温度与水分活度协同调控下镰刀菌属主要物种的生态生理行为及其对小麦赤霉病的防控启示

这篇研究通过系统分析5种镰刀菌（Fusarium spp.）在24种温度（θ=15-30°C）与水分活度（aw =0.94-0.99）组合下的生长动力学和霉菌毒素（TCTB/TCTA/ENNs）产生规律，揭示了物种间差异化的生态位适应策略。创新性采用光学密度（OD）动态监测与概率模型，首次量化了F. langsethiae对低温（≤20°C）的特异性响应，以及F. graminearum在高温高湿（θ≥25°C，aw ≥0.97）下的竞争优势，为气候变化背景下小麦赤霉病（FHB）风险预测模型提供了关键参数。

　　

ABSTRACT

镰刀菌头疫病（FHB）是由多种镰刀菌复合侵染引起的全球性谷物病害，其病原体可产生危害人类健康的霉菌毒素。研究通过体外实验系统评估了F. avenaceum、F. graminearum、F. langsethiae、F. poae和F. tricinctum五种主要病原菌在温度（15-30°C）与水分活度（0.94-0.99）交叉条件下的生长动力学和毒素产生特征。光学密度监测结合创新统计方法揭示：F. graminearum和F. avenaceum在高温高湿（≥25°C，a_w
≥0.97）下生长旺盛且毒素产量高，而F. langsethiae表现出独特的低温（≤20°C）适应性。

INTRODUCTION

FHB病原菌在欧洲常以复合群落形式存在，不同菌种具有特征性毒素谱：F. graminearum产B型单端孢霉烯（TCTB，如DON、ZEA），F. langsethiae和F. poae产A型毒素（TCTA，如T-2、HT-2），F. avenaceum/F. tricinctum则主要合成恩镰孢菌素（ENNs）。气候变暖已导致田间菌群组成变化，但环境因子如何驱动物种竞争仍不明确。

生长参数的环境响应

通过高通量微孔板培养结合广义加性模型（GAMs）分析显示：

1. 生长概率：F. graminearum在15-20°C时生长概率最低（<60%），而F. langsethiae在低温下保持80%以上存活率。
2. 最大生长速率（V_max
   ）：θ×a_w
   交互作用解释46%变异，F. graminearum在25°C时V_max
   达198 mODU·D^-1
   ，显著高于其他物种。
3. 种内变异：在恶劣条件（a_w
   <0.97）下，种间差异主导生长参数变异（贡献82%），而适宜环境中种内变异占比升至45%。

霉菌毒素生产特性

1. 温度依赖性：F. graminearum的TCTB产量随温度升高而增加，30°C时达峰值；F. langsethiae的TCTA则在15°C时产量最高。
2. 水分阈值：所有菌种在a_w
   <0.95时毒素产量骤降，但F. tricinctum在a_w
   =0.95/30°C仍可检测ENNs。
3. 生长-毒素关联：PCA分析显示τ（迟滞期）与毒素产量呈负相关（ρ=-0.36），快速生长菌株往往伴随高毒素产出。

DISCUSSION

研究首次通过概率模型量化了环境约束下的菌群行为差异：

• 生态位分化：F. langsethiae的低温适应策略可能解释其在北欧的流行，而F. graminearum的高温偏好与中欧病害暴发吻合。
• 模型优化价值：生长参数（如V_max
  ）与毒素数据的整合可提升FHB预测模型的鲁棒性，尤其针对气候变暖引发的菌群更替。
• 未解问题：需进一步研究CO₂
  升高和昼夜节律对菌群互作的影响，以及宿主抗性（如氧化应激）如何调控毒素合成。

MATERIALS AND METHODS

实验采用标准化蔗糖合成培养基，通过甘油调节a_w
。孢子接种后，使用酶标仪动态监测OD₆₃₀
，并通过UPLC-QExactive Focus质谱定量毒素。统计采用：

1. 生长曲线拟合：四参数逻辑斯蒂模型计算τ、K、r。
2. 左删失数据处理：NADA2包处理低于检测限的毒素值，避免信息丢失。
3. 方差分解：cati包解析种内/种间变异贡献率。

该研究为理解气候驱动下的植物病原进化提供了范式，也为制定靶向性防控策略奠定了理论基础。