小麥赤霉病和赤霉菌研究進展

許凌凌

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學院，安徽蕪湖 241002）

小麥赤霉病從小麥幼苗期到抽穗期均可發(fā)生，其中穗腐病危害最為嚴重。我國長江中下游一直是小麥赤霉病普遍發(fā)生的區(qū)域，病害大流行年份小麥病穗率在50%～100%，產(chǎn)量損失20%～40%。2001—2018年共發(fā)生9 次大規(guī)模的小麥赤霉病，給農(nóng)民帶來了巨大的經(jīng)濟損失。

1 小麥赤霉菌的種類及分布

小麥赤霉病病原菌為鐮刀菌復(fù)合種，其無性態(tài)為禾谷鐮刀菌（Fusarium graminearum），屬鐮刀菌屬，能產(chǎn)生分生孢子進行無性繁殖；有性態(tài)為玉蜀黍赤霉（Gibberella zeae），屬赤霉屬。赤霉菌在病害發(fā)生后期進行有性生殖，由感病部位產(chǎn)生子囊殼，釋放子囊孢子。研究表明，能夠引起小麥赤霉病的鐮刀菌除禾谷鐮刀菌外，還有20 多個鐮刀菌種[1]。自20 世紀50 年代以來，我國科研工作者對小麥赤霉病的致病菌進行了大量的研究，20 世紀70 年代中期，我國蘇、浙、滬等地相繼開展了小麥赤霉菌的種類研究，最終鑒定出27 個鐮刀菌種或變種，其中禾谷鐮刀菌在各地均占絕對優(yōu)勢。20 世紀90 年代，國內(nèi)外主要采用形態(tài)學手段對禾谷鐮刀菌進行鑒定，CARTER 等利用Fg16F/R 引物鑒定了來自不同大洲的禾谷鐮刀菌，并根據(jù)PCR 產(chǎn)物片段的大小將其分為6 種類型[2]。O’DONNELL 采用系統(tǒng)發(fā)育學種識別法將禾谷鐮刀菌分為9 個不同的進化種[3]。2016 年，BOEDI 等通過譜系一致系統(tǒng)發(fā)育物種識別方法將傳統(tǒng)的禾谷鐮刀菌劃分為16個進化種[4]。迄今被鑒定的鐮刀菌種有51個，其中禾谷鐮刀菌最具侵染力，流行分布最廣。采用復(fù)合PCR 方法對我國長江流域的禾谷鐮刀菌進行種的劃分，發(fā)現(xiàn)我國南方的優(yōu)勢種群為亞洲鐮刀菌（Fusarium asiaticum）。根據(jù)近年來的研究結(jié)果，在我國小麥主產(chǎn)區(qū)，小麥赤霉病的致病菌主要為亞洲鐮刀菌和禾谷鐮刀菌。明確最新分類框架下赤霉病菌的種群構(gòu)成對赤霉菌生態(tài)學分析和小麥赤霉病的防控具有重要意義。

2 小麥赤霉病的發(fā)生與流行

通常情況下，赤霉菌以子囊殼形式在玉米、小麥、大麥等病殘組織上越夏、越冬，等到次年春季小麥處于抽穗揚花期時，大量的子囊孢子被釋放到空氣中，作為初侵染源附著在花藥、穎片等穗部組織上形成菌絲，侵染寄主組織。早期的研究表明，病原菌先侵染殘留在小穗內(nèi)的花藥，隨后經(jīng)由花藥蔓延到子房、穎片和穗軸。但近期有研究表明，病原菌可不經(jīng)過花藥直接入侵小麥穗部的所有部位。小麥赤霉病發(fā)病程度與菌源量、溫度、空氣相對濕度等因素密切相關(guān)[5]。菌源量是決定小麥赤霉病發(fā)生與流行程度的重要因素，調(diào)查表明，在病害大流行年份，空氣中子囊孢子數(shù)量大，病原菌數(shù)量與赤霉病發(fā)生程度呈顯著正相關(guān)[6]。小麥赤霉病是一種高溫高濕病害，氣溫高、多雨的天氣有利于病原菌子囊孢子的釋放、傳播及分生孢子的產(chǎn)生。在潮濕的土壤表面，只要溫度適宜，作物殘體上的病原菌很快便可形成子囊殼，并吸水膨脹、破裂，釋放出子囊孢子，溫度越高，子囊殼的發(fā)育進度越快。

3 赤霉菌毒素常見種類、毒性及治理方法

3.1 常見種類

小麥赤霉病不僅會造成小麥產(chǎn)量大幅度降低，而且受赤霉菌侵染的小麥籽粒中還含有對人畜有毒害作用的赤霉菌毒素，如單端孢霉烯族化合物、串珠鐮刀菌毒素、伏馬毒素等，人畜誤食后會引起四肢無力、頭暈發(fā)熱、腹瀉及嘔吐等中毒癥狀。其中，單端孢霉烯族化合物較為常見，可分為A、B、C、D 共4 類，A 類如T-2 毒素、HT-2 毒素等；B 類如脫氧雪腐鐮刀菌烯醇（Deoxynivalenol，DON）、雪腐鐮刀菌烯醇（Nivalenol，NIV）等；C 類是在C-7、C-8 位上含有第三個環(huán)氧基的化合物，僅有為數(shù)甚少的幾個化合物；D 類是大環(huán)疣孢漆斑菌屬二乳酮衍生物[7]。其中，污染小麥的主要赤霉菌毒素為DON 和NIV。

