枸杞,别名枸杞果、白疙针、旁米布如,属茄目茄科枸杞属(Lycium),是宁夏、甘肃、内蒙古、新疆、青海等干旱、半干旱地区广泛种植的一种沙生药用植物,具有极强的耐旱、耐盐碱和耐贫瘠性[1]。因含枸杞多糖、类胡萝卜素、黄酮、微量元素等物质,宁夏枸杞是被载入新中国药典的枸杞品种,中国国家地理标志产品[2]。
枸杞鲜果采摘后,通过自然晾晒或烘干后制成干品。加工过程和(或)储藏方式不当,干果易发霉变质(见图1),造成巨大的经济损失。目前对于宁夏枸杞真菌污染现状的研究鲜有报道,同时 GB/T 18672-2014枸杞国家标准[3]和DBS 64001-2017枸杞地方标准[4]都未对枸杞中的真菌含量有所限制,枸杞干果加工拣选阶段虽然会将肉眼可见霉变干果剔除,但残留真菌可能会造成二次污染,因此,枸杞的真菌污染是一个不可忽视的问题。
目前发现的产毒真菌主要有曲霉属(Aspergillus spp.),镰刀菌属(Fusarium spp.)和青霉属(Penicillium spp.)[5]。真菌对食品的危害主要体现在真菌毒素污染,真菌毒素是真菌在其代谢过程中产生的次级代谢产物,对人、动物或植物有毒害作用,能在低浓度时干扰生物正常生理功能[6],高浓度情况下会造成不可逆损伤,甚至致死。常见的真菌毒素可分为曲霉菌毒素,如黄曲霉毒素(Aflatoxins,AF)、赭曲霉毒素 A(Ochratoxin A,OTA)等;青霉菌毒素,如展青霉素(Patulin,PAT)、桔青霉素(Citrinin,CIT)等;镰刀菌毒素,如脱氧雪腐镰刀菌烯醇(Deoxynivalenol,DON)、玉米赤霉烯酮(Zearalenone,ZEN)等及其他(如孢子毒等)几大类[7]。人畜食用后不仅会导致肝毒、肾毒、神经毒等急慢性中毒,部分还具有致畸、致癌和致突变作用,威胁人类的食品安全和健康。基于以上原因,本文对宁夏枸杞干果所携带的真菌进行分子鉴定,并进行相关的系统发生分析,了解污染枸杞的主要真菌类型,有效提升生产、储存、加工等环节预防管控能力和效率,为进一步减少枸杞干果霉变,降低经济损失,提高宁夏枸杞的质量提供理论依据,并对今后相关法律、法规的制定提供数据支持。
图1 发霉变质的枸杞
Fig.1 Rotten Lycium barbarum
注:箭头标注的为发霉部位。
供试枸杞采集、保存与运输:宁夏回族自治区某市某村 1(XRLC)、宁夏回族自治区某市某村 2(LKZYC)、宁夏回族自治区某市某村 3(LKZC)、宁夏回族自治区某市某村 4(HLC)和宁夏回族自治区某市某村 5(TDC)等五个不同村落,采集方式为入村采集,每个村落采集500 g~1000 g霉变干果,分装于2~3个无菌采样袋中,密封。常温运输至实验室。避免运输过程中的二次污染。采集时间见表1。
表1 枸杞采样时间
Table 1 Lycium barbarum sampling time
采样地点 采样时间宁夏回族自治区某市某村1(XRLC) 2018.10.23宁夏回族自治区某市某村2(LKZYC) 2018.11.18宁夏回族自治区某市某村3(LKZC) 2018.11.18宁夏回族自治区某市某村4(HLC) 2018.11.18宁夏回族自治区某市某村5(TDC) 2019.01.06
马铃薯葡萄糖琼脂(Potato dextrose agar,PDA)培养基,北京陆桥技术有限责任公司;0.85%生理盐水,基因组DNA提取试剂盒(Qiagen,货号51306)、PCR Mix (2×),Takara。
引物探针由生工生物工程(上海)股份有限公司合成。
PCR 扩增仪,德国 Sensoquest(型号LbaCylerStandarPlus);UVP凝胶成像系统,美国BIO-RAD公司(型号Gel Doc XR)。
方法一用接种针挑取霉变的枸杞果实,直接接种PDA培养基。方法二取25 g枸杞果实于均质袋中,加入225 mL0.85%无菌生理盐水均质,吸取100 μL稀释液加入PDA平板,涂布,25 ℃培养。用两种分离纯化方法培养当菌落直径达到1 cm左右时,用接种针挑取不同菌丝分别植入新的PDA平皿内,继续培养。重复上述操作2~3次直至分离出单一菌落。
分别挑取单一菌落,用珠磨法处理真菌后再用QIAamp DNA Mini Kit(Qiagen)试剂盒提取基因组DNA:将菌落加入600 μL混有玻璃珠的裂解液中,球磨仪以频率30 Hz工作15 min进行真菌物理破壁,随后按照 Qiagen提取试剂盒的操作说明提取真菌DNA。
分别利用真菌rDNA-ITS通用引物ITS1(5’-TCCG TAGGTGAACCTGCGG-3’)、ITS4 (5’-TCCTCCGCT TATTGATATGC-3’)[8]和 LSU 引物 LROR(5′-ACCCGC TGAACTTAAGC-3′)、 LR5 ( 5′-TC CTGAGGGAA ACTTCG-3′)[9]进行扩增。PCR 反应体系为(30 μL):PCR Mix(2×)15 μL,引物(10 μmol/L)各 0.9 μL,模板 DNA(100 mg/L)2 μL,ddH2O 11.2 μL。ITS 序列 PCR反应条件为:95 ℃预变性5 min;95 ℃变性30 s,55 ℃退火30 s,72 ℃延伸40 s,34个循环;72 ℃终延伸10 min。ISU序列PCR反应条件为:95 ℃预变性5 min;95 ℃变性30 s,52 ℃退火30 s,72 ℃延伸40 s,34个循环;72 ℃终延伸10 min。PCR扩增产物于1.5%琼脂糖凝胶电泳检测,并送至生工生物工程(上海)股份有限公司进行测序。
