Tiểu luận sinh học chức năng thực vật sự cố định đạm sinh học

Trong môi trường đất, vi sinh vật tham gia chuyển hóa các chất hữu cơ, cố định nitơlàm giàu đạm cho đất, tích lũy vào đất các auxin kích thích sự phát triển của cây trồng,tổng hợp các vi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC BÀI TIỂU LUẬN: SINH HỌC CHỨC NĂNG THỰC VẬT SỰ CỐ ĐỊNH ĐẠM Tiểu luận tìm hiểu SINH HỌC GVHD: T.s Trần Thị Dung Sinh viên thực hiện: Nguyễn Minh Cẩm Tiên (61103194) Trần Mỹ Thanh (61103171) Nguyễn Hà Lê Uyên (61103) MỤC LỤC Tiểu luận tìm hiểu I Khái quát cố định đạm sinh học Cố định đạm sinh học trình khử N2 thành NH3 xúc tác enzyme nitrogenase Sau đó, NH3 kết hợp với acid hữu để tạo thành acid amin protein Vi khuẩn cố định đạm cộng sinh sống tự nội sinh Tiểu luận tìm hiểu Hình: Chu trình cố định N tự nhiên Đạm gì? Chất đạm (còn gọi protein) chất hữu giàu dinh dưỡng, có động vật, thực vật. Đạm chất sống tế bào Đạm chất dinh dưỡng có vai trị quan trọng hàng đầu trồng Hàm lượng chúng đất Vì trồng thường thiếu đạm Một phương pháp tăng cường lượng đạm cho đất nhiều người quan tâm sử dụng loại vi sinh vật cố định nitơ từ khơng khí Nitơ nguyên tố dinh dưỡng quan trọng không với trồng mà vi sinh vật Nguồn dự trữ nito tự nhiên lớn, tính riêng khơng khí nitơ chiếm khoảng 78,16% thể tích Người ta ước tính bầu khơng khí bao trùm lên đất đai chứa khoảng triệu nitơ, lượng nitơ cung cấp chất dinh dưỡng cho trồng hàng chục triệu năm trồng đồng hóa chúng Trong thể loại sinh vật chứa khảong 4,1015 tỷ nitơ Nhưng tất nguồn nitơ trồng không tự đồng hóa mà phải nhờ VSV Thơng qua hoạt động loài vi sinh vật, nitơ nằm dạng khác chuyển hóa thành dễ tiêu cho trồng sử dụng Các vi sinh vật có khả biến N2 khí thành NH3 cung cấp đạm cho cây, chúng gọi vi sinhvật cố định đạm II Vi sinh vật cố định đạm Vi sinh vật cố định đạm gì? Vi sinh vật cố định đạm nhóm vi sinh vật có vai trị quan trọng việc cố định N2 đất trồng Đặc biệt nhóm vi sinh vật sống cộng sinh Hiện nay, người ta phát 600 loài có vi sinh vật sống cộng sinh có khả đồng hóa N2 thuộc nhiều họ khác Vai trò vi sinh vật cố định đạm: Tiểu luận tìm hiểu Cố định đạm khả đồng hóa nitơ phân tử số sinh vật dùng nitơ để cấu tạo nên tất hợp chất chứa nitrogen tế bào Khả có nhiều vi sinh vật sống tự đất nước Trong môi trường đất, vi sinh vật tham gia chuyển hóa chất hữu cơ, cố định nitơ làm giàu đạm cho đất, tích lũy vào đất auxin kích thích phát triển trồng, tổng hợp vitamin thyamin, nicotinic biotin… Vi sinh vật cố định đạm góp phần vào cân sinh thái đất Phần lớn VSV (vi sinh vật) sống đất sinh vật có ích sống theo kiểu cộng sinh, số có hại, gây bệnh cho trồng sống theo kiểu vừa ký sinh (gây