Nitơ là nguyên tố quan trọng đối với sự phát triển của các loài sinh vật trên trái đất. Dự trữ nitơ trong tự nhiên là rất lớn, nitơ phân tử chiếm đến 78% khí quyển, nếu cây trồng có thể đồng hóa chúng, lượng nitơ này có thể đủ cung cấp cho cây trồng tới hàng chục triệu năm. Tuy nhiên, dù “tắm mình” trong biển nitơ, cây trồng cũng không có khả năng đồng hóa trực tiếp chúng mà phần lớn là nhờ các hoạt động của vi sinh vật Quá trình cố đinh nitơ (chuyển nitơ thành hợp chất chứa nitơ) nhờ VSV cố định nitơ, đặc biệt là vi khuẩn cộng sinh nốt sần rễ cây bộ đậu. Hằng năm, cây bộ đậu có thể làm giàu thêm cho đất khoảng 50600 kg nitơ ha.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Khoa : Môi trường Lớp: K57 Khoa học Môi trường VI KHUẨN CỘNG SINH NỐT SẦN CÂY BỘ ĐẬU Nhóm thực hiện: 1. Trương Thị Thúy An 2. Trần Thị Mộng Hà 3. Đặng Thị Kim Huyền 4. Noutthaly Xaiyavong NỘI DUNG Giới thiệu chung 1 Đặc điểm vi khuẩn nốt sần 2 Sự hình thành nốt sần 3 Quá trình cố định nitơ 4 Ứng dụng Giới thiệu chung Nitơ là nguyên tố quan trọng đối với sự phát triển của các loài sinh vật trên trái đất. Dự trữ nitơ trong tự nhiên là rất lớn, nitơ phân tử chiếm đến 78% khí quyển, nếu cây trồng có thể đồng hóa chúng, lượng nitơ này có thể đủ cung cấp cho cây trồng tới hàng chục triệu năm. Tuy nhiên, dù “tắm mình” trong biển nitơ, cây trồng cũng không có khả năng đồng hóa trực tiếp chúng mà phần lớn là nhờ các hoạt động của vi sinh vật Quá trình cố đinh nitơ (chuyển nitơ thành hợp chất chứa nitơ) nhờ VSV cố định nitơ, đặc biệt là vi khuẩn cộng sinh nốt sần rễ cây bộ đậu. Hằng năm, cây bộ đậu có thể làm giàu thêm cho đất khoảng 50-600 kg nitơ/ ha. 1. Đặc điểm chung 1.1 Lịch sử: - Từ năm 1886 Hellrigel và Wilfath đã thực hiện thí nghiệm trồng cây kiều mạch và đậu Hà Lan trên 2 chậu cát, sau đó định lượng Nitơ và nhận thấy chậu cây đậu Hà Lan có lượng Nitơ tăng gấp 2 lần, trong khi chậu cây kiều mạch lượng Nitơ giảm. Đậu Hà Lan có khả năng cố định đạm. - Phát hiện lượng đạm chỉ tăng lên khi đất trồng cây họ đậu không bị khử trùng và hình thành nốt sần trên rễ. Đậu Hà Lan cộng sinh với một loại vi khuẩn có khả năng cố định Nitơ - Năm 1888, Beijenick phân lập được vi khuẩn nốt sần, được đặt tên là Rhizobium năm 1889. 1. Khái quát chung 1.2 Phân loại Giới (regnum) Ngành (phylum) Lớp (class) Bộ (ordo) Họ (familia) Chi (genus) Phân loại khoa học Bacteria Proteobacteria Alphaproteobacteria Rhizobiales Rhizobiaceae Rhizobium Frank 1889 • Brachirhizobium melitoli sống cộng sinh với cỏ alfalfa • B. trilolii cộng sinh với cỏ clover • B. faseoli cộng sinh với các loài đậu hình thận • B. japonicum cộng sinh với cây đậu nành 1. Khái quát chung Greensulfur Bacteroides Prokaryotes Spirochetes Deinococci Thermotoga Green, nonsulfur Chlamydiae Gram positive Cyano bacteria