《International Journal of Food Microbiology》：Biennial survey of freshly harvested maize grain mycobiota in northeastern Spain: identification, incidence, and interaction patterns
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气候变化正重塑玉米真菌群落，带来新的食品安全与作物生产力风险。为应对此问题，研究人员对2023–2024年西班牙东北部新收玉米籽粒的真菌区系进行了两年期调查，明确了主要真菌类群、发病率及相互作用模式，并评估了籽粒类型的影响。研究发现，天气变化显著改变了真菌优势格局，干旱年份镰刀菌属（Fusarium）与曲霉属（Aspergillus）共占主导，而湿润年份曲霉属锐减，镰刀菌属优势加强，且爆裂玉米对曲霉属感染更敏感。这些结果揭示了气候多变性与籽粒性状如何重塑玉米真菌区系，对保障未来粮食安全和作物生产具有重要指导意义。
在全球气候变化的浪潮下，我们的农业生产正面临前所未有的挑战。全球气温与气候模式的显著变化，不仅直接冲击着主要农作物的产量，更在微观层面悄然重塑着与作物息息相关的微生物世界，其中就包括那些潜伏在谷物中的真菌。玉米作为全球第二大栽培谷物，其产量约占全球谷物总产量的27%，但它从播种到收获乃至储存的全生命周期都极易受到霉菌侵染。这些真菌不仅会导致穗腐病、降低产量和籽粒品质，更严峻的是，其中某些菌属能够产生真菌毒素，对食品和饲料安全构成严重威胁。在欧洲，传统的玉米真菌区系研究显示，玉米主要被镰刀菌属（Fusarium）定殖，其中轮枝镰刀菌（Fusarium verticillioides）是优势种。而曲霉属（Aspergillus）历史上被认为是欧洲玉米中的次要污染物。然而，随着夏季变得愈加炎热干燥，近年来在法国和意大利的研究表明，曲霉属已成为玉米的主要定殖者。这表明，气候变化正在重塑玉米中的真菌种群——炎热干燥的条件有利于嗜干真菌，而不规则的降雨和强风暴则可能促进喜湿真菌的滋生。气候的不稳定性还可能加剧真菌间的竞争或共存，这不仅影响发病率，更关乎食品安全与作物收成。然而，在西班牙，针对当前气候情景下玉米真菌区系的研究仍然稀缺。因此，明确气候多变性和籽粒性状如何影响玉米真菌群落，对于在气候变化背景下保障食品安全和作物生产力至关重要。
为了解决上述问题，西班牙莱里达大学应用真菌学单位的研究团队在《International Journal of Food Microbiology》上发表了一项研究。他们连续两年（2023年和2024年）在西班牙东北部（韦斯卡省和莱里达省）的91块田地收集了玉米籽粒样本，样本涵盖了25个不同品种，并根据胚乳特征和淀粉/糖组成分为三大籽粒类型：马齿型玉米（44份）、粉质玉米（21份）和爆裂玉米（26份）。研究人员从两个西班牙政府气象数据库获取了相应年份的生长季气象数据。在实验方法上，他们首先对籽粒进行表面消毒，然后分别在孔雀绿琼脂（MG agar）和Dichloran Rose Bengal Chloramphenicol琼脂（DRBC agar）上培养，以进行霉菌的形态学分类和分离。随后，对观察到的两个主要属——镰刀菌属和曲霉属的分离株进行了分子鉴定，分别使用β-微管蛋白（β-tubulin）引物和翻译延伸因子-1α（TEF-1α）引物进行PCR扩增和测序。最后，运用多种统计方法（如Wilcoxon秩和检验、Spearman等级相关、Kruskal–Wallis检验）分析了气象数据、真菌发病率及籽粒类型之间的关联。
3.1. 2023年和2024年生长季的气象差异
研究首先对比了两个生长季的气象条件。数据分析显示，2023年在几乎所有玉米生长阶段的气温都高于2024年，特别是在成熟期，日最高温和日均温分别高出3.6°C和2.2°C。相反，2024年则表现出更高的相对湿度和降水量，尤其是在生长初期和末期。这为后续分析真菌群落的年际变化提供了关键的环境背景。
3.2. 霉菌发生的季节性模式及其与天气条件和共生物种的相关性
玉米籽粒真菌区系高度多样化，鉴定出多个属。镰刀菌属是两年中的优势属，但在不同年份呈现出显著差异。在2023年（高温干燥），观察到镰刀菌属与曲霉属的共主导现象，两者在约40%的样本中被检出。而在2024年（湿润多雨），镰刀菌属成为绝对主导，发病率达到61.7%，而曲霉属则急剧下降到不足5%。同时，以前不常见的属如附球菌属（Epicoccum）和茎点霉属（Phoma）变得更为相关，发病率分别增加了约15.3%和6.2%。
