Franz Berthiller

1 Laborator Christian Doppler pentru metabolizarea micotoxinelor, Departamentul pentru Agrobiotecnologie (IFA-Tulln), Universitatea de Resurse Naturale și Științe ale Vieții Viena, Tulln, Austria

recenzie

Colin Crews

2 Agenția pentru Cercetarea Alimentelor și Mediului, York, Marea Britanie

Chiara Dall'Asta

3 Departamentul de chimie organică și industrială, Universitatea din Parma, Parma, Italia

Sarah De Saeger

4 Laborator de analiză alimentară, Departamentul de Bioanaliză, Universitatea Ghent, Ghent, Belgia

Geert Haesaert

5 Facultatea de Bio-Inginerie Aplicată, Colegiul Universitar din Ghent, Ghent, Belgia

Petr Karlovsky

6 Secția de fitopatologie moleculară și cercetare a micotoxinelor, Universitatea din Goettingen, Goettingen, Germania

Isabelle P Oswald

7 INRA, UMR 1331 ToxAlim, Centrul de Cercetare în Toxicologie Alimentară, Toulouse, Franța

Walburga Seefelder

8 Departamentul de asigurare a calității și siguranței, Centrul de cercetare Nestlé, Nestec Ltd., Lausanne, Elveția

Gerrit Speyers

9 Efecte generale asupra sănătății Toxicologie Siguranța alimentelor (GETS), Nieuwegein, Olanda

Joerg Stroka

10 Institutul pentru materiale și măsurători de referință (IRMM), Centrul comun de cercetare al Comisiei Europene, Geel, Belgia

Abstract

1. Introducere

Toxinele naturale din alimente sunt metaboliții secundari ai plantelor, toxinele bacteriene, ficotoxinele și micotoxinele. Micotoxinele sunt metaboliți secundari ai ciupercilor toxice pentru animale și oameni și au fost revizuite (de exemplu [5]). Ciupercile care produc micotoxine relevante pentru agricultură sunt organisme fitopatogene care infectează plantele vii din câmp și/sau ciupercile de seră și saprofite care colonizează produsele vegetale după recoltare [6]. În timp ce doar un număr mic de specii fungice patogene ale plantelor sunt cunoscute pentru producerea de micotoxine, majoritatea ciupercilor de deteriorare secretă o serie de metaboliți toxici. Cele mai importante genuri fungice producătoare de micotoxine care se găsesc în produsele alimentare sunt Aspergillus, Fusarium, Alternaria și Penicillium.

Derivații de micotoxină care nu sunt detectabili prin tehnici analitice convenționale deoarece structura lor a fost modificată în plantă sunt desemnați micotoxine mascate [7, 53]. În cele ce urmează, termenul de detectare analitică convențională se referă la acele metode care au fost inițial dezvoltate numai pentru micotoxine specifice. Cu toate acestea, trebuie subliniat faptul că unele metode convenționale, cum ar fi ELISA, ar putea răspunde și la formele mascate, în timp ce acest lucru este puțin probabil pentru metodele bazate pe HPLC. Transformările chimice care generează micotoxine mascate sunt catalizate de enzimele plantelor, cel mai frecvent de enzimele implicate în procesele de detoxifiere.

Prelucrarea alimentelor, pe de altă parte, poate modifica și chimic micotoxinele, cu toate acestea, majoritatea compușilor de prelucrare a alimentelor sunt mai puțin toxici decât precursorii lor. Microorganismele utilizate în procesele de fermentare pot transforma micotoxinele în produse care, de asemenea, nu sunt detectate prin metode analitice utilizate în mod convențional pentru monitorizarea micotoxinelor. Acești derivați rezultați din activitățile enzimatice ale culturilor microbiene utilizate pentru fermentație, cum ar fi producerea de vin, bere, cârnați fermentați sau murături mixte, nu au fost până acum studiate.

Grupul de micotoxine mascate cuprinde atât soiuri extractibile conjugate, cât și soiuri legate (neextractabile). Micotoxinele legate sunt atașate covalent sau necovalent la matricile polimerice de carbohidrați sau proteine ​​[8]. Micotoxinele extrase conjugate pot fi detectate prin metode analitice adecvate atunci când structura lor este cunoscută și sunt disponibile standarde analitice. Micotoxinele legate, cu toate acestea, nu sunt direct accesibile și trebuie eliberate din matrice prin tratament chimic sau enzimatic înainte de analiza chimică.

