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        黃曲霉及其毒素污染的防控技術(shù)研究新進(jìn)展

        2017-09-06 12:23:29李莊悅李宇
        現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技 2017年14期
        關(guān)鍵詞:防控技術(shù)黃曲霉

        李莊悅 李宇

        摘要 如何削減黃曲霉及其毒素污染,是國內(nèi)外學(xué)者非常關(guān)注和研究解決的重要課題。多年研究獲得的物理、化學(xué)、生物等方法,已被用來解決黃曲霉及其毒素的污染問題,但至今未找到一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用可大規(guī)模推廣的解毒方法。因此,繼續(xù)探尋和研發(fā)高效、廉價(jià)、無副作用的黃曲霉及其毒素污染防控措施,依然是當(dāng)前科技工作者迫切需要解決的問題。本文主要從分子生物學(xué)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、拮抗微生物等方面介紹近年來黃曲霉及其毒素污染防控技術(shù)和方法的較新研究進(jìn)展,并歸納出可能的研發(fā)趨勢(shì),以期為該領(lǐng)域今后進(jìn)一步深入研究提供一些依據(jù)和參考。

        關(guān)鍵詞 黃曲霉;毒素污染;防控技術(shù);研究新進(jìn)展

        中圖分類號(hào) Q949.32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739(2017)14-0197-03

        Abstract How to eliminate or decrease the infection of Aspergillus flavus and aflatoxin is an important subject which has been paid more attention by researchers. Measures of physics,chemistry and biology result from many years′ studys have been used to solve those problems,but have no practical and economical detoxifying method which could be generalized in large scale has been found.Accordingly,keeping exploring and researching some measures which can prevent and control Aspergillus flavus with high efficiency and no side effect is still impending to be solved for present researchers. This review article mainly introduced some new advances on preventing and controlling the infection of Aspergillus flavus and aflatoxin from molecule biology,risk prediction and antagonistic microbe,and concluded the possible research trends,so as to provide some references and evidences for going deep into researches on this field in the future.

        Key words Aspergillus flavus;aflatoxin infection;preventing and controlling technology;new research progress

        雖然傳統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物學(xué)方法已被用來解決食品、作物、飼料中黃曲霉毒素的污染問題,但都不能從本質(zhì)上解決問題,至今還沒有找到一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的可大規(guī)模推廣的解毒方法。因此,亟需繼續(xù)探尋和研發(fā)高效、價(jià)廉、無副作用的黃曲霉及其毒素污染防控措施。

        黃曲霉毒素主要是由黃曲霉、寄生曲霉、集蜂曲霉等產(chǎn)毒真菌在其生長后期產(chǎn)生的一類基本結(jié)構(gòu)中以二氫呋喃環(huán)和香豆素為主的次級(jí)代謝產(chǎn)物[1],是目前已知的化學(xué)物質(zhì)中“三致”(致癌、致畸、致突變)性最強(qiáng)的一種,會(huì)使人體或動(dòng)物的生長發(fā)育受阻、生長遲緩、免疫能力下降甚至死亡。目前,黃曲霉毒素中毒后還沒有特效藥物[2]。一般發(fā)霉的谷物、花生、種子、堅(jiān)果以及發(fā)酵制品等中都會(huì)有黃曲霉的存在。已成功分離鑒定出約20種AFT衍生物,其中4種(AFB1、AFB2、AFG1、AFG2)為天然產(chǎn)生、毒性最強(qiáng)、在農(nóng)作物中污染最嚴(yán)重[3]。

        本文主要從分子生物學(xué)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、拮抗微生物等方面介紹近年來黃曲霉及其毒素污染防控技術(shù)和方法的較新研究進(jìn)展,并總結(jié)歸納出可能的研發(fā)趨勢(shì)和應(yīng)用前景,以期為該領(lǐng)域今后進(jìn)一步創(chuàng)新研究提供依據(jù)和參考。

        1 黃曲霉及其毒素分子生物學(xué)防控技術(shù)研究新進(jìn)展

        近年來,分子生物學(xué)快速發(fā)展,黃曲霉的研究集中在生物防治、遺傳育種、基因工程等方面。已從研究或?qū)嶒?yàn)室層面,培育出抗黃曲霉及其毒素的優(yōu)良作物新品種,正在向應(yīng)用方面探究和發(fā)展;通過產(chǎn)毒菌早期分子鑒定或關(guān)聯(lián)性狀基因表達(dá),可以進(jìn)行早期預(yù)警,達(dá)到中期或后期預(yù)防和控制的目的;而最新的嘗試和探索是干預(yù)黃曲霉組蛋白甲基化,使其產(chǎn)毒基因沉默或敲除,從而阻止或抑制黃曲霉毒素的產(chǎn)生。