分别采用真菌rDNA-ITS序列通用引物和ISU序列对腐烂枸杞干果中的真菌进行鉴定。将获得的PCR产物测序后,经过BLAST比对,选取相似性最高的菌种 rDNA-ITS序列,采用最大似然法(Miximum-Likelihood)构建系统发育树,以ISU序列的结果进行验证。
从五个地区的样品中共分离纯化出 45株真菌,PCR扩增产物测序后经BLAST比对,结果见表2。其中28株为链格孢属(Alternaria spp.),5株为镰刀菌属(Fusarium spp.),3株为立枯丝核菌(Rhizoctonia solani),3株为木霉属(Trichoderma longibrachiatum),1株为 Filobasidium magnum,1株为产黄青霉菌(Penicillium chrysogenum),1株为穗状弯孢霉菌(Curvularia spicifera),1株为毛霉菌属(Mucor fragilis),1株为黑曲霉菌(Aspergillus niger),1株为粘质红酵母菌(Rhodotorula mucilaginosa)(Genbank号见表3)。具体菌株形态见图2,每个属取一种真菌做代表。
图2 菌株形态
Fig.2 Morphology of strain
注:a:Altemaria属;b:Aspengilus属;c:Curvularia属;d:Filobasidium属;e:Fusarium 属;f:Mucor属;g:Penicillium属;h:Rhizochonia属;i:Rhodotorula属;j:Trichoderma属。
表2 各地区真菌种类数量
Table 2 The number of fungal species in each region
f u n g a l s p e c i e s A l t e r n a r i a s p F u s a r i u m s p F i l o b a s i d i u m m a g n u m T r i c h o d e r m a l o n g i b r a c h i a t u m R h i z o c t o n i a s o l a n i X R L C 211 L K Z Y C 61 1 L K Z C 5 3 H L C 4
T D C 113 2 T o t a l 285133 f u n g a l s p e c i e s P e n i c i l l i u m c h r y s o g e n u m C u r v u l a r i a s p i c i f e r a M u c o r f r a g i l i s A s p e r g i l l u s n i g e r R h o d o t o r u l a m u c i l a g i n o s a X R L C L K Z Y C 1 L K Z C 1 H L C T D C 1 11 T o t a l 11111
表3 新序列Genbank号
Table 3 New sequence Genbank
菌株编号 种属 G e n b a n k号I T S L S U C D C F 2510 A l t e r n a r i a a l t e r n a t a A l t e r n a r i a a l t e r n a t a M K 649953 C D C F 2512 A l t e r n a r i a a l t e r n a t a A l t e r n a r i a a l t e r n a t a M K 649954 C D C F 2514 F u s a r i u m i n c a r n a t u m F u s a r i u m i n c a r n a t u m M K 649947 C D C F 2522 T r i c h o d e r m a l o n g i b r a c h i a t u m T r i c h o d e r m a l o n g i b r a c h i a t u m M K 645994 C D C F 2524 M u c o r f r a g i l i s M u c o r s p p. M K 646007 C D C F 2526 A l t e r n a r i a a l t e r n a t a A l t e r n a r i a s p p. M K 649955 C D C F 2528 A l t e r n a r i a a l t e r n a t a A l t e r n a r i a