胡逸超,蘇 贊,雷 薇,陳義昌,鄒克興,陳 琦*,鄒承武
(1廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心,廣西南寧 530001;2南寧國(guó)拓生物科技有限公司,廣西南寧 530001;3廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院/植物科學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,廣西南寧 530004)
【研究意義】未處理的煙葉和成品煙均可能滋生煙草甲(),對(duì)煙草工業(yè)造成較大危害。據(jù)估計(jì),煙草甲造成的損失占每年煙草總量的0.7%~1.0%(Famham et al.,2007;Edde,2019;夏麗媛等,2020)。目前主要采用熏蒸法防控?zé)煵菁?,此法雖然毒殺煙草甲的效果顯著,但越來(lái)越多的研究表明煙草甲具有對(duì)磷化氫的基因遺傳抗性,導(dǎo)致磷化氫使用量不斷提高,引起了行業(yè)對(duì)食品安全的擔(dān)憂(yōu),制定了更嚴(yán)格的法規(guī)制約磷化氫使用(齊緒峰等,2006a;呂建華等,2016)。因此,開(kāi)發(fā)綠色環(huán)保的煙草甲防控技術(shù)成為新的研究熱點(diǎn)?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】蘇云金芽孢桿菌(,)在產(chǎn)孢的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生伴孢晶體,即殺蟲(chóng)晶體蛋白(Insecticidal crystal proteins),對(duì)鱗翅目、雙翅目、鞘翅目、膜翅目及同翅目等昆蟲(chóng)有特異性毒殺作用,而對(duì)環(huán)境和非靶標(biāo)生物安全,因此廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的植物保護(hù)領(lǐng)域(Sanchis and Bourguet,2008;崔瑩瑩,2009;Sanahuja et al.,2011;Jouzani et al.,2017;胡逸超等,2020)。煙草甲作為鞘翅目昆蟲(chóng),從倉(cāng)儲(chǔ)煙葉中分離對(duì)煙草甲幼蟲(chóng)具有殺蟲(chóng)活性的菌株用于生物防治煙草甲,預(yù)示了制劑在防治倉(cāng)儲(chǔ)煙葉害蟲(chóng)方面有廣闊的應(yīng)用前景(齊緒峰等,2006b)。有研究人員從2652株菌株中篩選出28株菌株產(chǎn)生的伴孢晶體具有毒殺煙草甲的作用,其中致死率最高的菌株毒殺率達(dá)45.3%(Tsuchiya et al.,2002)。胡逸超等(2019)從廣西50份倉(cāng)儲(chǔ)煙葉中篩選獲得1株菌株,其對(duì)煙草甲的毒殺率高達(dá)72.5%。使用產(chǎn)生的芽孢進(jìn)行噴施是較為長(zhǎng)效的防控?zé)煵菁椎姆椒?,目前尚無(wú)研究表明的使用會(huì)對(duì)人體或動(dòng)物產(chǎn)生危害(Sanahuja et al.,2011)。有研究指出,菌劑應(yīng)用到煙葉上不影響煙葉的化學(xué)成分及評(píng)吸效果,但未見(jiàn)詳細(xì)數(shù)據(jù)報(bào)道(Blanc et al.,2014)。在煙葉中添加微生物除了可用于防控蟲(chóng)害,還可能加速醇化速度或優(yōu)化煙葉質(zhì)量。Zhao等(2007)研究表明,微生物對(duì)于醇化過(guò)程中煙葉的香氣改善和刺激性氣味去除具有重要作用。微生物可通過(guò)代謝物和酶的作用促進(jìn)煙葉中生物大分子的轉(zhuǎn)化,從而減少煙堿、亞硝胺等有害成分,增加香味,改善品質(zhì)特性(Maldonado-Robledo et al.,2003;Liu et al.,2015)。微生物菌劑的應(yīng)用不僅會(huì)縮短煙葉發(fā)酵周期,還可改善煙葉香氣(張亞恒等,2015)。