3.2 毒性

DON 是最主要的一種單端孢霉烯族化合物，幾乎可見于所有的糧食作物中，尤以小麥、大麥、玉米最為常見。DON 的毒性源于其能穿過生物屏障，影響細胞、組織、器官和系統(tǒng)的功能與活力。在細胞水平上，DON 會干擾核糖體上肽基轉(zhuǎn)移酶的活性位點并抑制蛋白質(zhì)的合成。DON 對免疫系統(tǒng)的影響與其濃度、活性持續(xù)時間和暴露時間有關(guān)，主要包括免疫抑制和免疫刺激，在急性暴露情況下會引起人嘔吐、腹瀉、眩暈等癥狀?？傮w來說，DON 主要損害人的腸胃、免疫系統(tǒng)和腦部，對內(nèi)分泌系統(tǒng)影響不大。

NIV 主要由雪腐鐮刀菌（Fusarium nivale）、谷類鐮刀菌（Fusarium cerealis）、禾谷鐮刀菌等產(chǎn)生，其化學結(jié)構(gòu)與DON 極為相似。NIV 和DON 常發(fā)生共污染現(xiàn)象，嘔吐是人和動物NIV 中毒的主要癥狀之一。NIV 還能增加皮膚血管滲透性，造成炎癥反應(yīng)、水腫滲出、皮膚壞死。此外，NIV 對植物細胞有一定的毒性，可明顯抑制豌豆發(fā)芽。大量研究表明，NIV 具有胚胎毒性和致畸性，可能是一種潛在的致癌物質(zhì)。

3.3 治理方法

小麥赤霉菌毒素主要在小麥生長階段產(chǎn)生，與赤霉病的發(fā)生同步，收獲后的小麥只要處理保存得當，毒素含量并不會繼續(xù)上升。對于已產(chǎn)生毒素污染的小麥，收獲后可采取物理、化學、生物等方法消減毒素。

3.3.1 物理方法

物理方法包括清洗、分離、物理吸附等。DON 毒素是一種極易溶于水的化合物，用水清洗可降低毒素含量。但在面粉大規(guī)模生產(chǎn)中，水洗方式并不容易實施，因此目前面粉企業(yè)幾乎很少使用水洗方式處理赤霉菌毒素。由于DON 在小麥中主要存在于癟麥、破損小麥及麥粒表層，因此很多面粉企業(yè)主要通過加強風選和比重分選、使用色選儀清除癟麥和碎麥、加強打麥強度剝離小麥表層等方法處理赤霉菌毒素。但越強化的處理，產(chǎn)生的廢料就越多，小麥產(chǎn)量的損失也就越多。此外，有研究發(fā)現(xiàn)某些類型的活性炭可吸附水溶液中的DON毒素，但活性炭是一種非特異性吸附材料，既能吸附DON 毒素，也能吸附其他營養(yǎng)成分，降低小麥的營養(yǎng)價值。雖然當前常見的物理方法都能取得一定的成效，但在實際使用中仍存在一些不足，因此生產(chǎn)中也經(jīng)常使用化學和生物方法減輕DON 毒素的污染。

3.3.2 化學方法

化學處理能通過改變毒素的分子結(jié)構(gòu)從而降低毒性，目前已測試出很多對赤霉菌毒素有減毒效果的化學試劑。例如，用堿處理DON 和NIV 毒素，可打開其C-12、C-13 的環(huán)氧基團或作用于C-15 基團，使樣品中的毒素被降解；碳酸鈉可降低小麥中DON毒素的濃度；臭氧可攻擊DON 的雙鍵，在C-9、C-10 位點的雙鍵處加兩個氧原子從而改變其結(jié)構(gòu)；用0.1 mol·L-1的氫氧化鈉溶液對DON 和NIV 毒素進行脫毒處理非常有效；利用亞硫酸氫鈉處理小麥粉，DON 毒素的濃度只有處理前樣品的5%。雖然化學方法在單端孢霉烯族化合物的減毒處理中有不錯的效果，但在實際的處理過程中使用化學方法處理毒素可能會產(chǎn)生其他的有毒代謝產(chǎn)物，并降低小麥的應(yīng)用價值。因此，合理使用物理和化學方法結(jié)合的方式比使用單一方式處理有更好的減毒效果。

