鐮孢霉烯族毒素對糧食和飼料的危害及對策

鐮孢霉烯族毒素對糧食和飼料的危害及對策

1芽孢桿菌的大小cyli菌也被稱為cyli菌，是一種適應(yīng)世界環(huán)境的常見菌株。農(nóng)田土壤中的鐮孢霉菌數(shù)量巨大,它和腐生物一起分解土壤中的作物殘渣,同時也是農(nóng)作物的重要病原體,可引起農(nóng)作物腐爛、枯萎和其它疾病。生產(chǎn)上對鐮孢霉菌的命名主要依據(jù)形態(tài)學(xué)特征,例如群體結(jié)構(gòu)、顏色、孢子大小、菌株的形狀等。對鐮孢霉菌的鑒定和分類主要根據(jù)種間的生化和遺傳標(biāo)記而定。盡管鐮孢霉菌種類繁多,造成農(nóng)作物污染的僅有為數(shù)不多的幾種。在食品或飼料原料中產(chǎn)生霉菌毒素的鐮孢霉菌主要有禾谷鐮孢菌(Fusariumgraminearum)、分枝鐮孢菌(F.sporotrichioide)、燕麥鐮孢菌(F.avenaceum)、黃色鐮孢菌(F.culmorum)、早熟禾鐮孢菌(F.poae)等。在世界大部分地區(qū),禾谷鐮孢菌(有性階段被稱為玉米赤霉菌)是引起小粒谷物如小麥、大麥、黑麥、燕麥頭痂病的主要致病菌,也是玉米穗腐病的主要致病菌。盡管禾谷鐮孢和藤倉赤霉(F.fujikuroi)可造成水稻的穗枯萎病,但穗內(nèi)的谷物籽實(shí)通常不會受到感染。輪枝鐮孢、串珠鐮孢和膠孢鐮孢菌是玉米粉色和白色穗腐病的主要致病菌。稻惡霉赤霉(Gibberellafujikuroi)是這三種無性型霉菌的有性型。2水稻菌的入侵和毒素的產(chǎn)生2.15-羥色胺對作物的污染2.1.1禾谷鐮孢菌感染玉米鐮孢霉菌污染農(nóng)作物通常是一個具有連續(xù)效應(yīng)的過程,開始于田間,隨后在收獲、干燥和儲藏過程中逐步增加。鐮孢霉菌的最適生長溫度為5~25℃,陰冷潮濕的低溫環(huán)境有利于這些霉菌生長。谷物在儲藏過程中,通常被多種鐮孢霉菌陸續(xù)感染,感染的順序一般由谷物的溫濕條件決定。在實(shí)驗(yàn)條件下,輪枝鐮孢菌和串珠鐮孢菌在幾種污染玉米的霉菌中占優(yōu)勢地位,串珠鐮孢菌比輪枝鐮孢菌更具競爭力。但是在15℃,禾谷鐮孢菌比以上兩種霉菌具有競爭優(yōu)勢。禾谷鐮孢菌的許多亞種是自體繁殖,在作物組織的表面生成有性階段的蘭黑色的壺狀子囊腔。在適宜的條件下,禾谷鐮孢菌可快速產(chǎn)生大量的菌絲體,并產(chǎn)生大分生孢子。禾谷鐮孢菌感染玉米有兩條途徑:首先孢子附著在剛出現(xiàn)的玉米絲上,而后通過玉米絲感染玉米穗。人工田間接種攻毒實(shí)驗(yàn)顯示,玉米吐穗后4~7d對禾谷鐮孢菌最敏感。其次,鳥類、昆蟲以及異常天氣給禾谷鐮孢菌侵染提供了機(jī)會。穗的損傷和玉米的穗腐病密切相關(guān),通過傷口侵染通常發(fā)生在籽實(shí)變硬之前。此外,加拿大安大略湖的研究結(jié)果顯示,禾谷鐮孢穗腐病和七八月份的降雨量呈正相關(guān),因?yàn)榇藭r正是玉米的抽絲季節(jié)。生長后期的梅雨天氣和此病的發(fā)生有關(guān)。