芽孢桿菌處理會(huì)降低煙葉中的多種亞硝胺類(lèi)物質(zhì)(Wei et al.,2014)。由此可見(jiàn),人為添加微生物可能會(huì)影響煙葉的醇化效果?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前,已有使用菌株對(duì)煙草甲進(jìn)行防控的研究(齊緒峰等,2006b),但關(guān)于使用菌株對(duì)煙草各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)及煙葉微生物多樣性的影響尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。本團(tuán)隊(duì)前期研究發(fā)現(xiàn)1株對(duì)煙草甲具有較強(qiáng)毒殺率的菌株(胡逸超等,2019,2020),擬通過(guò)研究該菌株在煙草倉(cāng)庫(kù)中使用是否對(duì)煙葉的各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)和煙葉微生物多樣性造成影響,評(píng)估菌株用于煙草倉(cāng)庫(kù)毒殺煙草甲的應(yīng)用前景?!緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】對(duì)噴施菌劑并進(jìn)行醇化后的煙葉進(jìn)行化學(xué)成分和評(píng)吸分析,并通過(guò)16S rDNA擴(kuò)增子高通量測(cè)序分析煙葉的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化,以期為煙葉倉(cāng)庫(kù)中應(yīng)用菌劑防控?zé)煵菁椎目尚行院桶踩栽u(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。
試驗(yàn)用煙:2018年廣西B3F復(fù)烤煙葉(廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司武鳴倉(cāng)庫(kù))。試驗(yàn)菌株:從倉(cāng)庫(kù)貯煙中分離的具有煙草甲毒殺作用的蘇云金芽孢桿菌GXZY032(胡逸超等,2019)。
菌株GXZY032挑取單菌落經(jīng)小體積培養(yǎng)活化后,按照1∶100的比例接種于1000 mL NB培養(yǎng)基中。培養(yǎng)72 h(30 ℃,200 r/min),通過(guò)顯微鏡鏡檢計(jì)數(shù)確認(rèn)芽孢含量達(dá)10個(gè)/mL后,離心(8000 r/min,30 min)收集菌體及芽孢,用無(wú)菌水洗滌2次后去除上清,將菌體進(jìn)行冷凍干燥,制成粉劑。按照1 kg煙葉施用0.1 g菌劑的比例,將菌劑均勻噴施到煙葉上。用牛皮紙包裝煙葉,每件煙葉重約100 kg,于2018年4月放置于廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司武鳴廠(chǎng)區(qū)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)進(jìn)行醇化,倉(cāng)庫(kù)溫度維持在6~32 ℃,濕度控制在49%~94%。不施用菌劑的煙葉作為對(duì)照組,施用菌劑的煙葉作為處理組,每組均設(shè)3個(gè)重復(fù)。
1.3.1 樣品采集 煙葉進(jìn)行醇化后,于第12個(gè)月開(kāi)始,每隔2個(gè)月取樣一次,采用五點(diǎn)取樣法進(jìn)行取樣,取樣位置至少距離上層煙葉15 cm,每次取樣500 g,共采集7次。
1.3.2 煙葉化學(xué)成分測(cè)定 分別參考YC/T 468—2013《煙草及煙草制品 總植物堿的測(cè)定 連續(xù)流動(dòng)法》、YC/T 161—2002《煙草及煙草制品 總氮的測(cè)定 連續(xù)流動(dòng)法》、YC/T 159—2002《煙草及煙草制品 水溶性糖的測(cè)定 連續(xù)流動(dòng)法》、YC/T 217—2007《煙草及煙草制品 鉀的測(cè)定 連續(xù)流動(dòng)法》、YC/T 162—2002《煙草及煙草制品 氯的測(cè)定 連續(xù)流動(dòng)法》和YC/T 216—2013《煙草及煙草制品 淀粉的測(cè)定 連續(xù)流動(dòng)法》的方法測(cè)定煙葉總植物堿、總氮、總糖、還原糖、鉀、氯和淀粉含量?;瘜W(xué)成分分析使用AutoAnalyzer 3 HR連續(xù)流動(dòng)分析儀(德國(guó)Seal Analytical公司),主要化學(xué)試劑均為分析純。
1.3.3 感官質(zhì)量評(píng)價(jià) 依據(jù)YC/T 530—2015《烤煙 煙葉質(zhì)量風(fēng)格特色感官評(píng)價(jià)方法》的方法,由廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司組織評(píng)吸專(zhuān)家對(duì)煙葉進(jìn)行單體煙評(píng)吸,對(duì)香氣質(zhì)、香氣量、雜氣、刺激性、透發(fā)性、柔細(xì)度、甜度、余味、濃度和勁頭等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)吸人數(shù)及評(píng)吸分?jǐn)?shù)參照楊松等(2018)的方法。
1.4.1 樣品采集 采集施用菌劑并醇化24個(gè)月后的煙葉作為處理組,以同時(shí)期未施用菌劑的煙葉作為對(duì)照組,每組設(shè)3個(gè)重復(fù)。
1.4.2 DNA提取 采用多糖多酚植物基因組DNA提取試劑盒[天根生化科技(北京)有限公司],參照說(shuō)明書(shū)提取樣品基因組DNA。所得基因組DNA經(jīng)NanoDrop 2000(美國(guó)ThermoFisher公司)檢測(cè)純度,Qubit3.0 Fluorometer熒光計(jì)(美國(guó)ThermoFisher公司)測(cè)定濃度。
1.4.3 16S rDNA擴(kuò)增子測(cè)序 采用引物341F(5'-CCTAYGGGRBGCASCAG-3')和806R(5'-GGACTA CNNGGGTATCTAAT-3')擴(kuò)增細(xì)菌16S rDNA基因的V3~V4區(qū)(Sinclair et al.,2015),所得PCR產(chǎn)物經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)及濃度檢測(cè),等量混池后使用TruSeq DNA PCR-free Sample Preparation Kit(美國(guó)Illumina公司)進(jìn)行文庫(kù)構(gòu)建,具體操作步驟參照說(shuō)明書(shū)。所得文庫(kù)使用NovaSeq6000(美國(guó)Illumina公司)進(jìn)行雙端測(cè)序(Paired-End),雙向各測(cè)250 bp。
使用FLASH 1.2.7對(duì)測(cè)序所得reads進(jìn)行拼接(Mago? and Salzberg,2011),Qiime 1.7.0過(guò)濾低質(zhì)量tags,以UCHIME Algorithm獲得Effective tags(Edgar et al.,2011),再用Uparse 7.0.1001進(jìn)行聚類(lèi)(Edgar,2013),相似性達(dá)97%的序列歸為一個(gè)分類(lèi)單位(Operational taxonomic units,OTU),選取頻率最高的序列作為OTU序列。使用Mothur根據(jù)SILVA中的SSU數(shù)據(jù)庫(kù)(Quast et al.,2013)對(duì)OTUs進(jìn)行各分類(lèi)水平注釋?zhuān)肞yNAST 1.2(Yilmaz et al.,2013)對(duì)OTU序列發(fā)生關(guān)系進(jìn)行計(jì)算,對(duì)各樣品的數(shù)據(jù)進(jìn)行均一化處理。