Proteobacteria δ Desulfoivbrio γ β Rhizobium α Bradyrhizobium Sinorhizobium Agrobacterium Azospirillum Herbaspirillum E. coli Klebsiella Azotobacter 1. Khái quát chung 1.2 Đặc điểm: Là vi khuẩn Gram âm Hiếu khí, ưa pH trung tính hoặc hơi kiềm 6,5-7,5 Có tiêm mao theo kiểu đơn mao hoặc chu mao, di chuyển được. Khuẩn lạc có màu đục, nhầy, lồi. VK thường có sự thay đổi hình thái trong quá trình phát triển: Đa số có hình que lúc còn non và có khả năng di động bằng đơn mao, chùm mao nhánh hoặc chu mao. Sau đó trở thành dạng giả khuẩn hình que phân nhánh, mất khả năng chuyển động, ở dạng này chúng có khả năng cố định nitơ. Khi già, dạng que phân nhánh phân cắt tạo thành hình dạng cầu nhỏ. 2. Quá trình hình thành nốt sần 2.1 Phân loại Chia làm 2 loại Loại mọc nhanh Loại mọc chậm • Rhizobium melitoli • Cộng sinh với cây linh lăng, đậu xanh, đậu Hà lan, đậu tằm… • Chu kì sinh trưởng: 2-4 giờ • Tạo khuẩn lạc đường kính 2-4mm sau 3-5 ngày nuôi cấy trên môi trường thạch đĩa • Bradyrhizobium japonicum • Cộng sinh với cây đậu tương, lạc, Bradyrhizobium japonicum sp của cỏ lupin… • Chu kì sinh trưởng 6-8 giờ • Tạo khuẩn lạc đường kính không quá 1mm sau 5-7 ngày nuôi cấy trên môi trường thạch đĩa 2. Quá trình hình thành nốt sần 2.2 Ảnh hưởng của nhân tố ngoại cảnh đến sự hình thành nốt sần Độ ẩm: 40-80%, độ ẩm tối thích: 60-70% Độ thoáng khí cũng ảnh hưởng đến sự hình thành nốt sần, do thuộc vi sinh vật hiếu khí nên nốt sần thường chỉ hình thành ở cùng rễ nông còn vùng rễ sâu ít hoặc không có nốt sần Nhiệt độ thích hợp nhất với vi khuẩn này là 24oC, dưới 10oC nốt sần vẫn hình thành nhưng hiệu quả cố định nitơ giảm. pH môi trường thích hợp là trung tính hoặc kiềm yếu 6,8-7,4 Tính đặc hiệu cũng ảnh hưởng đến mối cộng sinh này. • Một số loài vi khuẩn chỉ cộng sinh với 1 hoặc 1 số loài đậu. • Nhiều vi khuẩn có khả năng hình thành nốt sần ở cây đậu không đặc hiệu, nhưng số lượng nốt sần thấp. 2.3 Quá trình hình thành Xâm nhập qua lông hút hoặc vết thương ở vỏ rễ. Điều kiện xâm nhiễm tốt là VK phải đạt được mật độ ở vùng rễ 104 VK/gam đất. Khi đó VK sẽ kích thích cây tiết enzym poligalactorunaza có tác dụng phân giải thành TB lông hút để VK có thể xâm nhập vào. Đường xâm nhập được tạo thành do tốc độ di chuyển của VK (sinh trưởng đến đâu, xâm nhập đến đấy) → Hình thành dây xâm nhập (bao quanh là lớp nhày). Phản ứng của cây đối với VK tương tự như với vật kí sinh, bởi vậy tốc độ tiến sâu của “dây xâm nhập” khá chậm 5-8 µm/h 2. Quá trình hình thành nốt sần 2. Quá trình hình thành nốt sần Khi tới lớp nhu mô, VK kích thích TB nhu mô phát triển thành vùng mô phân sinh. Từ mô phân sinh, tế bào phát triển thành 3 loại TB chuyên hóa Mạch dẫn: Con đường dẫn truyền sản phẩm cố định nitơ cho cây và sản phầm quang hợp từ cây vào nốt sần. Mô chứa: Chứa VK xâm nhiễm, có