Definiția micotoxinelor mascate implică faptul că analiza conținutului de micotoxină din probele care conțin acești compuși duce la subestimarea lor. Micotoxinele mascate pot eluda analiza datorită proprietăților fizico-chimice modificate ale moleculelor lor, ducând la un comportament cromatografic modificat, din cauza modificării unui epitop recunoscut de anticorpii utilizați pentru detectare sau din cauza eficienței afectate a extracției cauzată de polaritatea crescută atunci când este utilizat un solvent mai puțin polar pentru extragerea micotoxinelor nemodificate. Micotoxinele legate evită complet analiza convențională. Toate aceste efecte conduc la subestimarea conținutului total de micotoxine din probă. Modificările moleculelor de micotoxină care reduc sau elimină toxicitatea, pe de altă parte, pot duce la supraestimarea aparentă a contaminării cu micotoxine. Acest lucru se întâmplă atunci când metoda analitică detectează micotoxina modificată împreună cu molecula nemodificată, dar nu dezvăluie că semnalul analitic a provenit dintr-un derivat mai puțin toxic sau netoxic. Acest lucru este deosebit de relevant pentru metodele bazate pe legarea antigen-anticorp, deoarece epitopii recunoscuți de anticorpi și determinanții de toxicitate distruși prin modificare nu sunt necesari identici.

Scopul acestei revizuiri este de a rezuma cunoștințele actuale privind determinarea, apariția, toxicitatea și impactul micotoxinelor mascate.

2 Metabolismul plantelor legat de micotoxinele mascate

2.1 Sisteme de detoxifiere a plantelor

Plantele au sisteme de detoxifiere versatile pentru a contracara o mare varietate de compuși chimici fitotoxici, atât naturali, cât și naturali. Dintre acești compuși, micotoxinele sunt o țintă a proceselor metabolice de detoxifiere a plantelor, deoarece acestea pot interacționa cu funcțiile celulare vitale. Plantele sunt dotate cu două mecanisme majore de detoxifiere: modificarea chimică și compartimentarea.

Două tipuri de reacții sunt responsabile pentru modificările chimice ale xenobioticelor la animale. Reacțiile de fază I implică de obicei hidroliză sau oxidare, în timp ce reacțiile de fază II se caracterizează prin conjugare. Transformările chimice în faza I sunt tipice pentru xenobiotice lipofile, ceea ce înseamnă că majoritatea compușilor toxici hidrofili nu sunt afectați de această fază. Hidroliza în faza I este catalizată de esteraze și amidaze, dar oxidările catalizate de sistemul citocromului P-450 sunt reacțiile cele mai predominante [9, 10]. Reacțiile din faza I nu conduc întotdeauna la componente cu fitotoxicitate scăzută în comparație cu xenobioticul în sine; în unele cazuri, metabolitul este la fel de toxic ca și compusul părinte, iar în altele, există chiar o creștere considerabilă a toxicității [9].

Există multe studii care leagă detoxifierea parțială a substanțelor chimice administrate exogen cu activitățile UDP-glucoziltransferază (UGT) în plantă [13-15]. În special UGT-urile familiei 1 sunt implicate în detoxifierea xenobioticelor. Studiile bazate pe expresia recombinantă a glucozil transferazelor din Arabidopsis thaliana prezintă activități in vitro clare către o varietate de compuși endogeni ai plantelor [16]. Datele sugerează că există specificitatea substratului UGT în raport cu procesul de glicozilare a grupurilor chimice, deși informațiile derivate din experimente cu mutanți knock-out arată că diferite UGT-uri s-ar putea compensa reciproc pentru glicozilare. Studiile de concurență au arătat că anumite xenobiotice (de exemplu, 2,4,5 triclorofenol) afectează activitățile UGT-urilor către substraturi naturale și viceversa, sugerând că discuția între detoxifierea xenobioticelor și metaboliții endogeni poate apărea în plante, în funcție de prezența de substraturi concurente UGT [11, 17].

