麦角菌研究进展

Research progress on Claviceps fungus

摘要

麦角菌（Claviceps fungus）是一种具有双重特性的真菌，它们既能够引发宿主植物产生一种非系统性的病害——麦角病，从而降低宿主的产量和品质，又因其产生的麦角生物碱具有重要的药用价值而备受人们的关注。本研究对国内外研究者长期以来对麦角菌这一类群的相关研究进行系统性地整理与总结，包括麦角菌的生物学特性、物种多样性、系统发育学、基因组学以及次生代谢产物麦角生物碱的研究进展，并探讨麦角病的防控策略。未来麦角菌研究应聚焦其生态适应性、基因组与进化机制、次生代谢产物的应用潜力、新型绿色防控技术研发以及我国本土资源的调查与鉴定，尤其是我国云南、内蒙古和甘肃等麦角菌资源丰富的区域，以期为开发麦角菌药用价值并保障农业生产安全提供理论基础和创新支撑。

Abstract

Claviceps fungi are a type of fungus with dual characteristics. They cause ergot， a non-systemic plant disease in host plants， leading to significant reductions in the yield and quality of grain crops. Simultaneously， they are of considerable interest due to the medicinal value of the ergot alkaloids. The study aims to systematically organize and summarize the relevant research on the Claviceps fungi， including the biological characteristics， species diversity， phylogenetic relationships， genomics， and recent advancements in the study of ergot alkaloids， a class of secondary metabolites produced by Claviceps fungi， as well as an exploration of strategies for the management and control strategies of ergot disease. Future research on Claviceps fungi should focus on its ecological adaptability， genomic and evolutionary mechanisms， potential application of secondary metabolites， development of novel green control technologies， and investigation and identification of indigenous resources-particularly in hotspot regions abundant in Claviceps fungi resources within China， such as Yunnan， Inner Mongolia， and Gansu. This focus is intended to provide a solid theoretical foundation and innovative support for ensuring agricultural production security and harnessing its medicinal value.

Graphical abstract

关键词

麦角菌 / 麦角病 / 系统发育学 / 基因组学 / 麦角生物碱 / 防控策略

Key words

Claviceps fungus / ergot disease / phylogenetics / genomics / ergot alkaloids / control strategies

粮食作物是人类和动物的主要食物来源，对全球粮食安全和营养供应至关重要。然而，粮食生产面临诸多挑战，包括气候变化导致的极端天气事件、土壤退化、水资源短缺以及病虫害等问题，其中麦角病等植物病害对粮食产量和品质的影响尤为显著，亟需关注和解决。麦角病是由一类被称为“麦角菌”的真菌引起的非系统性植物病害，主要危害禾本科（有时也包括莎草科和灯芯草科）植物，包括小麦（图1）、玉米、大麦、高粱和黑麦等粮食作物和重要牧草^［1-2］。这种病害的发生是病原菌与宿主植物之间复杂的生物营养关系的结果，病原菌在感染宿主的过程中能够使宿主持续存活。麦角菌侵染禾本科植物未受精小花柱头，模拟花粉受精过程进入子房，并形成一个紫黑色且坚硬的菌核（俗称“麦角”），菌核将取代种子导致产量损失，且对品质产生较大影响^［2-3］。同时，麦角菌核含有多种麦角毒素（麦角生物碱）^［4］，其毒性作用对人类和牲畜健康构成严重威胁。若人类或牲畜误食含有麦角菌核污染的食品或饲料（牧草），可能引发一系列严重的健康问题，包括抽搐、精神紊乱、胃痛、恶心/呕吐、乳产量减少、血液循环减少和流产等^{［1-2，5-7］}。这类因误食麦角菌核引起的疾病称为“麦角症”（又称“麦角中毒”），在历史和古典文学中曾有多次记载^［8-9］。在中世纪，被麦角污染的黑麦制作的面包导致了所谓的“圣安东尼之火”的大规模流行病暴发，造成数千人死亡或致残^［8-9］。然而，麦角菌核中的麦角生物碱又具有极高的药用价值，麦角碱类药物在临床上主要用于治疗神经内分泌、脑血管系统的疾病（如阿尔茨海默病）以及孕妇产后止血等，在世界范围内被大规模开发利用^［11-13］。这种独特的双重特性使得麦角菌在粮食安全、食品安全以及医药开发等多个领域都具有重要的研究价值，引起了全球相关科研工作者的广泛关注，并成为近年来的研究热点之一。鉴于此，本研究旨在从麦角菌的生物学特性、分类学、系统发育学和基因组学等内容系统综述麦角菌的国内外研究进展，以期为麦角菌进一步研究和开发利用，以及麦角病的有效防控提供科学依据和参考。

