煙草赤星病高效生防內生細菌的分離篩選及發酵培養條件優化

蔡永占， 白 濤， 劉冬梅， 邱春麗， 符宗偉， 朱穎勛， 華小兵， 趙崇鈞， 張 琪

(1.云南省煙草公司曲靖市公司，云南曲靖 655000；2.云南省微生物發酵工程研究中心有限公司，云南昆明 650217)

煙草赤星病(tobacco brown spot disease，TBSD)是由鏈格孢菌在煙葉成熟時期侵染造成病斑的一種真菌性病害，在各煙區普遍發生，直接影響煙葉的產量和品質，給煙農帶來巨大的經濟損失，是煙草生產上威脅最大的病害之一。現階段對煙草赤星病的防治方法主要有2種。一種是篩選具有抗病性的煙草品種或通過田間措施增強植株抗性；另一種是使用化學藥劑防治。目前國內針對煙草赤星病的化學藥劑主要有氟硅唑、異菌脲、菌核凈、嘧菌酯、醚菌酯、多菌靈、甲基硫菌靈和腐霉利等。化學藥劑防治雖取得了一些成效，但因其選擇性差、高殘留和不易降解，也造成了生態環境被破壞、煙葉品質下降、環境污染加重、抗藥性問題日益突出等后果，且赤星病一般在煙葉成熟期發病，農藥殘留會影響卷煙質量及人類身體健康。因此研究開發出能防治赤星病的生物防控技術尤為重要。

篩選煙草赤星病病菌拮抗菌是實施生物防控的一項重要工作，也是近年來國內外科研工作者研究的熱點。方敦煌等從煙草赤星病病斑上分離得到14株拮抗赤星病病菌的微生物，對峙培養發現其中6株對赤星病主要病原鏈格孢菌()具有不同致病力的6個菌株均具拮抗作用；馬冠華等從幾個不同煙草品種的不同生長時期的不同生長部位中分離得到近 2 000 株內生細菌，經過篩選得到4株對赤星病菌的生長都有較強抑制作用的細菌；馬志遠從陜西、云南、湖北和河南 4 省煙區的煙草根際土壤和煙葉中分離篩選到10株對赤星病菌有拮抗效果的芽孢桿菌，其中 M-07 菌株的拮抗效果最好，抑菌條帶寬度達到14.2 mm。目前，大多數研究還只停留在實驗室階段，少見煙草赤星病病菌拮抗菌規模化生產應用的報道，同時由于大多數拮抗菌的針對性不強，導致田間應用的防治效果和穩定性都相對較差。本研究以曲靖煙區分離得到的煙草赤星病病原菌為靶標，從曲靖煙區健康煙株內分離得到高效生防內生細菌，并對其發酵培養基進行優化，旨在為其規模化生產應用奠定基礎，為曲靖煙區煙草赤星病的防治提供新思路。

1 材料與方法

1.1 試驗時間和地點

1.1.1 試驗時間 2020年2月7日至6月23日。

1.1.2 試驗地點 云南省安寧市青龍鎮禹龍甸云南省微生物發酵工程研究中心有限公司實驗室。

1.2 供試材料

1.2.1 供試菌株 供試的煙草赤星病病原真菌鏈格孢菌由筆者所在課題組前期從曲靖煙區的病葉上分離純化獲得，現保藏于云南省微生物發酵工程研究中心有限公司菌種庫，菌株編號：YWFB-19-0013。

1.2.2 供試植株 供試健康煙株的根、莖、葉采自云南省曲靖市宣威市、麒麟區和師宗縣，烤煙品種為K326。

1.2.3 供試培養基 LB培養基：用于煙草內生細菌的分離培養。配方如下(1 L)：蛋白胨10 g，酵母提取物5 g，NaCl 5 g，加入蒸餾水定容至1 L，充分溶解后，調節pH值至7.0，經121 ℃高壓蒸汽滅菌 15 min 即可。加入1.5%瓊脂，同等條件滅菌，即可得到LB固體培養基。