kích thước lớn gấp 8 lần so với TB bình thường không chứa VK. Vỏ nốt sần: Lớp TB nằm dưới lớp vỏ rễ, bao quanh nốt sần 2. Quá trình hình thành nốt sần Cấu tạo nốt sần Nốt sần rễ cây bộ đậu Tổ chức đã chết, không có khả năng cố định Vỏ nốt sần VK trưởng thành, k/năng cố định cao Mạch dây,mạch gỗ VK non, khả năng cố định thấp vùng phân chia TBTV, không có khả năng cố định 2. Quá trình hình thành nốt sần Tại TB chứa vi khuẩn, vi khuẩn nốt sần xâm nhập vào TB chất, tại đấy chúng phân cắt rất nhanh. Từ dạng hình que chuyển sang dạng hình que phân nhánh gọi là dạng giả khuẩn thể, chính ở dạng này vi khuẩn bắt đầu quá trình cố định nitơ. Thời kì cây ra hoa là thời kì nốt sần hình thành nhiều nhất và có hiệu quả nhất, thể hiện ở kích thước lớn và có màu hồng của Leghemoglobin (có bản chất giống với hemoglobin) Vào giai đoạn cuối, màu hồng của Leghemoglobin chuyển sang màu lục, dạng giả khuẩn thể phân cắt thành những tế bào hình cầu. Khi cây đậu chết, vi khuẩn nốt sần sống tiềm sinh trong đất chờ đến vụ đậu năm sau. 3. Quá trình cố định nitơ 3.1 Điều kiện tiến hành cố định nitơ Có sự tham gia của Enzyme nitrogenase, đây là chìa khóa cho quá trình. Có lực khử mạnh với thế khử cao (NAD, NADP…) Có năng lượng ATP và sự tham gia của yếu tố vi lượng, nhóm họat động của Enzyme nitrogenase có chứa Mo, Fe Xảy ra trong điều kiện yếm khí, trong điều kiện có oxy enzyme nitrogenase se bị bất hoạt. 3.2 Quá trình cố định Quá trình có định nito khử N2 thành N-3 nhờ enzim nitrogenaza xúc tác khi có mặt năng lượng ATP. Nitrogenaza gồm 2 thành phần : • Phần 1 bao gồm protein và Fe • Phần 2 gồm protein, Fe và Mo Quá trình cố định nitơ • Leghemoglobin do cây hình thành sẽ chuyển chuỗi điện tử vào Nitrogenaza của vi khuẩn. • Các electron này đi vào trung tâm của thành phần thứ nhất protein-Fe rồi chuyển đến protein-FeMo. • Electron đã được hoạt hóa có thể phản được với N2. • Phân tử N2 đi qua khe có kích thước khoảng 4-5 A0 vào bên trong men và được hoạt hóa ở đây. • Hydro cũng được hoạt hóa nhờ hệ thống enzim hydrogenaza. Năng lượng sử dụng trong quá trình này là ATP của tế bào. Tạo ra NH4+, chất này sau đó chuyển hóa thành glutamin và asparagine vận chuyển qua xylem vào cây. Quá trình cố định nitơ Phương trình : Nitrogenaza N2 +6e +12 ATP +12 H2O 4H+ 2 NH4+ + 12 ADP +12P + 3.3 Các gen kiểm soát quá trình cố định nitơ Gen nod Mã hóa sự hình thành các protein hình thành nốt sần: Protein gây đầu lông rễ phồng lên và xoắn hoặc ảnh hưởng đến độ đặc hiệu vật chủ của các nhân tố nod… Gen nif Mã hóa protein cấu tạo enzyme nitrogennase Mã hóa protein vận chuyển electron flavodxin Mã hóa protein tham gia tổng hợp cofactor Fe … Gen nodulin Mã hóa protein trong chu trình tế bào và thành tế bào,leghemoglobin… 3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cố định