Phân lập, tuyển chọn và định danh vi khuẩn liên kết với thực vật (plant associated bacteria) ở lúa, khoai trồng trên đất phèn ở đồng bằng sông cửu long

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA NÔNG NGHIỆP LÝ NGỌC THANH XUÂN PHÂN LẬP, TUYỂN CHỌN VÀ ĐỊNH DANH VI KHUẨN LIÊN KẾT VỚI THỰC VẬT PLANT ASSOCIATED BACTERIA Ở LÚA, KHOAI TRỒNG TRÊN ĐẤT PHÈN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA NÔNG NGHIỆP

LÝ NGỌC THANH XUÂN

PHÂN LẬP, TUYỂN CHỌN VÀ ĐỊNH DANH

VI KHUẨN LIÊN KẾT VỚI THỰC VẬT (PLANT ASSOCIATED BACTERIA)

Ở LÚA, KHOAI TRỒNG TRÊN

ĐẤT PHÈN VÙNG ĐỒNG BẰNG

SÔNG CỬU LONG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH KHOA HỌC ĐẤT

Mã số: 9620103

2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA NÔNG NGHIỆP

LÝ NGỌC THANH XUÂN

PHÂN LẬP, TUYỂN CHỌN VÀ ĐỊNH DANH

VI KHUẨN LIÊN KẾT VỚI THỰC VẬT (PLANT ASSOCIATED BACTERIA)

Ở LÚA, KHOAI TRỒNG TRÊN

ĐẤT PHÈN VÙNG ĐỒNG BẰNG

SÔNG CỬU LONG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH KHOA HỌC ĐẤT

Mã số: 9620103

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS.TS TRẦN VĂN DŨNG

GS.TS NGÔ NGỌC HƯNG

2019

LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn đến

Em Lâm Tiên Nga, em Nguyễn Như Thanh, em Trần Lê Kim Trí, em Lê Thị Thúy Loan, em Nguyễn Thị Xuân Mỵ và anh Trần Văn Bé Năm đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án

Quí Thầy, Cô và các Anh, Chị, Em trong Bộ môn Khoa học đất - Khoa Nông nghiệp đã nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm thực tiễn hết sức quý báu và luôn quan tâm, hỗ trợ tôi trong việc hoàn thành luận án

Ban Giám hiệu Trường Đại học Cần Thơ, Ban Chủ nhiệm Khoa Nông nghiệp, Khoa Sau Đại học và các Phòng ban của Trường Đại học Cần Thơ đã

hỗ trợ và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập tại Trường

Ban Giám hiệu Trường Đại học An Giang, Lãnh đạo Phòng Quản Trị - Thiết bị, các bạn đồng nghiệp thuộc Khu Thí nghiệm - Thực hành đã hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi và động viên tôi trong suốt quá trình làm nghiên cứ sinh

Đặc biệt xin gởi lời chân thành cảm ơn sâu sắc đến

GS TS Ngô Ngọc Hưng, PGS.TS Trần Văn Dũng, GS TS Cao Ngọc Điệp và PGS.TS Nguyễn Hữu Hiệp đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, cung cấp nhiều kiến thức quý báu trong suốt quá trình tôi học tập Từ đó, giúp tôi lĩnh hội thêm nhiều kiến thức mới trong lĩnh vực nghiên cứu, thực hiện và hoàn thành luận án tốt nghiệp

Em Nguyễn Quốc Khương, em Lương Thị Hoàng Dung, em Lê Văn Dang, em Lê Phước Toàn, em Trần Ngọc Hữu và em Nguyễn Thị Xuân Đào

đã tận tình giúp đỡ, chia sẽ, động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án

Cha mẹ hai bên và gia đình nhỏ của tôi luôn là nguồn động viên, là chỗ dựa tinh thần, niềm an ủi, ủng hộ, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án

Tôi bày tỏ sự biết ơn sâu sắc với tấm lòng tôn trọng và mãi luôn khắc ghi những công ơn quý báo này

Xin chân thành cảm ơn!

Lý Ngọc Thanh Xuân

TÓM TẮT

Đất phèn có pH thấp, đã dẫn đến hàm lượng dưỡng chất thấp Đề tài

“Phân lập, tuyển chọn và định danh vi khuẩn liên kết với thực vật (plant associated bacteria) ở lúa, khoai trồng trên đất phèn vùng đồng bằng sông Cửu Long” được thực hiện nhằm mục tiêu (i) Phân lập và tuyển chọn các chủng vi khuẩn cố định đạm, hòa tan lân hiện diện trong đất và nội sinh trong cây lúa, khoai lang trên đất phèn (ii) Xác định ảnh hưởng của các chủng vi khuẩn cố định đạm, hòa tan lân đến sinh trưởng và năng suất lúa và khoai lang Mẫu đất phèn, khoai lang và lúa được thu thập tại bốn vùng đất phèn Tứ giác Long Xuyên (TGLX), Đồng Tháp Mười (ĐTM), Trũng sông Hậu (TSH) và Bán đảo

cà Mau (BĐCM) Bốn trăm ba mươi mốt chủng vi khuẩn liên kết với cây lúa, trong đó có 272 chủng vi khuẩn được phân lập từ đất vùng rễ và 159 chủng vi khuẩn nội sinh Đặc điểm khuẩn lạc của các chủng vi khuẩn phân lập được có màu sắc khác nhau: trắng đục, trắng trong, vàng nhạt và vàng đậm Hình dạng khuẩn lạc chủ yếu là tròn, bìa nguyên, hầu hết các chủng vi khuẩn có tế bào dạng hình que, Gram âm Bốn trăm hai mươi bốn chủng vi khuẩn liên kết với cây khoai lang, trong đó có 271 chủng vi khuẩn được phân lập từ đất vùng rễ

và 153 chủng vi khuẩn nội sinh Đặc điểm khuẩn lạc của các chủng vi khuẩn phân lập được có màu sắc khác nhau: trắng đục, trắng trong vàng nhạt và vàng đậm Hình dạng khuẩn lạc chủ yếu là tròn, bìa nguyên, một số lượng nhỏ các dòng vi khuẩn có tế bào dạng hình cầu Các chủng vi khuẩn có khả năng cố định đạm và có khả năng hòa tan lân khó tan Hai mươi chín chủng vi khuẩn liên kết với cây lúa có khả năng tổng hợp đạm cao, hòa tan lân khó tan đã được định danh đến mức độ loài bằng kỹ thuật PCR và giải trình tự đoạn 16S rDNA Các chủng vi khuẩn này đa dạng về loài thuộc 3 nhóm vi khuẩn: Bacilli, Gammaproteobacteria và Betaproteobacteria Mười hai chủng vi khuẩn liên kết với cây khoai lang mà có khả năng tổng hợp đạm cao, hòa tan lân khó tan đã được định danh đến mức độ loài bằng kỹ thuật PCR và giải trình tự đoạn 16S rDNA Các dòng vi khuẩn này đa dạng về loài chỉ thuộc 2 nhóm vi khuẩn: Bacilli và Gammaproteobacteria Kết quả thí nghiệm đồng ruộng cho thấy nghiệm thức không bón đạm đã làm giảm năng suất lúa trên đất phèn, Long Mỹ - Hậu Giang, Hòn Đất - Kiên Giang và Hồng Dân, Bạc Liêu, nhưng nghiệm thức bón 60 kg N ha-1 kết hợp với vi khuẩn Burkholderia vietnamiensis X1 đã đạt năng suất cao hơn so với đối chứng 90N-60P2O5-30K2O trên đất phèn Hòn Đất - Kiên Giang Tương tự, nghiệm thức bổ sung vi

khuẩn B vietnamiensis X3 đã làm tăng năng suất cao hơn so với đối chứng

90N-60P2O5-30K2O trên đất phèn Long Mỹ - Hậu Giang và Hồng Dân - Bạc Liêu Tuy nhiên, nghiệm thức không bón lân chưa thể hiện sự thiếu lân trên ba vùng phèn trên nên chưa đưa đến sự khác biệt về năng suất của sử dụng vi

khuẩn B vietnamiensis X1 và B vietnamiensis X3 Hoạt tính cố định đạm của

vi khuẩn B acidipaludis X5 mạnh nhất so với 2 vi khuẩn còn lại thông qua

việc gia tăng số củ và năng suất củ khoai lang Bón 60 kg N ha-1 kết hợp với

chủng vi khuẩn B acidipaludis X5 cho số củ, chiều dài củ, đường kính củ và

năng suất củ khoai lang tương đương với bón 90 kg N ha-1 Sử dụng chủng vi

khuẩn B acidipaludis X5 đã tiết kiệm được khoảng 30% lượng phân đạm bón

cho khoai lang Cần áp dụng các dòng này trong cánh tác lúa và khoai lang ở ĐBSCL

Từ khóa: cố định đạm, đất phèn, hòa tan lân, vi khuẩn đất vùng rễ, vi khuẩn nội sinh

ABSTRACT

Acid sulfate soils possess low pH resulting low nuutrients for plants The study titled “Isolation, selection, characterization and identification of endophytic and rhizospheric bacteria associated with rice and sweet potato from acid sulfate soil in the Mekong delta, Vietnam” was conducted for the following objectives (i) isolation of endophytic and rhizospheric bacterial strains associated with sweet potato and rice for abilities of nitrogen fixing, phosphate-solubilizing; (ii) selection of promising nitrogen fixing, phosphate-solubilizing bacterial strains for improvement of sweet potato and rice growth and yield The sweet potato and rice plant, and soil samples were collected from four acid sulfate soil areas including Ca Mau Peninsula, Long Xuyen Quadrangle, Depressed area of Hau River and Plain of Reed in the Mekong Delta, Vietnam A total of 431 rice endophytic bacterial strains including 272 strains isolated from rhizobacterial strains and 159 endophytic bacterial strains were obtained Morphological properties of colonies had colorless, opaque,

yellow and very yellow Besides, colony morphology was mainly circular shapes and entire margin, rod shape and Gram-negative A total of 424 rice

endophytic bacterial strains consisting of 271 strains isolated from rhizobacterial strains and 153 endophytic bacterial strains were obtained Morphological characteristics of colonies also were transparency, milk-color,

yellow and very yellow Moreover, colony morphology was mostly circular shapes and entire margin, rod shape and Gram-positive, but several strains had

sphere shape The 25 selected rice endophytic bacterial strains had promised high abilities for nitrogen fixing, phosphate-solubilizing that were identified

by 16S rDNA sequence analysis The phylogenetic analysis is belonged to Bacilli, Gammaproteobacteria and Betaproteobacteria groups Similarly, The 2 selected sweet potato, yam, and cassava endophytic bacterial strains had high promised capacities for nitrogen fixing, phosphate-solubilizing, which were identified by 16S rDNA sequence analysis The phylogenetic analysis is closely classified to Bacilli and Gammaproteobacteria groups The without nitrogen fertilizer application decreased rice yield on acid sulfate soil in Long

My - Hau Giang, Hon Dat - Kien Giang and Hong Dan - Bac Lieu, but the application of both 60 kg N ha-1 and Burkholderia vietnamiensis X1 resulted

in higher rice yield compared to control treatment (90N-60P2O5-30K2O) on

acid sulfate soil in Hon Dat - Kien Giang Similarly, the applied B vietnamiensis X3 increased productivity in Long My - Hau Giang, and Hong

Dan - Bac Lieu However, without phosphorus fertilizer application have not

been improved yield by application of B vietnamiensis X1 và B vietnamiensis

X3 because there were not significant differences between phosphorus and

without phosphorus fertilization The bacteria Burkholderia acidipaludis X5

have high nitrogen fixation capability compared to those in the 2 other bacteria through increased number of tubers and yield of sweet potato Applying kg N

ha-1 in combination with incubation of bacteria Burkholderia acidipaludis X5

showed that the tuber number, tuber length, tuber diameter and sweet potato yield were equivalent with applying kg N ha-1 Incubation with bacteria