1　麦角菌的生物学特性与生活史

广义的麦角菌（Claviceps sensu lato）包含麦角菌科（Clavicipitaceae）中所有有性和无性的类群，隶属于子囊菌门（Ascomycota）粪壳菌纲（Sordariomycetes）肉座菌目（Hypocreales），包括53属500余种，含麦角菌属（Claviceps）、新麦角菌属（Neoclaviceps）、香柱菌属（Epichloë）、绿僵菌属（Metarhizium）、锥壳菌属（Conoideocrella）、莫勒菌属（Moelleriella）、亚肉座菌属（Hypocrella）和清水菌属（Shimizuomyces）等有性型属以及异普克尼亚菌属（Metapochonia）和普克尼亚菌属（Pochonia）等无性型属^［14-15］。该类群是一个生态特征多样的大型真菌科，包括与土壤、昆虫、植物、真菌和其他无脊椎动物相关的腐生菌、内生菌和病原菌，其有性阶段和无性阶段形态特征差异大，且与宿主的关系复杂多样，是肉座菌目中物种多样性最为丰富的类群之一^［15］。而狭义的麦角菌（Claviceps sensu stricto）仅指麦角菌属（Claviceps）真菌（本文综述类群），该属包括77个物种，多数种有明确而狭窄的宿主范围，该属真菌可寄生于多数禾本科（Poaceae）和少数莎草科（Cyperaceae）及灯芯草科（Juncaceae）等类群，同时包括黑麦、小麦、大麦、玉米、谷子、高粱和燕麦等重要的粮食作物与黑麦草属（Lolium spp.）、披碱草属（Elymus spp.）、鹅观草属（Roegneria spp.）等多类重要牧草，并导致宿主发生称之为“麦角病”的一种非系统性植物病害，因此该类群是一类重要的但较为温和的植物病原菌，对自然种群的草类适应性影响很小或可以忽略^{［1，16-17］}。当然也有例外，如非洲麦角菌（C. africana）、高粱麦角菌（C. sorghi）、 C. sorghicola这3个麦角菌属真菌严重影响了全球高粱属（Sorghum spp.）作物的生产^［18］。

麦角菌的生活史包括有性世代和无性世代2个阶段^{［1，9，19-20］}（图2）。麦角菌的侵染周期通常始于春季或初夏，主要依赖于土壤中越冬菌核的萌发产生子囊孢子。这些菌核可能来源于上一季作物残留、田埂、水沟或自然草地中的禾本科杂草，也可能通过播种含有菌核的种子而进入田块。大多数麦角菌核在土壤中可存活约1年，但部分菌核在适宜条件下可在土壤或作物籽粒中长期存活并保持萌发能力^［7］。菌核萌发通常需要在0 °C左右的低温下经过1~2个月的处理以破除休眠，但不同物种的萌发条件存在差异，例如C. sasae需要较长时间（6个月以上）的低温处理^［17］。萌发后的菌核可产生1~60个子实体，子实体顶部球形，内含多个子囊，每个子囊含8个子囊孢子^［1］。在适宜的湿度条件下，子囊孢子会被喷射到空气中，通过气流或雨滴传播至易感宿主的柱头上实现侵染^［1］。麦角菌是否能够成功侵染宿主小花受到宿主是否授粉的影响，通常认为麦角菌只侵染未受精的宿主小花。然而一些研究者却认为宿主小花在受精刚刚发生后反而会变得更加易感，但随着时间的推移这种易感性会逐渐衰退，并在受精7~9 d后感染将不能发生^{［1，16，19］}。如果感染发生，子囊孢子会在宿主柱头上萌发，模拟花粉受精过程，产生萌发管到达胚珠组织，并在24 h内建立宿主-病原体复合体^［19-20］。子房被全面感染后，表面和内部充满菌丝体，产生大量单倍型的单细胞无性孢子（分生孢子），这些分生孢子悬浮在富含糖分的宿主汁液中，形成“蜜露”（第一个宏观现象），这一现象通常在感染后7 d左右出现。蜜露中的分生孢子可通过雨水飞溅或昆虫传播，实现再侵染，但需要被雨水或露水稀释后才能萌发。子囊孢子是麦角病发生的初始菌源（也是主要菌源），而蜜露中的分生孢子是次级菌源，所以田间麦角病的传播也可能主要来自附近受感染的草类宿主产生的蜜露中的分生孢子。但对于C. africana，分生孢子可能是主要菌源，因为它能产生可通过空气传播的次生分生孢子^［21］。感染约2周后，蜜露停止产生，菌丝继续生长并发育成菌核，最终形成紫黑色的成熟菌核（第二个宏观现象），这一现象通常在感染后约5周出现。菌核是麦角菌的越冬结构，也是其产生麦角生物碱的唯一结构，被其污染的粮食作物可能通过全球贸易实现麦角菌的远距离传播。

