基于高通量测序技术研究药食两用薏苡仁中污染真菌多样性

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  摘要 目的:调查药食两用薏苡仁中污染真菌多样性,为其安全使用提供参考依据。方法:收集薏苡仁样品18批,提取真菌DNA并扩增ITS2序列,基于Illumina MiSeq PE250平台进行高通量测序。结果:共检测到4门18纲44目99科149属的真菌,子囊菌门Ascomycota是最优势菌门,镰刀菌属Fusarium(3.05%~60.32%)是属水平最优势属,其次是曲霉属Aspergillus(2.20%~45.44%)、白僵菌屬Beauveria(0.07%~63.21%)、链格孢属Alternaria(0.80%~11.92%)、Arachnomyces(0.03%~39.36%)和青霉属Penicillium(0.24%~8.03%)。此外,共检测到5种潜在产毒真菌,分别是烟曲霉A.fumigatus、土曲霉A.terreus、梨孢镰刀菌F.poae、囊状青霉P.capsulatum和展青霉P.paxilli。结论:高通量测序技术可以快速有效地检测薏苡仁中污染真菌种类,为薏苡仁污染真菌毒素提供风险预警。
  关键词 薏苡仁;真菌多样性;高通量测序;药食两用;ITS2;产毒真菌;真菌鉴定;镰刀菌属
  Abstract Objective:To investigate the fungal diversity in medicinal and edible Coicis Semen,thus providing evidence for its safe use.Methods:A total of 18 batches of Coicis Semen samples were collected.The total DNA was extracted,and the ITS2 sequences were amplified.Then,the amplicons were sequenced using the Illumina MiSeq PE250 platform.Results:The fungi detected were denominated to 4 phylum,18 class,44 orders,99 families,and 149 genera.Ascomycota was the dominant fungus at the phylum level.At the genus level,Fusarium was the most predominant,followed by Aspergillus,Beauveria,Alternaria,Arachnomyces and Penicillium,accounting for (3.05%~60.32%),(2.20%~45.44%),(0.07%~63.21%),(0.80%~11.92%),(0.03%~39.36%) and (0.24%~8.03%).In addition,a total of 5 potential mycotoxin-producing fungi were detected,namely,A.fumigatus,A.terreus,F.poae,P.capsulatum and P.paxillin.Conclusion:High-throughput sequencing technology can quickly and effectively detect fungal contamination in Coicis Semen,thereby providing early warning for mycotoxin contamination in Coicis Semen.
  Keywords Coicis Semen; Fungal diversity; High-throughput sequencing; Medicinal and edible; ITS2; Mycotoxin-producing fungi; Fungal identification; Fusarium
  禾本科植物薏苡Coix lacryma-jobi L.var.ma-yuen(Roman.)Stapf在我国分布广泛,资源丰富,是重要的药食两用作物。其成熟种仁不仅是营养价值极高的食品,也是药用历史悠久的中药材。薏苡始载于《神农本草经》,列为上品。《中华人民共和国药典》(以下简称《中国药典》)2015年版记载其具有利水渗湿、健脾止泻等作用[1]。现代药理学研究[2-5]表明其具有抗肿瘤、增强机体免疫功能、降血糖等作用。薏苡仁在采收、加工、运输和贮藏等多个环节中都容易污染真菌,其含有的脂肪酸等物质为真菌的生长和繁殖提供了丰富的营养物质。在适当的条件下,污染的潜在产毒真菌还会产生真菌毒素。近年来,中药材中污染真菌被频频报道,已成为威胁药材安全使用的重要因素[6-7]。目前,《中国药典》2015年版对薏苡仁中污染黄曲霉毒素进行了限量[1],薏苡仁中检测到黄曲霉毒素和玉米赤霉烯酮已有报道[8-9]。因此,对薏苡仁中污染真菌进行快速准确鉴定可以为其污染真菌毒素进行风险预警。
  近年来,高通量测序技术应用于环境微生物多样性研究已成为热点[10]。高通量测序技术可以克服传统分离培养方法中部分菌株不能分离培养、耗时繁杂等缺陷,更加全面地反映真菌群落的多样性。本研究采用高通量测序技术对18批薏苡仁药材中污染真菌进行了调查,为其安全使用提供参考依据。