目前研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)輪枝鐮孢菌、串珠鐮刀菌和膠孢鐮刀菌感染玉米的途徑。這些真菌在玉米種子中比較常見,逐步傳染到玉米苗,進(jìn)而造成玉米全身感染。籽實(shí)感染的重要途徑包括空氣傳播造成的絲感染,雨水造成的小分生孢子和大分生孢子的飛濺以及昆蟲或鳥類造成的籽實(shí)損傷。歐洲玉米鉆心蟲的幼體是輪枝鐮孢菌的攜帶者,它把玉米葉子上的真菌傳遞到籽實(shí)。田間試驗(yàn)表明,對玉米鉆心蟲的遺傳工程改良可以減輕玉米穗腐病的癥狀。研究顯示,在低溫的天氣狀況下,膠孢鐮孢菌明顯多于輪枝鐮孢菌。六七月生長早期的干燥天氣以及隨后在生長后期的潮濕天氣易爆發(fā)嚴(yán)重的穗腐病。吐絲期的第一周是最敏感時期,絲上的水分有利于鐮孢菌的侵染。2.1.2小麥頭復(fù)合菌子期20世紀(jì)90年代小麥和大麥的頭痂病又稱頭枯萎病,在世界各地多雨潮濕季節(jié)的小麥開花期及灌漿早期流行。頭痂病的主要病原體是禾谷鐮孢菌。禾谷鐮孢菌在中國主要感染水稻茬,在北美主要感染小麥茬和玉米秸。在春季氣溫回升時,感染的農(nóng)作物表面形成大量的壺狀子囊腔。誘撲孢子實(shí)驗(yàn)顯示,在小麥的開花期,空氣中傳播的主要鐮孢菌孢子是禾谷鐮孢囊孢子。夜晚濕度相對較大,囊孢子釋放也達(dá)到高峰。雨季和雨季過后,子囊腔釋放囊孢子達(dá)到頂峰。美國中西部小麥的流行病學(xué)調(diào)查結(jié)果顯示,當(dāng)六月小麥開花期的降雨量高于平均水平時,易造成頭痂病的發(fā)生。中國在20世紀(jì)90年代的調(diào)查顯示,700萬公頃小麥?zhǔn)艿叫←滎^痂病的影響,嚴(yán)重時損失達(dá)20%~40%。同一時期,美國的東部和中西部及加拿大的安大略省、馬尼托巴省小麥頭痂病嚴(yán)重流行。近來北美洲流行頭痂病的主要原因是當(dāng)?shù)貙?shí)施的小麥和玉米輪作的耕作方式。所有歐洲小麥和大麥產(chǎn)區(qū)都受到頭痂病的影響。20世紀(jì)90年代,俄羅斯南部,東歐的羅馬尼亞和匈牙利,南美的阿根廷和巴拉圭小麥頭痂病嚴(yán)重流行,1993年一些地區(qū)的損失高達(dá)50%。2.1.3玉米穗腐病的發(fā)生狀況禾谷鐮孢菌的宿主廣泛,可引起玉米穗腐病。玉米禾谷鐮孢穗腐病比小麥的頭痂病更復(fù)雜,更難控制。自然發(fā)病通常是局部散發(fā)性的,因此很難預(yù)測。由禾谷鐮孢產(chǎn)生的生長在玉米莖和其他農(nóng)作物上的囊孢子和大分生孢子是玉米穗腐病的主要病原體。在發(fā)病早期,田間受感染的穗不容易觀測到,這是因?yàn)橛衩灼ず苌俪霈F(xiàn)癥狀。但是在嚴(yán)重感染的情況下,在整個玉米穗、受感染的籽實(shí)、玉米穗軸和玉米皮都長滿紅色或粉色霉菌。如果空氣連續(xù)潮濕,玉米皮表面就會形成蘭黑色子囊腔和略帶桃色的菌絲體和大分生孢子。另外,輪枝鐮孢、串珠鐮刀菌或膠孢鐮刀菌也是造成玉米穗腐病的病原菌。玉米穗腐病在世界各地的玉米產(chǎn)區(qū)都有報道,尤其在吐絲期和相對低溫潮濕天氣時,發(fā)病更為普遍。