nitơ • Ảnh hưởng của các điều kiện ngoại cảnh đến quá trình cố định nitơ cộng sinh. • Ảnh hưởng của các hàm lượng đường, tinh bột trong cây.. • Ảnh hưởng của nồng độ P và K • Ảnh hưởng của pH trong đất • Ảnh hưởng của hàm lượng Mo và Fe trong đất Bất kỳ sự ảnh hưởng nào gây cho các cây bộ đậu stress thì đều ảnh hưởng đến quá trình cố định nitơ 4. Vai trò của vi khuẩn cộng sinh nốt sần Vai trò cố định nitơ quan trọng nhất thuộc về nhóm VSV cộng sinh. Sự cố định N2 của chúng giúp cải tạo đất và tăng năng suất cây trồng. Là thành phần của phân bón cố định nitơ (Biologycal nitrogen fixing fertilizer). Đây là sản phẩm chứa một hay nhiều chủng vi sinh vật sống (tự do, kí sinh, cộng sinh.. ) có khả năng cố định nitơ. • Phân nitragin chứa vi khuẩn nốt sần cây đậu tương • Phân rhidafo chứa vi khuẩn nốt sần trong cây lạc Giảm nguy cơ ô nhiễm môi trường do sử dụng các phân bón hóa học Tài liệu tham khảo 1. “Đại cương về vi sinh vật học môi trường” Lê Xuân Phương 3. “Vi sinh vật học” Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Đình Quyến, Phạm Văn Ty 5. “VSV đất và sự chuyển hóa các hợp chất cacbon, nitơ” Nguyễn Lân Dũng 7. “Phân vi khuẩn nốt sần và ứng dụng” Ngô Thế Đàn 9. “Introduction to Rhizobia” 10. “Lifestyle alternatives for Rhizobia” 11. Một số trang web khác [...]... Lớp TB nằm dưới lớp vỏ rễ, bao quanh nốt sần 2 Quá trình hình thành nốt sần Cấu tạo nốt sần Nốt sần rễ cây bộ đậu Tổ chức đã chết, không có khả năng cố định Vỏ nốt sần VK trưởng thành, k/năng cố định cao Mạch dây,mạch gỗ VK non, khả năng cố định thấp vùng phân chia TBTV, không có khả năng cố định 2 Quá trình hình thành nốt sần Tại TB chứa vi khuẩn, vi khuẩn nốt sần xâm nhập vào TB chất, tại đấy chúng... định N2 của chúng giúp cải tạo đất và tăng năng suất cây trồng Là thành phần của phân bón cố định nitơ (Biologycal nitrogen fixing fertilizer) Đây là sản phẩm chứa một hay nhiều chủng vi sinh vật sống (tự do, kí sinh, cộng sinh ) có khả năng cố định nitơ • Phân nitragin chứa vi khuẩn nốt sần cây đậu tương • Phân rhidafo chứa vi khuẩn nốt sần trong cây lạc Giảm nguy cơ ô nhiễm môi trường do sử dụng các... trình cố định nitơ cộng sinh • Ảnh hưởng của các hàm lượng đường, tinh bột trong cây • Ảnh hưởng của nồng độ P và K • Ảnh hưởng của pH trong đất • Ảnh hưởng của hàm lượng Mo và Fe trong đất Bất kỳ sự ảnh hưởng nào gây cho các cây bộ đậu stress thì đều ảnh hưởng đến quá trình cố định nitơ 4 Vai trò của vi khuẩn cộng sinh nốt sần Vai trò cố định nitơ quan trọng nhất thuộc về nhóm VSV cộng sinh Sự cố định... hình thành nốt sần 2 Quá trình hình thành nốt sần Khi tới lớp nhu mô, VK kích thích TB nhu mô phát triển thành vùng mô phân sinh Từ mô phân sinh, tế bào phát triển thành 3 loại TB chuyên hóa Mạch dẫn: Con đường dẫn truyền sản phẩm cố định nitơ cho cây và sản phầm