综述：组学方法在农业食品供应链中检测黄曲霉素污染的应用：当前进展、挑战及未来潜力的全面综述

《Applied Food Research》：Omics Approaches to Aflatoxin Contaminations in the Agri-Food Supply Chain: A Comprehensive Review of Current Advances, Challenges, and Future Potential

黄曲霉毒素（AFs）由曲霉属真菌产生，严重威胁全球粮食安全与公共健康，尤其在热带/亚热带地区。本文系统综述了多组学技术（基因组、表观基因组、转录组、蛋白质组、代谢组）在解析AFs生物合成机制、宿主-病原体互作及开发检测与防控策略中的应用进展，包括精准基因编辑（如CRISPR-Cas9和RNAi技术）、表观调控抑制剂、代谢组学快速筛查方法等。指出当前挑战包括数据整合标准化、低资源地区技术适用性及田间转化效率，并展望AI驱动的多组学整合、气候抗性作物育种及全球统一监管框架的未来方向。

　　### 防霉毒素（AFs）在农业食品供应链中的挑战与多组学技术的应对策略

在热带和亚热带地区，防霉毒素（Aflatoxins, AFs）作为由黄曲霉（*Aspergillus flavus*）和寄生曲霉（*Aspergillus parasiticus*）等真菌产生的高度致癌性代谢产物，对食品安全、公共卫生和经济稳定构成重大威胁。AFs不仅能够污染主要的农产品，如谷物、花生、油料作物和香料，而且其在食品加工和储存过程中具有高度稳定性，使得污染难以被彻底消除。AFs的污染不仅影响人类健康，还对牲畜造成间接危害，例如牲畜摄入AFB1后可能将其代谢为AFM1并排泄至牛奶中，从而增加人类的暴露风险。因此，AFs污染已成为全球食品安全和公共健康领域亟需解决的问题。

AFs的毒性表现复杂且严重，其主要形式包括AFB1、AFB2、AFG1和AFG2，其中AFB1是最具毒性的形式。国际癌症研究机构（IARC）将其列为一级致癌物，因其在肝癌（HCC）中的明确作用，尤其是在同时感染乙型肝炎病毒（HBV）的个体中，其致癌风险会显著增加。此外，长期暴露于AFs会导致免疫抑制、儿童生长迟缓、致畸效应以及对感染的易感性增加。这些健康后果不仅影响个体福祉，还对公共卫生体系造成巨大负担，进而影响经济生产力。在农业食品供应链中，AFs污染的持续存在对发展中国家尤为严重，这些地区由于监管框架薄弱和检测设施不足，污染更容易渗透到本地市场，导致经济损失。例如，西非经济共同体（ECOWAS）估计，每年实施AFs减少计划的成本高达750万美元，凸显了AFs污染对农业经济的深远影响。

AFs污染在农业食品供应链中的形成受到多种因素的影响，包括气候条件、农业实践和储存环境。温暖和潮湿的气候条件是AFs污染的主要驱动因素，而农业实践如作物轮作和使用改良种子已被证明有助于减少花生和玉米中的霉菌毒素水平。然而，这些措施的效果因地区而异，且某些因素如作物密度与AFs污染之间的关系尚不明确，因此需要进一步研究。气候变化进一步加剧了AFs管理的复杂性，因为它改变了环境条件，可能增加AFs污染的发生率。例如，中国长江流域的研究表明，在花生生长季节温度较高且降水较少的年份，AFB1污染水平显著上升。因此，需要建立适应性监管框架和预测模型来应对这些变化。

为了应对AFs污染带来的挑战，近年来研究者越来越多地采用多组学技术，包括基因组学、表观基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学。这些技术提供了系统生物学的框架，用于解构AFs生物合成的分子机制和作物抗性。基因组学研究已经揭示了AFs生物合成的关键基因和真菌多样性，为针对性干预如RNA干扰（RNAi）和CRISPR-Cas9等提供了基础。表观基因组学的进展揭示了组蛋白修饰和DNA甲基化在调控毒素生产中的作用，为开发新的调控策略提供了机会。转录组学和蛋白质组学则揭示了作物和真菌在应对感染时的防御相关基因和蛋白表达谱，为抗性品种的开发提供了信息。代谢组学技术通过检测污染生物标志物，支持早期检测，并能够通过非破坏性诊断方法实现高精度的检测。

尽管在AFs污染的研究中取得了显著进展，但仍然面临诸多挑战。这些挑战包括数据整合的复杂性、功能验证的困难、方法学标准化的缺失以及在田间应用中的实施障碍。此外，生物变异性和检测灵敏度的限制也进一步阻碍了技术的可扩展性。特别是在资源有限的地区，这些技术的应用仍然受到技术成本和基础设施的制约。因此，未来的研究方向应包括人工智能驱动的多组学整合、精准农业、气候适应性作物工程以及全球政策的协调。

多组学技术的整合为AFs污染的管理提供了新的视角，从被动应对转向主动预测。例如，机器学习和基于网络的方法已被用于融合基因组、转录组和代谢组数据，从而识别关键的生物标志物。这些生物标志物可以用于开发快速诊断工具，提高检测的准确性和灵敏度。此外，多组学数据的整合还能够揭示基因-蛋白-代谢物之间的非线性相互作用，为开发综合的防控策略提供依据。例如，空间代谢组学和转录组学的结合能够揭示真菌感染部位的精确生化和分子变化，从而了解毒素生产的时间和空间协调性。