美國在整個20世紀(jì)玉米穗腐病都普遍發(fā)生。輪枝鐮孢菌感染玉米最普遍,串珠鐮刀菌和膠孢鐮刀菌感染則少得多,但各大陸的溫帶卻都有感染報道。玉米穗腐病在加拿大非常普遍,但自然感染時玉米中的伏馬菌素水平通常較低。歐洲、中國、中非、南非和南美的玉米穗腐病發(fā)病率也較高。2.2真菌毒素感染儲藏谷物的研究鐮孢霉菌產(chǎn)生的毒素中最重要、數(shù)量最多的是單端孢霉烯族毒素,主要由鐮孢菌、頭孢霉、漆斑菌等霉菌產(chǎn)生。它包括近150種化合物,可以分成四個亞類,其中A類和B類最為重要。A類單端孢霉烯族毒素主要由擬枝鐮孢菌和梨孢鐮孢菌所產(chǎn)生,包括T-2毒素、HT-2毒素、鐮孢菌酸(NEO)和雙乙酸基藨草烯醇(DAS);B類單端孢霉烯族毒素主要由黃色鐮孢菌和禾谷鐮孢菌產(chǎn)生,包括脫氧瓜萎鐮孢菌烯醇(嘔吐毒素,DON)及其3-乙?；?5-乙?；苌铩⒀└犳呔┐?NIV)和鐮孢菌烯酮-X(Fusarenon-X,FX)。鐮孢霉菌生長需要適合的溫度、濕度、氧氣及能源。當(dāng)濕度大于85%、溫度高過25℃時,霉菌就會大量快速生長并產(chǎn)生毒素。農(nóng)作物在收獲前感染霉菌毒素的嚴(yán)重程度和當(dāng)時的環(huán)境溫度和濕度條件密切相關(guān),昆蟲和鳥類對農(nóng)作物的破壞也會加重霉菌毒素對生長作物的污染。影響霉菌毒素感染儲藏谷物的主要因素有水活度、底層通風(fēng)、溫度、霉菌接種體的濃度等。其中溫度和水活度對儲藏谷物是否受到霉菌毒素污染影響最大。產(chǎn)毒霉菌的生長需要十分嚴(yán)格的水活度范圍,水活度在0.7以下時,霉菌幾乎不能生長。當(dāng)谷物的水活度提高到0.7以上時,較耐干燥的霉菌就能夠生長,這些產(chǎn)毒霉菌在代謝過程中產(chǎn)生的水使周圍物質(zhì)保持較高的濕度,進(jìn)而能夠繼續(xù)支持許多霉菌的生長。在實(shí)驗(yàn)室條件下,許多禾谷鐮孢菌的亞種都可在高壓消毒的谷物上產(chǎn)生嘔吐毒素和玉米赤霉烯酮。小麥和玉米田間感染禾谷鐮孢菌的研究結(jié)果顯示,小麥中含有高水平的嘔吐毒素,而玉米赤霉烯酮含量則較低或沒有。玉米中則兩種毒素都含有,玉米穗部的玉米芯中嘔吐毒素含量最高。同樣,田間感染的小麥花序軸的嘔吐毒素含量最高。小麥和玉米籽實(shí)的嘔吐毒素含量與真菌數(shù)量密切相關(guān)。然而,即使外觀健康的谷物也可能含有相當(dāng)水平的嘔吐毒素。在安大略省的一項(xiàng)研究中,52%的外觀正常的玉米籽實(shí)含0.28~5μg/g嘔吐毒素。另外,幾乎所有的輪枝鐮孢菌和許多串珠鐮刀菌在實(shí)驗(yàn)室人工接種條件下都可產(chǎn)生煙曲霉毒素。分析帶殼的籽實(shí)發(fā)現(xiàn),明顯發(fā)霉的玉米中煙曲霉毒素污染水平高于優(yōu)質(zhì)玉米。Desjardins等測定了116株有癥狀和無癥狀的玉米穗的煙曲霉毒素B1的分布情況。