3.3.3 生物方法

近20 年微生物用于真菌毒素的治理成為研究熱點，可降解真菌毒素的微生物相繼從各種材料中分離出來。微生物可將毒素酶促轉(zhuǎn)化為毒性較低的代謝產(chǎn)物，從而降解毒素。例如，一個從土壤中獲得的微生物混合菌群可將DON 轉(zhuǎn)化為3 種其他化合物，減弱對釀酒酵母的毒性[8]；從接種過鐮刀菌的小麥田里分離出5 個土壤生物樣本，這些樣本可將培養(yǎng)液中85%以上的DON 毒素轉(zhuǎn)化掉[9]；從魚的腸道中分離到的一株芽孢桿菌可在有氧環(huán)境下轉(zhuǎn)化豬飼料中的DON毒素[10]；從牛的瘤胃中分離到可將DON 去環(huán)氧化的微生物，DON 毒素去環(huán)氧化后的產(chǎn)物為DOM-1，其毒性僅為DON 的1/55[11]。迄今已發(fā)現(xiàn)40 多種微生物可將單端孢霉烯族化合物去環(huán)氧化，并從土壤中分離鑒定到多種可將DON 轉(zhuǎn)化掉的細菌[12]。因此，微生物的毒素降解酶不僅可應(yīng)用于食品原料處理中，也可作為食品和飼料添加劑消減農(nóng)產(chǎn)品中的毒素，降低人畜中毒的風險。

4 禾谷鐮刀菌的組學研究

2002 年，首個鐮刀菌——禾谷鐮刀菌全基因組測序完成。2006 年，研究者建立了基因組數(shù)據(jù)庫，對禾谷鐮刀菌基因組及注釋信息進行了修訂和補充。2015年，對禾谷鐮刀菌全基因組進行了鳥槍法測序和基因模型注釋，獲得了完整的全基因組序列及基因注釋。隨著禾谷鐮刀菌基因組測序及圖譜的完善以及組學技術(shù)的發(fā)展，人們對禾谷鐮刀菌基因功能、表達調(diào)控及作用網(wǎng)絡(luò)的了解更加深入。對禾谷鐮刀菌侵染、孢子發(fā)育、菌絲生長及有性時期進行轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析，可了解不同時期禾谷鐮刀菌基因轉(zhuǎn)錄表達的情況，更快更有效地從整體水平上闡明調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。HARRIS 等對禾谷鐮刀菌侵染小麥、大麥、玉米過程中的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)禾谷鐮刀菌在侵染小麥和大麥穗部的過程中，基因表達高度相似，但在侵染不同類型寄主時，基因表達存在差異性，充分展現(xiàn)了基因組在適應(yīng)不同寄主過程中的靈活性[13]。FREITAG 等通過轉(zhuǎn)錄組分析明確了RNAi 途徑影響禾谷鐮刀菌有性發(fā)育分子機制，并通過分析禾谷鐮刀菌中所有磷酸酶基因組數(shù)據(jù)，鑒定出82 個可能的磷酸酶基因，豐富了細胞內(nèi)去磷酸化的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[14]。2018 年，LEE 等在禾谷鐮刀菌中鑒定出了31 個可能的過氧化物酶基因，并解析了其在細胞內(nèi)分子調(diào)控及寄主互作過程中的重要功能[15]。

5 小麥抗赤霉病分子機制的組學研究

隨著生物技術(shù)的發(fā)展，利用組學解析小麥赤霉病的發(fā)病機理和抗赤霉病的分子機制已成為研究熱點。PEROCHON 等通過感赤霉病小麥在5 個籽粒發(fā)育階段的轉(zhuǎn)錄組動力學分析，發(fā)現(xiàn)536 個只受病原菌影響的基因，773 個與籽粒發(fā)育階段有關(guān)基因，涉及基礎(chǔ)代謝、基因程序性表達等分子途徑；利用蛋白組學分析受赤霉病菌侵染后小麥基因的響應(yīng)變化，發(fā)現(xiàn)有37個蛋白的表達發(fā)生了變化，發(fā)生變化的蛋白與茉莉酸、水楊酸和磷脂酸等信號分子介導的信號途徑有關(guān)[16]。隨著質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展，以質(zhì)譜技術(shù)為基礎(chǔ)的代謝組學研究在小麥赤霉病研究中逐漸增多。GUO 等分析了抗赤霉病小麥和感赤霉病小麥接種赤霉菌后的代謝組，發(fā)現(xiàn)了180 個能抑制體外赤霉病菌絲生長的抗病相關(guān)代謝產(chǎn)物[17]。2020 年，蘇培森分析了抗赤霉病小麥和感赤霉病小麥接種禾谷鐮刀菌后的代謝物質(zhì)，鑒定到220 種黃酮類次生代謝產(chǎn)物，在黃酮類代謝物質(zhì)合成途徑中，共發(fā)現(xiàn)了16 個與小麥抗赤霉病有關(guān)的基因[18]。

6 結(jié)語

小麥赤霉病是威脅我國小麥生產(chǎn)安全的主要病害之一。近年來，隨著氣候及小麥耕作制度的變化，我國小麥赤霉病的發(fā)生愈發(fā)嚴重，給我國小麥生產(chǎn)帶來巨大損失，解決小麥赤霉病刻不容緩。