串珠镰刀菌素的理化性质、毒作用机理及中毒动物概况

高 思 雷明彦 齐德生 张妮娅 张金凤

(1.华中农业大学动物科技学院 饲料与饲料生物技术实验室，湖北武汉 430071；2.武汉市多宝微生物技术有限公司，湖北武汉430312)

Cole等在患有枯叶病的玉米种子中分离出了一株产真菌毒素的串珠镰刀菌（F.moniliforme）菌株，并从其培养物中首次提纯出了一种会导致植物生长抑制的水溶性毒素，命名为moniliformin[1]，即串珠镰刀菌素，简写为MON。其后的研究发现串珠镰刀菌素对啮齿类和禽类均具有强烈毒性。该毒素的主要产毒菌株除了串珠镰刀菌外，还有串珠镰刀菌胶胞变种(F.moniliforme var subglutinus)、禾谷镰刀菌(F.graminearum)、半裸镰刀菌(F.semitectum)、本色镰刀菌(F.concolor)、燕麦镰刀菌(F.avenaceum)、木贼镰刀菌(F.equiseti)、锐顶镰刀菌(F.acuminatum)等30余种[2-4]，且其中部分菌种也能产生其他镰刀菌毒素[5]。

1 串珠镰刀菌素的理化性质

串珠镰刀菌素通常以钠盐和钾盐的形式存在于自然界中，分子式为C4HO3R（R=Na或K），化学名称为1，2-二酮-3-羟基环丁烯（3-hydrox ycyclobutene-1,2-dione），平面结构如图1所示。其游离酸为强酸，pKa为0.0±0.05至1.7[6]，化学性质属于半方酸阴离子,与无机酸性质类似，故从结构上也可将串珠镰刀菌素命名为半方酸钠（或钾）。通常为淡黄色针状结晶,易溶于水和甲醇,不溶于二氯甲烷和三氯甲烷。Springer等运用X射线衍射技术确定了串珠镰刀菌素的空间立体结构[7]。

由串珠镰刀菌素钠盐（sigma，纯度≥99%）的紫外扫描图（见图2）可知，串珠镰刀菌素在227 nm处有最大吸收峰，在256 nm处有次级吸收峰；而红外光谱表明串珠镰刀菌素在 1 780 cm-1、1 709 cm-1、1 682 cm-1、1 605 cm-1、1 107 cm-1和 846 cm-1处均有吸收[8]。串珠镰刀菌素在水溶液中以单体形式存在[9]，并在pH值为7时最稳定；另外，在pH值为10时也较稳定[10]。试验结果显示，串珠镰刀菌素在100℃且pH值为4的溶液中加热60 min不会遭到破坏，冷冻干燥也不会影响串珠镰刀菌素的稳定性[11]，但碱法蒸煮能够部分或者完全将其破坏，破坏程度依赖加工的温度和时间。在串珠镰刀菌素的水溶液中通入O3曝气15 min，其四元环会被打开形成2,3-二羟基-2,3-环氧-丁二酸和 2-羰基-3-羟基-丁二酸[12]。

2 串珠镰刀菌素的毒作用机理

串珠镰刀菌素毒作用的分子机理主要是特异性抑制丙酮酸进入三羧酸循环，并能够阻碍三羧酸循环的中间产物(如：α-酮戊二酸)的氧化。

Burka等和Gathercole等首先发现串珠镰刀菌素能抑制丙酮酸脱氢酶的活性[13-14]，Pirrung等的进一步研究证实串珠镰刀菌素可通过与丙酮酸脱羧酶、α酮戊二酸脱氢酶竞争活性位点来发挥毒性作用[15]。并且串珠镰刀菌素能通过抑制酮糖移转酶[13]和醛糖还原酶[16]来干扰碳水化合物的代谢；而其引起的成肌细胞氧化损伤可能与抑制谷胱甘肽氧化酶和还原酶的活性有关[17]。另外，串珠镰刀菌素对琥珀酸脱氢酶和细胞色素氧化酶也具有竞争型抑制作用，可导致呼吸链的中断[18]，从而引起心肌供能不足，最终造成心肌损伤。