Burkholderia acidipaludis X5 could save 30% of nitrogen fertilizers for sweet

potato The potential bacterial strains should be used in cultivating rice and

sweet potato in the Mekong delta

Key words: acid sulfate soil, endophytic bacteria, nitrogen fixing, solubilizing, rhizobacterial

phosphate-LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được người khác công bố trong bất kỳ công trình nào khác Số liệu trong đề tài nghiên cứu sinh này thuộc đề tài “Nghiên cứu sử dụng hợp lý đất phèn đồng bằng sông Cửu Long thích ứng với biến đổi khí hậu”, với mã số BĐKH57

Cần Thơ, ngày 04 tháng 3 năm 2019

Người hướng dẫn Nghiên cứu sinh

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

ABSTRACT iv

LỜI CAM ĐOAN vi

MỤC LỤC vii

DANH SÁCH BẢNG x

DANH SÁCH HÌNH xiii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xiv

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu 3

1.3 Nội dung nghiên cứu 3

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

1.5 Những đóng góp mới của luận án 4

1.6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án 5

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 6

2.1 Nguyên lý và ứng dụng của vi khuẩn liên kết với thực vật trong nông nghiệp 6

2.1.1 Khái niệm 6

2.1.2 Nguyên lý và ứng dụng của vi khuẩn liên kết thực vật 6

2.1.3 Những tiến bộ trong nghiên cứu cộng đồng vi sinh vật liên kết với thực vật 12

2.2 Đặc điểm thổ nhưỡng các vùng sinh thái đất 16

2.2.1 Phân loại đất phèn 16

2.2.2 Đặc điểm thổ nhưỡng và các trở ngại trên đất phèn ĐBSCL 20

2.2.3 Đặc tính hóa học của đất phèn ĐBSCL 27

Chương 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 36

3.1 Vật liệu 36

3.1.1 Thời gian và địa điểm 36

3.1.2 Vật liệu 36

3.1.3 Thiết bị, dụng cụ nghiên cứu 37

3.1.4 Môi trường sử dụng 37

3.1.5 Đặc tính đất thí nghiệm 38

3.2 Phương pháp 38

3.2.1 Nội dung 1: Khảo sát và thu thập mẫu đất, thực vật trên đất phèn ở các vùng sinh thái tại đồng bằng sông Cửu Long 40

3.2.2 Nội dung 2: Phân lập và tuyển chọn vi khuẩn liên kết với thực vật có khả năng cố định đạm, hòa tan lân 41

3.2.3 Nội dung 3: Tuyển chọn vi khuẩn trước khi tiến hành nhận diện 46

3.2.4 Nội dung 4: Nhận diện, định danh các chủng vi khuẩn tuyển chọn 47

3.2.5 Nội dung 5: Đánh giá hiệu quả của các chủng vi khuẩn đã tuyển chọn trên cây lúa trồng trên đất phèn trong điều kiện nhà lưới và ngoài đồng 49 3.2.6 Nội dung 6: Đánh giá hiệu quả của các chủng vi khuẩn đã tuyển chọn trên khoai lang trồng trên đất phèn trong điều kiện nhà lưới và ngoài đồng 54

3.3 Xử lý số liệu 58

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 59

4.1 Phân lập vi khuẩn trên lúa và khoai lang 59

4.1.1 Phân lập vi khuẩn vùng rễ cây lúa và nội sinh cây lúa 59

4.1.2 Đặc điểm hình thái của vi khuẩn vùng rễ và nội sinh cây lúa 59

4.1.3 Phân lập vi khuẩn vùng rễ và nội sinh trên khoai lang 60

4.1.4 Đặc điểm hình thái của vi khuẩn vùng rễ và nội sinh trên khoai lang 60

4.2 Tuyển chọn các chủng vi khuẩn tiềm năng có khả năng cố định đạm và hòa tan lân 61

4.2.1 Khảo sát khả năng tổng hợp NH4 + và hòa tan lân của chủng vi khuẩn đã phân lập trên vùng rễ lúa và nội sinh trong cây lúa 61

4.2.2 Khảo sát khả năng tổng hợp NH4+ và hòa tan lân của chủng vi khuẩn đã phân lập trên vùng rễ lúa và nội sinh trong khoai lang 67

4.3 Nhận diện và xây dựng mối quan hệ di truyền của một số chủng vi khuẩn trên lúa, khoai lang có khả năng tổng hợp NH4+, hòa tan lân cao 71 4.3.1 Đối với vi khuẩn đất vùng rễ lúa 71

4.3.2 Đối với vi khuẩn nội sinh cây lúa 74

4.3.3 Đối với vi khuẩn vùng rễ và nội sinh trên khoai lang 76

4.3.4 Tuyển chọn các chủng vi khuẩn cho áp dụng trong điều kiện đồng ruộng 80

4.4 Hiệu quả của các chủng vi khuẩn triển vọng B vietnamiensis X1, X2, X3

cố định đạm và hòa tan lân khó tan đến sinh trưởng và năng suất lúa trồng

trên đất phèn trong điều kiện nhà lưới 85

4.4.1 Ảnh hưởng của các chủng vi khuẩn đã tuyển chọn kết hợp với mức bón đạm lên thành phần năng suất và năng suất lúa 85

4.4.2 Ảnh hưởng của các chủng vi khuẩn đã tuyển chọn kết hợp với mức bón lân lên thành phần năng suất và năng suất lúa 87

4.5 Hiệu quả của các chủng vi khuẩn triển vọng E cloacae X4, B acidipaludis X5, Bacillus sp X6 cố định đạm và hòa tan lân khó tan đến sinh trưởng và năng suất khoai lang trồng trên đất phèn trong điều kiện nhà lưới 89

4.6 Hiệu quả của các chủng vi khuẩn triển vọng B vietnamiensis X1, X2, X3 cố định đạm và hòa tan lân khó tan đến sinh trưởng và năng suất lúa trồng trên đất phèn trong điều kiện ngoài đồng 91

4.6.1 Ảnh hưởng của các chủng vi khuẩn B vietnamiensis X1, X2, X3 kết hợp các mức đạm lên năng suất lúa trồng trên đất phèn ở đồng bằng sông Cửu Long vụ hè thu 2015 91

4.6.2 Ảnh hưởng của các chủng vi khuẩn B vietnamiensis X1, X2, X3 kết hợp các mức lân lên năng suất lúa trồng trên đất phèn ở đồng bằng sông Cửu Long vụ hè thu 2015 93

4.6.3 Đánh giá hiệu quả của chủng vi khuẩn B vietnamiensis X1, X3 lên năng suất lúa trồng trên đất phèn ở đồng bằng sông Cửu Long vụ thu đông 2015 95

4.7 Hiệu quả của các chủng vi khuẩn triển vọng E cloacae X4, B acidipaludis X5, Bacillus sp X6 cố định đạm và hòa tan lân khó tan đến sinh trưởng và năng suất khoai trồng trên đất phèn ở điều kiện ngoài đồng 97

4.7.1 Ảnh hưởng của các chủng vi khuẩn E cloacae X4, B acidipaludis X5, Bacillus sp X6 kết hợp với các liều lượng đạm đến năng suất khoai lang tím nhật vào vụ xuân hè 2016 trên đất phèn ở ĐBSCL 97

4.7.2 Ảnh hưởng của các chủng vi khuẩn E cloacae X4, B acidipaludis X5, Bacillus sp X6 kết hợp với các liều lượng lân đến năng suất khoai lang tím nhật vào vụ hè thu 2016 trên đất phèn ở ĐBSCL 99

4.7.3 Ảnh hưởng của vi khuẩn triển vọng đến năng suất khoai lang tím nhật vụ hè thu 2016 101

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 103

5.1 Kết luận 103

5.2 Đề xuất 104

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2.1: Phân loại đất phèn theo hệ thống phân loại (USDA/Soil Taxonomy) 17Bảng 2.2: Thống kê tính chất hóa học tầng A của đất phèn ở 04 vùng sinh thái ĐBSCL (Ngô Ngọc Hưng, 2009) 27Đặc tính hóa – lý đất thí nghiệm trồng lúa được trình bày ở Bảng 3.1 38Bảng 3.1: Tính chất ban đầu của đất thí nghiệm trồng lúa 38Đặc tính hóa – lý đất thí nghiệm trồng khoai lang được trình bày ở Bảng 3.2 38Bảng 3.2: Tính chất ban đầu của đất thí nghiệm trồng khoai lang 38Bảng 3.3: Ảnh hưởng của các chủng vi khuẩn kết hợp lượng đạm lên năng suất lúa thí nghiệm nhà lưới 50Bảng 3.4: Ảnh hưởng của các chủng vi khuẩn kết hợp lượng lân lên năng suất lúa thí nghiệm nhà lưới 50Bảng 3.5: Ảnh hưởng của các chủng vi khuẩn kết hợp lượng đạm lên năng suất lúa 52

Bảng 3.6: Đánh giá sự phối hợp vi khuẩn triển vọng với 3 lượng N lên năng

suất lúa 52Bảng 3.7: Ảnh hưởng của các chủng vi khuẩn kết hợp lượng lân lên năng suất lúa 53Bảng 3.8: Ảnh hưởng của các chủng vi khuẩn kết hợp lượng đạm lên năng suất khoai lang thí nghiệm nhà lưới 54Bảng 3.9: Thời kỳ và lượng phân (%) bón cho thí nghiệm 55Bảng 3.10: Mùa vụ và nội dung thí nghiệm 56Bảng 3.11: Ảnh hưởng của các chủng vi khuẩn kết hợp lượng đạm lên năng suất khoai lang 56

Bảng 3.12: Đánh giá sự phối hợp vi khuẩn triển vọng với 3 lượng N lên năng

suất khoai lang 57Bảng 3.13: Ảnh hưởng của các chủng vi khuẩn kết hợp lượng lân lên năng suất khoai lang 57Bảng 3.14: Thời kỳ và lượng phân (%) bón cho thí nghiệm 58Bảng 4.1: Số lượng vi khuẩn được phân lập từ đất vùng rễ lúa và nội sinh trên các môi trường khác nhau 59

Bảng 4.2: Đặc điểm khuẩn lạc và tế bào của các chủng vi khuẩn nội sinh cây

lúa 60Bảng 4.3: Số lượng vi khuẩn được phân lập từ đất vùng rễ trồng khoai lang và nội sinh trên các môi trường khác nhau 60

