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酵母菌Lachancea thermotolerans  在控制寄生曲霉、疣状青霉和禾谷镰刀菌及其毒素中的应用

来源:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6024770/发布时间:2021-11-19

真菌毒素预警和防控

 

酵母菌 Lachancea thermotolerans 

在控制寄生曲霉、疣状青霉和禾谷镰刀菌及其毒素中的应用

Application of Low-Fermenting Yeast Lachancea thermotolerans for the Control of Toxigenic Fungi Aspergillus parasiticusPenicillium verrucosum and Fusarium graminearum and Their Mycotoxins

摘要:真菌毒素是食品和饲料中的重要污染物。在本研究中,酵母菌Lachancea Thermoretolerans及其衍生物被应用于防控产毒真菌及其真菌毒素。真菌寄生曲霉、疣状青霉和禾谷镰刀菌及其真菌毒素分别暴露于酵母挥发性有机化合物(VOCs)和细胞中。挥发性有机化合物显著降低了真菌生长(高达48%)和孢子形成和真菌毒素合成(高达96%)。非常有趣的是,即使低至7个酵母群落降低酵母营养素浓度不会影响对真菌生长的抑制,但会降低脱氧雪腐镰刀菌烯醇(DON)的合成。此外,灭活酵母细胞能够去除高达82%的赭曲霉毒素A(OTA)。

       本研究探索了VOCs保护接种尖孢镰刀菌的番茄的潜力,结果表明,在存在VOCs的情况下,在接种的番茄表面没有观察到尖孢镰刀菌生长,在没有VOCs的情况下,在接种的番茄表面尖孢镰刀菌感染率高达番茄表面积的76%。这些结果表明,酵母及其衍生物在农业和食品工业中的应用可能被认为是一种非常有前途和安全的食品污染生物控制方法。

关键词:食品安全;真菌毒素;生物防治;酵母;去污;西红柿

结果与讨论:

1.酵母VOCs对产毒真菌的生物防治活性

       在暴露于酵母VOCs的第3、5和7天,真菌寄生曲霉的菌落直径为13.5mm、29mm、45mm;与对照组(未暴露于VOCs)中的18mm、34mm和48mm相比,分别减少了25%、15%和6%。疣孢青霉的菌落直径在暴露与未暴露相比分别减少32%、37.91%、43.72%。禾谷镰刀菌的菌落直径暴露与未暴露相比,分别减少46%、31%、23%。这些结果表明,增加酵母的VOCs暴露持续时间可以降低酵母的挥发性有机物含量。寄生导致真菌生长抑制的严重程度降低,这可能是由于真菌本身存在耐受现象。

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图1  酵母挥发性有机物对真菌寄生曲霉(A-C)、禾谷镰刀菌(D-F)和疣孢青霉(G-I)的生防活性及菌落形态
不接触酵母挥发性有机物(A、D、G)、暴露于100个酵母CFUs中的挥发性有机化合物(B、E、H)、暴露于200个酵母CFUs中的挥发性有机化合物(C、F、I)

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图2  与对照组相比,真菌寄生曲霉、疣孢青霉和禾谷镰刀菌在暴露于酵母挥发性有机物的第3、5和7天,真菌生长抑制以菌落大小减少(%)衡量

2. 酵母VOCs对真菌毒素合成的影响

       如图3,暴露于酵母VOCs导致寄生曲霉产生的黄曲霉毒素(AFs)合成显著减少。与未暴露的真菌相比,AFs合成总体减少82%;与未暴露的真菌孢子菌落相比,AFs合成也降低96%。表明酵母VOCs对单孢子真菌质量有影响。禾谷镰刀菌暴露于酵母VOCs与未暴露相比DON的合成总体降低了93%;表明酿酒酵母不仅抑制产毒因子的生长,也导致了DON合成的减少。

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图3  酵母VOCs对产毒寄生曲霉和禾谷镰刀菌合成真菌毒素的抑制作用
(A)真菌寄生曲霉暴露于挥发性有机物和未暴露于挥发性有机物之间的黄曲霉毒素合成的比较;
(B)禾谷镰刀菌暴露与未暴露的酵母VOCs之间DON合成的比较。

3. 酵母CFU数量对真菌生长和真菌毒素合成的影响

    如图4,随着酵母VOCs增加到247,真菌菌落直径逐渐减小。从250开始增加酵母CFU的数量,导致真菌菌落直径增加。随着酵母CFU的增加,DON合成逐渐减少,201至398个酵母CFU产生的挥发性有机物导致产毒禾谷镰刀菌完全抑制DON合成。因此,酵母VOCs会抑制霉菌的生长和毒素的合成。

