镰刀菌真菌毒素产生与调控机制研究进展

第23卷第3期2011年3月Vol.23,No.3Mar.,2011生命科学ChineseBulletinofLifeSciences文章编号：1004-0374(2011)03-0311-06镰刀菌真菌毒素产生与调控机制研究进展张岳平(中南大学研究生院隆平分院，长沙410125)摘　要：镰刀菌是一种重要的植物病原菌，给世界范围内农作物生产带来巨大破坏。除导致产量下降外，由其产生的镰刀菌真菌毒素能够污染农产品品质，给动物和人类食物安全造成严重隐患。单端孢霉烯族毒素(Trichothecenes)、伏马菌素(Fumonisin)和玉米赤霉烯酮(Zearalenone)是三种最重要的镰刀菌真菌毒素。镰刀菌真菌毒素的生物合成与生产受到体内一系列相关功能基因的调控；此外，pH值、碳氮比等环境条件也能影响真菌毒素的产量。本文简述了镰刀菌真菌毒素在产生机理、主要分类、致病性以及调控因素等方面的研究进展。关键词：镰刀菌；真菌毒素；食物安全；致病性；研究进展中图分类号：Q939.5文献标识码：ATheresearchadvanceofbiosynthesisandregulationmechanismonFusariummycotoxinsZHANGYue-Ping(LongpingCollegeofGraduateSchool,CentralSouthUniversity,Changsha410125,China)Abstract:Fusariumspp.areparticularlysignificantfilamentouspathogenfungi,whichcancausesevereyieldlossworldwide.Inadditiontoyieldlosses,infestedagriculturalproductsareoftencontaminatedwithmycotoxinsthatareharmfultohumansandanimals.Thetrichothecenes,fumonisin,andzearalenonearethreemostimportantmycotoxinsofFusariumspp.WiththedevelopmentsofcompletegenomesoftheFusariumspp.,moreandmoregenesandgeneclustersarebeingreportedtoregulatethebiosynthesisandproduction.Theconditionsofenvironment,suchaspH,andtheratioofcarbon/nitrogen,arealsoinvolvedinregulationofthemycotoxinsproduction.Thisarticlesummarizestherecentprogressandcurrentstateofknowledgeandhighlightoftoxicitymechanism,majorkinds,pathogenesis,andregulationfactorsinFusariummycotoxins.Keywords:Fusarium;mycotoxins;foodsecurity;pathogenesis;researchadvance收稿日期：2010-08-20；修回日期：2010-11-18基金项目：国家高技术研究发展计划(“863”计划)(2006AA10Z1A6-3)；国家“十一五”重大科技攻关项目(2006BA520A01)通讯作者：E-mail:[e-mail]镰刀菌(Fusariumspp.)是一种重要的植物病原菌，属无性真菌类，有性时期为子囊菌门，种类繁多、分布极广，普遍存在于土壤及动植物有机体上[1]。该菌易侵染多种粮食和经济作物，引起根腐、茎腐和穗(粒)腐等多种病害，造成作物减产，给世界范围内农作物生产带来严重破坏。