实验室蔡磊研究团队的微生物组数据揭示中国稻谷产毒真菌分布及仓储动态变化

中国水稻主产区产毒真菌的分布

Distribution of mycotoxin-producing fungi across major rice production areas of China

Food Control [IF: 5.548]

DOI：https://doi.org/10.1016/j.foodcont.2021.108572

发表日期：2021-11-12

中国南北方高大平房仓稻谷中微生物群落的时空变化

Temporal and spatial variation of microbial communities in stored rice grains from two major depots in China

Food Research International [IF: 6.475]

DOI：https://doi.org/10.1016/j.foodres.2021.110876

发表日期：2021-11-09

第一作者：Zhihui Qi(祁智慧), Xin Zhou(周欣)

通讯作者：Lei Cai(蔡磊)(cail@im.ac.cn), Fang Tang(唐芳)(tf@ags.ac.cn)

主要单位：

1国家粮食与物资储备局科学研究院(Academy of National Food and Strategic Reserves Administration, Beijing, 100037, PR China)

2中国科学院微生物研究所真菌学国家重点实验室(State Key Laboratory of Mycology, Institute of Microbiology, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100101, PR China)

3中国科学院大学生命科学学院(College of Life Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100049, PR China)

4粮食储运国家工程实验室(National Engineering Laboratory of Grain Storage and Logistics, Beijing, 102209, PR China)

背景

据FAO统计，全球粮食受真菌毒素污染的比例高达25%，由真菌导致的粮食霉变和毒素污染已成为影响粮食安全的主要因素之一。我国每年因真菌毒素污染造成的粮食损失就达3100万吨，严重威胁粮食安全及人和动物健康。水稻是我国最重要的主粮作物，约65%的人口以大米为主食。稻谷微生物包括与宿主植物长期进化过程中形成的共生类群，以及表面的附生类群，在水稻的生长发育以及健康维持等方面发挥着重要作用。

正文

近期，国家粮食与物资储备局科学研究院唐芳研究团队联合中国科学院微生物研究所蔡磊研究团队在食品领域的著名期刊Food Control和Food Research International上发表了最新研究成果。通过调查中国水稻主产区10省份的稻谷微生物与毒素的多样性及分布，发现仓储前收获期稻谷中的微生物群落呈现显著地域分布特征，形成了东北、华中和华南三大特征类群，东北地区稻谷真菌多样性显著低于华中和华南地区（图1）。通过对产毒真菌类群分析，发现产黄曲霉毒素的真菌（如黄曲霉菌A. flavus和寄生曲霉A. parasiticus）以及产赭曲霉毒素的真菌（黑曲霉A. niger）是我国稻谷上主要的产毒真菌类群。这些产毒真菌在华中和华南样品中丰度较高，而在东北样品中较少。检测发现黄曲霉毒素的分布与产毒真菌分布结果高度一致，在华中和华南局部地区黄曲霉毒素检出率相对高，而东北地区大部分样品未有检出。进一步研究发现，冬季平均气温、年平均降雨量以及稻谷水分含量是影响产毒真菌多样性和分布主要因素。此外，通过黄曲霉毒素和菌群关联性分析还发现Clonostachys, Hannaella, Leptosphaerulina, Leptosphaeria, Phaeosphaeria, Sarocladium, Sphaerulina, Wallemia 和 Ustilaginoidea等类群的真菌可能具有潜在的抑制产毒菌或降解黄曲霉毒素的能力。

图1 稻谷样品分布、真菌多样性和群落结构差异

A. 中国水稻主产区新收获稻谷采样点；B. 不同地区水稻籽粒真菌多样性的ACE指数值；C. 基于曼哈顿距离差异的水稻真菌群落主坐标分析。从不同地区采集的样本以不同颜色显示：SE代表东南部(粉红色)；NE代表东北(绿色)；SW代表西南(青色)；D. 不同省份水稻真菌多样性ACE指数值。AH(安徽)、HB(湖北)、FJ(福建)、HLJ(黑龙江)、JL(吉林)、LN(辽宁)、CQ(重庆)、GX(广西)、SC(四川)。