bệnh cho thực vật) vừa hoại sinh (sống đất) Số lượng quần thể VSV có ích đất chiếm ưu nhiều lần so với VSV gây bệnh hại Phần lớn VSV có ích tham gia vào q trình phân giải xác thực vật thành thức ăn có nguồn gốc hữu cho trồng VSV khác, chúng có vai trị quan trọng q trình khống hóa cố định đạm VSV tạo nhiều loại enzym, acid amin, vitamin, kháng sinh…là thức ăn vũ khí tự vệ quan trọng cho trồng Ngoài VSV đất chết để lại lượng thức ăn khổng lồ có chất lượng tốt cho trồng… VSV có ích giữ vai trị quan trọng cải tạo đất, làm cho đất tăng độ mùn, tơi xốp, thống khí, có độ pH trung tính; làm cho khả giữ nước, giữ phân đất tăng cường… Nhờ có hoạt động VSV làm cho đời sống đất tăng lên VSV có ích giúp cho trồng hấp thụ dinh dưỡng tốt VSV góp phần bảo vệ trồng làm giảm tác hại ký sinh gây bệnh Trong tập đồn VSV có ích có số lượng lớn VSV đối kháng ngăn chặn phát triển VSV gây bệnh hại cho trồng hữu hiệu… Phân loại 3.1 Vi khuẩn nốt sần:  Vai trị cố định N2 quan trọng thuộc nhóm vi sinh vật cộng sinh Ở số gỗ bụi nhiệt đới thuộc họ Rabiaceae, nốt sần chứa vi khuẩn cố định N rễ mà Vi khuẩn nốt sần thuộc loại hiếu khí khơng tạo bào tử đồng hóa nhiều nguồn cacbon khác pH thích hợp: 6,5 – 9,2; nhiệt độ phát triển thích hợp: 24 – 26 0C Tiểu luận tìm hiểu Phân loại vi khuẩn nốt sần có nhiều ý kiến chưa thống nhất: - Theo Todorovic chia vi khuẩn nốt sần lồi: Rhizibiomonas leguminosarum Rhizobacterum leguminosrum - Theo Bergli giống Rhizobiumbao gồm loài vi khuẩn nốt sần: Rh.leguminosarum, Rh.phaseoli, Rh.Trifolii, Rh.lupini, Rh.meliloti Hình: Sinorhizobium và nốt sần rễ Rh.sapnicum, Hình: Rhizobium và nốt sần rễ Tiểu luận tìm hiểu Tiểu luận tìm hiểu Hình: Bradyrhizobium và nốt sần rễ 3.2.Vi khuẩn cộng sinh với không thuộc họ Đậu Có khoảng vài trăm lồi thực vật, khơng thuộc họ Đậu có nốt cố định đạm, cộng sinh thực với Rhizobium, mà hường với Actinomycetes (xạ khuẩn) thuộc giống Frankia Cây chủ Alnus, Casuarine, Tiểu luận tìm hiểu Hippophae, Elaeagnus, Myrica… Những nghiên cứu gần cố gắng tạo hợp tác lúa với Spirillum Trong trường hợp này, vi khuẩn cố định không vào rễ, gần rễ, phóng thích lượng đạm quan trọng cho thực vật (NH4+, aminoacid) Hình: Xạ khuẩn (Actinomycetes) Hình: Lồi alnus glutinosa Hình:Casuarine Tiểu luận tìm hiểu 3.3.Vi khuẩn cố định đạm sống tự Vi khuẩn cố định đạm sống tự vùng rễ lúa thuộc họ hòa giúp trồng phát triển tốt hạn chế đến mức thấp lượng đạm hóa học sản xuất nơng nghiệp Hình Một số nguồn nitơ cung cấp cho Vi khuẩn hiếu khí sống tự thuộc giống Azotobacter Beiferinckia: Azotobacter: Chi vi khuẩn cố định nitơ hiếu khí, sống tự đất nước Tế bào hình bầu dục, hình cầu, bọc lớp vỏ nhy, kớch thc khong ì