也有学者认为，MON的毒性可能是因其导致细胞内外电位失衡而引起。串珠镰刀菌素对心肌细胞的B、L、T三型离子通道具有阻滞作用，能引起细胞内Ca2+平衡失调[19]，最终导致细胞的损伤。章红等用串珠镰刀菌素钠盐水溶液与方酸钠水溶液（串珠镰刀菌素的结构类似物）的灌胃试验首次证实了串珠镰刀菌素结构中4号位上的氢原子对其毒性的发挥起着重要的作用[12]。

3 串珠镰刀菌素的毒性

串珠镰刀菌素对动物有较强的毒性作用，主要作用于增殖活跃的细胞，例如心肌、肝、脾、骨骼肌以及软骨细胞和骨细胞等。有学者提出串珠镰刀菌素的急性毒性作用主要危害心肌[20]，造成充血性心力衰竭、心肌变性和坏死[21-22]。另外还会使中毒动物身体组织水肿，细胞线粒体异形、空泡变性或颗粒变性，同时还能造成乳头肌、回肠末端肌肉和主动脉以及肺动脉的收缩力下降。亚慢性毒性试验则发现其能影响生长性能，并具有免疫抑制[23]，还可导致猪的大骨软骨病[24]。此外，通过流行病学等调查显示，串珠镰刀菌素可能与人的克山病存在相关性[25-26]，而且当串珠镰刀菌素与伏马菌素（此两种同为镰刀菌产生，且产毒菌株种类有交叉）同时存在，由于具有协同作用，其毒性往往比串珠镰刀菌素单独引起的毒性强[27-29]。

3.1 串珠镰刀菌素的急性毒性、病理学检查及临床症状

3.1.1 串珠镰刀菌素的急性毒性概况

串珠镰刀菌素对试验动物的急性毒性数据见表1。

由表1可知：不同动物对串珠镰刀菌素的敏感性是不同的，在性别和日龄间也有较大差异，并且禽类对串珠镰刀菌素较哺乳类更为敏感。

3.1.2 病理学检查

动物的串珠镰刀菌素急性中毒的特征性损害是心血管系统损伤及心电图异常[36-37]，这种损伤及异常与克山病发病情况非常类似[36，38]，故常将串珠镰刀菌素列为克山病诱因之一。

表1 部分试验动物对串珠镰刀菌素的急性毒性数据

在摄食含串珠镰刀菌素的饲料或注射串珠镰刀菌素水溶液后死亡的雏鸭尸体剖检时可观察到腹水且伴有肠系膜水肿，肠壁变薄，内容物稀薄；前胃、嗉囊、小肠、大肠以及皮肤轻度出血，心、肝、肾、肺淤血或出血以及胆囊扩张；心房扩大与淤血，心包积水及心肌苍白，肝脏肿大。在串珠镰刀菌素引起死亡的雏鸡尸体中也可见腹水，肠系膜肿胀、出血，肠壁变薄，内含稀薄内容物，心、肝、肾、肺淤血或出血，胆囊扩张，心脏肥大，病理切片可见心肌细胞变性坏死，心肌线粒体增多、肿胀嵴减少、断裂或异形，心肌胶原纤维减少或溶解，肝脏细胞颗粒变性和空泡变性，肾小管上皮细胞颗粒变性，心电图显示P-R段、Q-T段和ST段延长，提示心动过缓[37]。大鼠中具体表现为急性局灶性心肌炎和坏死,心肌线粒体增多、肿胀；肝、肾、胰、肾上腺和胃肠黏膜肿胀及单细胞坏死[39]。小型猪心肌肌原纤维严重损伤，大片肌原纤维节段性断裂、溶解，线粒体形态结构异常，肿胀，空泡样变性，传导细胞变性坏死，细胞膜结构异常，血管内有微血栓形成[40]。