据悉，全世界每年由于镰刀菌引起的农产品产量损失达数百亿美元[2,3]。此外，镰刀菌能产生一些次生代谢产物称为真菌毒素，造成农产品品质受到污染，给动物和人类食物安全带来巨大隐患[4,5]。据联合国粮农组织(FAO)统计，世界范围内约有25%的农作物产品不同程度地受到真菌毒素的污染，食用被污染的农产品能致畸、致癌，严重威胁到动物和人类健康[6]。镰刀菌真菌毒素种类较多，单端孢霉烯族毒素(Trichothecenes)、伏马菌素(Fumonisin)和玉米赤霉烯生命科学第23卷312酮(Zearalenone)是三类最主要的镰刀菌真菌毒素，主要由禾谷镰刀菌(F.graminearum)、轮枝镰刀菌(F.verticillioides)和大刀镰刀菌(F.culmorum)等产生[6,7]。近年来，随着镰刀菌属全基因组测序工作的巨大突破，镰刀菌真菌毒素的分子生物学研究正逐渐成为研究热点并不断取得重要进展[8-10]。镰刀菌基因组中一系列参与调控真菌毒素生物合成的相关功能基因和基因族正日渐被发掘和研究[11-13]。鉴于镰刀菌真菌毒素对农产品的污染严重而又广泛存在，对人类健康和粮食安全形成巨大威胁，且长期以来一直被严重忽视，因此，进一步增进对其了解和认识成为亟待解决的问题。本文综述几种最重要的镰刀菌真菌毒素在致病机理、检测方法以及调控因素等方面的最新研究进展，并结合自身相关研究基础提出了展望，以期为更好地理解和深入研究镰刀菌真菌毒素产毒机理和调控机制，为确保农作物高产和粮食安全提供理论基础。1　镰刀菌真菌毒素的主要种类与致病机理1.1　单端孢霉烯族毒素单端孢霉烯族毒素是主要由禾谷镰刀菌在低温条件下产生的重要次生代谢产物，自然界中广泛存在，多见于久储藏的粮食作物中，误食后易导致严重疾病甚至死亡。该镰刀菌毒素主要有A、B型两种不同的化学结构形式，主要指A型T-2毒素、B型脱氧雪腐镰刀菌烯醇毒素(Deoxynivalenol,DON)，其中T-2毒性很强，而DON为禾谷镰刀菌产生的最主要真菌毒素。图1注明了其化学结构式[14]。单端孢霉烯族毒素的致病机理主要是抑制蛋白质、RNA、DNA等大分子物质的合成，破坏细胞膜和酶类的功能，对造血系统和免疫系统有很强的毒性。食用该毒素易导致恶心、呕吐、出血性腹泻以及体内器官出血性坏死等。T-2毒素还能引起骨髓坏死，导致血液白细胞数量减少[9,14,15]。DON毒素相对T-2较小，但全球范围的小麦、大麦、燕麦等农产品极易受到该毒素污染。且DON的另一个显著特征是能在动物和人体内以很低的浓度引起疾病，研究表明，若摄入量超过0.25mg/kg体重，则导致小鼠免疫系统受损，猪类甚至更为敏感[6,16]。1.2　伏马菌素伏马菌素是一种主要由轮枝镰刀菌产生的、主要存在于玉米等农产品中的真菌毒素。伏马菌素在全世界范围内广泛存在，主要以FB1、FB2和FB3三种形式存在，其中FB1是危害最广和研究最多的伏马菌素，其化学结构式见图1[14]。伏马菌素对动物危害性严重，不同动物种类主要危害的器官有差异，例如可引起马脑组织坏死，严重时可致死；同时能引起大鼠的肝肾脏病变和猪的慢性肺病[11,17]。伏马菌素与人类某些癌症的发生密切相关。FB1更是普遍存在于人类日常饮食之中，并被国际癌症研究中心(IARC)评定为2B类致癌物[6,18]。目前，伏马菌素致病机理尚未十分明确，可能存在多种生物机制导致其具有致癌性。研究表明，FB1能通过诱导染色体和微核变异引发大鼠的肝脏癌变[19]。进一步分析发现，FB1可能主要通过引发DNA的过氧化损伤而致病[19,20]。另一种可能机理是，FB1参与破坏鞘脂类生物调控途径和抑制神经酰胺酶合成[21]。也有报道称，FB1通过扰乱正常的细胞分化和凋亡进程而引起癌变[24]。1.3　玉米赤霉烯酮玉米赤霉烯酮是一种相对低毒的真菌毒素，主要由一些重要的土壤镰刀菌类产生，诸如禾谷镰刀菌、大刀镰刀菌等。玉米、高粱、小麦和水稻等常见农产品常受其污染。