        1.1 抗黃曲霉作物新品種的基因工程研究

        近年來,在植物的抗病育種研究中進(jìn)行分子標(biāo)記技術(shù)的應(yīng)用已取得一定成果,在雜交早期世代可以利用與抗病基因連鎖的分子標(biāo)記進(jìn)行輔助選擇,同時(shí)還可以排除其他因素如環(huán)境條件、花生種仁發(fā)育情況等對(duì)接種鑒定結(jié)果的干擾,提高育種效率。

        雷 永等[4-5]采用AFLP技術(shù)和BSA分析方法,在國內(nèi)外首次獲得了與花生黃曲霉菌侵染抗性連鎖的2個(gè)分子標(biāo)記,并對(duì)抗、感黃曲霉的花生種質(zhì)資源進(jìn)行了分子鑒定,證明該標(biāo)記可以用于研究群體之外的育種潛力。洪彥彬等[6]為了篩選出抗黃曲霉的花生品種,利用SSR標(biāo)記方法,獲得了5個(gè)與黃曲霉抗性相關(guān)的SSR標(biāo)記,這些標(biāo)記可能與花生的抗性基因連鎖。田立榮[7]研究了花生抗黃曲霉遺傳改良及育種的基因工程原理。

        近年來,花生黃曲霉抗性改良育種的研究單位眾多。廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育的抗黃曲霉菌侵染的花生新品種粵油9號(hào)和粵油20,已分別通過國家農(nóng)作物品種審定和廣東省農(nóng)作物品種審定[8];福建農(nóng)林大學(xué)油料所在1997年研究出抗黃曲霉的花生品種,并在2009年通過國家農(nóng)作物品種審定委員會(huì)審定[9]。endprint

        雖然基因工程技術(shù)育種研究已取得一些進(jìn)展,但是仍處于初級(jí)階段,尚未見有實(shí)際生產(chǎn)推廣應(yīng)用或商品化生產(chǎn)的例子。然而,抗黃曲霉品種的基因工程育種的確是黃曲霉防治的源頭技術(shù)或?qū)嵸|(zhì)性措施,開辟了黃曲霉及其毒素污染防控技術(shù)研究的新篇章,特別是隨著基因工程技術(shù)本身的不斷成熟,今后的研究前景和實(shí)踐價(jià)值將非常廣闊和令人期待。

        1.2 黃曲霉毒素的分子預(yù)警技術(shù)研究

        雖然黃曲霉分布廣泛,但并不是所有的黃曲霉菌株都可以產(chǎn)生黃曲霉毒素。過去通常采用形態(tài)學(xué)、免疫學(xué)等傳統(tǒng)檢測方法等對(duì)真菌毒素進(jìn)行檢測,存在周期長、操作復(fù)雜、鑒別水平不夠準(zhǔn)確等缺點(diǎn)。隨著分子生物學(xué)及其組學(xué)等學(xué)科的發(fā)展,現(xiàn)代分子生物學(xué)監(jiān)測方法尤其是PCR技術(shù)在真菌毒素檢測與鑒別方面得到了深入研究與發(fā)展,從而可以對(duì)剛剛產(chǎn)生的黃曲霉毒素的關(guān)鍵基因或關(guān)聯(lián)因素進(jìn)行及時(shí)或早期鑒定或監(jiān)測,建立簡便、快速、準(zhǔn)確的產(chǎn)毒菌株分子鑒定或監(jiān)測技術(shù)。

        Somashekar等[10]選取黃曲霉毒素合成途徑中的aflR和omt基因設(shè)計(jì)引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增,結(jié)果表明,aflR引物只能從寄生曲霉和黃曲霉基因組中特異性地?cái)U(kuò)增出相應(yīng)DNA片段,而omt引物還可從南海海洋真菌、R.oligosporous和魯氏毛霉中擴(kuò)增,但不能從棕曲霉、青霉菌和黑曲霉中擴(kuò)增,從而可將寄生曲霉、黃曲霉與曲霉屬的其他真菌以及青霉菌區(qū)分開。Schmidt研究表明[11],關(guān)鍵基因aflR/aflS的表達(dá)量之比與溫度×水分活度之間的交互作用相關(guān),該比率越大AFB1含量越高,此方法可應(yīng)用于對(duì)這2類真菌產(chǎn)毒的預(yù)警。