Bảng 4.4: Đặc điểm khuẩn lạc và tế bào của các chủng vi khuẩn vùng rễ và nội sinh trên khoai lang 61Bảng 4.5: Khả năng của các chủng vi khuẩn vùng rễ cố định đạm (2-8 NSU)

và hòa tan lân (5-20 NSU) được phân lập trên đất phèn trồng lúa 63Bảng 4.6: Khả năng của các chủng vi khuẩn nội sinh cố định đạm (2-8 NSU)

và hòa tan lân (5-20NSU) được phân lập trên đất phèn trồng lúa 66Bảng 4.7: Khả năng của các chủng vi khuẩn vùng rễ cố định đạm (2-8 NSU)

và hòa tan lân (5-20NSU) được phân lập trên đất phèn trồng khoai lang 68Bảng 4.8: Khả năng của các chủng vi khuẩn nội sinh cố định đạm (2-8 NSU)

và hòa tan lân (5-20NSU) được phân lập trên đất phèn trồng khoai lang 70Bảng 4.9: Mối tương quan di truyền giứa một số chủng vi khuẩn được phân lập với các chủng vi khuẩn có trong ngân hang gen (NCBI) dựa vào trình

tự 16S rDNA 72Bảng 4.10: Mối tương quan di truyền giứa một số chủng vi khuẩn được phân lập với các chủng vi khuẩn có trong ngân hang gen (NCBI) dựa vào trình

tự 16S rDNA 74Bảng 4.11: Mối tương quan di truyền giứa một số chủng vi khuẩn được phân lập với các chủng vi khuẩn có trong ngân hàng gen (NCBI) dựa vào trình

tự 16S rDNA 77Bảng 4.12: Khả năng cố định đạm, hòa tan lân sắt và lân nhôm của các chủng

vi khuẩn tiềm năng từ đất trồng lúa 81Bảng 4.13: Khả năng cố định đạm, hòa tan lân sắt và lân nhôm của các chủng

vi khuẩn tiềm năng từ đất trồng khoai 83

Bảng 4.14: Ảnh hưởng của các chủng vi khuẩn B vietnamiensis X1, X2, X3

cố định đạm và hòa tan lân kết hợp với mức bón đạm lên thành phần năng suất và năng suất lúa trong điều kiện nhà lưới 86Bảng 4.15: Ảnh hưởng của các chủng vi khuẩn kết hợp với mức bón lân lên thành phần năng suất và năng suất lúa trong điều kiện nhà lưới 88Bảng 4.16: Ảnh hưởng của các chủng vi khuẩn kết hợp với mức bón đạm lên sinh trưởng, thành phần năng suất và năng suất khoai lang trong nhà lưới 89Bảng 4.17: Ảnh hưởng của chủng vi khuẩn kết hợp các mức đạm lên năng suất

và thành phần năng suất của lúa trồng trên đất phèn ở đồng bằng sông Cửu Long vụ hè thu 2015 92Bảng 4.18: Ảnh hưởng của chủng vi khuẩn phối hợp các lượng phân lân lên năng suất và thành phần năng suất lúa trồng trên đất phèn ở đồng bằng sông Cửu Long vụ thu đông 2015 94

Bảng 4.19: Ảnh hưởng của chủng vi khuẩn triển vọng B vietnamiensis X1 và

B vietnamiensis X3 lên thành phần năng suất và năng suất lúa trồng trên

đất phèn ở Đồng bằng sông Cửu Long vụ thu đông 2015 96

Bảng 4.20: Số củ, chiều dài, đường kính và năng suất củ khoai lang tím nhật

vụ xuân hè 2016 98Bảng 4.21: Số củ, chiều dài, đường kính và năng suất củ khoai lang tím nhật vào vụ hè thu 2016 100Bảng 4.22: Số củ, chiều dài, đường kính và năng suất khoai lang tím nhật vào

vụ hè thu 2016 102

DANH SÁCH HÌNH

Hình 2.1: Sơ đồ biểu diễn cơ chế cố định đạm sinh học (Kneip et al., 2007) 8

Hình 2.2: So sánh tính chất: (a) pH; (b) Al3+ trao đổi; (c) Fe2+ hoạt động và (d)

SO4 hòa tan của 4 vùng đất phèn ở ĐBSCL (Ngô Ngọc Hưng, 2009) 31

Hình 2.3: Tương quan giữa: (a) pH và Al trao đổi và, (b) pH và SO4 hòa tan của đất phèn ĐBSCL (Ngô Ngọc Hưng, 2009) 31

Hình 2.4: Tương quan giữa: (a) pH và C hữu cơ, và (b) C hữu cơ và hàm

lượng N trong đất phèn ở ĐBSCL (Ngô Ngọc Hưng, 2009) 32

Hình 2.5: Hàm lượng các cation trao đổi (K+, Ca2+, Mg2+ và Na+) của đất phèn

ở bốn vùng sinh thái (Ngô Ngọc Hưng, 2009) 33Hình 3.1: Bản đồ khảo sát và lấy mẫu trên các vùng sinh thái đất phèn Nguồn:

Vo Tong Xuan và Matsui (1998) 36Hình 3.2: Sơ đồ tiếp cận phương pháp nghiên cứu 40Hình 4.1: Sơ đồ cây phả hệ cho thấy mối quan hệ di truyền về trình tự gen 16S rDNA của 15 chủng vi khuẩn đất vùng rễ trồng cây lúa đã được tuyển

chọn Phân tích Neighbor-Joining với bootrap 100 Thang 0.5 chỉ khoảng

5 thay đổi trong 100 nucleotic của trình tự gen 16S rDNA 73

Hình 4.2: Sơ đồ cây phả hệ cho thấy mối quan hệ di truyền về trình tự gen 16S

rDNA của 15 chủng vi khuẩn nội sinh trong cây khoai đã được tuyển

chọn Phân tích Neighbor-Joining với bootrap 100 Thang 0.5 chỉ khoảng

5 thay đổi trong 100 nucleotic của trình tự gen 16S rDNA 75

Hình 4.3: Sơ đồ cây phả hệ cho thấy mối quan hệ di truyền về trình tự gen 16S rDNA của 12 chủng vi khuẩn đất vùng rễ và nội sinh cây khoai lang đã

được tuyển chọn Phân tích Neighbor-Joining với bootrap 100 Thang 0.5 chỉ khoảng 5 thay đổi trong 100 nucleotic của trình tự gen 16S rDNA 78

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BĐCM: Bán đảo Cà Mau

ĐBSCL: Đồng bằng sông Cửu Long

ĐTM: Đồng Tháp Mười

NSU: Ngày sau ủ

PAB: Vi khuẩn liên kết với thực vật

TGLX: Tứ giác Long Xuyên

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Đặt vấn đề

Với sự đa đạng của cộng đồng vi sinh vật có ích trong đất, nhưng việc khai thác và ứng dụng các nguồn vi sinh vật có ích vào sản xuất còn nhiều hạn chế Ngày nay, các nhà khoa học trên thế giới cũng như nước ta đã và đang tăng cường nghiên cứu để ứng dụng nhiều hơn vai trò của vi sinh vật trong nông nghiệp Nhiều chế phẩm sinh học đã đáp ứng được nhu cầu của xã hội trước nguy cơ ô nhiễm môi trường, biến đổi khí hậu, an toàn thực phẩm

Vi sinh vật có cấu tạo đơn giản nhưng lại có khả năng phân chia, sinh sản rất nhanh với hệ enzyme phong phú có khả năng phân hủy hầu như mọi dạng vật chất trong tự nhiên Việc tìm ra những loài vi sinh vật có ích sống trong đất vùng rễ và nội sinh trong cây mang ý nghĩa thiết thực cho nền nông nghiệp hiện đại Vì vậy, việc sử dụng những loài vi sinh vật này giúp nâng cao năng suất cây trồng một cách an toàn, bền vững và thân thiện với môi trường Hàm lượng đạm trong không khí tồn tại dưới hình thức N2 có thể xem như nguồn đạm vô tận cho cây xanh đưa vào chuỗi thức ăn Ước tính hằng năm có khoảng 160 – 176 triệu tấn N2 khí quyển được cố định và chuyển hóa thành các dạng đạm khác nhau nhờ vi khuẩn cố định đạm (Hardy và Holsten, 1972; Gibson, 1995) Lượng đạm này gấp đôi so với lượng phân đạm sản xuất mỗi năm của toàn thế giới mà lại không tốn chi phí và không gây ô nhiễm môi trường Nhiều vi khuẩn vùng rễ và vi khuẩn nội sinh đã được công bố là có khả năng cố định đạm

Sự tồn lại lân khó tiêu trong đất đa phần là do hoạt động sản xuất nông nghiệp của con người Hằng năm khoảng 180.000 tấn P2O5 được bón vào đất nông nghiệp ở đồng bằng sông Cửu Long nhưng cây trồng chỉ sử dụng khoảng 1/3 (Cao Ngọc Điệp và Bùi Thị Kiều Oanh, 2006) Vì tế bào có thể hút được nhiều loại lân nhưng hấp thụ cao nhất là ở dạng HPO42- hoặc H2PO4- Tuy nhiên, dạng hòa tan trong đất này thường rất thấp, ở mức 1 ppm hoặc ít hơn (Goldstein, 1994) Dạng phổ biến của lân là không tan, thường gặp trong đá dưới dạng apatite, hydroxyapatite, oxyapatite hay các dạng kết hợp với sắt, nhôm, mangan Ngoài ra, đất nông nghiệp còn có thể chứa một lượng lớn lân nguồn gốc từ việc bón phân lân vô cơ thường xuyên mà cây trồng không hấp thu hết, sau đó bị cố kết trong đất dưới dạng khó tan Nhiều loài vi khuẩn cũng

đã được mô tả về khả năng chuyển hóa lân khó tan thành dạng mà cây xanh có thể hấp thu được Nhiều nghiên cứu cũng đã cho thấy nhiều loài vi sinh vật đất vùng rễ và vi khuẩn nội sinh vừa có khả năng cố định đạm, vừa hòa tan được lân khó tan, thậm chí là phân giải các hợp chất hữu cơ, các hợp chất chứa kali

như kaolinite, illite, montmorilonite, v.v (Lin Qi-mei et al., 2002; Zhao et al., 2008) Các loài vi sinh vật này có thể bổ sung nguồn dinh dưỡng cơ bản

cho cây mà lại hết sức thân thiện với môi trường

Muốn có chế phẩm phân bón vi sinh tốt, cần phải chọn lọc được các chủng vi sinh vật có sức cạnh tranh lớn, thích ứng rộng, có khả năng cung cấp các dưỡng chất thiết yếu cho cây trồng; đồng thời sinh tổng hợp được các chất tăng trưởng thực vật Bên cạnh đó, vi sinh vật được phân lập từ cây trồng và vùng đất bản địa sẽ đạt được trạng thái sinh trưởng tốt nhất, thân thiện với môi trường và có hiệu quả cao nhất khi được chủng trở lại loại cây trồng và vùng đất đó

Đất phèn có môi trường axit cao trong đó nhôm phóng thích và các kim loại nặng hòa tan, các cộng đồng vi khuẩn trong loại đất này có một cấu trúc hoàn toàn khác với những vi khuẩn trong các môi trường khác Tuy nhiên, các

hệ sinh thái vi khuẩn trong đất phèn rất ít được biết đến về mặt chức năng hoặc cấu trúc cộng đồng Phân lập vi sinh vật và nghiên cứu chức năng của vi khuẩn và các động thái của cộng đồng vi khuẩn trong đất phèn sẽ thể hiện một bước quan trọng trong việc đạt được một sự hiểu biết về sự hình thành và cải tạo đất phèn

Bên cạnh những trở ngại trong canh tác do khí hậu bất thường, sự gia tăng phát thải độc chất từ đất phèn có thể đưa đến sự thay đổi hệ sinh thái đất

và giảm đa dạng sinh học trong đất Nghiên cứu về đất phèn ở Việt Nam và trên thế giới đều cho rằng đất phèn có hàm lượng chất hữu cơ cao và hàm lượng đạm tổng số cao, vi sinh vật (VSV) đất có vai trò rất quan trọng trong sự chuyển hóa các dưỡng chất này thành hữu dụng cho cây trồng Phát triển các

mô hình canh tác thích hợp kết hợp ứng dụng công nghệ sinh học trong sử dụng VSV bản địa có lợi sẽ khai thác được tiềm năng sử dụng đất phèn và do

