创新的光动力方法用于抑制食品腐败——通过线粒体氧化应激作用灭活扩展青霉（Penicillium expansum）

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Innovative photodynamic inactivation of food spoilage Penicillium expansum through mitochondrial oxidative stress

　　青霉病真菌的线粒体氧化应激和功能障碍是光合动力灭活（PDI）导致其死亡的关键机制，PDI通过诱导ROS爆发抑制三羧酸循环酶和呼吸复合体活性，添加ROS抑制剂可逆转损伤，证实PDI具有广谱抗真菌潜力。

　　

Fang Zhang|Zirui Wang|Xiaomin Yang|Shuqi Hao|Xianghong Meng

中国海洋大学食品科学与工程学院，青岛266000，中国

摘要

本研究确定线粒体是光动力灭活（PDI）微生物的关键部位，而细胞内部结构的破坏是其死亡的关键因素。结果表明，基于姜黄素的PDI在60分钟的处理后完全抑制了Penicillium expansum (P. expansum)在苹果上的病斑发展。其详细机制是PDI诱导Penicillium expansum产生活性氧（ROS），导致线粒体膜通透性和功能结构严重受损。此外，关键的TCA循环酶和线粒体呼吸复合体的活性降低了约50％，这表明PDI抑制了一系列与细胞呼吸和能量代谢相关的生化介质。同样，向真菌培养物中添加ROS抑制剂可以逆转PDI对P. expansum的损害作用，证实ROS的产生是真菌细胞死亡的主要原因。总之，我们的结果表明，PDI通过诱导线粒体氧化应激和功能损伤杀死了P. expansum，这在文献中是首次提出。

引言

光动力灭活（PDI）是一种利用特定波长的光激活光敏剂并产生活性氧（ROS）（如羟基自由基（HO·）、过氧化氢（H₂O₂）、超氧阴离子（O^2-·）和单线态氧（¹O₂）的过程，通过两个光化学反应发挥细胞毒性并杀死细胞（Yamada等人，2020年）。目前，PDI已被广泛用于医疗领域作为成熟的癌症治疗方法（Algorri等人，2021年）。然而，近年来越来越多的研究表明，由于其操作简单且难以产生耐药性，PDI在预防和控制食品中的病原微生物方面具有巨大潜力，市场前景广阔（Zhu等人，2021年）。

ROS是正常细胞代谢的副产物，参与免疫反应和细胞信号传导等各种生理过程，在维持细胞稳态中起着重要作用（Zou等人，2017年）。然而，当ROS过量产生时，细胞内的氧化还原平衡被破坏，导致氧化应激，从而损伤细胞成分如脂质、蛋白质和核酸，最终杀死细胞（Redza-Dutordoir & Averill-Bates，2016年）。在线粒体这些细胞器中，线粒体作为细胞内ROS的主要来源之一，在这一过程中起着重要作用。

线粒体具有独特的双膜结构，外膜光滑，内膜折叠成嵴。嵴的存在大大增加了用于ATP生产的表面积（Rampelt等人，2017年）。线粒体被称为真核细胞的“能量工厂”，主要负责提供细胞所需的大部分ATP（Vercellino & Sazanov，2022年）。除了这一功能外，线粒体还参与其他细胞过程，如调节细胞周期生长、钙信号传导、程序性细胞死亡等（Chakrabarty & Chandel，2021年）。总之，线粒体是重要的细胞器，在细胞呼吸和能量代谢以及其他重要细胞过程中发挥着关键作用。

Penicillium expansum是一种常见的采后果实腐烂真菌，会感染苹果和梨等水果，引起蓝霉病，造成巨大的经济损失和食品安全问题（Wang等人，2023年）。我们之前的研究表明，天然光敏剂姜黄素（CUR）介导的PDI可以通过诱导细胞内ROS的产生来诱导P. expansum的凋亡，但其作用机制尚不清楚（Pang等人，2022年；Song等人，2020年）。本研究基于对线粒体氧化应激标志物的检测，改进了PDI诱导P. expansum凋亡的生物学机制，为PDI作为抗真菌剂的应用提供了理论依据。

部分摘录

真菌种类和光动力处理

P. expansum菌株在28℃下使用马铃薯葡萄糖琼脂（PDA）培养，并在4℃下保存。本研究中使用的孢子在PDA上培养7天后，用20mL无菌水浸泡后刮下，用血细胞计数器计数孢子数量，并在4℃下保存，以便在一个月内使用。

光源设备是在实验室独立设计和组装的，使用了波长为420纳米的发光二极管（LEDs）阵列。

PDI处理对苹果果实中P. expansum的影响

为了模拟真实的P. expansum情况，使用孢子悬浮液接种苹果伤口。如图1所示，与对照组相比，PDI处理显著抑制了苹果表面病斑直径的增加，并延缓了P. expansum在苹果果实中的发展。当PDI处理25分钟后，病斑的扩展被抑制了60％以上。为了进一步探讨PDI处理对P. expansum发生和发展的影响，进行了进一步的研究。

讨论

根据我们的初步研究，直到PDI处理的后期阶段，细胞外部屏障才出现可观察到的损伤，而细胞内容的氧化在PDI处理的早期阶段就已经发生。考虑到外源性ROS的传输距离太短，无法穿过细胞壁和膜这两层屏障结构，这表明少量的外源性ROS可能诱导细胞内ROS的产生和积累（

结论

总之，本研究证实了PDI对P. expansum的有效性，并首次确定线粒体是主要的亚细胞靶标。该处理引发了快速的ROS爆发，导致线粒体严重的形态和功能损伤，抑制了细胞能量代谢，启动了致命的氧化应激循环，最终导致细胞死亡。这一机制得到了PDI损伤通过抗氧化手段逆转的强有力支持。

CRediT作者贡献声明

Fang Zhang：撰写——原始草稿，项目管理，概念构思。Zirui Wang：可视化，方法学，调查。Xiaomin Yang：可视化。Shuqi Hao：可视化。Xianghong Meng：撰写——审阅与编辑，监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号32172275）和中央高校基本科研业务费（编号202441013）的支持。