3.1.3 急性中毒症状

动物急性中毒的主要临床症状有：肌无力、呼吸加快、心肌变性，组织病理检查可见肾脏、肺和胰腺的水肿和坏死[20]。

章红等给4日龄北京鸭灌毒12 mg/只后记录的心电图显示：给毒后前期雏鸭出现心律不齐，心肌损伤，二度房室传导阻滞，并产生高血钾症，后期发生心房颤[36]，最终心脏停止。赵献军给1日龄雏鸡饲喂含高浓度（153.96 mg/kg）串珠镰刀菌素的饲料，引起了中毒组20只雏鸡的腹泻、食欲减退、呼吸困难和站立不稳，死亡从第3 d开始，至第7 d时全部死亡，特征性病变为肝、肾细胞颗粒变性和空泡变性，心肌凝固性坏死[22]。

3.2 串珠镰刀菌素的亚慢性毒性及慢性毒性

Burmeister等在成年小鼠（体重在11.8～19.9 g之间）的饮水中加入串珠镰刀菌素使其浓度分别为0.1 g/l和0.5 g/l，饮用21 d后，低剂量组小鼠（每日毒素摄入量约0.7 mg）未见不适症状，高剂量组小鼠（每日毒素摄入量约2.9 mg）日增重下降但未见死亡。虽然高剂量组小鼠每日摄毒量远高于其LD50，但小鼠并没有死亡[32]，推测小鼠并非一次摄入毒素而是分多次少量摄入，故在小鼠体内可能有有效的解毒和排毒机制。Allen等也发现，给1～21日龄的肉鸡饲喂含毒饲料，当每千克饲料含16 mg纯毒素时（约是一次给毒LD50的2倍）未见动物死亡，而直到每千克饲料含64 mg毒素时才出现体增重减少和部分死亡，存活的肉鸡未发现行为异常[21]。

Lecloux等将含有串珠镰刀菌素的菌株培养物按不同比例加入饲料中喂养1日龄雏鸡21 d，结果发现，当每千克饲料中含100 mg镰刀菌培养物时，动物出现体重减轻、饮食减少，而肝脏、心脏重量增加，毒性损伤发现心肌右心室肥大，出现多而大的异常心肌细胞核及心肌细胞横纹状改变，当每千克饲料中含培养物为200 mg或以上时死亡率才明显上升[41]。Qureshi等用每千克含42.7 mg培养物的饲料喂养7日龄白来航鸡，两周后动物也出现饮食减少，6周后体重减轻，胸腺、脾、肾重量减轻而心脏重量增加，显著抑制了免疫球蛋白总量和IgG水平[42]。王凯等按23 mg/kg的浓度将MON加入试验组雏鸡饲料中，进行毒性试验，结果试验组在第15 d出现精神沉郁、食欲减退、腹泻(以酱油色稀糊粪为主)，第20 d开始死亡，第20～25 d死亡率较高；以后逐渐消瘦，生长迟缓，继之羽毛粗乱，呼吸急促，最后不食，站立困难，昏迷而死，试验组总死亡率可达70%(21/30只)，剖检发现中毒雏鸡心肌发生炎症[23]，导致大量NO合成，雏鸡体内NO含量显著上升。试验第35 d时，试验组平均体重233 g/只，对照组为388 g/只；而当饲喂含有50 mg/kg串珠镰刀菌素的饲料能造成肉鸡心脏增生。Morgan等研究发现，日粮中含有17 mg/kg串珠镰刀菌素时对雌性成年水貂生长没有影响，但是会使其胎儿死亡率显著增加[35]。

4 小结

MON作为污染玉米、小麦和燕麦等粮食作物的霉菌毒素之一，其主要与伏马菌素等镰刀菌素形成毒素的联合污染。MON对动物的毒害作用主要表现在心脏和免疫力上，并且其能够对细胞产生细胞毒性，其毒性作用机理主要体现在抑制三羧酸循环的正常运转，导致机体能量供应不足。

[1]Cole R J,Kirksey J W,Cutler H G,et al.Toxin from Fusarium moniliforme:effects on plants and animals[J].Science,1973,179:1324-1326.

[2]Rabie C J,Marasas W F,Thie lP G,et al.Moniliformin production and toxicity of different Fusarium species from Southern Africa[J].Applied Environmental Microbiology,1982,43(3):517-521.