2　麦角菌物种多样性及其系统发育学研究

前文已提及广义麦角菌涉及麦角菌科中53属500余物种，而狭义麦角菌仅涉及麦角菌属77个物种（表1），同时该属新物种还在不断发现之中，具有较好的物种多样性^［16-17］。麦角菌作为一类植物病原菌，具有一定的宿主特异性，涉及禾本科（Poaceae）、莎草科（Cyperaceae）、灯芯草科（Juncaceae）400余种植物。其中禾本科宿主最为广泛，涉及早熟禾亚科（Pooideae）、黍亚科（Panicoideae）、虎尾草亚科（Chloridoideae）、画眉草亚科（Eragrostoideae）、芦竹亚科（Arundinoideae）、竹亚科（Bambusoideae）、稻亚科（Ehrhartoideae）共6个亚科70余属，包括玉米属（Zea）、小麦属（Triticum）、大麦属（Hordeum）和高粱属（Sorghum）等粮食作物宿主以及黑麦草属（Lolium）、雀麦属（Bromus）、狼尾草属（Pennisetum）和野牛草属（Buchloe）等众多具有经济价值的牧草相关属的宿主^{［16，22］}。据统计，目前仅发现C. cyperi、C. fimbristylidis、C. grohii和C. nigricans 4个麦角菌属真菌来源于莎草科宿主和C. junci这1个物种来源于灯芯草科宿主，而其余物种几乎都来自禾本科宿主。在麦角菌属Claviceps section Citrinae、Claviceps section Paspalorum、Claviceps section Pusillae 和 Claviceps section Claviceps 这4个组中，C. sect. Claviceps 的宿主范围最为广泛，涉及莎草科、灯芯草科和禾本科的早熟禾亚科、黍亚科、虎尾草亚科/画眉草亚科、芦苇亚科、竹亚科和稻亚科宿主。其次是C. sect. Pusillae的宿主范围较为广泛，涉及黍亚科和虎尾草亚科/画眉草亚科^［16］。C. sect. Pusillae组中虎尾草亚科/画眉草亚科（Eragrostoideae）仅涉及C. clavispora、C. cynodontis和C. lovelessii这3个种，C. sect. Pusillae组其余物种仅涉及黍亚科宿主，具有较明显的宿主特异性^［16］。C. sect. Paspalorum组的2个物种（C. paspali和C. queenslandica）仅涉及黍亚科雀稗属（Paspalum）宿主^［16］。C. sect. Citrinae组的唯一的物种C. citrina仅涉及虎尾草亚科盐草属（Distichlis）海滨盐草（Distichlis spicata）^［16］。麦角菌属真菌是一类十分重要的真菌资源，分布于全球各地^［16-17］。麦角菌在我国几乎到处都有分布，但是我国关于麦角菌的研究却不多，正式报道的种仅为紫麦角菌（C. purpurea）、小头麦角菌（C. microcephala）、雀稗麦角菌（C. paspali）、C. miscanthi、C. syntherismae（后更名为C. digitariae）和C. agropyri 6个种^{［17，22-23］}，还有部分未定种^［24］。据笔者调查发现云南、内蒙古和甘肃等地可能是我国麦角菌属真菌分布的热点区域，有必要大范围采样并进行物种鉴定和分类研究以摸清我国麦角菌资源。