đó góp phần ổn định sản xuất và đời sống kinh tế cho người nông dân trên vùng đất phèn Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) Các bất lợi môi trường

về độc chất gia tăng bất thường của phèn và mặn do biến đổi khí hậu có thể tiêu diệt và VSV có lợi đang hiện hữu trong đất phèn ĐBSCL Việc phân lập, nhận diện và lưu giữ sẽ giúp bảo tồn nguồn tài nguyên sinh vật, đồng thời các nghiên cứu ứng dụng sẽ giúp nâng cao độ phì nhiêu đất và sản xuất cây trồng

một cách có hiệu quả hơn Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, đề tài: “Phân

lập, tuyển chọn và định danh vi khuẩn liên kết với thực vật (plant associated bacteria) ở lúa, khoai trồng trên đất phèn vùng đồng bằng sông Cửu Long” được thực hiện

1.2 Mục tiêu

Phân lập các chủng vi khuẩn cố định đạm, hòa tan lân hiện diện trong đất

và nội sinh trong cây lúa, khoai lang trên đất phèn

Xác định và tuyển chọn các chủng vi khuẩn cố định đạm, hòa tan lân có ảnh hưởng đến sinh trưởng, năng suất của lúa và khoai lang trồng trên đất phèn trong điều kiện nhà lưới và ngoài đồng

Đề xuất 2-3 chủng vi khuẩn triển vọng phục vụ cho ổn định năng suất của lúa và khoai lang trồng trên đất phèn

1.3 Nội dung nghiên cứu

- Nội dung 1: Thu thập mẫu đất, mẫu cây của lúa và khoai lang trồng trên đất

phèn ở các vùng sinh thái tại đồng bằng sông Cửu Long

- Nội dung 2: Phân lập và tuyển chọn vi khuẩn liên kết với thực vật có khả

năng cố định đạm, hòa tan lân

Mô tả đặc điểm khuẩn lạc và một số đặc điểm tế bào của các chủng vi khuẩn được phân lập

Xác định khả năng cố định đạm, hòa tan lân khó tan của các chủng vi khuẩn được phân lập

- Nội dung 3: Nhận diện, định danh các chủng vi khuẩn tuyển chọn

Nhận diện một số dòng vi khuẩn được tuyển chọn bằng phương pháp sinh học phân tử

- Nội dung 4: Tuyển chọn vi khuẩn trước khi tiến hành đánh giá hiệu quả vi

khuẩn

Xác định khả năng cố định đạm của vi khuẩn ở pH = 4

Xác định khả năng hòa tan lân (Fe-PO4, Al-PO4) của vi khuẩn ở pH = 4

- Nội dung 5: Xác định hiệu quả của các chủng vi khuẩn đã tuyển chọn trên

cây lúa trồng trên đất phèn trong điều kiện nhà lưới và ngoài đồng

Bố trí thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của một số nghiệm thức chủng vi khuẩn lên năng suất lúa trồng trên đất phèn trong điều kiện nhà lưới

Chọn các nghiệm thức để thử nghiệm ngoài đồng

- Nội dung 6: Xác định hiệu quả của các chủng vi khuẩn đã tuyển chọn trên

cây khoai lang trồng trên đất phèn trong điều kiện nhà lưới và ngoài đồng

Bố trí thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của một số nghiệm thức chủng vi khuẩn lên năng suất khoai lang trồng trên đất phèn trong điều kiện nhà lưới

Chọn các nghiệm thức để thử nghiệm ngoài đồng

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

* Đối tượng nghiên cứu: các chủng vi khuẩn liên kết với cây lúa, khoai

lang

* Phạm vi nghiên cứu: 4 vùng đất phèn ở đồng bằng sông Cửu Long

1.5 Những đóng góp mới của luận án

Phân lập được 431 dòng vi khuẩn liên kết với cây lúa, trong đó có 272 chủng vi khuẩn được phân lập từ đất vùng rễ và 159 chủng vi khuẩn nội sinh Đặc điểm khuẩn lạc của các dòng vi khuẩn phân lập được có màu sắc khác nhau: trắng đục, trắng trong vàng nhạt và vàng đậm Hình dạng khuẩn lạc chủ yếu là tròn, bìa nguyên, hầu hết các dòng vi khuẩn có tế bào dạng hình que, Gram âm

Phân lập được 424 chủng vi khuẩn liên kết với cây khoai, trong đó có

271 chủng vi khuẩn được phân lập từ đất vùng rễ và 153 dòng vi khuẩn nội sinh Đặc điểm khuẩn lạc của các chủng vi khuẩn phân lập được có màu sắc khác nhau: trắng đục, trắng trong vàng nhạt và vàng đậm Hình dạng khuẩn lạc chủ yếu là tròn, bìa nguyên, một số lượng nhỏ các chủng vi khuẩn có tế bào dạng hình cầu, Gram dương

Các chủng vi khuẩn có khả năng cố định đạm và có khả năng hòa tan lân khó tan

Hai mươi chín chủng vi khuẩn liên kết với cây lúa mà có khả năng tổng hợp đạm cao, hòa tan lân khó tan đã được định danh đến mức độ loài bằng kỹ thuật PCR và giải trình tự đoạn 16S rDNA Các chủng vi khuẩn này đa dạng

về loài thuộc 3 nhóm vi khuẩn: Bacilli, Gammaproteobacteria và Betaproteobacteria

Mười hai chủng vi khuẩn liên kết với cây khoai lang có khả năng tổng hợp đạm cao, hòa tan lân khó tan đã được định danh đến mức độ loài bằng kỹ thuật PCR và giải trình tự đoạn 16S rDNA Các chủng vi khuẩn này đa dạng

về loài thuộc 2 nhóm vi khuẩn: Bacilli và Gammaproteobacteria

Không bón đạm đã làm giảm năng suất lúa trên đất phèn, Long Mỹ - Hậu Giang, Hòn Đất - Kiên Giang và Hồng Dân, Bạc Liêu, nhưng bón 60 kg N ha-1

kết hợp với vi khuẩn Burkholderia vietnamiensis X1 đã đạt năng suất cao hơn

so với đối chứng 90N-60P2O5-30K2O trên đất phèn Hòn Đất-Kiên Giang

Tương tự, vi khuẩn B vietnamiensis X3 đã đạt năng suất cao hơn so với đối

chứng 90N-60P2O5-30K2O trên đất phèn Long Mỹ - Hậu Giang, và Hồng Dân,

Bạc Liêu Tuy nhiên, không bón lân chưa thể hiện sự thiếu lân trên ba vùng

phèn trên nên chưa đưa đến sự khác biệt về năng suất của sử dụng vi khuẩn B vietnamiensis X1 và B vietnamiensis X3

Khả năng cố định đạm của vi khuẩn Burkholderia acidipaludis X5 mạnh nhất so với 2 vi khuẩn còn lại thông qua việc gia tăng số củ và năng suất củ

khoai lang Bón 60 kg N ha-1 kết hợp với chủng vi khuẩn B acidipaludis X5

cho số củ, chiều dài củ, đường kính củ và năng suất củ khoai lang tương đương với bón 90 kg N ha-1 Sử dụng chủng vi khuẩn B acidipaludis X5 đã

tiết kiệm được khoảng 30% lượng phân đạm bón cho khoai lang

1.6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án

* Ý nghĩa khoa học

- Việc phân lập các dòng vi khuẩn tiềm năng không chỉ góp phần bảo tồn nguồn gene của các cộng đồng vi khuẩn có lợi trong đất phèn, mà còn xác định sự da đạng về loài thông qua phương pháp sinh học phân tử như 16S rDNA

- Kết quả cũng góp phần minh chứng giữa lý thuyết về sự tương tác giữa

vi sinh vật đất đến động thái dinh dưỡng đất - cây trồng thông qua năng suất lúa và khoai lang sau khi thực hiện thí nghiệm

- Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể là tài liệu tham khảo và là cơ sở khoa học cho các nghiên cứu tiếp theo, cũng như bổ sung giáo trình giảng dạy

* Ý nghĩa thực tiễn

- Cung cấp nguồn vi khuẩn tốt có khả năng cố định đạm và các chủng

vi khuẩn có khả năng hòa tan phân lân khó tan thành lân dễ tan cung cấp cho cây lúa, khoai l a n g để ứng dụng cho việc nghiên cứu và sản xuất trên đất phèn đồng bằng sông Cửu Long

- Việc áp dụng các dòng vi khuẩn góp phần giảm lượng đạm để đạt được mục tiêu canh tác bền vững trong điều kiện biến đổi khí hậu

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Nguyên lý và ứng dụng của vi khuẩn liên kết với thực vật trong nông nghiệp

2.1.1 Khái niệm

2.1.1.1 Vi khuẩn liên kết với thực vật

Vi khuẩn là nhóm phong phú nhất trong vùng rễ Do đó, ảnh hưởng lớn đến sinh lý học thực vật và có khả năng cạnh tranh cao trong tiến trình dòng hóa rễ (Saharan and Nehra, 2011) Sau khi tập trung ở vùng rễ (rhizophere), vi khuẩn di chuyển đến bề mặt rễ (rhizoplane) và tại đó, thể hiện các lợi ích đối với cây chủ Một số chủng, loài còn có khả năng xâm nhập vào rễ

(endorhizophere), thậm chí là vào các bộ phận khác của cây (Compant et al.,

2010) Như vậy, ở khía cạnh nguồn gốc, các vi khuẩn nội sinh xâm nhập thực vật từ vùng rễ có thể xem như các vi khuẩn vùng rễ (rhizobacteria) Ngoài ra, người ta cũng đã phát hiện những cửa ngõ xâm nhập khác của vi khuẩn nội

sinh thực vật Jha et al., (2013) xếp vi khuẩn vùng rễ và vi khuẩn nội sinh vào

chung nhóm vi khuẩn liên hiệp với thực vật - PAB Chiến lược xâm lược cây chủ của PAB bao gồm các bước: nhận diện, bám dính, xâm nhập (chỉ vi sinh vật nội sinh và vi sinh vật gây bệnh) và phát triển, cùng một số cách thức để

thiết lập sự tương tác (Hartmann et al., 2009)

2.1.1.2 Vùng rễ và vi sinh vật vùng rễ kích thích sự tăng trưởng của thực vật

Vùng rễ hay hệ rễ (rhizosphere) được biết đến như là một lớp đất mỏng bao quanh rễ cây; đó là một khu vực cực kỳ quan trọng và tích cực cho hoạt động của rễ và sự trao đổi chất (Cao Ngọc Điệp, 2016)

2.1.1.3 Vi khuẩn nội sinh thực vật

Vi khuẩn nội sinh thực vật (Endophytic bacteria) là vi khuẩn sống trong

mô thực vật, trải qua vòng đời phần lớn ở trong cây, vi khuẩn từ vùng rễ xâm nhập vào rễ, thân và lá, sống bên trong các mô thực vật chủ và giữa các dòng hình thành các mối quan hệ khác nhau như cộng sinh tương hổ, cộng sinh dinh dưỡng và hội sinh và vi khuẩn thuộc nhóm này thúc đẩy sự phát triển của cây chủ (Schulz và Boyle, 2005)

2.1.2 Nguyên lý và ứng dụng của vi khuẩn liên kết thực vật

2.1.2.1 Cố định đạm

Đạm giữ vai trò quan trọng đối với sinh vật Đạm là nguyên tố tham gia cấu tạo của protein, acid nucleic và các thành phần cấu tạo của tế bào Nguồn

dự trữ đạm trong tự nhiên là rất lớn Chỉ tính riêng trong không khí, N2 chiếm khoảng 78,16% thể tích Người ta ước tính trong bầu không khí bao trùm lên một ha đất đai chứa khoảng 8 triệu tấn khí nitơ, lượng nitơ này có thể cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng trong 80 triệu năm Tuy nhiên, trong thực tế cây trồng không có khả năng đồng hóa trực tiếp nguồn nitơ này bởi vì giữa hai nguyên tử nitơ có liên kết ba tạo nên tính trơ của phân tử Nguồn đạm mà cây trồng sử dụng được phải ở dạng NH4+ hoặc NO3- Các vi sinh vật cố định đạm

có khả năng hút đạm (N2) trong không khí và biến đạm từ dạng cây trồng không hấp thụ được thành dạng đạm mà cây trồng hấp thụ được nhờ sự xúc

tác của enzyme nitrogenase (Nguyễn Lân Dũng và ctv., 2007)