quang hợp từ cây vào nốt sần Mô chứa: Chứa VK xâm nhiễm, có kích thước lớn gấp 8 lần so với TB bình thường không chứa VK Vỏ nốt sần: Lớp TB... giả khuẩn thể, chính ở dạng này vi khuẩn bắt đầu quá trình cố định nitơ Thời kì cây ra hoa là thời kì nốt sần hình thành nhiều nhất và có hiệu quả nhất, thể hiện ở kích thước lớn và có màu hồng của Leghemoglobin (có bản chất giống với hemoglobin) Vào giai đoạn cuối, màu hồng của Leghemoglobin chuyển sang màu lục, dạng giả khuẩn thể phân cắt thành những tế bào hình cầu Khi cây đậu chết, vi khuẩn nốt. .. Giảm nguy cơ ô nhiễm môi trường do sử dụng các phân bón hóa học Tài liệu tham khảo 1 “Đại cương về vi sinh vật học môi trường” Lê Xuân Phương 3 Vi sinh vật học” Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Đình Quyến, Phạm Văn Ty 5 “VSV đất và sự chuyển hóa các hợp chất cacbon, nitơ” Nguyễn Lân Dũng 7 “Phân vi khuẩn nốt sần và ứng dụng” Ngô Thế Đàn 9 “Introduction to Rhizobia” 10 “Lifestyle alternatives for Rhizobia”... cắt thành những tế bào hình cầu Khi cây đậu chết, vi khuẩn nốt sần sống tiềm sinh trong đất chờ đến vụ đậu năm sau 3 Quá trình cố định nitơ 3.1 Điều kiện tiến hành cố định nitơ Có sự tham gia của Enzyme nitrogenase, đây là chìa khóa cho quá trình Có lực khử mạnh với thế khử cao (NAD, NADP…) Có năng lượng ATP và sự tham gia của yếu tố vi lượng, nhóm họat động của Enzyme nitrogenase có chứa Mo, Fe... bào Tạo ra NH4+, chất này sau đó chuyển hóa thành glutamin và asparagine vận chuyển qua xylem vào cây Quá trình cố định nitơ Phương trình : Nitrogenaza N2 +6e +12 ATP +12 H2O 4H+ 2 NH4+ + 12 ADP +12P + 3.3 Các gen kiểm soát quá trình cố định nitơ Gen nod Mã hóa sự hình thành các protein hình thành nốt sần: Protein gây đầu lông rễ phồng lên và xoắn hoặc ảnh hưởng đến độ đặc hiệu vật chủ của các nhân... xúc tác khi có mặt năng lượng ATP Nitrogenaza gồm 2 thành phần : • Phần 1 bao gồm protein và Fe • Phần 2 gồm protein, Fe và Mo Quá trình cố định nitơ • Leghemoglobin do cây hình thành sẽ chuyển chuỗi điện tử vào Nitrogenaza của vi khuẩn • Các electron này đi vào trung tâm của thành phần thứ nhất protein-Fe rồi chuyển đến protein-FeMo • Electron đã được hoạt hóa có thể phản được với N2 • Phân tử N2 ... phẩm chứa hay nhiều chủng vi sinh vật sống (tự do, kí sinh, cộng sinh ) có khả cố định nitơ • Phân nitragin chứa vi khuẩn nốt sần đậu tương • Phân rhidafo chứa vi khuẩn nốt sần lạc Giảm nguy ô nhiễm... ảnh hưởng đến mối cộng sinh • Một số loài vi khuẩn cộng sinh với số loài đậu • Nhiều vi khuẩn có khả hình thành nốt sần đậu không đặc hiệu, số lượng nốt sần thấp 2.3 Quá trình hình thành Xâm... tăng lên đất trồng họ đậu không bị khử trùng hình thành nốt sần rễ Đậu Hà Lan cộng sinh với loại vi khuẩn có khả cố định Nitơ - Năm 1888, Beijenick phân lập vi khuẩn nốt sần, đặt tên Rhizobium