àm, di ng không, gram âm, không sinh bào tử Khi dùng g đường, thường cố định mg N Ngồi ra, cịn có khả tổng hợp vitamin, chất sinh trưởng (loại auxin) số chất chống nấm Loại chế phẩm dùng nơng nghiệp có nhiều tên thương phẩm khác (azotobacterin, vv.) Các loài Azotobacter thuộc loại VSV cố định nitơ họat động nhất, chúng có khả đồng hóa manit, tinh bột, sử dụng nhiều loại hợp chất hữu khác để phát triển cố định nitơ, làm giàu nitơ cho đất Azotobacter chủ yếu có lồi: - Azotobacter chroocuccum: Kích thước 3,1x2,0µ; cịn non có khả di động, già có sắc tố màu nâu đến màu đỏ, không khuyếch tán vào môi trường - Azotobacter beijerincki: kích thước 3,1x2,0µ; khơng di động, già có sắc tố màu vàng đến màu nâu sáng, không khuyếch tán vào mơi trường - Azotobacter Vinelandi: Kích thước 3,4x1,5µ; có khả di động, sắc tố màu vàng lục đến huỳnh quang, khuyếch tán vào mơi trường Tiểu luận tìm hiểu - Azotobacter agilis: Kích thước 3,3x2,8µ; có khả di động, sắc tố màu lục, huỳnh quang, khuyếch tán vào môi trường Azotobacter làm tăng cường nguồn thức ăn cung cấp cho trồng, kích thích khả tăng trưởng, nâng cao tỷ lệ nảy mầm độ phát triển mầm (vì tiết mơi trường thiamin, a.nicotinic, a.pantotenic, piridoxin, biotin, ) có khả tiết số chất chống nấm Chế phẩm Azotobacterin dịch Azotobacter cho hấp thụ than bùn (hoặc loại đất giàu hữu trung hòa bổ sung photpho, kali) Beiferinckia: Là lồi hiếu khí, cố định nitơ giống Azotobacter có khả chịu chua cao Gồm có nhóm: - B.Indica: Kích thước tế bào 0,5-1,5 x 1,7-3,0µ; có khả di động khơng di động, già có sắc tố màu đỏ đến màu nâu, có tốc độ cố định nitơ nhanh - B.fluminensis: Kích thước tế bào 1,1-1,5 x 3,0-3,5µ; có khả di động, sắc tố màu nâu tối, tốc độ cố định nitơ chậm - B.derxii: Kích thước tế bào 1,5-2,0 x 3,5-4,5µ; khơng di động, sắc tố màu lục huỳnh quang III Sự cố định đạm sinh học Cơ chế cố định đạm 1.1 Enzyme nitrogenase Quá trình cố định đạm xảy tế bào vi khuẩn vi khuẩn lam giống nhở chúng có hệ thống gen nif (ni chữ viết tắt nitrogen- nitơ f fixing –cố định.) điều khiển trình tổng hợp Enzyme nitrogenase Nitrogenase đa enzyme (phức hệ enzyme) xúc tác cho phản ứng cố định N 2, khử N2 thành NH3 Như vậy, hệ thống gen nif xem hệ thống gen điều khiển cho trình cố định đạm sinh học 1.2 Bộ gen (genome) Pseudomonas điều khiển tổng hợp nitrogenase Genome hệ thống gen nif Pseudomonas Tiểu luận tìm hiểu Thơng tin di truyền chuyên biệt cố định đạm xác định genome Pseudomonas stutzeri A1501 Đó “vùng cố định đạm” (nitrogen fixation region) có kích thước 49kb, gồm 59 gen có liên quan Thứ tự gen nif cấu trúc “vùng cố định đạm” Pseudomonas stutzeri A1501 khởi đầu vùng PST1301, vùng bao gồm gen nifQ – nifB – nifA – nifL - nifY2 – nifHDKTY – nifENX – nifUSV – nifWZM – nifF vùng PST1360 đầu lại Sự điều khiển tổng hợp enzyme nitrogenase Theo nghiên cứu Yan et al (2008), hệ thống gen nif Pseudomonas stutzeri A1501 hệ thống hoàn chỉnh gồm loại gen nif quy định tổng hợp thành phần cấu tạo nên phức nitrogenase Hình 3.1 “Vùng cố định đạm” (nitrogen fixation region) Pseudomonas stutzeri A1501 (Yan et al., 2008) 1.3 Cơ chế cố định đạm Trong thành phần cấu tạo nitrogenase, số nguyên tử Fe nguyên tử S khơng ổn định với acid Phân tử protein nhỏ có chức vận chuyển e –, e– ferredoxin flavodoxin vận chuyển lên phức hệ Mo-Fe Hầu hết vi sinh vật sử dụng N2 nên chúng phải cố định nguồn N2 tự nhiên để dễ dàng sử dụng Cơ chế cố định đạm xảy theo phương trình: Tiểu luận tìm hiểu N2 + 8H+ + 8e + 16ATP → 2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi Cơ chế hóa sinh trình cố định N chưa sáng tỏ hoàn toàn, đa số nhà nghiên cứu đồng ý với giả thuyết cho N sản phẩm đồng hóa sơ cấp N2 nêu giả thuyết đường cố định N vi sinh vật sống tự đất sau: Hình: Sơ đồ giả thuyết đường trình cố định N2 Tiểu luận tìm hiểu Trong cơng nghiệp, nhờ chất xúc tác nên lượng dùng cho phản ứng cố định N2 được giảm nhiều, vào khoảng 16-20 Kcalo/M, song lượng lượng lớn so với thể sinh vật Tốc độ phản ứng nhanh chóng tế bào vi sinh vật nhiệt độ thấp nhờ có hệ thống enzyme hydrogenase họat hóa H 2 và enzyme nitrogenase hoạt hóa N2 Năm 1961-1962, người ta tách từ Clostridium pasteurrianum hai tiểu phần hoạt hóa H2 và N2 Sau người ta tìm thấy ởAzotobacter cũng có tiểu phần Trong q trình hoạt hóa có tham gia ngun tố khống Mo Fe Nguồn hydro để khử N2 có thể hydro phân tử (H2) Trong trường hợp tác dụng enzyme hydrogenase, điện tử chuyền theo hệ thống: Nguồn cho điện tử hydro acid pyruvic Đáng ý trình chuyền điện tử có tham gia tích cực feredocine (Fd) Fd cầu nối hệ enzyme hydrogenase nitrogenase để cố định N2 CƠ CHẾ CỐ ĐỊNH NITƠ TRONG NỐT SẦN CỦA RỄ CÂY HỌ ĐẬU: Sự cố định N2 của vi khuẩn nốt sần xãy theo sơ đồ phức tạp Trong Tiểu luận tìm hiểu nốt sần có chất có chất hem giống với hemoglobin máu gọi leghemoglobin Nó dễ dàng liên kết với O2 để biến thành oxyhemoglobin Leghemoglobin tạo nên vi khuẩn sống cộng sinh với đậu, cịn ni cấy tinh khiết Rhizobium không tạo leghemoglobin không cố định N2 Những nghiên cứu gần trình cố định N 2 cho thấy trình cố định địi hỏi: - Q trình cố định nitơ thực phức hệ nitrogenase Thành phần phức hệ nitrogenase reductase nitrogenase Phức hệ nằm tế bào chất thể vi khuẩn (bacteroid) Có thể coi nhân tố chìa khóa cho trình Enzyme hoạt động điều kiện yếm khí (Nitrogenase đặc biệt nhạy với oxy bị bất hoạt có mặt oxy) - Có lực