馬鈴薯蔗糖(PSA)培養基：用于具拮抗作用的生防菌株篩選。配方(1 L)如下：馬鈴薯200 g，蔗糖14 g，加入蒸餾水定容至1 L，充分溶解后，經121 ℃高壓蒸汽滅菌15 min即可。加入1.5%瓊脂，同等條件滅菌，即可得到PSA固體培養基。

發酵培養基原始配方：用于拮抗菌發酵培養基的優化。配方(1 L)如下：大豆粉14 g，蛋白胨2 g，玉米粉4 g，碳酸鈣6 g，魚粉2 g，蔗糖3 g，氯化鈉0.3 g，磷酸二氫鉀0.3 g，磷酸氫二鉀0.3 g，硫酸錳0.2 g，硫酸鎂0.3 g，硫酸銨0.5 g，加入蒸餾水定容至1 L，充分溶解后，經121 ℃高壓蒸汽滅菌15 min即可。

1.3 試驗方法

1.3.1 煙草內生細菌的分離 將煙草的根、莖、葉分別用自來水沖洗干凈后，先在70%乙醇中振蕩浸泡1 min，再用有效氯含量1%的次氯酸鈉溶液振蕩浸泡1～5 min進行表面消毒后，用滅菌水沖洗3次，于滅菌的研缽中研磨，將研磨汁液涂布于LB平板上。以組織消毒后用滅菌水沖洗的最后一次沖洗液涂板作為對照，檢測樣品表面消毒是否徹底，如長菌落，研磨液所涂平板上長的菌落為非內生細菌，棄去；若對照中無菌落，在研磨液中長出的菌落可能是內生細菌，隨機挑取形態不同的菌落進行純化培養并保存。

1.3.2 鏈格孢菌拮抗內生細菌的初篩和復篩 以煙草赤星病病原菌為指示菌，在PSA平板底部中心用記號筆點上一個點，以它為中心，在距離中心 3 cm 處按十字交叉點上4個點，將煙草赤星病病原菌菌餅接在PSA平板中心，在距中心3 cm 處的4個點上用接種環點接分離出的煙草內生菌，以中心向四周輻射方向未點接煙草內生菌為空白對照，各平板正置于28 ℃培養1周，測量不同煙草內生菌對煙草赤星病病原菌的抑制效果。

用同樣的方法將初篩中抑菌帶較寬的菌株進行復篩，各平板正置于28 ℃培養24 h后測定復篩菌株對煙草赤星病病原菌的抑菌率。

1.3.3 拮抗內生細菌發酵培養基優化研究 應用Design-Expert軟件，采用響應面法對抑菌率最高的拮抗菌進行發酵培養基的優化。配制Design-Expert軟件程序設計的培養基配方，以1/1 000的接菌量接入種子液，于35 ℃，160 r/min的恒溫搖床內培養72 h后取樣檢測其菌含量。

1.3.4 數據統計與分析處理

采用 Excel 和 Design-Expert軟件來進行試驗數據的分析與處理。

2 結果與分析

2.1 煙草內生細菌的分離

將所采集的煙草根、莖、葉表面消毒后，一共分離得到71株內生細菌，將其編號為YWF-19-0001至YWF-19-0071。部分內生細菌的平板照片見圖1。

2.2 鏈格孢菌拮抗內生細菌的篩選

以分離得到的71株煙草內生細菌為目標菌，采用對峙平板法測定其對鏈格孢菌的抑制作用。由表1可知，對鏈格孢菌具有抑制作用的有22株，其中抑菌帶寬度≥10 mm的有5株，5 mm≤抑菌帶寬度<10 mm的有7株，抑菌帶寬度<5 mm的有10株。部分內生細菌對鏈格孢菌的抑制效果見圖2。

