伏馬菌素和玉米赤霉烯酮)，也能夠產(chǎn)生包括白僵菌素、恩鐮孢菌素和串珠鐮刀菌素在內(nèi)的新型真菌毒素，其中多數(shù)毒素化學性質(zhì)穩(wěn)定，通過高溫或食品和飼料的儲存、加工和烹飪過程很難將其徹底清除[5]，因此可對人類和家畜的健康構(gòu)成嚴重威脅。

表1 鐮刀菌在人工培養(yǎng)條件下的代謝毒素種類Table 1 Typesof toxinsproduced by Fusarium species in vivo

表2 鐮刀菌在植物體內(nèi)的代謝毒素種類Table 2 Types of toxinsproduced by Fusarium species in planta

此外，由于多種植物病原鐮刀菌在植物宿主體內(nèi)和人工離體培養(yǎng)條件下均可產(chǎn)生多種鐮刀菌毒素，而在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作物又通常被多種鐮刀菌共同侵染，因此作物在收獲和貯藏過程中可被多種鐮刀菌毒素污染。2007? 2008年間，對安徽、河北、四川、河南、重慶、江蘇和廣西7個省(市)小麥和玉米樣品中鐮刀菌毒素的檢測結(jié)果顯示7個省(市)的小麥和玉米樣品均受到多種單端孢霉烯族毒素和玉米赤霉烯酮的污染[28]；劉鳳芝等[29]對2017年采自山東、江蘇、遼寧、內(nèi)蒙古、江西、河南、安徽、四川和河北9省(區(qū))的配合飼料和青貯飼料樣品中鐮刀菌毒素的檢測結(jié)果表明兩種飼料均受到脫氧雪腐鐮刀菌烯醇和玉米赤霉烯酮的污染。現(xiàn)有研究顯示不同種類的鐮刀菌毒素之間存在協(xié)同和加性的毒性互作效應(yīng)，其中協(xié)同作用的存在可使多種鐮刀菌毒素共存時的復合毒性大于各毒素單獨作用時毒性的總和，而毒素間的加性作用導致以低濃度出現(xiàn)在食品和飼料中的鐮刀菌毒素同樣對家畜和人類健康構(gòu)成威脅[30]。因此基于單一鐮刀菌毒素的檢測和危害評價程序并不能確切地反映食品和飼料中鐮刀菌毒素的實際危害等級。

2 鐮刀菌毒素的種類

2.1 單端孢霉烯族毒素

Freeman 和Morrison 于1948年從粉紅單端孢(Trichothecium roseum)上分離得到的單端孢菌素(trichothecin)是首個被發(fā)現(xiàn)的單端孢霉烯族類物質(zhì)[31]。目前已發(fā)現(xiàn)超過200種單端孢霉烯族毒素，根據(jù)其化學結(jié)構(gòu)可以分為A、B、C、D 4類，其中A 類和B類單端孢霉烯族毒素因其在飼料和食品中的廣泛分布以及有較強的動物毒性而備受關(guān)注[32]。A 類單端孢霉烯族毒素主要包括蛇形毒素(diacetoxyscirpenol,DAS)、T-2毒素和T-2毒素的代謝衍生物[HT-2毒素、T-2三醇、T-2四醇和新茄病鐮刀菌烯醇(neosolaniol,NEO)][33]；B類單端孢霉烯族毒素主要包括雪腐鐮刀菌烯醇(nivalenol, NIV)、鐮刀菌烯酮(fusarenon-X,FX)和脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(deoxynivalenol, DON)及其乙?；x衍生物[3-乙酰脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(3-acetyldeoxynivalenol, 3-ADON)和15-乙酰脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(15-acetyldeoxynivalenol, 15-ADON)][34]。2014年采自中國8個省份的玉米飼料原料中可檢測到A 類和B類單端孢霉烯族毒素，其中蛇形毒素和脫氧雪腐鐮刀菌烯醇是樣品中檢出率最高的A 類和B類單端孢霉烯族毒素，檢出率分別為58.5%和100%[35]。