麦角菌属真菌（尤其是模式种C. purpurea）自早期研究以来就引起了真菌学家的广泛关注。在该类群的分类学研究中，其正式的双名法命名始于de Candolle（1815年），他首次提出了“Sclerotium clavus”这一名称。然而，麦角菌分类学的真正起点应归功于Tulasne（1853年）的工作，他对麦角菌进行了首次全面研究，揭示了其有性阶段，并据此建立了麦角菌属，同时确认了C. purpurea、C. microcephala和C. nigricans这3个物种，其中C. microcephala目前已更名为C. arundinis^{［16，25］}。根据One fungus=One name命名规则，真菌的国际命名规则发生变化，每种真菌只允许有一个学名，因此学术界存在“Sphacelia”“Claviceps”正确的属名之争，虽然“Sphacelia”曾经被研究者广泛使用，但是目前学术界普遍接受属名为“Claviceps”的观点^［26］。在麦角菌的分类学研究中，其物种鉴定主要基于以下多方面的特征：菌核的形态与结构、子囊壳（如有）的特征、蜜露中分生孢子的形态与分布、纯培养菌落的表型特征、寄主范围的确定、菌核与蜜露的化学成分分析，以及分子标记的序列特征等^［25］。20世纪中叶，Langdon^［27］描述了26个来自澳大利亚和非洲的麦角菌属真菌，对该属的分类学研究作出了重大贡献。20世纪60年代，Loveless等通过研究蜜露分生孢子的形态和大小，成功发现津巴布韦麦角菌新物种^［25］；在20世纪70年代至90年代Tanda团队则对日本麦角真菌进行了详细分类研究，描述了多个物种和变种^［25］。作为应用分子标记区分麦角菌属物种的先驱，Pažoutová等^［28］在1998年利用RAPD分子标记发布了C. citrina。Píchová等^［16］采用2018年之前描述的大量麦角菌属及其近缘类群物种的五基因的系统发育框架，将先前描述的80个种和10多个变种中移除10个物种或变种进入Ustilaginoidea等其他属和有20个物种或变种存在同种异名情况，最终确立58个物种和2个变种属于麦角菌属的成员，并将这些成员划分为C. sect. Pusillae、C. sect. Paspalorum、C. sect. Claviceps和C. sect. Citrinae 4个组共10个系统发育分支。这4个组虽然是基于多基因系统发育树构建的，但是各组物种在分生孢子、菌核特征及产碱类型等也存在明显的差异，如：Claviceps sect. Citrinae组的物种表现为：内芽生和全壁芽生产孢，无次生分生孢子；菌核浅褐色，柔软，不含麦角生物碱和黑麦酮酸；宿主范围狭窄，目前仅在虎尾草亚科（Chloridoideae）物种中发现。Claviceps sect. Paspalorum物种表现为：内芽生产孢，具有次生分生孢子；菌核深褐色，坚硬，不含有麦角肽和黑麦酮酸；宿主范围相对狭窄，目前仅在黍亚科（Panicoideae）物种中发现。Claviceps sect. Pusillae物种表现为：内芽生产孢，具有次生分生孢子；菌核深褐色或浅褐色，坚硬，含有麦角肽和黑麦酮酸；宿主范围较广，仅涉及黍亚科（Panicoideae）和虎尾草亚科（Chloridoideae）物种。Claviceps sect. Claviceps物种表现为：内芽生产孢，无次生分生孢子；菌核深褐色，坚硬，含有麦角肽和黑麦酮酸；宿主范围广泛，覆盖莎草科（Cyperaceae）和禾本科（Poaceae）所有主要谱系物种。该研究成果在麦角菌属物种分类领域无疑是具有里程碑意义的。随后，Liu等^［29］又利用形态学特点、生物碱产量和致病性特征及三基因的系统发育信息描述了来自加拿大的麦角菌属4个新种（C. ripicola、C. quebecensis、C. perihumidiphila和C. occidentalis），同时van der Linde等^［30］描述了来自南非的麦角菌属5个新种（C. tulasnei、C. eulaliae、C. hypertheliae、C. fredericksoniae和C. arundinellae ）和Tanaka等^［17］全面描述了来自日本的麦角菌属6个新种（C. miscanthicola、C. oplismeni、C. palustris、C. phragmitis、C. sasae和C. tandae）。虽然麦角菌属物种分类学研究取得重要进展，但是Píchová等^［16］和Tanaka等^［17］的研究部分分支单元分辨率依旧较低，如：Píchová等^［16］的研究中第Ⅷ系统发育分支即C. purpurea clade的最大似然法（ML）支持率仅为59；Tanaka等^［17］的研究中在C. sect. Claviceps组中1个分支最大似然法支持率仅为52。目前该属64个物种的系统发育关系见图3，该图中最大似然树是基于ITS-LSU、Mcm7、TEF-1α、TUB2和RPB2基因序列构建的，相关数据引自Tanaka等^［17］的研究，并通过iqtree 2.0软件生成，然而C. amamiensis、C. annulata、C. cinerea、C. diadema、C. flavella、C. glabra、C. junci、C. lutea、C. orthocladae、C. platytricha、C. ranunculoides、C. setariiphila和C. tripsaci这13个物种由于缺乏相关序列信息仍无法进行分子鉴定。因此，针对麦角菌属真菌分类学研究目前存在的问题，还需进一步通过模式标本研究、新鲜标本采集、生态和形态特征观察、多基因和基因组系统发育关系的分析等，并进行系统调查和研究以明确该属不同分类单元的进化关系和分类地位。