Theo Kneip et al., (2007), trong suốt quá trình cố định đạm sinh học N2

giảm trong hệ thống vận chuyển điện tử kết quả tạo NH3 và phóng thích H2

NH3 sau đó được sử dụng để tổng hợp các chất khác (Hình 2.1) Quá trình chuyển N2 thành NH3 được xúc tác bởi phức hệ enzyme nitrogenase với sự tham gia của năng lượng ATP Enzyme dinitrogenase reductase và

dinitrogenase có các tiểu đơn vị nif (γ2 homodimeric azoferredoxin) và

NifD/K (α2ß2 heterotetrameric molybdoferredoxin) Điện tử chuyển ferredoxin (hoặc flavodoxin) đến dinitrogenase reductase và chuyển đến dinitrogenase, cung cấp điện tử dưới dạng H2 đến các N2 tạo thành NH3 Mỗi mol N2 được cố định cần có 16 ATP và có sự tham gia của protein nifH

Phức hợp enzyme nitrogenase và enzyme hydrogenase tổng hợp N2thành NH3 theo sơ đồ sau:

Nitrogenase

N2 + 6H+ + 6e- 2NH3

Ammonia được tạo ra trong chu trình tiếp tục kết hợp với chuỗi carbon để đồng hóa thành những acid amin đầu tiên cung cấp trực tiếp cho cây trồng

Hình 2.1: Sơ đồ biểu diễn cơ chế cố định đạm sinh học (Kneip et al., 2007)

Nitrogenase là một phức hệ enzyme, enzyme này được điều khiển bởi

hệ thống gen nif có trong bộ genome của tế bào vi khuẩn Enzyme

nitrogenase không chỉ xúc tác cho quá trình tổng hợp N2 thành NH3, mà còn

có thể xúc tác khử các chất CH3CN, HCN, NH3, N2O, C2H2, thành các sản phẩm tương ứng như C3H6, CH4, H2, N2, C2H4

Có thể chia vi khuẩn cố định đạm thành 2 nhóm chính: các vi khuẩn cộng sinh bắt buộc ở cây họ Đậu (như các rhizobium) và cây không thuộc họ

Đậu (như Frankia); các vi khuẩn không cộng sinh (sống tự do, liên hiệp với cây hoặc nội sinh), gồm có vi khuẩn lam, Azospirillum, Azotobacter, Acetobacter diazotrophicus, Azoarcus, Pseudomonas, Burkholderia, Klebsiella, Enterobacter, Bacillus … (Saharan and Nehra, 2011)

Cố định đạm bởi vi khuẩn cộng sinh

Hai nhóm vi khuẩn cố định đạm đã được nghiên cứu rộng rãi gồm các

rhizobium và Frankia Frankia tạo nốt rễ trên hơn 280 loài cây thân gỗ thuộc

8 họ khác nhau Tuy nhiên, người ta chưa hiểu rõ hết các mối quan hệ cộng

sinh này Frankia cộng sinh có hiệu quả với các loài Alnus và Casuarina Một

sự gia tăng mật số các vi khuẩn vùng rễ sau khi luân canh với cây không thuộc

họ Đậu dẫn đến các lợi ích phong phú ở các vụ tiếp theo đã được báo cáo Các

Frankia có thể cải thiện dinh dưỡng cây trồng bằng cách sinh ra các

phytohormone, siderophore và hydrogen cyanide cho cây hoặc có thể làm tăng phosphate hữu dụng trong đất (Saharan and Nehra, 2011)

Các rhizobium gồm 36 loài và phân bố trong bảy chi: Allorhizobium, Azorhizobium, Bradyrhizobium, Mesorhizobium, Methylobacterium, Rhizobium và Sinorhizobium (Sahgal and Johri, 2003 trích dẫn của Saharan and Nehra, 2011) Việc chủng Rhizobium sp giúp gia tăng đáng kể số lượng

nốt rễ cũng như năng suất so với đối chứng trong điều kiện ngoài đồng Thử nghiệm được tiến hành ở Ấn Độ cho thấy tùy thuộc vào cây họ Đậu, điều kiện đất đai và khí hậu, thông qua việc chủng các rhizobium, có thể bổ sung khoảng 50% nhu cầu về đạm, dẫn đến sự gia tăng năng suất đáng kể (Saharan and Nehra, 2011) Ngoài hoạt động cố định N2, các rhizobium có thể cải thiện tình trạng dinh dưỡng lân của cây trồng bằng cách huy động lân vô cơ và hữu

cơ Alikhani et al., (2006) đã phân lập được từ đất trồng ở Iran các chủng Rhizobium có khả năng hòa tan Ca3(PO4)2 và inositol hexaphosphate Tương

phản với các loài Rhizobium được coi là rhizobium phát triển nhanh, các Bradyrhizobium là loài phát triển chậm Một số nghiên cứu chỉ ra rằng đồng cấy Bradyrhizobium và một số PGPR nhất định có thể ảnh hưởng tích cực đến

cố định đạm cộng sinh bằng cách tăng cường cả về số lượng và trọng lượng khô của nốt rễ, thành phần năng suất, sản lượng ngũ cốc, hàm lượng dinh dưỡng đất và tăng hoạt động nitrogenase ở các cây họ Đậu cũng như làm tăng nốt rễ và sự cố định đạm ở Đậu nành tại những vùng có nhiệt độ vùng rễ thấp

(Polenko et al., 1987; Yahalom et al., 1987; Zhang et al., 1996; Dashti et al.,

1998 trích dẫn của Saharan and Nehra, 2011)

Cố định đạm bởi vi khuẩn cộng sinh với cây không họ đậu

Các nghiên cứu về hiệu quả cố định đạm của vi khuẩn ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng cho thấy, hiệu quả cố định đạm của vi khuẩn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau: Chủng vi sinh vật, loài cây, loại đất, mật số

vi sinh vật, điều kiện môi trường (Bashan and Levanony, 1988) Đối với cây lúa cũng có khá nhiều các loài vi khuẩn có khả năng cố định đạm được công

bố: Loài Burkholderia vietnamiensis được tìm thấy ở rễ cây lúa trồng miền nam Việt Nam (Gillis et al., 1995; Van et al., 2000; Ngô Thanh Phong và Cao Ngọc Điệp, 2013); Loài Pseudomonas stutzeri A15 sống nội sinh trong rễ lúa (You et al., 1995); Stenotrophomonas maltophilia là loài có khả năng cố định

đạm, sản xuất chất điều hòa sinh trưởng kích thích sự phát triển của các loài cây trồng trong đó có lúa, đồng thời giúp vi khuẩn chống lại các độc tố do ô

nhiễm môi trường (Ryan et al., 2009); Loài Klebsiella pneumoniae được phân

lập từ lúa và một số cây trồng khác, có khả năng cố định đạm cho cây không

thuộc họ đậu (Ladha et al., 1983); vi khuẩn Azospirillum là chi vi khuẩn được

phân lập ở rất nhiều nơi trên thế giới và đã được chứng minh bởi nhiều tác giả

về khả năng cung cấp đạm cho cây lúa (Khan et al., 1994; Nguyễn Hữu Hiệp

và ctv., 2005; Cao Ngọc Điệp và ctv, 2007; Nguyễn Hữu Hiệp và Trần Văn Chiêu, 2009; Lăng Ngọc Dậu và ctv., 2007); Pantoea agglomerans là loài vi khuẩn nội sinh và cố định đạm trong cây lúa, loài này được phân lập bởi Yang et al., (1999); Herbaspirillum seropedicae cố định đạm tốt cho lúa vùng nhiễm phèn nhôm (Gyaneshwar et al., 2001) Ngoài các loài nêu trên vùng rễ cây lúa còn có sự hiện diện của rất nhiều chi vi khuẩn như: Bacillus, Enteribacter, Xanthobacter, Azoarcus, Pseudomonas, Zoogloea, Beijerinckia, Clostridium Azospirillum được phân lập từ vùng rễ của nhiều loại cỏ, mía đường, ngũ cốc, chuối, khóm của các vùng khí hậu nhiệt đới và ôn đới (Reinhold-Huker et al., 1986; Rao, 1983; Ghai et al., 1989 trích trong Cao Ngọc Điệp, 2011) Cao Ngọc Điệp và ctv, 2007 đã phân lập Azospirillum lipoferum có khả năng cố

định đạm từ lúa mùa ở đồng bằng sông Cửu Long Nhìn chung, vi sinh vật cố

định đạm rất đa dạng

2.1.2.2 Hòa tan lân

Lân là nguyên tố dinh dưỡng cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng nói riêng và sinh vật nói chung Lân tham gia vào cấu tạo các acid nucleic, coenzyme, adenosine triphosphate (ATP), v.v… Đây là những hợp chất quan trọng nhất trong sự phân chia tế bào, tạo mới các bộ phận của

cơ thể Ngoài ra lân còn có vai trò tạo môi trường đệm, ảnh hưởng đến khả năng hút khoáng chất khác của cây

Các vi sinh vật hòa tan lân (Phosphate Solubilising Microorganisms -

PSM) hiệu quả nhất gồm các vi khuẩn thuộc về Rhizobium, Bacillus và Pseudomonas; và các nấm thuộc chi Aspergillus và Penicillium (Richardson et al., 2009) Cơ chế hòa tan lân là thông qua các hoạt động trao đổi chất có tiết

các acid hữu cơ hòa tan phosphate trong đá hoặc tiết các ion calcium chelate giúp giải phóng lân hòa tan (Saharan and Nehra, 2011) Ngoài ra, các hợp chất mùn với thành phần chứa acid humic và acid fulvic, các enzyme loại esterase, các siderophore, H2S, CO2, và cơ chế tiết proton đều có liên quan đến sự hòa tan phosphate của các PSM (Kumar and Pathak, 2000)

Vi sinh vật tăng cường khả năng cung cấp lân cho thực vật theo nhiều

cơ chế khác nhau:

- Kích thích sự phát triển của bộ rễ bằng cách tiết ra các hormone kích

thích phát triển bộ rễ như IAA, ACC deaminase (Hayat et al., 2010)

- Sự hoạt động của vi sinh vật làm thay đổi các ion trong dung dịch đất, làm tăng khả năng chuyển hóa lân khó tan tạo ra các orthophosphate

trong dung dich đất hoặc tác động trực tiếp hay gián tiếp đến sự chuyển hóa lân vô cơ (Seeling and Zasoski, 1993)

- Thông qua quá trình trao đổi chất của vi sinh vật đã tác động trực tiếp đến quá trình hòa tan và khoáng hóa lân từ các dạng lân hữu cơ và lân vô cơ

(Richardon et al., 2009) Trong quá trình này tạo ra các ion hữu cơ như

gluconate, oxalate, malate, lactate, citrate hoặc tạo ra các enzyme thủy phân như phosphatase, cellulases cần thiết cho quá trình thủy phân lân hữu cơ

Thực vật sử dụng được lân hữu cơ là nhờ sự thủy phân bởi các enzyme phosphatase ngoại bào của thực vật hay của vi sinh vật Theo Bunemann (2008), 60% tổng lượng lân hữu cơ có thể bị thủy phân bởi phosphatase Cả hai phosphatases thực vật và vi sinh vật đều có tác động hiệu quả trong việc tạo orthophosphate từ dạng lân hữu cơ trong đất Một số bằng chứng cho thấy enzyme vi khuẩn cho hiệu quả cao hơn trong việc hòa tan lân (Tarafdar

et al., 2001)