        1.3 黃曲霉組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶修飾效應(yīng)研究

        組蛋白甲基化是一種重要的組蛋白表觀修飾,主要由一類含有SET結(jié)構(gòu)域、被稱為組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶的蛋白質(zhì)執(zhí)行,可以有效調(diào)節(jié)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、基因組功能和基因表達(dá)等[12]。

        因此,可以從組蛋白甲基化及其他表觀遺傳入手,制造對(duì)抗癌癥等疾病的藥物。精子發(fā)生過程中組蛋白甲基化錯(cuò)誤也會(huì)直接影響表觀遺傳修飾的建立和維持,導(dǎo)致生精細(xì)胞異常甚至引發(fā)不育。由于組蛋白甲基化形式有上千萬種,這就極大地增加了組蛋白修飾調(diào)節(jié)基因表達(dá)的復(fù)雜性,為組蛋白甲基化在精子發(fā)生過程中發(fā)揮調(diào)控作用提供了巨大的潛能[13]。

        目前,關(guān)于植物組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶的研究主要集中在擬南芥、水稻、玉米、煙草等模式植物中[14]。組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶是一類催化1~3個(gè)甲基基團(tuán)轉(zhuǎn)移到組蛋白賴氨酸或精氨酸上的酶,如G9a,又稱常染色質(zhì)組蛋白賴氨酸N-甲基轉(zhuǎn)移酶2。

        筆者在福建農(nóng)林大學(xué)相關(guān)學(xué)者的指導(dǎo)下,首次進(jìn)行了干預(yù)產(chǎn)毒黃曲霉組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶的創(chuàng)新研究(2015—2016年)。通過分子生物學(xué)手段,初步發(fā)現(xiàn)黃曲霉組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶中的部分基因(如aflrmtA、bre2等基因)控制黃曲霉的產(chǎn)毒和生長,通過同源重組法敲除該基因后,黃曲霉產(chǎn)毒即可被抑制。試驗(yàn)表明,aflrmtA基因(精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶基因)通過提高aflR、aflC和aflK基因表達(dá),很大程度上調(diào)了在PDA和PDB培養(yǎng)的AFB1生物合成;進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)aflrmA是等離子體細(xì)胞膜損害、滲透性和過氧化氫誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激反應(yīng)的重要調(diào)節(jié)物;也可抑制分生孢子生產(chǎn)和上調(diào)花生和谷物種子中AFB1的生物合成,還可提高蛋白酶和脂肪酶活性??傊琣flrmtA基因在真菌毒素生物合成的形態(tài)發(fā)生和黃曲霉致病性中起重要作用,而且可以成為能夠控制黃曲霉污染作物的潛在靶基因。

        2 黃曲霉毒素污染預(yù)警技術(shù)研究新進(jìn)展

        在作為收獲前進(jìn)行黃曲霉毒素污染預(yù)警,既省時(shí)省力,又能降低產(chǎn)后脫毒的投入,因而成為目前很多學(xué)者和科研單位的研究熱點(diǎn)?;ㄉa(chǎn)生黃曲霉毒素污染的主要原因是花生收獲前28~42 d即結(jié)莢期遇到干旱和高溫(22~35 ℃)天氣[15]?;贑ROPGRO-peanut模型,輸入影響因子模擬花生莢果周圍土壤和葉片的溫度、植物缺水量等,再根據(jù)毒素含量與繁殖期氣候參數(shù)(雨量、溫度、日照等)的關(guān)系,進(jìn)行花生黃曲霉毒素含量監(jiān)控與預(yù)測[16]。

        Whitaker等[17]對(duì)花生儲(chǔ)藏、脫殼、漂洗過程中花生黃曲霉毒素的含量分布進(jìn)行了研究。李瑞芳等[18]用Boltzmann和Logistic 2種模型模擬了儲(chǔ)藏期間黃曲霉生長規(guī)律,當(dāng)溫度低于15 ℃、相對(duì)濕度低于85%時(shí),可以預(yù)防黃曲霉毒素產(chǎn)生。Zhang等[19]研究獲得100~190 ℃條件下花生中黃曲霉毒素動(dòng)力學(xué)模型,成功應(yīng)用于花生熱加工過程中黃曲霉毒素的預(yù)警。

        國內(nèi)外以黃曲霉毒素生物合成前體代謝物作為AFB1的預(yù)警檢測,進(jìn)行了毒素前體代謝物預(yù)警方法初步研究。方明英[20]研究表明,黃曲霉和寄生曲霉在多種培養(yǎng)基中培養(yǎng),雜色曲菌素(versicolorin A,VA)是其毒素生物合成過程中首個(gè)出現(xiàn)毒性作用基團(tuán)——雙呋喃環(huán)的化合物,可以在AFB1產(chǎn)生前檢出。譚輝勇[21]探究表明,樣品中VA和AFB1含量之間具有中度相關(guān)性,VA作為黃曲霉毒素的預(yù)警報(bào)告分子是可行的。