2.2 伏馬菌素

伏馬菌素在1988年首次由Gelderblom 等人從輪枝樣鐮刀菌培養(yǎng)基中分離得到，已知其對人類具有高致癌性[36]。伏馬毒素是一組非熒光、水溶性的真菌毒素，迄今已鑒定出至少15種伏馬毒素類化合物。伏馬菌素主要分為A(A1、 A2、A3)、B(B1、B2、B3)、C(C1、C2、C3)、P(P1、P2、P3)4個類別。其中B類伏馬菌素(fumonisin B1,FB1;fumonisin B2,FB2;fumonisin B3,FB3)在食品和飼料中最為常見[37]。FB1是毒性最強的伏馬菌素，大約占到鐮刀菌屬真菌合成伏馬菌素總量的75%。玉米、小麥和水稻(Oryzasativa)等食品和飼料原料中均可檢測到FB1[38]。孫武長等[39]對2003年采自吉林省3個地區(qū)(四平、通化和長春)的玉米、小麥、水稻樣品中鐮刀菌毒素的檢測結(jié)果顯示3種糧食樣品中FB1的檢出率在30%～100%。

2.3 玉米赤霉烯酮

玉米赤霉烯酮(zearalenone，ZEA)，又稱F-2毒素，于1962年由Stob等人從被禾谷鐮刀菌侵染的玉米中首次分離得到，1966年，Urry 采用核磁共振和質(zhì)譜技術(shù)確定了玉米赤霉烯酮的分子式和化學結(jié)構(gòu)，玉米赤霉烯酮的分子式為C18H22O5，白色晶體，微溶于水[40]。玉米赤霉烯酮廣泛存在于谷物及谷物制品中。陳麗媛[41]對全國2018年1月?6月玉米、小麥和麩皮等飼料原料樣品中真菌毒素的分析顯示飼料原料中ZEA 檢出率為99.7%；李丹迪等[42]對2019年采自濟南市的谷物制品中鐮刀菌毒素的檢測結(jié)果顯示參試樣品中ZEA 的檢出率為76%。ZEA 的代謝衍生物包括玉米赤霉酮(zearalanone,ZAN)、α-玉米赤霉烯醇(α-zearalenol,α-ZEL)、β-玉米赤 霉 烯 醇(β-zearalenol,β-ZEL)、α-玉 米 赤 霉 醇(αzearalanol,α-ZAL)和β-玉米赤霉醇(β-zearalanol,β-ZAL)；α-ZEL、β-ZEL、α-ZAL 和β-ZAL 是ZEA 在哺乳動物中的主要代謝產(chǎn)物[43]，其中，α-ZEL、β-ZEL也是ZEA 在植物體內(nèi)的代謝產(chǎn)物[44]。

2.4 串珠鐮刀菌素

串珠鐮刀菌素(moniliformin，MON)在1973年由Cole等人從感染葉枯病的玉米種子中首次分離得到[45]，起初串珠鐮刀菌素被認為由輪枝樣鐮刀菌產(chǎn)生，但隨后被證明是層出鐮刀菌的次生代謝產(chǎn)物[46]。MON為淡黃色針狀結(jié)晶，易溶于水，分子式為C4HO3R(R 為H或Na 或K)，在自然界中通常以鈉鹽或鉀鹽的形式存在[47]。采自中國、歐洲和美洲的玉米、小麥、水稻和大麥(Hordeum vulgare)等谷物樣品中均可檢測到串珠鐮刀菌素，檢出率最高可達100%[46]。

2.5 恩鐮孢菌素和白僵菌素

恩鐮孢菌素(enniatins,ENNs)和白僵菌素(beauvericin,BEA)均為由D-α-羥基-異戊?；?2-羥基-3-甲基丁酸)和氨基酸單元交替組成的環(huán)狀六肽[46]。恩鐮孢菌素首次由Gaumann 等人在1947年通過Fusarium orthocerasvar.enniatinum分離得到，該菌種之后被命名為尖孢鐮刀菌[46]。目前已發(fā)現(xiàn)29種恩鐮孢菌素[48]，其中，在食物和飼料中含量最高的恩鐮孢菌素是ENN-A、ENN-A1、ENN-B和ENN-B1[49]，恩鐮孢菌素因其離子載體的性質(zhì)可促進陽離子(K+和Ca2+)的跨細胞膜流動，從而破壞這些離子在細胞內(nèi)的正常生理濃度[50]，低濃度的恩鐮孢菌素已被證明對不同的細胞系均具有細胞毒性[48]?，F(xiàn)有研究表明恩鐮孢菌素可存在于谷物、植物油、豆干、干果、堅果和咖啡等多種食物中[49]。