Trong vi khuẩn nốt rễ, hai loài tạo nốt rễ ở đậu xanh là Mesorhizobium ciceri và Mesorhizobium mediterraneum được coi là tác nhân hòa tan

phosphate tốt Tuy nhiên, mọi khía cạnh của quá trình hình thành nốt rễ bị hạn

chế bởi sự sẵn có của lân trong đất (Rivas et al., 2006)

Vi khuẩn Pseudomonas sp là các γ-proteobacteria phổ biến trong đất

nông nghiệp và có nhiều đặc điểm thích hợp với một chế phẩm thúc đẩy đặc điểm tăng trưởng và năng suất của cây trồng Các dòng vi khuẩn

Pseudomonas sp và Azospirillum sp phân lập được đất vùng rễ và rễ của Piper nigrum L thể hiện khả năng hòa tan phosphate in vitro cao (Ramachandran et al., 2007)

Bacillus megaterium cũng giúp cải thiện các hiệu suất rễ, chiều dài và hàm lượng chất khô của rễ bạc hà (Kaymak et al., 2008) Kết quả nghiên cứu cho thấy chủng kết hợp Rhizobium (chủng Tt 9) với B megaterium var

phosphaticum có thể đáp ứng với khoảng 50% nhu cầu phân bón có chứa phosphate của đậu phộng; làm gia tăng nốt rễ, tăng chiều dài rễ và chồi cũng

như tăng năng suất quả (Kumar et al., 2011) Nghiên cứu in vitro cho thấy chủng phối hợp Azotobacter vinelandii và Bacillus cereus làm gia tăng khả

năng hòa tan phosphate Một nghiên cứu của Algawadi và Gaur 1988 trong điều kiện nhà kính nhằm tìm hiểu hiệu quả của việc chủng phối hợp

Rhizobium và vi khuẩn hòa tan phosphate bao gồm Pseudomonas striata hoặc Bacillus polymyxa lên sản lượng và hàm lượng dinh dưỡng của đậu xanh với

sự bổ sung hoặc không bổ sung phân bón (Kumar et al., 2011)

2.1.2.3 Chức năng khác

Ngoài ra, vi khuẩn liên kết với thực vật còn có một số chức năng khác như: sản xuất các chất điều hòa tăng trưởng thực vật, kiểm soát sinh học và sản xuất siderophore

Sản xuất siderophore

Sắt là một yếu tố tăng trưởng quan trọng cho tất cả các sinh vật sống Trong điều kiện khan hiếm sắt, một số vi khuẩn, nấm và một số Hòa thảo có

khả năng sản xuất siderophore để cạnh tranh được ion sắt Vi khuẩn tạo ra

siderophore để thu nhặt sắt bằng các cơ chế vận chuyển tích cực do hình thành phức hợp hòa tan Fe3+ từ khoáng sản Trong số đó, chất kết dính Fe3+ mạnh

nhất được biết đến là enterobactin thuộc nhóm catecholate (Raymond et al.,

2003 trích dẫn của Saharan and Nehra, 2011) Các vi khuẩn thuộc Gram âm

như Pseudomonas và Enterobacter và vi khuẩn Gram dương như Bacillus và Rhodococcus được biết là có khả năng sản xuất siderophore (Tian et al., 2009

trích dẫn của Saharan and Nehra, 2011) Lúa mì và lúa mạch sản xuất các acid mugineic được xem như các phytosiderophore Phần lớn các chủng xạ khuẩn

nội sinh sản suất được các siderophore kháng sinh (Suttiviriya et al., 2008

trích dẫn của Saharan and Nehra, 2011) Các nhóm chính của siderophore bao gồm catecholate (phenolate), hydroxamate và carboxylate (ví dụ như các dẫn xuất của acid citric) Nhìn chung, ái lực với sắt của các siderophore vi khuẩn cao hơn so với của nấm nên trong cạnh tranh sắt, vi khuẩn tỏ ra ưu thế hơn (Loper and Henkels, 1999 trích dẫn của Saharan and Nehra, 2011) Một số chủng PGPB tiến xa hơn, có khả năng thu hút sắt từ siderophore được sản xuất

bởi các vi sinh vật sống chung khác Pseudomonas sp và Pseudomonas putida

có khả năng sử dụng siderophore sản xuất bởi các vi sinh vật vùng rễ như nấm

và vi khuẩn khác để nâng cao lượng sắt sẵn có trong môi trường sống tự nhiên (Saharan and Nehra, 2011) Như vậy, các PGPB sản xuất được siderophore có thể ức chế các tác nhân gây bệnh, đặc biệt là nấm, có nhu cầu về sắt cao

2.1.3 Những tiến bộ trong nghiên cứu cộng đồng vi sinh vật liên kết với thực vật

2.1.3.1 Giải trình tự gen

Đa dạng di truyền có thể phân loại dựa trên các đặc điểm về hình thái, sinh

lý, sinh hóa (phương pháp cổ điển) Các đặc điểm hình thái như kích thước, hình dạng, màu sắc của khuẩn lạc, hình dạng, kích thước của tế bào vi sinh vật, cách sắp xếp của tế bào (đơn, kép) hay dạng chùm, dạng chuỗi …, khả năng bắt màu khi nhuộm Gram, các đặc điểm vi cấu trúc như có chiên mao, tiêm mao hay

không, số lượng của tiêm mao, chiên mao, cách thức di chuyển của tế bào, hình dạng và vị trí của các cơ quan trong tế bào Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ sinh học phân tử, các nghiên cứu có xu hướng phân nhóm đa dạng di truyền

ở mức độ phân tử, vì như vậy mức độ chính xác sẽ cao hơn rất nhiều so với phương pháp truyền thống

Phân tích dựa trên trình tự 16S rRNA của gen là một trong những phương pháp xác định, phân loại vi khuẩn có độ chính xác cao Phân tử 16S rRNA được sử dụng phổ biến để xây dựng cây phát sinh loài là công

cụ hữu ích trong phân loại và định danh vi sinh vật Bên cạnh đó, nhiều phương pháp phân loại cũng dựa vào vật liệu di truyền như phương pháp lai, RFLP, … (Cao Ngọc Điệp, 2016)

Sự phát triển kỹ thuật giải trình tự gen cho nhiều vi khuẩn liên kết với thực vật đang gia tăng thông tin cơ sở về những vi sinh vật này, làm thay đổi việc nghiên cứu và những hiểu biết về sinh học của vi sinh vật (Gnanamanickam, 2007)

2.1.3.2 Những tiến bộ trong nghiên cứu gen chức năng

Việc tăng số lượng dữ liệu về gen cho phép hiểu biết rõ hơn về tiến hóa thông qua nghiên cứu về so sánh gen cũng như nghiên cứu về chức năng tổng quát của gen và protein Tất cả hay phần lớn gen, protein, cũng như các quá trình chuyển hóa đều là đối tượng cho nghiên cứu chức năng Cho nên việc sử dụng tối đa các dữ liệu về gen là cần thiết Ví dụ, việc xác định đầy đủ các gen thể hiện trong quá trình cộng sinh, gây bệnh, hoặc đơn giản là quá trình phát triển trong cây trồng cũng cung cấp những thông tin bên trong quá trình thích nghi về sinh lý và phát triển của vi khuẩn cho phép vi khuẩn thâm nhập và sinh trưởng bên trong và bên trên cây trồng Trong cùng 1 thời gian, việc xác định các gene cần thiết từ các loài riêng rẽ chứa các gene chỉ thị được dung hợp cho các thể hiện khác nhau trong môi trường nuôi cấy và trong cây trồng

(Beaulieu and Van Gijsegem, 1990; Lindow and Cirvilleri, 1994; Osbourn et al., 1987 trích trong Gnanamanickam, 2007) Các nghiên cứu gần đây thường

sử dụng kỹ thuật promoter-trapping như in vivo expression technology (IVET) cho phép chọn lọc các promoter thể hiện đặc trưng cho từng loài và cảm ứng huỳnh quang (DFI) cho phép xác định các promoter dựa vào kỹ thuật huỳnh

quang (Rediers et al., 2005 trích trong Gnanamanickam, 2007) Những kỹ

thuật này cho phép xác định các gene thể hiện đặc thù trong quá trình cây

trồng bị nhiểm bệnh (Boch et al., 2002; Brown and Allen, 2004; Oke và Long, 1999; Osbourn et al., 1987; S Yang et al., 2004 trích trong Gnanamanickam, 2007) trong quá trình sống trong lá của các vi khuẩn (Marco et al., 2005 trích

trong Gnanamanickam, 2007) hay các vi khuẩn vùng rễ (Rainey, 1999;

Ramos-Gonzalez et al., 2005 trích trong Gnanamanickam, 2007) cũng như các

vi khuẩn nội sinh Trong các nghiên cứu tổng quát về biểu hiện gene người ta thường dùng các kỹ thuật như microchips, microarrays Kỹ thuật được dùng

để nghiên cứu xác định mức độ thể hiện gene của vi khuẩn hay cây trồng trong quá trình xâm nhiễm bở các nhân tố gây độc hoặc không gây độc, trong quá

trình cộng sinh (Colebatch et al., 2004; Colebatch et al., 2002 trích trong

Gnanamanickam, 2007), trong quá trình sống của vi khuẩn trong cây

(Cartieaux et al., 2003; Verhagen et al., 2004; Wang et al., 2005 trích trong Gnanamanickam, 2007) và các tín hiệu đáp ứng của thực vật (Barnett et al.,

2004 trích trong Gnanamanickam, 2007)

Phương pháp phân tích chức năng gene cũng được sử dụng để xác định mức độ thể hiện các protein trong quá trình xâm nhiểm của vi khuẩn (A M

Jones et al., 2004; Natera et al., 2000; Rosen et al., 2003 trích trong

Gnanamanickam, 2007) Phân tích tổng quát quá trình sinh tổng hợp chất, như các hợp chất sinh tổng hợp được sản xuất trong quá trình cảm ứng cộng sinh

cũng được sử dụng rộng rải (Desbrosses et al., 2005 trích trong

Gnanamanickam, 2007) Phần lớn các thành tựu nghiên cứu còn hiệu quả đến ngày nay là do sự kết giữa phương pháp thuật toán và phân tích chức năng

gene (Fouts et al., 2002; Zwiesler-Vollick et al., 2002 trích trong

Gnanamanickam, 2007) Trong thực nghiệm, để đánh giá chức năng gene và protein, người ta dựa vào mối quan hệ giữa sự biến đổi kiểu hình với kiểu gene bất hoạt Từ hàng thập kỷ nay, người ta dùng các phương tiện sinh học phẩn tử để chèn thêm 1 gene bất hoạt hoặc cắt bỏ 1 gene từ 1 các thể độc lập Phương pháp bất hoạt hàng loạt gene đã biết bắt đầu được phát triển, Holeva

(2000) đã thực hiện 1 đột biến lưới trên Erwinia carotovora đột biến chuyển

đoạn cho phép xác định nhanh sự thay đổi đột biến ở bất cứ gene cho nào Tương tự, phương pháp PCR-mediated inactivation vừa được ứng dụng cho cho phytosymbionte (thực vật cộng sinh thực vật) (Sukdeo and Charles, 2003 trích trong Gnanamanickam, 2007) Ngoài ra, chiến lược gây bất hoạt cũng được sử dụng cho nghiên cứu những vi khuẩn liên quan đến cây trồng Ví dụ, Signature-tagged mutagenesis (STM)