khử mạnh với khử cao (NAD, NADP, ) - Có lượng (ATP) đủ có tham gia nguyên tố vi lượng Nhóm hoạt động enzyme nitrogenase có chứa Mo Fe Vì sử dụng Mo Fe cho họ đậu thường có hiệu cao Bacteroid cần lượng từ thực vật cung cấp để cố định đạm - Tiến hành điều kiện yếm khí Các chất khử NADH2 Fd với lượng hô hấp, quang hợp chủ cung cấp Sự cố định N2 cần nhiều lượng, cần 16 ATP để khử N NH3 tạo thành trình cố định N 2 được sử dụng dễ dàng vào trình amine hóa cetoacid để tổng hợp cách nhanh chóng acid amine, từ tham gia vào tổng hợp protein nhiều trình trao đổi chất khác Quá trình cố định nitơ phân tử theo hai hướng bản: Con đường khử đường oxy hóa Con đường khử theo chuỗi biến hóa: N2  HN=NH H2N-NH2 NH3 NH4OH Con đường oxy hóa: N2  N2O  HNO2 NH4OH Qua hướng đó, người ta thu kết sau: - Nếu nồng độ Oxy nhiều ức chế trình cố định nitơ phân tử - Hiệu suất cố định nitơ phân tử vi sinh vật kỵ khí thường cao vi sinh vật hiếu khí Tiểu luận tìm hiểu - Tìm thấy hợp chất loại khử nuôi vi sinh vật cố đinh nitơ phân tử N2 + 8H+ + 8e- → 2NH3 + H2 16-24ADP + 16-24Pi 16-24ATP Qua cho thấy đường khử có nhiều khả xảy 1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình cố định đạm Sự tổng hợp enzyme nitrogenase điều khiển enzyme glutamate synthetase, xúc tác cho tổng hợp glutamin từ NH Nếu hệ thống có NH glutamate synthetase kích thích tổng hợp nitrogenase, nồng độ NH cao ức chế tổng hợp nitrogenase Phức hệ enzyme nitrogenase không bền có mặt oxy Vi khuẩn tự cố định đạm thể hoạt tính điều kiện yếm khí nhờ sử dụng điện tử xuất trình tổng hợp ATP để ngăn ngừa oxy xâm nhập Các điều kiện ảnh hưởng đến trình cố định đạm: • Ảnh hưởng điều kiện ngoại cảnh q trình cố định N cộng sinh • Ảnh hưởng hàm lượng chất đường bột • Ảnh hưởng P K • Ảnh hưởng pH đất • Ảnh hưởng chất Molybden (Mo) • Ảnh hưởng Phage (thực khuẩn thể) Đạm khoáng đất Trừ họ đậu cộng sinh với vi khuẩn để lấy đạm từ khơng khí, thực vật lấy đạm từ đất (mùn đạm khoáng) Trong chu trình nitrogen, dạng đạm hữu trở lại đất theo xác bã động vật thực vật, biến đổi thành ammonia (NH 4+ NH3), nhờ vi khuẩn nấm đất Trong vài tuần đầu, khỏang 70% chất hữu ban đầu (cellulose protein) bị phân hủy Giai đoạn xảy tốc độ chậm nhiều, khoảng 1-6% chất sau giai đoạn phân hủy nhanh tiếp tục phân hủy hàng năm, tạo nên chất mùn, hỗn hợp có màu nâu đen chứa acid humic (được tạo chủ yếu phức hợp lignin- protein), acid fulvic (dẫn xuất hemicellulose sáp) Tiểu luận tìm hiểu humin (được tạo chủ yếu từ mảnh vỡ cellulose) Đạm khoáng tạo giai đoạn phân hủy hợp chất hữu ban đầu, tạo mùn, hay khống hóa chất mùn, theo bước: - Tạo NH4+ từ amid hay acid amin: R-CONH2 + H2O + H+  RH + CO2 + NH4+ R-CHNH2-COOH + O2 + H+ RH + 2CO2 + NH4+ - Tạo NO2-: NH4+ +3/2O2 + H+  NO2- + H2O + 2H+ - Tạo NO3-: NO2- + 1/2O2 NO3Sự oxid hóa NH4+ phóng thích lượng, lượng vi khuẩn dùng để khử CO2 tổng hợp hợp chất hữu Sự dùng đạm khống thực vật 3.1 Đặc tính Sự dùng đạm khống thực vật có vài đặc tính đáng ý: - Cây non thích NH4+ (cà chua, bắp, lúa; ngoại lệ: mía, bơng vải) - NH4+ đối kháng với K+, Ca2+ hay Mg2+ Do đó, dùng NH4+ liều gây thiếu K+, Ca2+ hay Mg2+ ( lúa mì) Sự bổ sung Ca2+ làm giảm tính độc NH4+ Ngược lại, NO3- giúp thấm cation Nhất K+, NH4+ cản trở NO3-, giúp ion photpho tế bào Sự hạ thấp pH kích thích hấp thu đồng hóa nitrat, tăng pH kích thích hấp thu đồng hóa ammonium Tuy nhiên pH bên ngồi cao, ammonia (base yếu) khuếch tán nhanh vào tế bào chất (acid hơn) Do đó, ammonia, thiết yếu pH trung tính, trở thành độc mơi trường kiềm Spirulina platensis trường hợp đặc biệt, dùng ammonia nồng độ cao, nguồn nitrogen nhất, Tiểu luận tìm hiểu pH 10 hay cao hơn, khả trì pH cao tế bào Sự thừa NH 4+ thường độc so với NO gây nhiều xáo trộn tính thấm tế bào - Hàm lượng đường rễ có vai trị quan trọng dinh dưỡng đạm, acid cetonic tổng hợp từ đường giúp gia nhập N vào acid amin Do đó, tính độc NH4+ mạnh quang hợp yếu, dùng NH 4+ hạ thấp hàm lượng tinh bột 3.2 Sự khử nitrat Giai đoạn cố định đạm khống khử nitrat, nói chung xảy rễ, tối Tuy nhiên, nhiều loài, dạng cỏ, khử thực đồng thời lá, ánh sáng (phân nửa rễ, phân nửa lúa mì; gần hoàn toàn cà chua) Sự khử nitrat xảy theo hai giai đoạn: khử nitrat (NO 3-) thành nitrit (NO2-), khử nitrit thành ammonia: NO3- + 2H+ + 2e- NO2- + H2O NO2- + 6H+ + 6e- NH3 +H2O + OHNitrat khử cytosol nhờ nitrat reductase, sau nitrit vào diệp lạp hay tiền lạp rễ để tiếp tục khử nhờ nitrit reductase NH dạng R-NH2 hay dạng ion hóa NH4+ nhận H+ 3.3.Sự tổng hợp acid amin Các acid amin tổng hợp từ cố định nhóm NH (được hấp thu dạng NH4+ hay từ khử nitrat) acid a-cetonic, theo trình sau: - Sự amin hóa khử Phản ứng amin hóa khử thực ti thể từ acid cetonic chu trình Krebs, xảy nấm, phổ biến thực vật R-CO-COOH + NADH + H+ +NH3  R-CH(NH2)-COOH + NAD+ + H2O Ví dụ: Glutamat tổng hợp từ a-cetoglutarat, nhờ glutamate dehydrogenase (GDH) Tiểu luận tìm hiểu Glutamat: HOOC-CH2-CH2-CH(NH2)-COOH a-cetoglutarat: HOOC-CH2-CH2-CO-COOH - Con đường Glutamin Glutamin (amid acid glutamic) dạng đạm dự trữ quan trọng hột củ Sự tổng hợp Glutamin từ glutamate cần NH3, ATP glutamine synthetase (GS): NH3 + HOOC-CH2-CH2-CH(NH2)-COOH CO(NH 2)-CH2- CH2-CH(NH2)-COOH + H2O ATP ADP + Pi - Sự chuyển amin Phản ứng phổ biến, nhờ acid cetonic, nhóm amin (-NH 2) có nguồn gốc từ acid amin thay NH3: R1-CH(NH2)-COOH + R2-CO-COOH R1-CO-COOH + R2-CH(NH2)-COOH