        3 拮抗黃曲霉菌及其毒素的微生物研究新進(jìn)展

        有關(guān)微生物能夠拮抗黃曲霉或者與黃曲霉競爭的研究,可歸類為降解真菌毒素的生物學(xué)方法,但近年來又有較多新進(jìn)展,特別是發(fā)現(xiàn)了多種拮抗細(xì)菌和不產(chǎn)毒黃曲霉和寄生曲霉控制黃曲霉毒素的污染,同時(shí)初步探明了降解毒素的可能機(jī)理。可以通過加入一種新的拮抗微生物,使微生物之間的分布發(fā)生改變,使產(chǎn)毒黃曲霉素的生長受到抑制,從而降低黃曲霉毒素的污染幾率。拮抗菌種通過自身代謝產(chǎn)生某種胞內(nèi)酶或者胞外酶,將黃曲霉毒素分子的毒性基團(tuán)降解為無毒害的物質(zhì)被生物利用或通過代謝排出體外;或者通過生物粘附作用,粘附黃曲霉毒素達(dá)到去除黃曲霉毒素的目的。

        3.1 拮抗黃曲霉及其毒素的細(xì)菌研究概況

        Shahin[22]從乳制品中分離出1株乳酸乳球菌和1株嗜熱鏈球菌,分別吸附PBS(磷酸鹽緩沖液)中54%和81%的AFB1,而熱致死的這2種乳酸菌對(duì)AFB1的吸附能力分別達(dá)到了86%和100%。Gao等[23]從魚內(nèi)臟中發(fā)現(xiàn)一種枯草芽孢桿菌ANSB060,能夠分別降低81.5%、80.7%和60.0%的AFB1、AFG1和AFM1;李俊霞[24]等首次發(fā)現(xiàn)能夠降解AFB1的單胞菌屬菌株嗜麥芽窄食單胞菌(Stenotrophomona ssp.),降解率達(dá)到85.7%。吉小鳳等[25]篩選出發(fā)酵乳桿菌株LAB-10,對(duì)質(zhì)量濃度為14 g/L的AFB1在48 h的降解率為63.4%,其脫毒機(jī)理為生物降解作用,同時(shí)該菌株屬于安全性高的益生菌。endprint

        我國研究者還獲得了拮抗黃曲霉或降解AFT的多種芽孢桿菌。2011年涂彩虹等[26]從土壤中分離純化出1株具有黃曲霉拮抗活性的枯草芽孢桿菌。2012年趙麗紅等[27]等篩選出1株能夠高效降解AFB1的枯草芽孢桿菌,商品化生產(chǎn)制劑為霉立解(MLJ),通過蛋雞驗(yàn)證,霉立解可在一定程度上改善和緩解AFB1對(duì)蛋雞的不利影響。2013年李松培等[28]得到1株能夠降解AFB1的革蘭氏陽性芽孢桿菌,降解率達(dá)到94%,且具有淀粉酶和蛋白酶分泌作用,這一特點(diǎn)有利于其作為產(chǎn)酶益生素進(jìn)一步開發(fā)。

        可見,在拮抗黃曲霉及其毒素的細(xì)菌研究方面,國內(nèi)外研究者取得了可喜成果,既有處于發(fā)現(xiàn)和鑒別層面的初步研究,也有進(jìn)入轉(zhuǎn)化應(yīng)用或商品化生產(chǎn)的難得技術(shù)成果。探尋和研發(fā)出了以芽孢桿菌為主的多種拮抗菌種,特別是具有益生素作用的降解黃曲霉毒素菌株,可以達(dá)到毒素降解和改善動(dòng)物生理代謝的雙重作用??傮w上看,這方面研究潛力較大,且展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。因此,仍需對(duì)其進(jìn)一步挖掘和深入探尋。

        3.2 拮抗黃曲霉及其毒素的真菌研究概況

        Zanon等[29-31]從各國花生中分離得到的不產(chǎn)毒黃曲霉菌能有效減少花生中黃曲霉毒素污染。馬忠華等[32]篩選出一株高效競爭菌AF051,可以抑制99%的黃曲霉菌生長。