a l t e r n a t a M K 649956 C D C F 2530 A l t e r n a r i a a l t e r n a t a A l t e r n a r i a a l t e r n a t a M K 649958 C D C F 2534 A l t e r n a r i a a l t e r n a t a A l t e r n a r i a a l t e r n a t a M K 649959 C D C F 2536 A l t e r n a r i a a l t e r n a t a A l t e r n a r i a a l t e r n a t a M K 649960 C D C F 2540 A l t e r n a r i a a l t e r n a t a A l t e r n a r i a a l t e r n a t a M K 649961 C D C F 2542 A l t e r n a r i a a l t e r n a t a A l t e r n a r i a a l t e r n a t a M K 649962 C D C F 2544 C u r v u l a r i a s p i c i f e r a C u r v u l a r i a s p i c i f e r a M K 646022 C D C F 2546 A l t e r n a r i a a l t e r n a t a A l t e r n a r i a a l t e r n a t a M K 649963 C D C F 2548 A l t e r n a r i a a l t e r n a t a A l t e r n a r i a a l t e r n a t a M K 649964 C D C F 2550 A l t e r n a r i a c o n s o r t i a l i s A l t e r n a r i a s p p. M K 649965 C D C F 2552 A l t e r n a r i a s p p. A l t e r n a r i a s p p. M K 649967 C D C F 2554 A l t e r n a r i a c o n s o r t i a l i s A l t e r n a r i a c o n s o r t i a l i s M K 649968 C D C F 2558 F i l o b a s i d i u m m a g n u m F i l o b a s i d i u m m a g n u m M K 646033 C D C F 2560 R h i z o c t o n i a s o l a n i R h i z o c t o n i a s o l a n i M K 646025 C D C F 2562 R h i z o c t o n i a s o l a n i R h i z o c t o n i a s o l a n i M K 646026 C D C F 2564 A l t e r n a r i a a l t e r n a t a A l t e r n a r i a a l t e r n a t a M K 649969 C D C F 2566 R h i z o c t o n i a s o l a n i R h i z o c t o n i a s o l a n i M K 646027 C D C F 2814 A l t e r n a r i a b r a s s i c a e A l t e r n a r i a a l t e r n a t a M K 649970 C D C F 2816 A l t e r n a r i a b r a s s i c a e A l t e r n a r i a a l t e r n a t a M K 649971 C D C F 2818 A l t e r n a r i a a l t e r n a t a A l t e r n a r i a a l t e r n a t a M K 649972 C D C F 2820 A l t e r n a r i a b r a s s i c a e A l t e r n a r i a a l t e r n a t a M K 649973 C D C F 2822 A l t e r n a r i a b r a s s i c a e A l t e r n a r i a a l t e r n a t a M K 649974 C D C F 2826 A s p e r g i l l u s n i g e r A s p e r g i l l u s n i g e r M K 646029