3　麦角菌的起源和进化

麦角菌属真菌可能起源于南美洲^［16］。从地质角度来看，上白垩纪时期南美洲与南极洲和澳大利亚相连，直到约4 500万年前南极洲与澳大利亚分裂，这一地质事件与麦角菌科中多个属的真菌当前分布相对应，并暗示麦角菌属的祖先可能在古大陆分裂前就已存在^{［16，31］}。麦角菌属物种始于古新世，当时南美洲的生态环境为麦角菌的起源提供了条件^{［16，22］}。南美洲特有的麦角菌属物种C. flavella、C. diadema和C. orthocladae具有未分化菌核这一原始特征，表明其保留了较古老的性状。C. sect. Paspalorum组中的C. paspali原产于南美洲，其宿主雀稗属的起源和多样性中心也位于南美洲。此外，麦角菌属祖先物种C. citrina的宿主海滨盐草在北美和南美广泛分布，尽管C. citrina目前仅在墨西哥被发现，但其宿主的分布范围表明该物种也可能起源于南美洲。从传播路径来看，麦角菌属C. sect. Pusillae组成员及其宿主可能在5 000万至4 500万年前起源于非洲，但在此之前，麦角菌属真菌已于6 000万至5 000万年前从南美洲转移到非洲，这种远距离传播可能与宿主植物的迁移或昆虫媒介的传播有关。麦角菌属C. sect. Claviceps组物种的祖先约5 700万年前在南美洲与C. sect. Paspalorum出现物种分化，其祖先物种的宿主可能是起源于南美洲的莎草科植物，随后麦角菌与宿主一起传播到北美洲，并在接触到早熟禾亚科宿主后出现分化。这些证据共同支持了麦角菌属起源于南美洲并通过宿主跳跃和地质事件逐渐扩散到其他地区的假说^［16］。

麦角菌属真菌的进化历程表现为从枝条内生或寄生向严格的子房寄生的转变^［16］。尽管有研究表明，通过茎秆伤口接种可以引发感染并促进菌核发育，但在自然条件下麦角菌属真菌的感染仅限于未受精的子房。此外，麦角菌属真菌的无性分生孢子形成方式也经历了从合轴增殖的全芽生孢子向内芽生孢子的进化^［16］，如：麦角菌属的祖先物种C. citrina中同时存在全芽生孢子和内芽生孢子，保留了古老的无性分生孢子形成方式^［27］；在C. sect. Claviceps组的C. zizaniae中，也观察到残余的合轴增殖的全芽生孢子形成现象^［31］。麦角菌属真菌通常通过圆锥形瓶梗产生分生孢子，这些孢子悬浮于“蜜露”中，通过引诱昆虫觅食实现传播。然而，在C. sect. Paspalorum和C. sect. Pusillae组中还存在次生分生孢子形成的现象^［32］。具体而言，蜜露表面附近的大分生孢子萌发后会形成突出的小梗，其上可发育出次生分生孢子，这类次生分生孢子可以通过空气传播实现再侵染，在进化上更为成功^［31］。例如，C. sect. Pusillae组中的C. africana正是凭借这种次生分生孢子的形成，实现了快速感染和远距离传播，这也是其能够在全球广泛分布的关键因素之一^［21］。