  1 材料
  从不同药店共收集薏苡仁样品18批,分别产自四川、贵州、安徽、云南、黑龙江和福建6个省,见表1,根据产地信息将其分为6组。
  2 方法
  2.1 DNA提取 称取薏苡仁样品5 g于15 mL离心管中,加入10 mL无菌水,涡旋振摇20 min,用单层无菌纱布进行过滤,滤液用高速冷冻离心机(Eppendorf公司,德国,型号:5430R)7 830 r/min振摇15 min获得微生物。根据EZNA土壤DNA提取试剂盒(Omega公司,美国,型号:D5625-01)说明书提取微生物总DNA。   2.2 PCR扩增和高通量测序 提取到的DNA经检验合格后,扩增真菌ITS2序列,引物为ITS3(5′-GCATCGATGAAGAACGCAGC-3′)和ITS4(5′-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3′)[11]。PCR扩增程序如下:95 ℃变性5 min;再进行35个循环(95 ℃变性45 s,58 ℃退火50 s,72 ℃延伸45 s);最后72 ℃延伸10 min。将同一样本3个重复的PCR产物混合后用2%琼脂糖凝胶电泳检测,使用DNA凝胶回收试剂盒(Axygen公司,美国)切胶回收PCR产物,Tris_HCl洗脱,2%琼脂糖电泳检测。Illumina MiSeq PE250高通量测序委托北京奥维森基因科技有限公司完成。
  2.3 数据分析 使用Quantitative Insights into Microbial Ecology(QIIME,Version 1.8,http://qiime.org)软件对测得的fq数据进行过滤处理[12]。过滤read尾部质量值20以下的碱基,设置50 bp的窗口,如果窗口内的平均质量值低于20,从窗口开始截去后端碱基,过滤质控后50 bp以下的read;然后根据双端测序的overlap关系将成对的序列拼接成一条序列,最小overlap长度为10 bp。使用UPARSE(Version 7.1,http://drive5.com/uparse/)[13]根据97%的相似度水平对所有序列进行OTU划分,使用USEARCH(Version 8.1.1861,Http://Www.Drive5.Com/Usearch/)[14]除去嵌合体。基于UNITE数据库[15]在界、门、纲、目、科、属和种水平注释其群落的物种信息,剔除非真菌OTU。基于OTU聚类结果利用mothur[16]进行稀释性曲线(Rarefaction Curve)分析,利用R语言工具制作曲线图。使用Chao 1、Shannon指数、Observed_species和Goods_coverage来估计群落的Alpha多样性。基于主坐标分析(Principal Co-ordinates Analysis,PCoA)阐明不同样本组成的相似性。通过Spearman检验方法,选取所有样本绝对丰度前20的OTU进行与门水平注释结果相互关联性分析。
  3 结果
  3.1 薏苡仁中真菌多样性分析 在质控后共获得2 113 891条优质的ITS2序列,序列长度为200~460 bp。抽平分析后,每个样本包括17 269条序列,共产生514个OTU。其中,53个OTU为18份薏苡仁样品所共有,每份样品还包括119~212个独有的OTU,见图1。稀释性曲线分析表明所有样品几乎平行于x轴,表明获得的Reads数量足以代表总体真菌群落多样性,见图2。基于Chao 1、Shannon、Observed_species和Goods_coverage来估计群落的Alpha多样性,其中Chao1用来估计样品中微生物丰富度,Shannon用来估算样品中微生物多样性,Observed_species代表随测序深度的增加,实际观测到OTU的个数,Goods_coverage代表观测深度。YY4样品Chao1指数和Observed_species最高,具有最高的物种丰富度。YY1样品Shannon指数最高,物种多样性最高。所有样品Goods_coverage值均高于0.994,表明本次测序对样品中真菌的覆盖率很高,可以代表样本中微生物的真实情况,见表2。基于非加权PCoA分析的结果表明,产于四川和黑龙江YY1和YY10样品与产于贵州的样品之间菌群差异性较小。YY6与YY7样品都产于安徽,但两者之间真菌群落差异较大,见图3。
  3.2 薏苡仁中真菌组成分析 在薏苡仁样品中检测到真菌共计4门18纲44目99科149属。在门水平,子囊菌门Ascomycota是最优势菌门,相对丰度为93.96%~99.58%,见图4a。粪壳菌纲Sordariomycetes(37.47%~86.94%)在纲水平占据优势地位,其次是散囊菌纲Eurotiomycetes(3.17%~58.82%)和座囊菌纲Dothideomycetes(1.73%~16.46%)。在目水平,肉座菌目Hypocreales(7.05%~70.40%)相對丰度最高,其次是散囊菌目Eurotiales(2.94%~50.92%)、格孢菌目Pleosporales(1.40%~14.95%)和爪甲团囊菌目Onygenales(0.03%~39.37%)。