通过Spearman相关分析发现，镰刀菌属的发病率与生长阶段（尤其是灌浆期和成熟期）的相对湿度和降水量呈正相关，与温度呈负相关，这与其喜湿、喜温和的生长特性一致。而曲霉属则表现出相反的模式，在高温干燥条件下更易滋生。分析还揭示了真菌属间的相互作用模式：在2023年，干燥条件加剧了真菌间的竞争，尤其是镰刀菌属与曲霉属之间呈现强烈的负相关（ρ = -0.66）。而在2024年，湿润条件使得包括附球菌属、青霉属（Penicillium）和茎点霉属在内的多个属能够与镰刀菌属共存，呈现出更为协同而非竞争的关系。
3.3. 不同籽粒类型间真菌发病率的差异
研究评估了不同玉米籽粒类型对真菌侵染的敏感性。总体而言，镰刀菌属、青霉属、附球菌属等能感染所有类型的籽粒，无显著差异。然而，一个有趣的发现是，爆裂玉米籽粒对曲霉属的感染显著更敏感。具体数据显示，爆裂玉米中曲霉属的平均发病率为26.8%，显著高于马齿型玉米的14.8%和粉质玉米的8.7%。对于曲霉属的黄曲霉组（sect. Flavi）和黑曲霉组（sect. Nigri），爆裂玉米的发病率同样显著更高。作者推测，这可能与籽粒组成有关，马齿型玉米的果皮含有特定的蜡质化合物（如己酸乙酯或5-甲基间苯二酚），可能抑制曲霉属的侵染和生长。
3.4. 镰刀菌物种多样性的季节性变异
对镰刀菌分离株的分子鉴定揭示了物种水平的动态变化。总体而言，藤仓镰刀菌复合种（Fusarium fujikuroispecies complex, FFSC）的成员在两年中发病率最高，特别是增生镰刀菌（F. proliferatum）和轮枝镰刀菌。出乎意料的是，增生镰刀菌成为最常见的镰刀菌物种，超过了通常报道的优势种轮枝镰刀菌。此外，物种构成随年份变化：FFSC物种在2023年（高温干燥）发病率更高，而在2024年（凉爽湿润），禾谷镰刀菌（F. graminearum）的发病率显著增加了13.6%，且F. boothii和F. incarnatum等物种出现。这表明即使镰刀菌属在整体上保持优势，其内部的物种组成也会根据气象条件发生适应性变化。
3.5. 曲霉组（Sections）和（Flavi）物种多样性的季节性变异**
在检出的曲霉属中，仅发现了黄曲霉组和黑曲霉组。在2023年，两者的发病率相近（黄曲霉组22%，黑曲霉组19%），这与历史上黄曲霉组在玉米中占主导的报告不同。作者认为，这凸显了在炎热干燥的气候条件下，黑曲霉组也能达到与黄曲霉组相当的流行水平。对黄曲霉组分离株的物种鉴定显示，黄曲霉（A. flavus）和米曲霉（A. oryzae）是主要物种（占83%-95.3%），但由于测序基因（β-微管蛋白）无法可靠区分这两个高度同源的物种，研究中将它们合并为一组。相比之下，寄生曲霉（A. parasiticus）的出现频率要低得多，这可能与黄曲霉的竞争优势有关。
结论与讨论
这项研究清晰地表明，在当前气候变化导致天气日益不稳定的背景下，真菌的动态和物种优势格局会在不同收获季节间发生显著转变。镰刀菌属在干燥和湿润条件下均表现出持续的流行性，其在与嗜干物种竞争中的适应能力，凸显了它在当前气候变化情景下的潜在危害。相反，风暴和潮湿期会促进其他喜湿物种（如附球菌属或茎点霉属）的增殖，而这些物种在干燥条件下通常受到抑制。随着气候变得更热更干燥，曲霉属预计将在作物中变得更占优势，其发病率仅受不规则强降水事件的限制。干燥季节还可能加剧田间霉菌间的竞争。
在籽粒类型方面，爆裂玉米因其可能缺乏保护性果皮蜡质化合物，而对曲霉属定殖特别敏感。
在物种层面，本研究的主要发现与以往报告有所不同。出乎意料的是，增生镰刀菌成为优势镰刀菌物种，超过了轮枝镰刀菌。曲霉属中，黄曲霉组和黑曲霉组显示出相似的发病率，而在历史上，黄曲霉组的物种是该属的主要定殖者。最后，作者强调区分产毒的黄曲霉和非产毒的米曲霉的重要性，因为过去的误判可能导致高估了黄曲霉的种群数量。
总之，这项研究通过连续两年的详细调查，揭示了气候变异性与玉米籽粒性状如何共同塑造其真菌区系，为预测真菌优势转变、评估不同籽粒类型的风险，以及在未来气候情景下保障食品安全和作物生产提供了至关重要的科学依据。持续的监测对于预见真菌主导地位的变化、保障气候变化背景下的食品安全和作物生产是必要的。