[3]Abbas H K,Microcha C J,Gunther R.Mycotoxins produced by toxic Fusariumiso lates obtained from agricultural and nonagricultural areas of Norway[J].Mycopathologia,1989,105(3):143-151.

[4]Marasas W F,Thiel P G,Sydenham E W,et al.Toxicity and moniliform in production by four recently described species of Fusanium and two uncertain taxa[J].Mycopathologia,1991,113(3):191-197.

[5]肖前青,刁治民,张程,等.镰刀菌及其毒素[J].安徽农学报，2008，14(9)：164-166.

[6]Kandler W,Nadubinská M,Parich A,et al.Determination of moniliformin in maize by ion chromatography[J].Analytical Bioanalytical Chemistry,2002,374:1086-1090.

[7]Spinger J P,Clardy J,Cole R J,et al.Structure and synthesis of moniliformin,a novel cyclobutance microbial toxin[J].Journal of the American Chemical Society,1974,96:2267-2268.

[8]Rabie C J,Lübben A,Louw A I,et al.Moniliformin,a mycotoxin from Fusarium fusariondes[J].Journal of Agricalture Food Chemistry,1978,26(2):375-379.

[9]Lansden J A,Clarkson R J,Neely W C,et al.Spectroanalytical parameters of fungal metabolites.IV.Moniliformin[J].Journal-Association of Official Analytical Chemists,1974,57(6):1392-1396.

[10]Pineda-Valdes G,Bullerman,L B.Thermal Stability of Moniliformin at Varying Temperature,pH,and Time in an Aqueous Environment[J].Journal of Food Protection,2000,63(11):1598-1601.

[11]Abramson D,Mccallum B,Smith D M,et al.Moniliformin in barley inoculated with Fusarium avenaceum[J].Food Additives and Contaminants,2002,19(8):765-769.

[12]章红，李季伦.串珠镰刀菌素的结构与毒性的关系[J].微生物学报，1994，34(2)：119-123.

[13]Burka L T,Doran J,Wilson B J.Enzyme inhibition and the toxic action of moniliformin and other vinylogous α-ketoacids[J].Biochemical Pharmacology,1982,31(1):79-84.

[14]Gathercole P S,Thiel P G,Hofmeyr J H S.Inhibition of pyruvatedehydrogenase complex by moniliformin[J].Biochemical Journal,1986,233:719-723.

[15]Pirrung M C,Nauhaus S K.Cofactor-directed,time-dependent inhibition of thiamine enzymes by the fungal toxin moniliformin[J].Journal of Organic Chemistry,1996,61:2592-2593.

[16]Deruiter J,Jacyno J M,Cutler H G,et al.Studies on aldose reductase inhibitors from fungi.II.Moniliformin and small ring analogues[J].Journal of Enzyme Inhibition,1993,7:249-256.

[17]Chen L Y,Tian X L,Yang B.A study on the inhibition of rat myocardium glutathione peroxidase and glutathione reductase by moniliformin[J].Mycopathologia,1990,110:119-124.

[18]方洪忠，夏弈明.串珠镰刀菌素对大鼠心肌琥珀酸脱氢酶，细胞色素C氧化酶及H+-ATP酶活力的影响[J].卫生研究，1996，25(3)：148-150.

[19]彭双清，杨进生.串珠镰刀菌素对心肌细胞B、L、T三型Ca2+通道的影响[J].卫生毒理学杂志，1994(4):290.

[20]Kriek N P J,Marasas W F O,Steyn P S,et al.Toxicity of a moniliformin-producing strain of Fusarium moniliforme var.subglutinans isolated frommaize[J].Food and Cosmetics Toxicology,1977,15:579-587.

[21]Allen N K,Burmeister H R,Weaver G A,et al.Toxicity of dietary and intravenously administered moniliformin to broiler chickens[J].Poultry Science,1981,60:1415-1417.

[22]赵献军,汪昭贤,曹光荣,等.串珠镰刀菌素对雏鸡毒性的研究[J].西北农业学报，1998，7(4)：36-38.