結(jié)果顯示,煙曲霉毒素B1的含量差異很大,每個穗上的82%~100%的煙曲霉毒素分布在有癥狀的籽實(shí)上。一些國家和地區(qū)的主要產(chǎn)毒鐮孢菌及其毒素種類見表1。3玉米和小麥種子中的糖代謝及生理生化特性流行病學(xué)調(diào)查顯示,北美小麥和大麥頭枯萎病發(fā)病增多的主要原因是耕作方式。當(dāng)?shù)貙?shí)施的小麥和玉米輪作及每年在同一塊地種玉米可導(dǎo)致發(fā)病增加。因此,避免小麥和玉米輪作可能是控制小麥和大麥頭枯萎病的措施之一。然而,耕作方式不能減少鐮孢穗腐病的強(qiáng)度,因?yàn)檫@些真菌可在植物殘余物上存活超過21個月以上。灌漿期的干燥天氣和隨后的雨季有利于煙曲霉毒素的產(chǎn)生,因此,在關(guān)鍵時期進(jìn)行灌溉有助于減少煙曲霉毒素污染的風(fēng)險。中國和加拿大的抗病育種已培育出抗禾谷鐮孢菌的品系。中國的小麥種質(zhì)在世界范圍內(nèi)正被用于抗病育種。但是,玉米育種在篩選高抗病力種質(zhì)方面進(jìn)展不大。進(jìn)一步而言,根據(jù)肉眼看見的穗腐病癥狀選擇不能反映感染輪枝鐮孢卻沒有癥狀的籽實(shí)或伏馬霉素積累的潛力。近年來,科研人員在鐮孢菌毒素的生物合成以及毒素和植物宿主的關(guān)系方面已取得重要進(jìn)展。在植物中表達(dá)霉菌毒素脫毒酶,可以防止霉菌毒素的積聚和出現(xiàn)穗腐病癥狀。從玉米穗微生物上克隆的編碼酯水解酶的基因表達(dá)出煙曲霉毒素的脫毒特性。編碼單端孢霉烯3-O-乙?；D(zhuǎn)移酶的紅高粱可顯著降低單端孢霉烯族毒素的毒性,今后有望在玉米和小麥上得到表達(dá)。此外,改變植物組織內(nèi)的單端孢霉烯族毒素靶粘結(jié)位點(diǎn)的核糖體蛋白質(zhì)是一個新的研究方向。Harris等改造了一個水稻基因以生產(chǎn)耐單端孢霉烯族毒素的核糖體蛋白質(zhì),當(dāng)把基因轉(zhuǎn)導(dǎo)到煙草后,經(jīng)改造的水稻基因就會提供耐單端孢霉烯族毒素的遺傳改良的細(xì)胞培養(yǎng)基。該研究正試圖在玉米和小麥中表達(dá)這一基因,以評價在減少疾病癥狀和單端孢霉烯族毒素水平方面的效果。經(jīng)遺傳改良增加了抗昆蟲能力的植物已經(jīng)表現(xiàn)出減少伏馬霉素污染的能力。Munkvold等發(fā)現(xiàn),能夠表達(dá)轉(zhuǎn)CryIA(b)或Cry9C蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)細(xì)菌(Bacillusthurengiensis)基因玉米籽實(shí)的歐洲玉米鉆心蟲害較低,進(jìn)而輪枝鐮孢感染較低,比非轉(zhuǎn)基因玉米的伏馬霉素污染小。然而,玉米感染輪枝鐮孢菌的機(jī)制比較復(fù)雜。雖然昆蟲造成的損傷可明顯增加伏馬霉素的污染程度,但真菌可能存在另外的污染渠道。因此,轉(zhuǎn)基因玉米也可發(fā)生和昆蟲損傷無關(guān)的伏馬霉素污染。4田間、收獲、干燥和儲藏過程的研究鐮孢霉菌污染農(nóng)作物是一個