CDCF2830 Alternaria brassicae Alternaria brassicae MK649975 CDCF2834 Alternaria compacta Alternaria alternata MK649976 CDCF2838 Alternaria tenuissima Alternaria alternata MK649977 CDCF2840 Alternaria spp. Alternaria alternata MK649978 CDCF2842 Trichoderma longibrachiatum Trichoderma aethiopicum MK645995 CDCF2848 Rhodotorula mucilaginosa Rhodotorula mucilaginosa MK646042 CDCF2856 Trichoderma longibrachiatum Trichoderma aethiopicum MK645996 CDCF2870 Fusarium spp. Fusarium incarnatum MK649949 CDCF2872 Alternaria alternata Alternaria alternata MK649979 CDCF2874 Fusarium spp. Fusarium incarnatum MK649950 CDCF2876 Alternaria tenuissima Alternaria alternata MK649980 CDCF2880 Fusarium equiseti Fusarium equiseti MK649951 CDCF2884 Alternaria alternata Alternaria alternata MK649981 CDCF2886 Alternaria compacta Alternaria alternata MK649982 CDCF2888 Alternaria tenuissima Alternaria alternata MK649983 CDCF2890 Penicillium chrysogenum Penicillium chrysogenum MK646040
图3为采用最大似然法构建的系统发育树。图3a中有 24株真菌与 Alternaria alternata的亲缘关系最近,4株真菌与Alternaria consortialis的亲缘关系最近,将这28株真菌鉴定为链格孢属(Alternaria spp.)。图3b中菌株CDCF2826与Aspergillus niger亲缘关系最近,鉴定为黑曲霉菌(Aspergillus niger)。图3c中菌株CDCF2544与Curvularia spicifera亲缘关系最近,鉴定为穗状弯孢霉菌(Curvularia spicifera)。图3d中菌株CDCF2558与Filobasidium magnum亲缘关系最近,鉴定为Filobasidium magnum。图3e中菌株4株真菌菌株与 Fusarium incarnatum亲缘关系最近,CDCF25-23与Fusarium concentricum亲缘关系最近,将这五株菌鉴定为镰刀菌属(Fusarium spp.)。图 3f中菌株CDCF2524与Mucor fragilis亲缘关系最近,鉴定为毛霉菌(Mucor fragilis)。图3g中菌株CDCF2890与Penicillium chrysogenum亲缘关系最近,鉴定为产黄青霉菌(Penicillium chrysogenum)。图3h中有三株真菌与Rhizoctonia solani亲缘关系最近,鉴定为立枯丝核菌(Rhizoctonia solani)。图3i中菌株CDCF2848与Rhodotorula mucilaginosa亲缘关系最近,鉴定为粘质红酵母菌(Rhodotorula mucilaginosa)。图3j中有三株真菌与Trichoderma longibrachiatum亲缘关系最近,将这三株鉴定为木霉属(Trichoderma longibrachia tum)。
图3 真菌菌株的系统进化分析
Fig.3 Phylogenetic analysis of fungal strains
注:字体加粗部分为本研究鉴定的菌株;a:Altemaria属;b:Aspengilus属;c:Curvularia属;d:Filobasidium属;e:Fusarium 属;f:Mucor属;g:Penicillium属;h:Rhizochonia属;i:Rhodotorula属;j:Trichoderma属。