在AFs污染的防控中，基因组学技术的应用尤为关键。通过研究真菌的遗传多样性，科学家能够追踪高致病性的菌株，并在作物中识别抗性基因。例如，在肯尼亚，微卫星（SSR）标记显示了玉米储存地点的高遗传多样性，而在埃塞俄比亚的花生中，InDel标记发现了三种不同的遗传群体，每种群体的AFs生产特征各异。这些发现为开发区域特异性防控策略提供了基础。此外，基因组学还促进了抗性作物的育种，通过定量性状位点（QTL）分析，科学家能够定位与抗性相关的基因区域，从而加速抗性品种的培育。例如，QTL分析已确定与减少AFs积累和抗感染相关的基因区域，为抗性育种提供了重要的分子标记。

表观基因组学的研究揭示了DNA甲基化和组蛋白修饰在调控AFs生物合成中的关键作用。例如，组蛋白甲基转移酶Set9通过催化H4K20甲基化，影响毒素生产相关的基因表达。此外，DNA甲基化抑制剂5-azacytidine已被证明可以抑制AFs生产并改变真菌形态，这表明DNA甲基化在毒素合成中的重要性。表观基因组学的应用还促进了分子育种和生物控制的发展，例如通过开发SCAR标记来加速抗性品种的培育，以及利用aptamer传感器和DNA纳米结构进行高灵敏度的AFs检测。

转录组学技术的应用为理解作物和真菌之间的复杂相互作用提供了重要线索。通过分析基因表达水平，科学家能够识别与抗性相关的基因和蛋白，从而为开发抗性作物提供依据。例如，在花生中，RNA-seq分析显示抗性品种中防御相关基因的表达显著上调，包括编码病原体相关蛋白、过氧化物酶和几丁质酶的基因。此外，研究还发现，ABA响应基因ABR17在抗性品种中高度表达，这表明ABA信号在抗AFs污染中的作用。通过结合转录组学和代谢组学，科学家能够揭示AFs污染如何影响作物的初级和次级代谢途径，为通过代谢工程开发抗性作物提供了可能。

蛋白质组学技术的应用有助于识别与AFs生物合成和降解相关的生物标志物和通路。例如，通过质谱分析，科学家能够识别AFs生物合成途径中的关键蛋白，如AflD、AflK和AflM，并分析其在不同环境压力下的表达变化。此外，蛋白质组学还揭示了作物中防御相关蛋白的表达变化，如几丁质酶和β-1,3-葡聚糖酶，这些蛋白在抗感染中起着重要作用。通过比较抗性与易感性作物的蛋白质组，科学家能够识别关键的防御蛋白，从而为开发抗性品种提供支持。同时，蛋白质组学技术还用于开发高灵敏度和特异性的检测工具，如基于单克隆抗体（mAbs）或适配体的免疫传感器，这些工具能够快速检测AFs并提供实时监控数据。

代谢组学技术为AFs污染的早期检测和防控提供了重要的工具。通过分析小分子代谢物，科学家能够识别与AFs污染相关的生物标志物，从而在毒素积累之前进行干预。例如，使用液相色谱-质谱联用技术（LC-MS/MS）和荧光光谱法结合机器学习算法，科学家成功开发了高精度的AFs检测方法，如用于杏仁的非破坏性检测设备，其分类准确率达到94%。此外，代谢组学还能够揭示作物抗性机制，如通过分析抗性品种中的代谢物，科学家能够识别特定的抗性代谢物，如酚类化合物和类黄酮，这些代谢物能够抑制真菌生长并减少AFs污染。通过结合代谢组学和蛋白质组学，科学家能够开发出基于代谢物的生物控制策略，如在储粮过程中使用非致病性真菌菌株，从而显著降低AFs污染水平。

综上所述，多组学技术为AFs污染的防控提供了革命性的视角和工具。从基因组学的遗传多样性分析，到表观基因组学的调控策略，再到转录组学和蛋白质组学的防御机制研究，以及代谢组学的早期检测和生物标志物识别，这些技术共同构成了一个全面的防控体系。然而，这些技术在实际应用中仍然面临诸多挑战，包括数据整合的复杂性、功能验证的困难、方法学标准化的缺失以及在田间应用中的实施障碍。特别是在资源有限的地区，这些技术的广泛应用仍然受到技术和基础设施的限制。

为了克服这些挑战，未来的研究应重点关注多组学数据的整合和标准化，以提高数据的可比性和可重复性。此外，开发便携式、低成本的生物传感器和非破坏性检测工具，将有助于在田间和储存过程中实现实时监控。同时，结合人工智能和机器学习的多组学整合策略，可以提高AFs污染预测的准确性，并优化防控措施的实施。此外，通过基因编辑技术如CRISPR-Cas9，科学家可以开发出具有增强抗性的作物品种，从而在气候变化背景下提高农业生产的稳定性。

全球合作和政策协调对于实现可持续的AFs管理至关重要。通过建立统一的数据标准和监管框架，可以促进多组学数据的共享和整合，为制定科学、有效的政策提供依据。此外，利用多组学技术开发的生物标志物和防控策略，可以为国际市场的食品安全和贸易提供支持，特别是在制定最大残留限量（MRLs）和追溯系统方面。这些努力不仅有助于提高食品安全，还能促进全球农业生产的可持续性。

未来的研究应进一步探索多组学技术在AFs污染防控中的潜力，特别是在开发精准农业和气候适应性作物方面。通过整合多组学数据，科学家可以识别关键的调控节点，从而开发出高效的防控策略。此外，加强多组学数据的共享和标准化，将有助于建立动态、基于风险的治理模型，提高全球范围内的食品安全和公共卫生水平。这些技术的持续发展和应用，将为全球农业食品供应链的可持续发展提供重要的科学支持和实践指导。