[23]王凯,杨丽梅,何永明,等.串珠镰刀菌素的培养提取及对鸡的免疫病理损伤[J].畜牧与兽医，2007，39(9)：29-32.

[24]莫东旭.T-2毒素、MON和硒对中国小型猪罹患骨软骨病的影响[J].中国地方病防治杂志，1996，11(3)：130-134.

[25]姬政,刘文,梁晓天.克山病家食粮中串珠镰刀菌素含量的测定[J].中华医学杂志，1991，71(1)：14-15.

[26]俞世荣，刘兴，王玉华，等.部分克山病病区非病区稻谷玉米样品中串珠镰刀菌素含量的调查[J].中华预防医学杂志，1996，30(3)：144-147.

[27]Javed T,Bennett G A,Richard J L,et al.Mortality in broiler chicks on feed amended with Fusarium proliferatum culture material or with purified fumonisin B1 and moniliformin[J].Mycopathologia,1993,123:171-184.

[28]Wu W D,Liu T X,Vesonder R F.Comparative cytotoxicity of fumonisin B1 and moniliformin in chicken primary cell cultures[J].Mycopathologia,1995,132:l11-116.

[29]Javed T,Bunte R M,Dombrink-Kurtzman M A,et al.Comparative pathologic changes in broiler chicks on feed amended with Fusarium proliferatum culture material or purified fumonisin B1and moniliformin[J].Mycopathologia,2005,159:553-564.

[30]Burmeister H R,Ciegler A,Vesonder R F.Moniliformin,a metabolite of Fursarium moniliforme NRRL 6322:purification and toxicity[J].Applied and Environmental Microbiology,1979,37(1):11-13.

[31]Farb R M,Mego J L,Hayes A W.Effect of mycotoxins on uptake and degradation of [125I]albumin in mouse liver and kidney lysosomes [J].Journal of Toxicology and Environmental Health,1976,1(6):985-990.

[32]Burmeister H R,Grove M D,KwolekW F.Moniliformin and butenolide:effect on mice of high-level,long-term oral intake[J].Applied Environmental Microbiology,1980,40(6):1142-1144.

[33]赵德育，冯启.串珠镰刀菌素引起大鼠与小鼠心肌损伤的超微结构研究[J].中华医学杂志，1990，70(1)：618-620.

[34]孙丽红，李娟.串珠镰刀菌素对大鼠心脏功能的毒性作用[J].中华医学杂志，1990，70(11)：621-623.

[35]Morgan M K,Fitzgerald S D,Rottinghaus G E,et al.Toxic effects to mink of moniliformin extracted from Fusarium fujikuroi culture material[J].Veterinary and Human Toxicology,1999,41(1):1-5.

[36]章红，李季伦.串珠镰刀菌素及其毒理[J].微生物学报，1989，29(2)：93-100.

[37]Nagaraj R Y,Wu W,Wiu J A,et al.Acute cardiotoxicity of moniliform in broiler chickens as measured by electrocardiography[J].Avian Diseases,1996,40(1):223-227.

[38]佘锐萍，乔惠理.串珠镰刀菌素对小型猪心脏功能的影响III[J].中国兽医杂志，1993，19(5)：8-10.

[39]刘江，孟昭赫.串珠镰刀菌素与镰刀菌素的研究进展[J].国外医学卫生学分册，1996，2(6)：351-356.

[40]乔慧理，佘锐萍，李其智，等.串珠镰刀菌素对小型猪心脏功能的影响 II[J].中国兽医学杂志，1993，19(4)：3-6.

[41]Lecloux D R,Bermudez A J,Rottinghaus G E,et al.Effects of feeding Fusarium fujikuroi culture material,containing know levels of moniliformin,in young broiler chicks[J].Poultry Science,1995,74(2):297-305.

[42]Qureshi M A,Garlich J D,Hagler W M,et al.Fusarium Proliferatum Culture Material Alters Several Production and Immune Performance Parameters in White Leghorn Chickens,1995,17(4):791-804.