麦角菌属真菌的进化不仅体现在其寄主偏好和繁殖策略的转变上，还体现在其次生代谢产物的产生及其对生存适应性的贡献上。麦角菌属大部分成员（尤其是C. sect. Claviceps组物种）能够产生多种麦角生物碱，但麦角生物碱对真菌的基本生长并非必需。尽管如此，麦角生物碱的产生可能与麦角菌属真菌的进化成功密切相关，如C. purpurea侵染宿主后形成的菌核虽然会导致宿主部分产量的丧失，但菌核的存在可以防止食草动物的捕食，从而提高宿主的适应性^［33］。这种条件性的防御互利共生关系是麦角菌属真菌成功进化的体现。此外，麦角菌属真菌产生的菌核中还含有多种结构多样的色素，这些色素能够增强真菌的应激耐受性，例如对抗紫外线辐射或氧化应激等^［34］。这些特征共同构成了麦角菌属真菌在进化过程中形成的复杂适应机制，使其能够在多变的环境中生存并繁衍。

4　麦角菌的基因组学研究

基因组技术的快速发展推动了麦角菌属真菌的基因组测序研究。据NCBI统计，目前已有23个物种（或变种）和10个未定种完成测序，表明该属真菌基因组研究已成为微生物学领域的热点。在麦角菌属物种中，C. purpurea、C. paspali和C. fusiformis这3个物种的核基因组信息最早公布，它们的核基因组大小分别为30.62、27.58和49.91 Mb，预测基因数量分别为9 452、8 631和9 784个，其中C. fusiformis基因组大小显著大于其他2 个种，但三者基因数量差异较小，分析表明它们的基因组大小差异可能主要由重复序列含量差异导致^［37］。此外，首个麦角菌属物种的线粒体基因组信息也已发布，即C. purpurea 20.1菌株的线粒体基因组，其全长为55 537 bp，AT含量为65%，为闭合环状双链结构，共包含31个基因，其中包括16个tRNA、13个核心蛋白编码基因（PCG）、2个rRNA^［35］。线粒体基因组中的蛋白编码基因具有重要的生物系统发育信息，可作为鉴定和分类的遗传标志，对系统发育分析有重要的意义。然而，目前仅有C. purpurea 20.1菌株的线粒体基因组信息，其他物种的相关研究仍亟待开展。随后，麦角菌属多个物种的基因组序列被陆续发布，包括C. purpurea s.lat.、C. arundinis、C. humidiphila、C. cf. spartinae和C. paspali多个菌株的基因组序列^［36-37］。2021年，研究人员发布了麦角菌属21个物种的50个菌株核基因组，这项研究揭示该类群的基因组结构和可塑性与其寄生潜力密切相关^［38］。该类群基因组表现出关键的适应性特征，包括转座元件与预测效应蛋白的物理共定位，以及重复诱导点突变（RIP）机制的缺失^［38］。这些特征（特别是RIP缺失）导致串联基因复制显著增加，而串联基因复制的增加被发现与该类群宿主范围扩大和物种形成密切相关^［38］。此外，该研究还阐明了麦角菌属真菌的基因组进化呈现出从宿主范围较窄的类群（C. sect. Citrinae和C. sect. Paspalorum）向宿主范围较宽的类群（C. sect. Pusillae 和 C. sect. Claviceps）方向发展的进化轨迹^［38］。同时，麦角菌属物种的麦角生物碱合成基因在物种和菌株间存在频繁的基因获得和丢失的进化模式^［39］。麦角菌属模式种C. purpurea的泛基因组分析发现，该物种具有较大的附属基因组（约38%）、高重组率（ρ = 0.044）以及转座子介导的基因复制现象，这些特征可能共同促成了其全球分布和广泛的宿主范围^［40］。最近，利用牛津纳米孔测序技术对C. purpurea 3个菌株进行测序，完成了染色体水平的基因组组装，发现该物种存在8条染色体，且不同菌株间存在染色体间重排^［41］。麦角菌属相关物种基因组的发布，为该属物种多样性、遗传变异及进化等相关研究提供数据支持，然而该属物种基因组特征如何协同作用导致宿主范围的扩张等相关机制还有待进一步研究。