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图4  随着酵母CFU数量增加,禾谷镰刀菌菌落大小和DON合成的动力学
(A) 真菌菌落大小在暴露于从7到250个酵母CFU释放的酵母VOCs后呈下降趋势,之后这种影响被逆转;
(B) 暴露于7至250个酵母CFU中释放的酵母VOCs后,真菌的真菌毒素合成呈下降趋势,之后效果被逆转。

4.营养物质对酵母拮抗禾谷镰刀菌活性的影响

       三种浓度的酵母提取物蛋白胨琼脂(YPDA);用1×、0.5×和0.1×接种酵母细胞。当酵母VOCs浓度为1×YPDA和0.5×YPDA时,禾谷镰刀菌菌落直径显著减小,而酵母浓度为0.1×YPDA时,菌落直径变化则相反。然而,发现拮抗酵母的营养素可用性与产毒真菌的DON合成呈反比关系(表1)。

表1  营养物质对酵母拮抗活性的影响

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5. 与酵母细胞壁(YCW)结合的真菌毒素     
       在缓冲溶液中加入已被不同程度OTA污染的活性或灭活酵母细胞,可显著去除溶液中的毒素。在初始污染水平为0.9µg/kg时,活性酵母细胞能够在pH为5和pH为7的缓冲溶液上清液中分别将OTA降低63%和67%。OTA含量的差异(从上清液中去除并在颗粒中发现的那些)
可能是由活性酵母或其酶降解毒素引起的。通过探索某些真菌毒素和酵母细胞壁成分之间的相互作用,发现存在弱氢和范德华键,使得相互作用更“吸附”而不是“结合”。OTA和YCW的相互作用包括极性和非极性(YCW的疏水氨基酸和OTA的芳香环)结合,随后水在溶剂中重排。

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图5  活性和灭活酵母细胞对OTA的吸附
(A) 从缓冲溶液上清液中去除的OTA百分比;(B) 颗粒中检测到的OTA百分比。

6. 酵母挥发性有机化合物抑制尖孢镰刀菌对番茄的影响
       在番茄表面接种尖孢镰刀菌表现出真菌感染,并扩散到更广的表面区域(图6)。另一方面,番茄表面接种真菌孢子并暴露于酵母VOCs的番茄在实验结束前(接种后第34天)
显示完全没有感染。这些发现证明,酵母挥发性有机化合物能够完全抑制真菌的生长和萌发,并在较长时间内保护蔬菜(番茄)免受真菌感染。

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图6  酵母挥发性有机物对番茄尖孢镰刀菌侵染的体外生防作用
(A) 番茄表面接种尖孢镰刀菌并暴露于酵母VOCs,从带有活酵母细胞的带条接种60mm皮氏培养皿中获得;(B) 番茄接种尖孢镰刀菌,但不接触酵母挥发性有机化合物。在26°C下培养34天后的番茄;(C) 在酵母VOCs存在下培养的番茄没有真菌生长;(D) 在没有挥发性有机化合物的情况下培养的番茄表面有大量真菌生长。

总结:
       本研究测试了酵母菌Lachancea thermotolerans 
对三种不同属真菌的生防活性,与对照相比,拮抗酵母产生的挥发性有机物抑制了所有三种真菌的生长和产孢。酵母VOCs显著降低了寄生曲霉的AF合成和禾谷镰刀菌的DON合成。酵母VOCs对禾谷镰刀菌生长和DON合成的影响可从低至7个酵母CFU处观察到,并在高达~200 CFU时显示出直接关系,然后在固定相(~450 CFU)后,这种影响被逆转。
       降低营养素的有效性(通过使用不同的培养基稀释液进行监测)对产毒禾谷镰刀菌的生长没有显著影响;然而,DON合成显著减少。活酵母细胞和灭活酵母细胞分别能够从缓冲液中去除71%和82%的OTA。使用人工接种尖孢镰刀菌孢子并
暴露于酵母VOCs的番茄培养34天,显示完全没有感染,证明酵母VOCs可以完全抑制尖孢镰刀菌孢子的生长;而对照组不接触酵母细胞,根据番茄表面可见的菌丝体质量评分的感染率平均为76%。

       因此,可以假设,酵母菌Lachancea thermotolerans作为一种生物防治剂、去污剂和防腐剂,对重要的产毒真菌及其真菌毒素具有强大的应用潜力。


Zeidan R, Ul-Hassan Z, Al-Thani R, etc. Application of Low-Fermenting Yeast Lachancea thermotolerans for the Control of Toxigenic Fungi Aspergillus parasiticusPenicillium verrucosum and Fusarium graminearum and their Mycotoxins. Toxins. 2018,06,14; 10(6):242. doi: 10.3390/toxins10060242. PMID: 29904020; PMCID: PMC6024770.

全文链接:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6024770/       


 

文稿:郭文玉      编辑:上官国莲      审核:马艳玲