白僵菌素首次于1969年由Hamill等人從一種昆蟲病原真菌——球孢白僵菌(Beauveria bassiana)的培養(yǎng)基中分離得到[51]，白僵菌素的分子式為C45H57N3O9，白色針狀晶體，微溶于水。白僵菌素具有與恩鐮孢菌素相同的離子載體特性，因此也具有一定的細胞毒性，白僵菌素可使生物膜對鈣離子的滲透性快速增加，進而導致鈣依賴性核酸內(nèi)切酶活化和DNA片段化，最終介導細胞凋亡[46]。白僵菌素還具有其他多種生物活性，包括抗菌性(真菌和細菌)、殺蟲性和抗癌性等[52]。白僵菌素廣泛存在于歐洲、美洲和亞洲生產(chǎn)的谷物及谷物制品中[49,53]，韓小敏等[54]對2017年采自山東省東部、西部、南部和中部的玉米及其制品中白僵菌素污染的調(diào)査結(jié)果顯示樣品中白僵菌素的檢出率最高可達87%。

2.6 鐮刀菌酸

鐮刀菌酸(fusaric acid, FA)又稱萎蔫酸，由Yabuta 等于1934年培養(yǎng)異孢鐮刀菌(F.hetersporum)時首次分離得到[55]。鐮刀菌酸分子式為C10H13NO2，易溶于水。鐮刀菌酸在加速香蕉(Musa nana)和番茄(Lycopersicon esculentum)等許多植物枯萎病的發(fā)展中起到至關(guān)重要的作用[56-57]，目前關(guān)于鐮刀菌酸的動物毒性及其在食品和飼料中分布的研究較為有限，已有研究表明玉米、小麥、大麥等多種谷物和畜禽飼料中含有鐮刀菌酸[48]。

3 鐮刀菌毒素的植物毒性

主要的鐮刀菌毒素諸如單端孢霉烯族毒素、伏馬菌素、恩鐮孢菌素、鐮刀菌酸均可作為致病因子與鐮刀菌對植物的致病力密切相關(guān)。單端孢霉烯族毒素合成必需基因Tri5的敲除導致禾谷鐮刀菌對田間小麥的致病力顯著降低[58]；接種產(chǎn)生伏馬菌素的輪枝樣鐮刀菌菌株的玉米種子的出苗率和幼苗枝條長度均顯著低于接種不產(chǎn)生伏馬菌素的輪枝樣鐮刀菌菌株的玉米種子[59]；尖孢鐮刀菌中鐮刀菌酸合成基因fub1的敲除使其對番茄幼苗的致病力顯著降低[60]；燕麥鐮刀菌中恩鐮孢菌素合成基因esyn1的敲除顯著降低了其對馬鈴薯(Solanum tuberosum)塊莖組織的致病力[61]?，F(xiàn)有研究表明鐮刀菌毒素作用于植物后所產(chǎn)生的毒性效應(yīng)包括生長抑制、萎蔫和壞死(表3)，其中，DON 和3-ADON可顯著抑制小麥胚芽鞘的生長[62]；NIV 可抑制小麥幼苗根和枝條的發(fā)育[63]；T-2毒素可顯著抑制小麥幼苗和玉米愈傷組織的生長[64-65]。關(guān)于伏馬菌素的植物毒性，F(xiàn)B1可導致番茄葉片壞死、玉米幼苗和番茄幼苗的生長受到抑制[66]、黃瓜(Cucumissativus)葉片黃化以及大豆和棉花(Gossypiumspp.)幼苗葉片的壞死斑[67]。恩鐮孢菌素可導致番茄枝條萎蔫、小麥幼苗生長受到抑制和馬鈴薯塊莖組織壞死[68-69]。鐮刀菌酸可導致香蕉苗根莖和假莖的維管變色、葉片萎蔫[70]、棉花葉片壞死[71]；黃瓜和番茄幼苗的萎蔫[60,72]。玉米赤霉烯酮可抑制玉米胚的萌發(fā)和生長[73]。串珠鐮刀菌素可顯著抑制玉米愈傷組織的生長[65]。

表3 鐮刀菌毒素的植物毒性Table 3 Phytotoxic effects of Fusarium toxins

4 鐮刀菌毒素對家畜的毒性作用

動物因攝入真菌毒素而導致的疾病被稱為真菌毒素中毒癥[74]。中毒癥狀的類型和嚴重程度取決于動物攝入毒性種類與劑量、毒素作用時間以及動物個體所屬的物種(表4)。目前僅有關(guān)于家畜在攝入單端孢霉烯族毒素、伏馬菌素、玉米赤霉烯酮、串珠鐮刀菌素和鐮刀菌酸這5種鐮刀菌毒素后表現(xiàn)病癥和生產(chǎn)力下降的報道。