5　麦角菌次生代谢产物麦角生物碱及其合成基因家族的进化

麦角菌引发的麦角病虽年发病率较低，但其菌核中的麦角生物碱等次生代谢产物具有重要影响。一方面，这些代谢产物在食品或饲料中积累时，会对人类和动物健康构成严重威胁；另一方面，它们具有显著的药用价值，如麦角新碱用于产后治疗、麦角胺用于治疗偏头痛，以及α-二氢麦角隐亭、溴隐亭、卡麦角林和培高利特等用于帕金森病等^［1，7］。麦角生物碱的药用价值早在5 000多年前的中国和16世纪及18世纪的欧洲就有记载^［1，42］。麦角生物碱的重要性使麦角菌及其相关合成基因的研究成为热点，受到研究人员的普遍关注。

麦角生物碱的分离、纯化和鉴定始于19世纪后期，Wenzell和Tanre首次在黑麦麦角菌核提取物中发现其存在，至今已发现超过80种麦角生物碱，主要分为clavinet型、简单麦角酸胺和肽型，它们均以麦角林四环基团为核心结构，通过N6位甲基化和C8位的不同取代基而形成多样化的麦角生物碱，同时麦角生物碱还可以发生可逆的差向异构化（如麦角胺可产生对应的异构体麦角异胺等）^［43］。麦角生物碱常见种类主要有：麦角新碱（Eergometrine）、麦角生碱（Eergosine）、麦角柯宁碱（Ergocornine）、麦角隐亭（Ergocryptine）、麦角胺（Ergotamine）、麦角克碱（Ergocristine）及其差向异构体，这些生物碱在黑麦和小麦菌核中普遍存在^［44］。另外，麦角菌还可以产生其他的麦角毒素，如雀稗麦角生物碱和氧杂蒽酮二聚体与黑麦酮酸等^［43-44］。

麦角菌属真菌产生的麦角生物碱生物合成途径几乎已被解析清楚，其涉及的相关基因也已被鉴定。目前研究者已发现18个麦角生物碱合成相关的基因参与麦角生物碱的合成，但目前麦角菌属真菌仅涉及12个（dmaW、easF、easC、easE、easD、easA、easG、cloA、lpsB、lpsA、lpsC和easH），且往往成簇分布，这正是麦角菌属真菌能够合成广泛的麦角生物碱的原因所在^{［39，45］}。特别是该属模式种C. purpurea具有完整的麦角生物碱合成基因簇，致使其能够合成麦角新碱和复杂的麦角肽，如C. purpurea 20.1在其麦角生物碱生物合成途径中主要涉及dmaW、easF、easC、easE、easD、easA、easG、cloA、lpsB、lpsA、lpsC和easH 12个麦角生物碱合成基因，其中dmaW、easF、easC和easE负责关闭第三个环形成裸麦角碱（Chanoclavine），easD、easA、easG和cloA形成四环棒麦角素类（Tetracyclic clavines），最终在其他基因的作用下形成赖瑟酸酰胺类（如麦角胺和麦角新碱等）、二氢麦角碱类以及复合麦角肽类^{［39，46］}。然而麦角菌属真菌麦角生物碱合成相关的基因在进化过程中却发生了频繁的基因获得和丢失，如C. fusiformis在进化过程中丢失了部分基因（lpsB、lpsA、lpsC和easH），只能产生野麦角碱，而不生成拥有结构更复杂的麦角肽^［47］。Hicks等^［48］发现，不同宿主来源的C. purpurea菌株中麦角生物碱生物合成基因存在进化差异，尤其是非核糖体肽合成酶基因LpsA1和LpsA2的腺苷化位点存在遗传变异，导致lpsA基因位点的多样性，从而促使该物种不同菌株间麦角生物碱在结构和生物合成上表现出特异性。因此，麦角菌属真菌的麦角生物碱生物合成基因不仅在物种间发生了进化，物种内也存在显著的变异。