为进一步揭示入库后微生物群落及产毒真菌的动态变化，选择了我国南北方各一个高大平房仓进行了三年仓储动态跟踪研究。通过对真菌营养模式分析发现，真菌群落呈现出显著的演替特征，在稻谷入库初期以Alternaria，Cladosporium，和Fusarium等植物病原菌的相对丰度最高。随着仓储时间的增加，植物病原菌逐渐被Aspergillus和Penicillium等耐旱型腐生菌所替代。仓储时间是影响稻谷微生物群落结构主要因素，微生物多样性随着仓储时间增加而降低，曲霉属真菌的相对丰度随仓储时间增加而显著增加。此外，仓储温度和稻谷水分含量是影响仓储稻谷微生物群落结构的重要因素。粮堆不同深度温度差异使其微生物群落也显著不同，其中曲霉属真菌的丰度呈现出表层＞中层＞下层的分布特点。

图 2 南北方粮库示意图

A,B,D,E. 辽宁(A,B)和重庆(D,E)储粮状态检测系统和储粮采样点的粮仓及温度传感器分布；C,F 辽宁(C)和重庆(F)大型仓库不同粮层的温度变化。

A,B. 不同地区不同贮藏时期稻谷细菌群落(A)和真菌群落(B)的丰富度指数值。CQN、LNN(重庆和辽宁仓库收获后的样品)；CQ1、LN1(样品在重庆和辽宁仓库存放一年)；CQ2、LN2(样品在重庆和辽宁仓库存放两年)；

C. 不同储存年份和不同谷物层的细菌群落的香农多样性指数变化；

D. 真菌群落在不同储存年限和不同层次上的香农多样性指数值变化；

E. 基于曼哈顿距离差异的水稻籽粒细菌群落主坐标分析(PCoA)；

F. 基于曼哈顿距离差异的稻谷真菌群落主坐标分析(PCoA)。从不同地区采集的组以不同的颜色显示，其中重庆样本为粉红色圆圈，辽宁样本为蓝色圆圈。

G. 基于与FUNGuild数据库的比较，水稻籽粒真菌群落中分配给真菌类群的营养模式和群落的相对丰度。

以上工作从总体上拓展了对稻谷微生物多样性的认识，揭示了中国水稻主产区的稻谷从田间收获到仓储环节的微生物群落组成及动态变化，揭示了产毒真菌的地理分布特征、以及随仓储过程的动态变化，提出了抑制黄曲霉毒素发生的生物和非生物防治的建议，为稻谷从收获到储藏环节的真菌毒素污染预警与精准防控提供了基础理论和数据支撑，也为从源头遏制黄曲霉毒素的产生提供了新思路。国家粮食与物资储备局科学研究院助理研究员祁智慧和中科院微生物所助理研究员周欣为该论文的共同第一作者。该研究受到国家重点研发计划（2016YFD0401003-2和2019YFC1605303-02）和中国科学院战略生物资源（KFJ-BRP-009）项目资助。相关文章链接：(1)https://doi.org/10.1016/j.foodcont.2021.108572 和(2)https://doi.org/10.1016/j.foodres.2021.110876

Reference

Zhihui Qi,Xin Zhou,Lin Tian,Haiyang Zhang,Lei Cai,Fang Tang.Distribution of mycotoxin-producing fungi across major rice production areas of China. Food Control 134 (2022) 108572. https://doi.org/10.1016/j.foodcont.2021.108572

Zhihui Qi,Xin Zhou,Lin Tian,Haiyang Zhang,Lei Cai,Fang Tang.Distribution of mycotoxin-producing fungi across major rice production areas of China. Food Research International 152 (2022) 110876. https://doi.org/10.1016/j.foodres.2021.110876