表1 拮抗鏈格孢菌內生細菌初篩結果

2.3 鏈格孢菌拮抗內生細菌的復篩

將上述試驗中效果較為明顯的5株內生細菌再次對煙草赤星病病菌進行拮抗驗證，對病原菌菌絲生長的抑制效果如表2所示。從表2可知，YWF-19-0004 、YWF-19-0065、YWF-19-0068、YWF-19-0070 和YWF-19-0071的平均抑菌帶寬度分別為10.6、10.3、12.5、11.8、12.3 mm，抑菌率分別為51.25%、50.67%、56.70%、53.33%和55.58%。

表2 拮抗內生細菌對鏈格孢菌菌絲生長的抑制效果

2.4 生防內生細菌發酵培養基的優化

2.4.1 主要影響因素的確定 應用Design-Expert軟件，采用響應面法對抑菌率最高的YWF-19-0068菌株進行發酵培養基的優化。響應面法的Plackett burman 設計是從多種因素中選取對試驗指標有顯著影響的因子，為下一步研究提供參考。影響發酵液菌量的碳源有碳酸鈣、蔗糖、玉米粉。氮源有大豆粉、蛋白胨、魚粉。PB試驗篩選YWF-19-0068菌株基礎發酵培養基中的顯著因子，對基礎培養基的6個組分：玉米粉(A)、大豆粉(B)、魚粉 (D)、碳酸鈣(E)、蛋白胨(G)、蔗糖(H)進行全面考察，選擇11因子2水平的試驗設計，增加5個虛擬項(C、F、J、K、L)來估計試驗誤差。每個因子取高低2個水平。分別取高值和低值為：玉米粉濃度4、8g/L，大豆粉濃度10、16g/L，魚粉濃度2、6 g/L，碳酸鈣濃度4、8 g/L，蛋白胨濃度2、6 g/L，蔗糖濃度5、10 g/L。PB試驗設計與結果如表3所示。

利用響應面分析軟件對表3中的試驗數據進行分析，得到回歸模型方差分析和各因素的主效應結果(表4、表5)，該模型的值為0.019 5<0.05，說明該模型顯著，能較好地擬合數據。根據值的大小可以判定，培養基中各因子對YWF-19-0068菌株菌量影響的重要性排序為 蔗糖濃度>玉米粉濃度>碳酸鈣濃度>蛋白胨濃度>魚粉濃度>大豆粉濃度。蔗糖濃度、玉米粉濃度和碳酸鈣濃度3個因子的值均小于 0.05，說明其對YWF-19-0068菌株菌量有顯著影響，因此選定蔗糖濃度、玉米粉濃度和碳酸鈣濃度作為下一步試驗的關鍵因素。

表3 PB 試驗設計及結果

表4 Plackett burman 試驗分析與結果

表5 Plackett burman 試驗回歸分析結果

2.4.2 最適濃度范圍的確定 對蔗糖 、玉米粉和碳酸鈣濃度3個主要影響因子進行最陡爬坡路徑試驗，確定此3個因子的最適濃度范圍(表6、圖3)。 蔗糖、玉米粉和碳酸鈣濃度對發酵液含菌量均是正影響，為正值，當蔗糖濃度為11 g/L，玉米粉濃度為7 g/L，碳酸鈣濃度為5 g/L 時對應的發酵液含菌量達到最大值，對鏈格孢屬病原菌抑菌率達67%以上，為3個因子的最大響應值區域。

表6 最陡爬坡路徑試驗設計及結果

2.4.3 響應面分析 采用 Box-Behnken 的中心組合設計原理，以蔗糖濃度11 g/L、碳酸鈣濃度5 g/L和玉米粉濃度7 g/L為中心點施行響應面分析，設計3 因素3水平的響應面分析試驗，各自變量水平見表7，試驗設計及結果見表8。

表7 響應分析法設計因子及水平

表8 響應分析法試驗設計及結果

1511029.0516-10130.451700038.56

響應面分析法對菌含量濃度的分析見表9，由表9可知，本試驗二次多項回歸方程的值小于 0.05，說明模型顯著，回歸方程失擬項檢驗值為 0.235 9>0.05，說明失擬項不顯著，未知因素對試驗結果干擾小。擬合檢驗顯著，說明所建立的模型是有效的，與實際情況擬合，3 個參數對菌含量濃度的影響是顯著的。