6　麦角菌引发的麦角病防控策略

麦角菌属真菌可侵染黑麦等粮食作物和牧草等经济作物导致麦角病的发生，进而影响产量和品质的降低，对人类与动物健康产生严重的危害^［1，22］。因此，制定有效的防控措施来控制或减轻作物中麦角病的影响意义重大。然而，目前没有任何一种防控措施对麦角病十分有效，但是可以从该病害发生涉及的“病原”“宿主”“环境条件”3个基本要素进行综合防控。

菌核萌发产生的子囊孢子是宿主发生麦角病的初始菌源，而“蜜露”中含有的分生孢子为次级菌源^［8］。降低菌源水平可有效防控麦角病的发生，具体措施^［1］包括：使用无菌核种子，防止播种时引入菌核；实施3~4年的轮作，种植非禾本科作物，减少田间菌核积累；深耕处理，将菌核深埋5 cm以上，防止子囊孢子释放；清洁田园，清除田间边缘的禾本科杂草和邻近的易感非作物宿主，减少次级菌源；焚烧秸秆，减少越冬菌核数量；延迟收获受感染田地，减少菌核混入收获物，并采用机械设备去除籽粒中的菌核。尽管这些方法有效，但部分措施成本较高，使用无麦角污染的种子和轮作是防控麦角病的最佳选择。

培育和种植抗病品种是防控麦角病最为经济、有效和安全的方法。宿主对麦角病的遗传抗性主要分为两类：花发育抗性和宿主免疫抗性^［1］。花发育抗性通过改变花朵的物理特征（如开花时间和形态）来降低麦角菌侵染风险，如黑麦通过增加花粉量和促进受精可有效降低麦角病发生水平^［49］。宿主免疫抗性则依赖于植物免疫系统的分子机制，相关研究始于20世纪70年代，已发现多个小麦品种的抗性位点，如硬粒小麦‘Greenshank’表现出显著的抗性，在1B、2A、5A和 5B染色体上含有4个抗性位点，其抗性位点已成功应用于硬粒小麦新品种‘A0709-BX05’的培育^{［8，20，49-51］}。尽管在主要粮食作物中已取得部分进展，但异交作物和牧草的抗性品种培育仍相对缺乏。

宿主植物种植过程中，土壤铜或硼缺乏会导致其花药发育不良、花粉败育，花朵持续开放，从而增加麦角病发生的风险，所以适当补充铜或硼可提高花粉育性，促进花朵受粉并闭合，降低麦角病风险^［1］。此外，干旱也会导致宿主种植花粉败育，从而增加麦角病发生的风险，因此种植过程中需合理灌溉。然而宿主植物开花期间，长时间喷灌同样会增加感染风险。

7　展 望

麦角菌凭借其独特的生物学特性及其对农业与医学的双重影响，已成为生态学、进化生物学、医药学及植物病理学等多学科交叉研究的重要对象。未来针对麦角菌研究应聚焦于生态适应性、基因组学与进化、次生代谢产物开发以及病害防控技术等核心领域。通过深入解析其生态位分化与环境适应机制，结合基因组学研究揭示关键致病因子和代谢途径的遗传基础，进一步挖掘次生代谢产物的药用潜力并优化其生物合成调控网络，研发新型绿色防控技术并完善综合防控体系。同时，系统开展本土麦角菌资源的普查与精准鉴定，摸清其种类、分布及宿主范围，将为分类学修订、种质资源创新利用及抗病育种提供重要支撑。在对我国云南、内蒙古和甘肃等地的麦角菌资源进行调查时，笔者发现我国麦角菌资源十分丰富，且存在多个新类群，这些地区可能是麦角菌分布的热点区域。综上所述，未来麦角菌研究需秉持多学科融合理念，持续深化生态适应性、进化机制、代谢产物功能与致病机理等核心领域的研究，为有效防控麦角病、保障国家粮食安全以及安全高效地开发其药用价值奠定理论基础并提供创新技术支撑。

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