2.2 Metabolismul micotoxinelor vegetale versus animale

Reacțiile de detoxifiere de fază III la plante implică sechestrarea compușilor conjugați cu glucoză sau GSH în vacuol sau legarea lor ireversibilă de peretele celular. În acest fel, produsele de detoxifiere sunt depozitate permanent în țesutul plantei, mai degrabă decât excretate. Singurul mecanism care permite plantelor să elimine metaboliții detoxificați eficient în mediu este exsudarea rădăcinii. Este puțin probabil ca toxinele fungice produse în lăstari să fie transformate în rădăcini și exudate, deși a fost descris un transport pe termen lung al unui anumit conjugat GSH în rădăcini și secreția acestuia prin vârfurile rădăcinii [28]. Majoritatea toxinelor conjugate cu GSH se găsesc în vacuol. Acolo conjugatele pot fi supuse unor transformări ulterioare. De exemplu, conjugatele GSH pot suferi hidroliza legăturii peptidice a GSH, ducând la conjugate γ-glutamilcisteinil-S [29]. Au fost observate numeroase transformări suplimentare ale conjugatelor GSH [30], dar nu se știe dacă aceste procese apar cu conjugatele de micotoxină.

2.3 Creșterea plantelor

Urmărind o abordare genetică, Lemmens și colegii săi au demonstrat că capacitatea liniilor de grâu de a converti DON în deoxinivalenol-3-β-d-glucopiranozidă (D3G) a fost legată de un locus al trăsăturilor cantitative (QTL), desemnat Qfhs.ndsu-3BS care avea a fost raportat anterior ca fiind asociat cu rezistența la Fusarium head blight (FHB )31. Acest studiu a furnizat primele linii de dovezi pentru o legătură între rezistența la agentul patogen FHB și capacitatea plantelor de a metaboliza micotoxinele acestui agent patogen. Prezența genei de rezistență Fhb1 legată de Qfhs.ndsu-3BS scade în mod clar simptomele FHB, dar crește raportul D3G/DON. Cu toate acestea, Fhb1 reduce semnificativ suma părintelui și DON mascat. Piramidarea a mai multor QTL pentru rezistența FHB arată un efect aditiv pozitiv asupra rezistenței plantelor și a acumulării DON32.

Până în prezent, numeroase gene candidate UGT cu un posibil rol în detoxifierea DON au fost identificate în grâu și orz, pe baza activității lor crescute la o infecție cu Fusarium, un tratament DON sau un profil de expresie diferit la soiurile cu rezistență diferențială la FHB. Toate aceste gene UGT candidate codifică enzimele care transferă glucoza către molecule mici [33]. Folosind tehnologia Affymetrix GeneChip, nouă și șase gene UGT s-au dovedit a fi reglate în sus în timpul unei infecții cu Fusarium la orz și, respectiv, la grâu [34, 35]. Cercetările bazate pe patru gene UGT de orz și o genă UGT din grâu au indicat faptul că doar una dintre genele de orz propuse servește drept DON-glucoziltransferază care duce la rezistența DON și că gena propusă a grâului (TaUGT3) a fost inactivă [33]. Prin urmare, validarea unei funcții propuse a unei gene UGT candidate este foarte recomandată înainte de a investi resurse în eforturile de reproducere.

3 Apariția micotoxinelor mascate în alimente și furaje pe bază de plante

Metaboliții vegetali au fost identificați până acum pentru DON, nivalenol, fusarenonă-X, toxină T-2, toxină HT-2, ZEN, ochratoxină A (OTA), destruxine și acid fusaric (Fig. 1). Mai mult, există unele dovezi privind compartimentarea fumonisinelor în plante. În general, culturile de celule au fost utilizate pentru izolarea și identificarea structurală a metaboliților micotoxinei. Până în prezent s-a dovedit că numai zearalenona-14-β-D-glucopiranozidă (Z14G) și D3G apar în cerealele infectate natural, cum ar fi grâul, orzul și porumbul, în timp ce metilamida acidului fusaric s-a dovedit că apare în legumele infectate. În timp ce a fost dovedită apariția fumonisinelor legate (numite și ascunse) la porumbul brut, precum și la alimentele derivate din cereale, natura mecanismului de mascare nu a fost complet clarificată.