此外，面粉、啤酒等农产品加工品中也常能检测到该毒素的存在。该毒素能导致猪的生殖系统障碍，同时也能引起肝脏病变，还能导致大鼠的肺功能降低[23,24]。对人体，玉米赤霉烯酮能够降低女性子宫内黄酮体分泌和影响子宫组织形态，导致生殖疾病；最新研究发现，其还可能通过调控雌性激素而诱导女性图1几种重要的镰刀菌真菌毒素结构图张岳平：镰刀菌真菌毒素产生与调控机制研究进展第3期313乳腺癌的发生，被国际癌症研究中心归类为3类致癌物[6,15,25]。其相关的致病机制正在研究中。据报道，其可能通过诱导DNA加和物的形成导致动物或人类肝脏、肾脏等功能病变[26]。最近发现，玉米赤霉烯酮能够作用于线粒体和溶酶体而诱发脂质过氧化，抑制蛋白质和DNA合成，并最终造成细胞病变和死亡[26-28]。2　真菌毒素与镰刀菌的生长及其对植物的致病性2.1　真菌毒素与镰刀菌的生长类似于色素、抗生素等，真菌毒素也是镰刀菌在自然生长过程中天然产生的一种次生代谢产物。镰刀菌毒素的产生往往与镰刀菌细胞分化与生长以及对外界环境的反应等因素密切相关。研究指出，镰刀菌孢子形成与产孢量等生长过程与其真菌毒素的生物合成与生产量具有紧密联系。实验表明，一些基因敲除突变体在影响到产孢和菌丝生长的同时，也抑制了毒素的形成。例如，Zhou等[29]报道，将禾谷镰刀菌CID1基因敲除后，突变体相比野生型DON的产量显著下降，同时突变体也表现出营养生长、产孢和性繁殖等能力缺陷。Kim和Woloshuk[30]也指出，轮枝镰刀菌AREA基因缺失后，营养生长显著下降的同时完全丧失了FB1的合成能力。作者研究表明轮枝镰刀菌的毒素生物合成过程同时受到丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号转导途径的影响(待发表资料)。但事实上，镰刀菌的生长与次生代谢产物的产生具有非常复杂的联系，迄今为止，其具体机制尚不十分清楚。表1列出了几种常见的镰刀菌毒素的产生与镰刀菌自身的生长发展进程的关系。2.2　镰刀菌真菌毒素与植物致病性镰刀菌往往都是致病性真菌，能在不同植物宿主上寄生并完成侵染而最终致病，例如禾谷镰刀菌导致的小麦赤霉病和玉米穗腐病、轮枝镰刀菌引发的玉米茎腐和穗腐病、稻恶苗病菌(F.fujikuroi)引起的水稻恶苗病等。针对真菌毒素与镰刀菌植物致病性的联系及其具体机制这一课题，研究者们做了大量研究，但结果不一，始终难以定论，很难说明真菌毒素在镰刀菌完成致病性的过程中究竟扮演着一个怎样的角色[33,34]。在禾谷镰刀菌中，为了研究DON等真菌毒素对于植物致病性的影响，通过分子生物学手段，获得了一系列非产毒的突变体菌株。其中第一个被报道的基因是TRI5，该基因的敲除突变体在各种培养条件下完全不产生DON毒素。对于该突变体的致病性分析表明，其明显降低了小麦穗腐和玉米茎腐等病发生，表明DON等毒素对于禾谷镰刀菌的致病性具有重要作用[35]。但同样用该基因的敲除突变体接种土豆茎块，结果却并未表现出致病性的降低，这又说明DON等真菌毒素在镰刀菌的植物致病性中的作用会随着作物种类不同而发生改变。其他相关功能基因的报道也指出，禾谷镰刀菌中DON的产量与植物致病性具有一定正相关[29,31]。为了研究伏马菌素与轮枝镰刀菌的植物致病性的关系，自然条件下得到四种不同类型的轮枝镰刀菌菌株，分别为：同时产生三类伏马菌素(FB1、FB2和FB3)的菌株、只产生FB2的菌株、只产生FB3的菌株和不产生任何伏马菌素的菌株。将这四种不同类型的菌株分别进行侵染玉米接种实验，结果表明，能产生三类伏马菌素的菌株与完全不产毒的菌株在玉米致病性上没有显著差异，不产毒的菌株并没有表现出致病性上的缺陷[36]。在分子水平上，轮枝镰刀菌FUM5基因的敲除突变体不能产生伏马菌素，该突变体接种玉米茎秆实验表明，在茎腐病发生程度上，突变体与野生型差异不明显[14]。然而，作者研究发现，轮枝链孢菌中MAPK基因突变体在伏马菌素产量减少的同时，存在严重的致病性缺陷(待发表资料)。Wiemann等[37