丛赤壳科Nectriaceae(3.79%~62.48%)是科水平最优势菌群,其次是曲霉科Aspergillaceae(2.88%~47.88%)、虫草菌科Cordycipitaceae(0.07%~63.21%)、格孢菌科Pleosporaceae(1.18%~13.17%)和Arachnomycetaceae(0.03%~39.36),见图4b。在检测到的149属中,镰刀菌属Fusarium(3.05%~60.32%)具有最高的相对丰度,其次是曲霉属Aspergillus(2.20%~45.44%)、白僵菌属Beauveria(0.07%~63.21%)、链格孢属Alternaria(0.80%~11.92%)、Arachnomyces(0.03%~39.36%)和青霉属Penicillium(0.24%~8.03%),见图4c。大多数薏苡仁样品以镰刀菌属和曲霉属为优势菌群,而YY05样品中Arachnomyces为优势菌群,YY12样品白僵菌属为优势菌群。此外,在种水平共检测到5种潜在产毒真菌,分别是烟曲霉A.fumigatus、土曲霉A.terreus、梨孢镰刀菌F.poae、囊状青霉P.capsulatum和展青霉P.paxilli。在18份薏苡仁样品中潜在产毒真菌相对丰度存在差异,总相对丰度为0.61%~7.08%,见图5。其中,烟曲霉和梨孢镰刀菌相对丰度最大,分别为0.06%~6.20%和0.07%~2.28%。   3.3 薏苡仁中菌群互作分析 网络互作分析表明,样本绝对丰度前20的OTU间多存在正相关。OTU2(unidentified_g_Fusarium)和OTU5(unidentified_g_Fusarium)、OTU5(unidentified_g_Fusarium)和OTU6(unidentified_p_Ascomycota)、OTU6(unidentified_p_Ascomycota)和OTU15(Acremonium fusidioides)、OTU4(unidentified_f_Cordycipitaceae)和OTU21(unidentified_f_Trichocomaceae)、OTU7(Aspergillus vitricola)和OTU13(unidentified_g_Aspergillus)、OTU8(unidentified_g_Arachnomyces)和OTU16(unidentified_g_Penicillium)、OTU12(unidentified_g_Aspergillus)和OTU45(Aspergillus penicillioides)、OTU14(unidentified_g_Aspergillus)和OTU10(unidentified_g_Aspergillus)、OTU11(Aspergillus fumigatus)和OTU4(unidentified_f_Cordycipitaceae)、OTU9(unidentified_g_Fusarium)和OTU190(p_unidentified)、OTU45(Aspergillus penicillioides)和OTU4(unidentified_f_Cordycipitaceae)、OTU17(Xeromyces bisporus)和OTU8(unidentified_g_Arachnomyces)两两之间存在强烈的正相关。负相关仅发现于OTU3(unidentified_g_Fusarium)和OTU11(Aspergillus fumigatus)及OTU3(unidentified_g_Fusarium)和OTU13(unidentified_g_Aspergillus)之间,见图6。
  4 討论
  中药污染真菌的现象普遍存在,引起广泛关注。随着测序技术的发展,高通量测序技术已成为研究环境微生物多样性的重要手段。在前期研究中,我们探索了Illumina Miseq测序技术对药食两用酸枣仁中污染真菌多样性进行分析的适用性,结果表明高通量测序技术是分析酸枣仁中污染真菌的有效工具。酸枣仁样品污染真菌中最优势菌群是曲霉属,其次是假丝酵母属Candida和节担菌属Wallemia。在发霉和未发霉酸枣仁样品中真菌群落存在明显差异性,发霉样品中曲霉属真菌占优势,未发霉样品中假丝酵母属真菌相对丰度更高[17]。鉴于高通量测序技术的有效性,本研究应用该技术对药食两用薏苡仁中污染真菌多样性进行了分析,共检测到4门18纲44目99科149属的真菌,验证了高通量测序技术对中药材中污染真菌多样性研究的适用性。多项研究结果[6,18-20]表明,曲霉属、青霉属、镰刀菌属和链格孢属真菌是中药材中常见的污染真菌,也是产生真菌毒素的重要菌群。种子类中药材因富含丰富的油脂而易被真菌污染,本研究中的18份薏苡仁样品中均检测到丰富的真菌。其中,最优势属是镰刀菌属,其次是曲霉属、白僵菌属、链格孢属、Arachnomyces和青霉属。此外,在这些属中鉴定到了潜在的产毒真菌烟曲霉、土曲霉、梨孢镰刀菌、囊状青霉和展青霉,总相对丰度为0.61%~7.08%。这些真菌在适宜条件下可能会产生烟曲霉素、土曲霉素和展青霉素等真菌毒素,威胁到薏苡仁的安全使用。因此,利用高通量测序技术对中药材中污染真菌进行快速准确鉴定可为药材污染真菌毒素提供早期风险预警。
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  (2020-02-10收稿 責任编辑:芮莉莉)
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