        目前,已發(fā)現(xiàn)許多真菌都能夠?qū)FB1降解成低毒或無毒的產(chǎn)物[33-34]。此外,學(xué)者們還發(fā)現(xiàn)大型真菌能夠降解AFB1。Motomura等[35-36]研究糙皮側(cè)耳生成物時(shí),得到能夠降解AFB1的胞外酶,其分子量為90 kDa;并確定了該酶降解AFB1的最佳pH值、溫度等信息。王會(huì)娟等[37]篩選出2株高產(chǎn)漆酶的平菇,且平菇中的漆酶含量與AFB1的降解具有一定的正向關(guān)系。

        由上述得知,在拮抗黃曲霉及其毒素的真菌研究方面,國內(nèi)外不僅探尋出多種不產(chǎn)毒黃曲霉菌高效拮抗或抑制黃曲霉毒素的菌種,而且發(fā)現(xiàn)許多真菌都能夠?qū)FB1降解成低毒或無毒的產(chǎn)物。并通過大型真菌研究,初步揭示了其胞外酶降解黃曲霉毒素內(nèi)酯環(huán)的可能生理機(jī)制。

        4 結(jié)語

        近年來,國內(nèi)外對(duì)黃曲霉及其毒素污染防控技術(shù)和方法的研究,從分子生物學(xué)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、拮抗微生物等方面進(jìn)行了較深入和多方面的研究,其主要結(jié)果或研發(fā)趨勢(shì)歸納如下。

        (1)黃曲霉及其毒素分子生物學(xué)防控技術(shù)研究發(fā)展迅速,已在基因工程技術(shù)育種、產(chǎn)毒菌早期分子鑒定預(yù)警、組蛋白甲基化干預(yù)嘗試等方面,取得了一定研究成果和新進(jìn)展。由于選育抗病品種周期長且在實(shí)際生產(chǎn)中很難成功種植轉(zhuǎn)基因的植株,而且試驗(yàn)研究和大田生產(chǎn)存在很大差異,故目前來說還只是初級(jí)階段。盡管分子生物學(xué)防控技術(shù)研究難度較大,但卻是源頭或?qū)嵸|(zhì)性的防控舉措。隨著分子生物學(xué)技術(shù)本身的不斷發(fā)展和日趨成熟,相信今后將有更好的研究前景和實(shí)用價(jià)值。

        (2)通過對(duì)相關(guān)氣象參數(shù)和土壤因子的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)律總結(jié)和相關(guān)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建,可以計(jì)算出這些因素造成的黃曲霉毒素污染風(fēng)險(xiǎn),并進(jìn)行預(yù)警。已初步研究出花生收獲前(結(jié)莢期)后(儲(chǔ)藏、加工等)的預(yù)警模型和方法,并發(fā)現(xiàn)毒素生物合成前體代謝物雜色曲菌素,可作為AFB1的預(yù)警檢測。該技術(shù)需要長期積累觀測數(shù)據(jù),然后運(yùn)用研究構(gòu)建的正確實(shí)用數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)預(yù)警,對(duì)生產(chǎn)技術(shù)人員的專業(yè)水平要求高,同時(shí)預(yù)警后防控也需要一定的工作量。然而,在其他防控技術(shù)還不成熟或傳統(tǒng)防控方法耗費(fèi)更大的狀況下,仍不失為一種行之有效的黃曲霉毒素污染防控措施[38-40]。

        (3)在拮抗黃曲霉及其毒素的微生物研究方面,國內(nèi)外研究者取得了較多的新進(jìn)展。初步探尋出以芽孢桿菌為主的多種拮抗細(xì)菌種和不產(chǎn)毒曲霉菌高效拮抗真菌種,特別是開發(fā)出了既降解毒素又改善動(dòng)物生理代謝、具有益生素作用的細(xì)菌株,并初步揭示了真菌降解毒素的生理機(jī)制。拮抗微生物防控技術(shù)研究,目前大多處在發(fā)現(xiàn)和鑒別層面,也有少數(shù)技術(shù)成果已進(jìn)入應(yīng)用推廣階段。雖然從拮抗菌種研究、篩選到產(chǎn)品定型、推廣應(yīng)用需要較長時(shí)間和不懈的完善,但這方面防控技術(shù)措施具有天然、綠色、生態(tài)的可持續(xù)性和良好應(yīng)用前景,從而代表了黃曲霉毒素污染防控技術(shù)研究的主要方向之一。

        5 致謝

        衷心感謝福建農(nóng)林大學(xué)生命學(xué)院汪世華教授對(duì)本文的指導(dǎo)和提出寶貴意見!

        6 參考文獻(xiàn)

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