表4 家畜攝入鐮刀菌毒素后的癥狀Table 4 Livestock symptoms after Fusarium toxin intake

T-2毒素可導致豬攝食減少、增重下降、拒食和皮炎[75]；也會造成牛的腸炎、胃部潰瘍和羊腹瀉[76]；攝入T-2毒素后肉雞增重減少、母雞產(chǎn)蛋量和蛋殼厚度均顯著減少[77]。NIV 可導致豬的采食量大幅下降并且使得進食時間延長[75]；還會造成肉雞飼料消耗和增重減少[77]。DON可導致豬攝食減少、完全拒食和嘔吐[78]。攝入被FB1和FB2污染的飼料可導致豬的急性肺水腫綜合癥(呼吸窘迫、皮膚青紫、急性肺水腫和胸膜積水)、羊死亡(伴隨著嚴重的腎臟損傷)以及肉雞腹瀉、增重減少[79]和死亡[80]。攝入被玉米赤霉烯酮污染的飼料可導致母豬的高雌激素癥(外陰發(fā)炎、腫脹)[81]和不孕[82]；亦會造成奶牛產(chǎn)奶量降低、不孕[81]；并且使得母綿羊排卵率和生育力降低[83]；導致火雞產(chǎn)蛋量顯著減少[81]。攝入含有串珠鐮刀菌素的飼料可導致肉雞增重顯著降低和死亡[80]；造成火雞攝食量和增重顯著降低[84]；使得母雞增重和產(chǎn)蛋量顯著降低[85]。豬在攝入鐮刀菌酸后表現(xiàn)出嘔吐的癥狀[86]。

5 鐮刀菌毒素對人類的毒性作用

已報道疾病發(fā)生地區(qū)的谷物中鐮刀菌毒素的檢測結(jié)果表明了該類毒素可能是疾病發(fā)生的原因。T-2毒素可能導致食物中毒性白細胞缺乏癥，其主要癥狀包括惡心、頭痛、皮膚壞死、口鼻出血[87]。食用受到DON 污染的谷物可導致人體出現(xiàn)惡心、腹瀉、頭

痛、頭暈和發(fā)燒的癥狀[88]。此外，食品中DON、DON 的乙酰化衍生物和NIV 的含量與人類的大骨節(jié)病和食管癌有關(guān)[89]。中國和南非關(guān)于食管癌的報道顯示食管癌的高發(fā)病率與FB1有關(guān)[90]。ZEA 因其具有的雌激素活性且能夠刺激人類乳腺細胞的生長而被推測為人類乳腺癌的病因[87]。

6 問題與展望

植物病原鐮刀菌不僅寄主范圍廣，而且在離體培養(yǎng)條件下或植物寄主體內(nèi)常產(chǎn)生多種對植物、家畜和人類均具有毒性作用的鐮刀菌毒素。因此由鐮刀菌導致的植物病害和鐮刀菌毒素對飼料和食品的污染可對整個農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)造成較大危害，并可能導致嚴重的經(jīng)濟損失。就草地生態(tài)系統(tǒng)而言，以尖孢鐮刀菌為代表的多種鐮刀菌能夠侵染苜蓿等豆科牧草，而現(xiàn)有研究已證明單端孢霉烯族毒素、伏馬菌素、恩鐮孢菌素和鐮刀菌酸4種鐮刀菌毒素作為致病因子在鐮刀菌對植物的致病力方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[58-61]。因此鐮刀菌毒素也可能作為致病因子增強鐮刀菌對豆科牧草的致病力，進而導致嚴重的牧草產(chǎn)量損失。此外，被植物病原鐮刀菌侵染的牧草產(chǎn)品也可能含有多種鐮刀菌毒素，可對家畜和人類的健康構(gòu)成潛在威脅。雖然目前已有較多關(guān)于植物病原鐮刀菌在人工培養(yǎng)基上產(chǎn)生毒素種類的報道，但關(guān)于其侵染豆科牧草后產(chǎn)生毒素種類的報道較少，且現(xiàn)有關(guān)于鐮刀菌在豆科牧草體內(nèi)產(chǎn)生毒素的研究僅對豆科牧草中的毒素進行了定量分析[19]，尚未闡明鐮刀菌毒素是否能夠增強鐮刀菌對豆科牧草的致病力。因此急需開展深入研究，以明確鐮刀菌侵染豆科牧草后的產(chǎn)毒種類、影響因素和調(diào)控機制以及毒素對牧草生長和病害嚴重度的影響，進而為減少鐮刀菌病害導致的牧草產(chǎn)量和品質(zhì)損失以及鐮刀菌毒素對家畜和人類的健康構(gòu)成潛在影響提供理論依據(jù)。