根據(jù)所有樣品的物種注釋結(jié)果和OTUs豐度信息,將相同分類(lèi)的OTUs信息合并處理得到物種豐度信息表。使用Qiime 1.7.0計(jì)算各樣品的Alpha多樣性指數(shù)。利用OTUs之間的系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系,計(jì)算Unweighted unifrac(Unifrac)距離(Lozupone and Knight,2005),以O(shè)TUs豐度信息對(duì)Unifrac距離進(jìn)一步構(gòu)建Weighted Unifrac距離(Lozupone et al.,2007)。通過(guò)多變量統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行主坐標(biāo)分析(Principal co-oridinates analysis,PCoA)。
組間差異顯著性分析采用Student’stest(test)分析,<0.05視為差異顯著。根據(jù)分析所獲得的數(shù)據(jù),采用Prism 8.4.0繪制柱狀圖及散點(diǎn)圖。
菌劑處理對(duì)煙葉常規(guī)化學(xué)成分的影響見(jiàn)表1。處理組煙葉的總糖、還原糖、總植物堿和淀粉平均含量高于對(duì)照組,而鉀和總氮平均含量低于對(duì)照組。差異顯著性分析結(jié)果顯示,7種常規(guī)化學(xué)成分在2組之間無(wú)顯著性差異(>0.05,下同),表明菌劑處理不會(huì)在醇化時(shí)造成煙葉總糖、還原糖、氯、總植物堿、鉀、總氮和淀粉等化學(xué)成分的明顯變化。
菌劑處理對(duì)煙葉感官質(zhì)量的影響見(jiàn)圖1。隨著醇化時(shí)間的延長(zhǎng),對(duì)照組和處理組煙葉香氣量(圖1-B)、濃度(圖1-I)和勁頭(圖1-J)的得分表現(xiàn)出一定的降低趨勢(shì)。綜合來(lái)看,處理組煙葉的香氣質(zhì)(圖1-A)、刺激性(圖1-D)、透發(fā)性(圖1-E)、柔細(xì)度(圖1-F)、甜度(圖1-G)、余味(圖1-H)和勁頭的平均評(píng)分稍低于對(duì)照組,其中香氣質(zhì)、透發(fā)性和甜度的平均評(píng)分在處理組和對(duì)照組間存在顯著差異(<0.05,下同);處理組煙葉的香氣量、雜氣(圖1-C)和濃度的平均評(píng)分高于對(duì)照組,其中香氣量和雜氣的平均評(píng)分在處理組和對(duì)照組間分別達(dá)顯著和極顯著(<0.01)差異水平。因此,經(jīng)菌劑處理的煙葉香氣量增加、雜氣減少。評(píng)吸總評(píng)分顯示,對(duì)照組的總評(píng)分為50.46分,處理組的總評(píng)分為49.70分,二者間差異不顯著(=0.5489)。
2.3.1 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu) 基于16S rDNA擴(kuò)增子測(cè)序技術(shù),共得到處理組和對(duì)照組樣品有效片段(Effective tags)665994條,平均長(zhǎng)度為414 bp,聚類(lèi)分析共得到347條OTU。所有的OTU注釋分類(lèi)后,共有11門(mén)20綱51目90科225屬68種。
圖2顯示,與對(duì)照組相比,經(jīng)菌劑處理后的煙葉細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變。在綱水平上,處理組桿菌綱(Bacilli)的相對(duì)豐度最高(95.9%),其次為甲型變形菌綱(Alphaproteobacteria)(2.8%);而對(duì)照組的丙型變形菌綱(Gammaproteobacteria)相對(duì)豐度最高(47.6%),甲型變形菌綱(33.7%)次之(圖2-A)。