表9 響應面分析法對菌含量濃度的分析

根據回歸方程所做出的響應曲面和等高線圖見圖4。如果等高線圖形呈橢圓形，說明2個因素的交互作用顯著，如呈圓形，說明交互作用不顯著；等高線的密集程度可說明該因子對菌含量影響的大小。由圖4可以看出，等高線為橢圓形，說明交互作用顯著。等高線的疏密可以看出玉米粉濃度和碳酸鈣濃度對菌含量的影響>蔗糖和玉米粉濃度對菌含量的影響>蔗糖和碳酸鈣濃度對菌含量的影響。

2.4.4 優化試驗驗證 在相同的發酵條件下利用基礎培養和優化后的培養基對YWF-19-0068菌株進行發酵的結果見表10。從表10中可以看出，采用優化后的培養基進行發酵，菌量為36.85×10CFU/mL，是基礎培養基發酵所得菌量8.24×10CFU/mL 的4.47倍。

表10 發酵培養基優化前后的結果對比

3 討論與結論

國家煙草專賣局提倡綠色防控理念，減少化學農藥使用，采用微生物菌劑或其他綠色防控措施替代化學農藥，這已經成為煙草病蟲害防控的主要思路。因此，篩選出具有生防功能的微生物，將其應用到煙草生產中，并評價其針對煙草赤星病的防控效果，對煙草赤星病防控、生態環境保護以及人們生命健康具有重大意義。而在進行工業發酵時，碳源和氮源是微生物細胞和代謝產物的重要營養物質，也是發酵培養基的重要組成部分，不同細菌對各種營養物質的需求量不同。通過優化發酵培養基配方，提高發酵液中的菌含量，為大規模工業化生產奠定基礎，有助于降低生產成本，提高制劑的生防效果。

本研究利用煙草鮮樣，分離出煙草內生細菌共計71株，編號YWF-19-0001～YWF-19-0071，并以煙草赤星病病原真菌鏈格孢菌為指示菌， 篩選出15株對其具有拮抗作用的菌株。針對其中抑制作用效果較好的菌株進行復篩，最終得到5株抑菌帶寬≥10 mm、抑菌率≥50%的拮抗菌，編號分別為YWF-19-0004、YWF-19-0065、YWF-19-0068、YWF-19-0070、YWF-19-0071。

應用Design-Expert軟件，采用響應面法對抑菌率最高的YWF-19-0068菌株進行發酵培養基的優化研究，獲得YWF-19-0068菌株的優化培養基配方：大豆粉濃度14 g/L，蛋白胨濃度2 g/L，魚粉濃度2 g/L，蔗糖濃度11 g/L，玉米粉濃度為 7 g/L，碳酸鈣濃度5 g/L，氯化鈉濃度0.3 g/L，磷酸二氫鉀濃度0.3 g/L，磷酸氫二鉀濃度0.3 g/L，硫酸錳濃度0.2 g/L，硫酸鎂濃度0.3 g/L，硫酸銨濃度0.5 g/L。利用優化培養基進行發酵，YWF-19-0068菌株的菌量為36.85×10CFU/mL，是基礎培養基發酵所得菌量8.24×10CFU/mL的4.47倍，說明優化培養基能有效提高YWF-19-0068菌株的菌量，有助于降低生產成本，具有較高的實用價值。

總而言之，從健康的煙草植株中，可篩選出煙草赤星病高效生防內生細菌，通過對其發酵培養基進行優化研究，可以有效提高生防菌的菌量，為其規模化生產奠定基礎。本研究團隊將繼續進行煙草內生菌株防治煙草赤星病的研究，旨在將篩選出的菌株制成菌劑應用于田間，并研究其田間驗證效果，為煙草內生菌株在煙草赤星病防控方面提供基礎及技術支撐，也為其在后期的推廣應用提供數據支撐。