本研究基于rDNA的ITS,LSU2个序列对宁夏枸杞携带的真菌进行分子鉴定。ITS和LSU序列常用来进行真菌鉴定,ITS称为内转录间隔区,是真菌rRNA基因非转录区的一部分[10]。ITS的真菌鉴定序列包括ITS1,5.8S和ITS2区。由于ITS序列在关系密切的物种间的长度变化不大,而且序列在进化过程中速率较快,因此,ITS序列经常用在属及属下水平做关于分类鉴定和系统发育研究[11]。LSU核糖体大亚基为核糖体大亚基序列,是位于28S的RNA序列。nLSU编码核糖体大亚基广泛用于真菌属以下组分之间和高级分类成员间关系的研究[12]。表3中显示个别菌株用ITS和 LSU序列分析会在属的水平上得到不同的分类结果,Schoch等[13]以多种真菌为对象对比了ITS、LSU和SSU在真菌分类中的区分效果,结果证明ITS比其他基因片段有着更好的区分效果,可以将不同真菌进行准确分类。因此本研究选择ITS序列的测序结果进行分类,采用最大似然法构建系统发育树,用ISU序列对ITS的分类结果进行验证。这样利用多基因分析及分子标记相结合的方法对供试菌株的遗传关系进行研究,通过相互验证能够得到更为可靠的结论[14]。
枸杞是宁夏的特色优势产业,近三十年间,宁夏枸杞子产量从3000 t增长至20多万 t[15],种植面积也逐年扩大,但由于枸杞黑果病等病虫害的原因及晾晒、储运方式不当,导致枸杞霉变,给种植户造成较大经济损失,形成了增产不增收的怪现象。从表2结果中可知,从宁夏五个村庄采集的样品中共分离纯化出45株真菌,其中28株为链格孢属(Alternaria spp.),说明链格孢属是宁夏枸杞所携带真菌的优势菌株,这与祁鹤兴[16]等人的研究结果一致。5株镰刀菌属(Fusarium spp.)真菌主要从1、2、5号村庄的样品中分离出。3株立枯丝核菌(Rhizoctonia solani)均来自3号村庄,3株木霉属(Trichoderma longibrachiatum)真菌从2、5号村庄的样品中分离出。这些差异可能与不同村庄的生态环境有一定的关系。
链格孢霉属(Alternaria spp.)又称黑霉菌,是一种常见半知菌类真菌,种类繁多,是引起各类果实采后发病的主要致病菌之一,如黑果病、褐斑病等[17],其中黑果病是许多果实采后贮藏期间的典型病害。该真菌寄主范围广,95%以上的种能兼性寄生于植物上,是许多有毒次生代谢物的生产者,其中最突出的是聚乙烯醇衍生的交联苯醚(AOH)及其衍生物交联苯醚(AME)[18],可引起多种植物尤其是农作物和经济作物发生病害并造成经济损失[19],有些链格孢菌甚至侵染人体和动物。链格孢属真菌可产生70多种有毒代谢产物-链格孢毒素,这些毒素不仅是植物的主要致病因子[20],而且人和动物摄入被链格孢毒素污染的食品和饲料后还可导致急性或慢性中毒,某些链格孢毒素还有致畸、致癌、致突变的作用[21]。由于气候变化,黑斑病的发病率在世界范围内呈上升趋势[22]。在能引起黑斑病的真菌属中,链格孢霉属是优势属之一,常与霉菌毒素污染有关,因此正确的识别是预防和控制该病的基础。
镰刀菌属(Fusarium spp.)又称镰孢霉属,是真菌中较大的一个属,广泛分布于自然界中,在多种寄主中可引起叶片萎蔫、发育不良和发黄。镰刀菌属真菌产生的最重要的真菌毒素是毛霉菌和伏马菌素。伏马菌素可导致致命的牲畜疾病,被认为是人类潜在的致癌真菌毒素[23]。此外,有些镰刀菌能产生植物刺激素(赤霉素),导致农作物严重的减产,从而造成重大的经济损失,有些镰刀菌可以产生真菌毒素-镰刀菌素,对人和动物有强烈的毒性,人畜食用后会造成食物中毒甚至死亡;有些菌株可直接侵染人和动物,造成严重的疾病[24]。
黑曲霉(Aspergillus niger)是曲霉属真菌中的一个常见种,广泛分布于世界各地的粮食、植物性产品和土壤中。在高温、高湿环境下,黑曲霉容易大量生长繁殖产酶生热,能引致水分较高的粮食霉变,或生于多汁的果实上,引起腐烂或软腐。
产黄青霉菌(Penicillium chrysogenum)是青霉属的真菌,广泛分布于土壤、空气及腐败的有机材料等基物,产生青霉素、多种酶类及有机酸,可引起食物、谷物和果蔬的霉腐变质,有的可产生致癌性的真菌毒素。
真菌毒素属于生物毒素中的一种,也是食品安全领域重点防治的对象。真菌毒素是由产毒真菌在适宜的环境条件下产生的有毒代谢产物,其危害作用主要表现在对免疫系统的破坏以及强烈抑制免疫应答反应[6]。由于产毒真菌多为腐败菌,极易在农产品的生产、运输、加工、储藏和销售等过程中污染农产品,但以现有的生产力条件,尚无法完全杜绝真菌毒素进入人类食物链[25],只能采取有效的防控措施降低真菌毒素污染的可能性。本研究采集样品的时间距离鲜果成熟已有4~7个月,仍然从干果中分离出产毒真菌,加之近些年物流产业发展迅速,可食用的枸杞干果从宁夏等气候干燥地区运输到炎热潮湿的地区,有可能发生二次霉变的情况。因此通过建立标准化生产体系和科学的监管体系,确保原料质量的安全,并依据食品消费的风险机制,严格制定真菌毒素的限量标准,从源头和监管环节控制真菌毒素。
导致宁夏枸杞干果霉变的真菌中,至少四种真菌能够产生真菌毒素,分别是:链格孢霉属(Alternaria spp.)、镰刀菌属(Fusarium spp.)、黑曲霉(Aspergillus niger)、产黄青霉菌。这些真菌毒素会造成食品安全问题,因此需要加强相关法律法规,对宁夏枸杞中的真菌种类和数量进行限制,完善枸杞的食品安全问题。
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Molecular Identification of Fungi Carried by Lycium barbarum from Ningxia