在目水平上,處理組的主要組成有芽孢桿菌目(Bacillales,95.9%)、紅細(xì)菌目(Rhodobacterales,1.2%)和立克次氏體目(Rickettsiales,1.0%)等;對(duì)照組的主要組成有腸桿菌目(Enterobacteriales,31.3%)、立克次氏體目(16.9%)和芽孢桿菌目(Bacillales,15.6%)等(圖2-B)。在科水平上,處理組中相對(duì)豐度前三的分別為芽孢桿菌科(Bacillaceae,96.0%)、紅細(xì)菌科(Rhodobacteraceae,1.2%)和無(wú)形體科(Anaplasmataceae,0.7%);而對(duì)照組中相對(duì)豐度前三的科分別為腸桿菌科(Enterobacteriaceae,33.7%)、芽孢桿菌科(16.7%)和無(wú)形體科(8.9%)(圖2-C)。在屬水平上,芽孢桿菌屬(,95.9%)、沃爾巴克氏體屬()(0.7%)和弧菌屬()(0.4%)等是處理組煙葉中主要的細(xì)菌屬;而志賀氏大腸桿菌屬()(22.9%)、芽孢桿菌屬(15.5%)和沃爾巴克氏體屬(8.3%)是對(duì)照組煙葉中主要的細(xì)菌屬(圖2-D)。
2.3.2 Alpha和Beta多樣性分析 采用Alpha多樣性分析,比較樣品的細(xì)菌多樣性指數(shù)(表2)。代表群落豐富度的指數(shù)Observed species和Chao1顯示,處理組的細(xì)菌群落豐富度顯著低于對(duì)照組。代表群落多樣性的指數(shù)Shannon和Simpson顯示,處理組的細(xì)菌群落多樣性低于對(duì)照組,但不存在顯著差異。所有樣品的覆蓋度指數(shù)Coverage均為99.9%,說(shuō)明樣品的測(cè)序結(jié)果合理且具有代表性。
基于主坐標(biāo)分析(PCoA)對(duì)處理組和對(duì)照組煙葉細(xì)菌群落的Beta多樣性進(jìn)行分析,結(jié)果表明,處理組的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)離散程度較對(duì)照組高(圖3-A),2組之間的分離現(xiàn)象明顯,說(shuō)明2組間的群落結(jié)構(gòu)差異較顯著(圖3-B)。
本團(tuán)隊(duì)在前期研究中,獲得1株具有煙草甲毒殺作用的蘇云金芽孢桿菌(胡逸超等,2019)。在煙葉醇化的前期噴施該菌株,可減少倉(cāng)庫(kù)中煙草甲的危害。醇化對(duì)于煙葉的香味具有重要作用,不同的醇化條件會(huì)導(dǎo)致煙葉的致香成分發(fā)生變化,從而影響煙葉的評(píng)吸質(zhì)量(黃靜文等,2010)。已有研究表明,細(xì)菌發(fā)酵的作用會(huì)對(duì)煙葉化學(xué)成分產(chǎn)生影響,不同菌株產(chǎn)生的效果不盡相同(高文霞等,2011;龍章德等,2014)。有研究發(fā)現(xiàn),微生物的應(yīng)用可能縮短煙葉發(fā)酵周期,改善煙葉香氣(張亞恒等,2015;Liu et al.,2021)。在煙葉的風(fēng)干過(guò)程中,添加芽孢桿菌可降低煙葉的有害物質(zhì)亞硝胺含量(Wei et al.,2014)。綜上所述,對(duì)于醇化過(guò)程的任何改變,包括添加微生物菌株,均有可能改變煙葉的醇化效果。雖然有研究報(bào)道應(yīng)用到煙葉不影響其化學(xué)成分及評(píng)吸效果(Blanc et al.,2014),同時(shí)本研究所采用的菌株主要目的為防控?zé)煵菁孜:?,但使用該菌劑處理煙葉是否會(huì)影響其品質(zhì)尚未知。本研究的主要目的是闡明GXZY032菌株對(duì)煙葉醇化的影響,為后期該菌株的應(yīng)用提供效益或安全方面的評(píng)價(jià)。
本研究結(jié)果表明,在長(zhǎng)達(dá)2年的醇化中,使用蘇云金芽孢桿菌GXZY032未對(duì)煙葉的化學(xué)成分造成顯著影響。在感官質(zhì)量的評(píng)估中發(fā)現(xiàn),噴施GXZY032后,煙葉香氣量提升、雜氣改善;香氣質(zhì)、透發(fā)性和甜度則表現(xiàn)出一定程度的下降。盡管這5個(gè)感官質(zhì)量評(píng)分在統(tǒng)計(jì)學(xué)上具有顯著差異,但其平均值差異均小于5%。以往也有研究表明,采用不同方法進(jìn)行煙葉醇化時(shí),會(huì)造成某一感官指標(biāo)更優(yōu)而另一指標(biāo)評(píng)分降低的現(xiàn)象(Li et al.,2020)。采用蘇云金芽孢桿菌干粉,主要是考慮芽孢在煙草倉(cāng)庫(kù)中能存活的時(shí)間較久,可達(dá)到長(zhǎng)期控制煙草甲的作用。本研究結(jié)果表明,芽孢形態(tài)的菌劑可能在煙葉醇化的過(guò)程中對(duì)感官質(zhì)量有一定影響,但影響程度較低。綜上所述,可見(jiàn)菌株GXZY032對(duì)煙葉化學(xué)成分和感官質(zhì)量的影響較小,不會(huì)造成煙葉品質(zhì)的明顯下降,說(shuō)明在倉(cāng)儲(chǔ)中使用該菌株防控?zé)煵菁子绊憻熑~品質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)較小。
煙葉中常見(jiàn)的細(xì)菌種類(lèi)較多,主要有芽孢桿菌()、假單胞菌(Pseudomonas)、鞘脂單孢菌()、寡養(yǎng)單胞菌()、歐文氏菌()、泛菌()、乳球菌()、梭菌()、葡萄球菌()、腸桿菌()和類(lèi)芽孢桿菌()等(Zhao et al.,2007;Huang et al.,2010;Su et al.,2011;Chopyk et al.,2017;Ye et al.,2017)。Zhou等(2020)研究表明,醇化的煙葉微生物組成中,丙型變形菌綱、腸桿菌目和腸桿菌科含量在各自分類(lèi)水平上均為豐度最高的物種,屬于最主要的細(xì)菌種類(lèi);本研究對(duì)照組中相對(duì)豐度最高的物種在綱、目和科這3個(gè)水平上與Zhou等(2020)的研究結(jié)果一致,說(shuō)明不同倉(cāng)庫(kù)的醇化煙葉之間,優(yōu)勢(shì)細(xì)菌存在一定相似性。本研究中,菌株處理后的煙葉細(xì)菌群落Alpha和Beta多樣性指數(shù)均降低,群落結(jié)構(gòu)也較對(duì)照組表現(xiàn)出明顯的差異,表明人為添加菌株改變了煙葉的細(xì)菌群落多樣性和結(jié)構(gòu),與前人研究結(jié)果(Polenogova et al.,2021;Zhang et al.,2021)一致。處理組中相對(duì)豐度最高的OTU為芽孢桿菌且含量高達(dá)95.9%,可能與人為添加菌株會(huì)造成該菌株在煙葉中的定殖,進(jìn)而產(chǎn)生細(xì)菌素,抑制其他細(xì)菌的生長(zhǎng)有關(guān)(Cherif et al.,2008)。同時(shí),菌株處理明顯降低了煙葉腸桿菌目的相對(duì)豐度。腸桿菌目的細(xì)菌作為一種食品污染指示菌,在食品中豐度降低有利于食品安全(Amorim and Nascimento,2017)。然而,也有研究表明,人為添加蘇云金芽孢桿菌殺蟲(chóng)劑在食品中會(huì)有殘留,對(duì)于其殘留可能帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)引起了人們對(duì)食品安全的擔(dān)憂(yōu)(Frederiksen et al.,2006;Johler et al.,2018)。為防控?zé)煵菁锥砑拥奶K云金芽孢桿菌是否會(huì)影響香煙的安全使用,仍需進(jìn)一步研究。
經(jīng)蘇云金芽孢桿菌處理后,煙葉中的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化,但對(duì)煙葉化學(xué)成分和感官質(zhì)量的影響較小,不造成煙葉品質(zhì)的下降,說(shuō)明在倉(cāng)儲(chǔ)中使用該菌株防控?zé)煵菁椎慕?jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)較小。