2.1.3.3 Những tiến bộ trong nghiên cứu sinh thái vi sinh vật

Những tiến bộ trong kỹ thuật về đặc tính vi sinh vật đang phát triển hiểu biết về cấu trúc vi khuẩn cộng sinh thực vật dưới tác động của một số sinh vật

và phi sinh vật Những kỹ thuật mà cung cấp thông tin chi tiết về thành phần

vi sinh đang được sử dụng rộng rãi (Kent and Triplett, 2002 trích trong Gnanamanickam, 2007) Các kỹ thuật phát hiện trình tự khác nhau giữa các

gene đặc trưng, thường là phân tích ribosomal RNA operon, sử dụng các kỹ thuật fingerprinting như điện di DGGE (deneturing gradient gel electophoresis), RAPD (random amplified polymorphic DNA), ARDRA (amplified rDNA restriction analysis) và RISA (ribosomal intergenic spacer analysis), với phân tích T-RFLP (terminal restriction fragment lenghth polymorphism) cung cấp trực tiếp thông tin phát sinh loài Mặc dù mới phát triển, nhưng những phân tích microarray đang đáp ứng phân tích phát sinh loại của vi sinh vật trong đó sự tương tác DNA được ứng dụng để lập oligonucleotide phát sinh loài cơ bản Phân tích biến đổi gen, trong đó toàn bộ DNA được thu lại, tạo dòng và đánh giá cho những chức năng đặc trưng, cũng

có thể cung cấp sự hiểu biết về những chức năng đặc trưng của cộng đồng vi khuẩn cộng sinh với thực vật, mặc dù những phân tích này vẫn chưa được thực hiện với vi sinh vật liên kết với thực vật (Gnanamanickam, 2007)

Những tiến bộ trong kỹ thuật nghiên cứu sinh thái vi sinh vật đang cung cấp những phương pháp tiếp cận cho phát hiện đặc tính và chức năng của vi khuẩn trong môi trường tự nhiên trên thực vật Những cải tiến về marker tế bào protein huỳnh quang và kỹ thuật kính hiển vi huỳnh quang giúp quan sát được những điều mà chưa được thấy trước đây như việc vi khuẩn xâm chiếm

và sự lan tỏa trên thực vật Hơn thế nữa, những tế bào không nuôi cấy trong tự nhiên có thể được xác định bằng mẫu dò phát sinh loại và xét nghiệm di truyền huỳnh quang (FISH) Gần đây, chụp hình X-quang vi mô (microautoradiography- MAR), có thể phát hiện sự kích thích tế bào của một hợp chất được đánh dấu chất đồng vị phóng xạ, đã được kết hợp với FISH để kết nối trực tiếp hoạt động trao đổi chất đặc trưng đến định dạng phát sinh loài; tuy nhiên, kỹ thuật FISH-MAR này chưa được áp dụng cho vi khuẩn trên thực vật Stable isotope probing (SIP) cũng kết nối những hoạt động chức năng với loài đặc trưng Ví dụ như bằng cung cấp CO2 cho cây trồng, SIP được sử dụng để theo dõi vận chuyển CO2 trong rễ (Manefied et al., 2002, Radajewski et al., 2003 trích trong Gnanamanickam, 2007) và có khả năng

định dạng các loài có hoạt động biến đổi dịch rễ Những thông tin này cũng có thể xác định bằng microarray hoặc ngay cả sử dụng chất đồng vị phóng xạ, trong đó các nucleic acid được đánh dấu chất đồng vị phóng xạ, khi các tế bào

sử dụng cơ chất được phát hiện Ví dụ, Singh (2004) đã giả thuyết rằng sau khi

ủ cây với CO2, phân tích microarray đồng vị phóng xạ của nucleic acid của bầu rễ có thể được sử dụng với một microarray mẫu dò cơ bản của phát sinh loài để xác định những nhóm mà sử dụng các thành phần có từ rễ Mặc dù còn rất mới trong ứng dụng, nhưng những phương pháp này có tiềm năng gia tăng

nhanh chóng sự hiểu biết về vai trò và chức năng trong tự nhiên của vi khuẩn trong môi trường công sinh với thực vật (Gnanamanickam, 2007)

2.2 Đặc điểm thổ nhưỡng các vùng sinh thái đất

2.2.1 Phân loại đất phèn

2.2.1.1 Phân loại đất phèn trên thế giới

Đất phèn (Acid sulphate soils) là tên gọi dùng để chỉ đất có chứa các vật

liệu mà kết quả của các tiến trình sinh hóa xảy ra, là acid sulphuric được tạo thành hoặc sẽ sinh ra với một số lượng có ảnh hưởng lâu dài đến những đặc tính chủ yếu của đất Theo Stone et al (1998), đã chia đất phèn thành hai loại là đất phèn tiềm tàng (Potential acid sulphate soils) và đất phèn hoạt động (Actual acid sulphate soils) Trạng thái tiềm tàng hình thành trong điều kiện khử, nhưng trạng thái hoạt động phải có sự oxid hóa

Theo phân loại của FAO/UNESCO (1988), trong bản đồ đất thế giới tỷ lệ 1/5.000.000 cho thấy, đất phèn tiềm tàng và đất phèn hoạt động được xếp

chung và được đặt tên là Thionic fluvisols (FLt) Đất phèn được xác định do

sự có mặt ở trong phẫu diện đất hai loại tầng chẩn đoán chính đó là tầng sinh

phèn (sulfidichorizon) và tầng phèn (sulfuric horizon) Nếu đất chỉ có tầng

sinh phèn gọi là đất phèn tiềm tàng, đất có tầng phèn (đôi khi có cả tầng sinh phèn) gọi là đất phèn hoạt động

Tầng sinh phèn (sulfidic-horizon): là tầng tích lũy vật liệu chứa phèn

(sulfuric materials) là tầng sét hữu cơ ngập nước, thường ở trạng thái yếm khí

có chứa SO3 trên 1,7% (tương đương với 0,75% S); khi oxy hóa cho pH dưới hoặc bằng 3,5 Để nhận diện vật liệu sinh phèn ở ngoài đồng dùng nước oxy già (H2O2) nhỏ thẳng vào đất, khi pH hạ thấp <2,0 thì được xác định là vật liệu sinh phèn

Tầng phèn (sulfuric horizons): là một dạng tầng B xuất hiện trong quá

trình hình thành và phát triển của đất phèn tiềm tàng, tập trung chủ yếu là khoáng Jarosite (KFe3(SO4)2(OH)6) dưới dạng đốm màu vàng rơm (2,5Y) có

pH thường dưới 3,5 Tầng phèn Jarosite cũng là tầng chỉ thị cho đất phèn hoạt động

Nhóm đất phèn được chia ra thành các đơn vị sau:

Đất phèn tiềm tàng: Proto-Thionic Gleysols (GLtp)

Đất phèn hoạt động: Orthi-Thionic Fluvisols (Flto)

Tiêu chuẩn chẩn đoán của đất phèn tiềm tàng và đất phèn hoạt động trong hệ thống phân loại đất theo Soil Taxonomy là tầng sulfidic có chứa

khoáng Pyrite (FeS2) và tầng sulfuric với pH < 3,5 có sự hiện diện của những đốm màu vàng rơm (2.5Y8/6) của khoáng Jarosite

Tùy theo độ sâu xuất hiện của tầng sulfuric hoặc tầng chứa vật liệu sulfidic, có thể chia thành các cấp độ phèn khác nhau như: phèn tiềm tàng nặng, phèn tiềm tàng trung bình và nhẹ; hoặc phèn hoạt động nặng, phèn hoạt động trung bình và nhẹ (Bảng 2.1)

Bảng 2.1: Phân loại đất phèn theo hệ thống phân loại (USDA/Soil Taxonomy)

tầng có chứa vật liệu sulfidic (cm)

(Nguồn: Giáo trình đất và bảo vệ đất – NXB Hà Nội, 2006)

Theo hệ thống phân loại đất “Soil Taxonomy” của USDA (1990), đất phèn

tiềm tàng được xếp vào bộ Entisols, bộ phụ Aquents và khi có tầng sinh phèn (tầng Pyrite) trong vùng 0 - 50 cm tính từ mặt đất gọi là Sulfaquents, thường có

hàm lượng lưu huỳnh tổng số từ 1 - 6% Khi tầng chứa vật liệu sinh phèn nằm ở

độ sâu trên 50 cm so với mặt đất được gọi là Sulfic Tropaquents Đất phèn hoạt động được xếp vào bộ Inceptisols và được dùng để chỉ các loại đất có sự hiện

diện của tầng phèn trong phạm vi 150 cm tính từ mặt đất, với đặc trưng cơ bản

là pH nhỏ hơn 3,5 và đốm Jarosite Khi tầng phèn có chứa Jarosite xuất hiện ở

độ sâu 0 - 50 cm gọi là Typic sulfaquepts Trường hợp không thấy đốm Jarosite

nhưng có hiện diện của tầng phèn và pH nhỏ hơn 3,5, độ dày tầng phèn lớn hơn

15 cm, các tầng phụ có độ sâu 20 - 50 cm và độ thuần thục n > 7, thì cũng được

xếp vào đất phèn hoạt động và gọi là Hydraquentic sulfaquepts

Theo Fanning và Witty (1993), nếu Sulfaquepts có thêm tầng salic trong dòng 75 cm của lớp đất mặt thì được xếp vào nhóm phụ Salorthidic Sulfaquepts Nhóm phụ Tropaquepts được gắn cho những loại đất phèn ở phạm vi 50 - 150 cm

với pH từ 3,5 - 4,0

Theo Dent (1986), về cách nhận biết đất phèn ngoài đồng như sau: trong điều kiện đất thoáng khí, có thể đo pH của đất < 4,0 là đất phèn hoặc trực tiếp quan sát sự hiện diện của các đốm màu vàng rơm của Jarosite trong phẫu diện hoặc quan sát màu nâu đỏ của nước trong kênh thoát, còn trong đất ngập nước như đất lúa, pH có thể > 4,0 vì ở môi trường khử, nhưng đất để khô sẽ hóa chua

Tuy nhiên, ở ĐBSCL đôi khi người ta không phát hiện được sự xuất hiện của các đốm màu vàng rơm của Jarosite trong tầng phèn hoạt động (pH<3,5)

vì sự thiếu O2 trong phẫu diện làm cho không thể hiện màu vàng rơm Jarosite, tầng phèn này được gọi là tầng phèn lặn (tầng perdysic) (Van Breeman, 1976) Theo phân loại của tổ chức FAO/UNESCO (1988), trong bản đồ đất thế giới tỉ lệ 1/500.000 thì đất phèn tiềm tàng và hoạt động được xếp chung và

được đặt tên là Thionic Fluvisols Đây là loại đất có chứa hàm lượng lưu huỳnh

đủ để tạo ra pH nhỏ hơn 3,5 ở độ sâu 0 - 100 cm từ lớp đất mặt

2.2.1.2 Phân loại đất phèn ở Việt Nam và ĐBSCL

Sự hình thành đất phèn xuất hiện ở vùng nước lợ, có thủy triều xâm nhập

và có sự tham gia của vi sinh vật và chia đất phèn ra hai loại: đất phèn vừa (acid sulphate soils) và đất phèn nhiều (Strongly acid sulphate soil) Đất phèn vừa

có pH đất từ 3,8 đến 4,5; còn đất phèn nhiều có pH từ 3,0 đến 3,5 (Moorman and Thai Cong Tung, 1961)

Tùy theo cách phân loại của các tác giả ở từng thời điểm mà đất phèn được chia thành các loại với tên gọi khác nhau:

Theo Tôn Thất Chiểu và ctv (1991), nhóm đất phèn là nhóm đất chiếm

diện tích lớn nhất và phân hóa phức tạp nhất ở ĐBSCL Phân loại đất phèn căn

cứ vào tầng sinh phèn và tầng phèn, độ sâu xuất hiện của những tầng này trong phẫu diện đất:

- Tầng sinh phèn: tầng tích lũy vật liệu chứa phèn là tầng sét hoặc hữu cơ ngập nước thường xuyên ở trạng thái yếm khí, có chứa lượng SO3 trên 1,75% (tương đương với 0,75% S) Khi oxy hóa cho pH dưới hoặc bằng 3,5, không quy định lượng CO32-, cụ thể và coi giảm pH thể hiện khả năng trung hòa của chất kiềm trong đất với độ chua hình thành khi oxy hóa tầng sinh phèn, thường

sự chênh lệch này đạt trên 2,5 đơn vị, tất cả đất chỉ có tầng sinh phèn trong phẫu diện đất được xếp vào đất phèn tiềm tàng

- Tầng phèn: là một dạng tầng B xuất hiện trong quá trình hình thành và phát triển của đất phèn từ phèn tiềm tàng, tập trung chủ yếu là khoáng Jarosite dưới dạng đốm, vệt vàng rơm (2.5Y) có pH dưới 3,5 Tầng phèn thường vẫn gọi là tầng Jarosite, là tầng chỉ thị cho đất phèn hoạt động

Tôn Thất Chiểu và ctv (1991) đã cụ thể chia đất phèn như sau: tầng sinh

phèn hoặc tầng phèn xuất hiện ở độ sâu 0 - 50cm, xếp vào đất phèn tiềm tàng nông (Sp1) hoặc phèn hoạt động sâu (Sj1) Tầng sinh phèn hoặc tầng phèn xuất hiện ở độ sâu 50 - 120 cm, xếp vào đất phèn tiềm tàng sâu (Sp2) hoặc phèn

hoạt động sâu (Sj2) Tầng phèn xuất hiện dưới sâu hơn nữa ảnh hưởng đến lớp mặt rất ít, coi như không phèn

Phân viện Qui hoạch và Thiết kế nông nghiệp Miền Nam (1999) xây dựng bản đồ đất cho một số tỉnh ở ĐBSCL trong đó đất phèn được chia thành các loại sau đây: đất phèn tiềm tàng nông (Sp1) và sâu (Sp2); đất phèn hoạt động nông (Sj1) và sâu (Sj2); đất phèn hoạt động bị thủy phân nông (Srj1) và sâu (Srj2) Xét theo mức độ phèn, có 03 loại: đất phèn có ít hạn chế gồm có đất phèn có lớp phù sa trên mặt và đất phèn có lớp sườn tích - lũ tích trên mặt; đất phèn có hạn chế trung bình là các đất có tầng phèn khá sâu (dưới 50 cm cách bề mặt); đất phèn hạn chế nặng là đất phèn tiềm tàng hoạt động nông, có tầng phèn từ 0 - 50

cm tính từ bề mặt

Hình thái phẫu diện đất phèn ở ĐBSCL

Đặc điểm hình thái chính của phẫu diện đất phèn thường phân tầng: Ap (Aph)-Bgj-Bj-Cj-Cr Đất được tạo ra từ đất phèn tiềm tàng nặng bị thoát thủy hoặc ở địa hình tương đối cao, có điều kiện để phèn tiềm tàng bị oxy hóa mạnh mẽ tạo ra tầng phèn hoạt động trong phẫu diện với đặc trưng là đốm jarosite màu vàng rơm (2.5Y6/8 và 2.5Y8/8) theo bảng so màu Munsell, hình dạng chủ yếu: đốm, dạng ổ hay ống rễ Đặc trưng tầng đất mặt thường có màu xám sáng, nâu sáng hay nâu đen tùy thuộc vào hàm lượng chất hữu cơ và mức

độ phân hủy các chất hữu cơ Tùy theo mức độ phát triển của phẫu diện đất mà đất phèn hoạt động nặng có độ thuần thục sâu hay cạn khác nhau Bên dưới là tầng chứa vật liệu sinh phèn (pyrite) với đặc điểm hình thái: tầng đất ướt, dẻo dính bán thuần thục đến gần không thuần thục

Độ sâu xuất hiện tầng phèn hoạt động

Tầng phèn hoạt động hay là tầng sulfuric khi tầng đất có pH<3,5, có hoặc không có đốm jarosite Tầng phèn hoạt động có độ sâu xuất hiện phức tạp phụ thuộc vào địa hình, địa chất, chế độ thủy văn và các yếu tố hình thành

phèn (Stone et al., 1998) Độ sâu trung bình xuất hiện tầng phèn hoạt động với

đốm jarosite màu vàng rơm trong khoảng 46,8-57,8cm Tuy nhiên, ở ĐBSCL đôi khi trong phẫu diện không xuất hiện của đốm jarosite màu vàng rơm, nhưng pH<3,5 Vì thiếu oxy trong phẫu diện làm cho không thể hiện màu vàng rơm của jarosite, tầng phèn này được gọi là tầng perdysic (van Breeman, 2008)

Độ sâu xuất hiện tầng chứa vật liệu sinh phèn (Pyrite)

Độ sâu xuất hiện pyrite (vật liệu sulfidic) cũng phụ thuộc vào yếu tố địa hình, địa chất, chế độ thủy văn và các yếu tố hình thành đất phèn Độ sâu xuất

hiện Pyrite trên các vùng sinh thái khác nhau biến động từ 89 cm ở vùng Tây Sông Hậu đến 105 cm ở vùng Bán đảo Cà Mau Sự biến động lớn về độ sâu xuất hiện pyrite ở vùng Bán Đảo Cà Mau và vùng Tứ Giác Long Xuyên, từ

50-140 cm (Dương Thanh Nhã và ctv., 2010), do những vùng này bị ảnh

hưởng rất lớn bởi yếu tố địa hình và thủy triều của biển Phần lớn vùng Bán Đảo Cà Mau có tầng sinh phèn được hình thành trên nền trầm tích biển với lớp Pyrite không dày, thường xuất hiện ở độ sâu trên 100 cm, ở phía trên thường

là lớp hữu cơ của rừng ngập mặn rất dày, đôi khi dày thành lớp than bùn như ở

U Minh (Tôn Thất Chiểu et al., 1991) Hơn nữa, đất phèn vùng Bán Đảo Cà

Mau có nguồn gốc hình thành từ biển và ngày nay vẫn còn chịu sự tác động của thủy triều và các đới phèn và không phèn xen kẽ chia cắt lẫn nhau cho thấy sự bồi đắp phù sa ở vùng này trong quá khứ không đều nhau (Tôn Thất

Chiểu và ctv., 1991)

Ở vùng Đồng Tháp Mười trong suốt thời kỳ Holocen khi biển tiến cực đại vào đồng bằng đã để lại lớp trầm tích dày ở các vùng này và sau đó biển rút lui dần, hình thành các vùng sình lầy và rừng ngập mặn tạo nên lớp trầm tích Pyrite, và càng sâu vào phía vùng trũng Đồng Tháp Mười đất phèn có nguồn gốc từ trầm tích biển và đầm lầy nên có độ sâu Pyrite ít biến động hơn (80-100 cm), do địa hình tương đối phẳng và được các thềm phù sa cổ bao

quanh không bị chi phối của phù sa sông (Tôn Thất Chiểu và ctv., 1991)

2.2.2 Đặc điểm thổ nhưỡng và các trở ngại trên đất phèn ĐBSCL

2.2.2.1 Đặc điểm sinh thái vùng đất phèn tứ giác Long Xuyên

Vùng Tứ Giác Long xuyên nằm về phía Tây Bắc của ĐBSCL và được bao quanh bởi biên giới Việt Nam – Campuchia, sông Bassac, kênh Cái Sắn và vịnh Thái Lan Toàn vùng với diện tích tự nhiên khoảng 489.000 ha, chủ yếu phân bố ở các huyện: Hà Tiên, Hòn Đất, Giang Thành thuộc tỉnh Kiên Giang

và Tịnh Biên, Tri Tôn thuộc tỉnh An Giang Đa phần vùng Tứ Giác Long Xuyên nằm trên vùng thấp và tương đối bằng phẳng, cao trình mặt đất thay đổi từ 1,5 - 2,0m tại phía Đông đến 0,4 - 0,6m tại phía Tây và từ 1,0 - 2,0m tại phía Bắc đến 0,6 - 0,8m tại phía Nam

Vùng Tứ Giác Long Xuyên có 02 mùa rõ rệt: mùa mưa (bắt đầu tháng 4

và kết thúc vào tháng 12), mùa nắng (từ tháng 1 đến tháng 4) với lượng mưa từ 2.000 - 2.200 mm và lượng bốc hơi khoảng 1.200 - 1.400 mm Ẩm độ không khí trong các tháng mùa mưa khoảng 80 - 85%, nhiệt độ bình quân 26 - 27oC, biên độ không quá 3 - 4oC, tổng tích ôn trên 9.000oC Vùng đất phèn Tứ Giác Long Xuyên có dạng địa hình đồi núi, cồn cát ở phía Nam An Giang và các núi

đá vôi ở rải rác ven biển phía Tây Kiên Giang Với đồng bằng trũng ở phía hữu

ngạn sông Hậu Vào mùa lũ, lượng nước lũ sông Hậu theo các kênh rạch vào nội đồng chiếm khoảng 20 - 25% và lượng nước lũ chảy tràn từ Campuchia qua kênh Vĩnh Tế vào nội đồng và đổ ra biển chiếm 70 - 80%, lưu lượng tăng nhanh vào tháng 7, lớn nhất vào tháng 10 và giảm dần vào tháng 11, cường suất lũ bình quân 3 - 5cm/ngày, tối đa 13 - 17 cm/ngày, càng xa sông về phía Nam, lũ

về càng muộn và rút muộn Phần nửa phía Đông mực nước ngập trung bình từ 1,1 - 2,2m, dãy ngập sâu phía Tây kéo dài từ Châu Đốc xuống tới ranh giới tỉnh Kiên Giang có mực nước ngập từ 1,7 - 2,9m, thời gian ngập (tính từ khi bắt đầu tràn đồng cho đến khi lũ rút cạn đồng) bình quân là 3,5 tháng Những năm lũ lớn thời gian lũ gần 6 tháng (từ tháng 7 đến tháng 1) Lũ vùng này thoát ra theo

3 hướng: thoát ra biển Tây không quá 70%, qua cầu cống trên lộ Cái Sắn khoảng 10%, trở ra sông Hậu khoảng 20% Mùa kiệt, lưu lượng và mực nước sông Hậu giảm nhanh, vùng Tứ Giác Long Xuyên chịu ảnh hưởng triều biển Tây và triều biển Đông, mạnh nhất vào cuối tháng 4 Sự khác biệt về tính chất, pha, độ lớn của triều biển Tây và sông Hậu, đã hình thành chế độ chảy hai chiều suốt mùa kiệt ở vùng Tứ Giác Long Xuyên, hình thành vùng giáp nước ở biên giới An Giang, Kiên Giang đã hạn chế việc dẫn nước từ sông Hậu vào vùng Tứ Giác Long Xuyên trong mùa kiệt kèm theo sự xâm nhập mặn từ biển Tây Đặc tính đất phèn vùng Tứ Giác Long Xuyên và Đồng Tháp Mười hình thành trên những vùng biển đầm lầy hóa.Từ đầu thời kỳ Holocence biển tiến chậm vào đồng bằng, phủ lên những nơi có địa hình thấp hình thành một chế

độ biển nông Vào giữa Holocence biển tiến cực đại trên toàn đồng bằng, sau

đó biển bắt đầu rút lui từ từ, hình thành các vùng sình lầy và rừng ngập mặn Điều kiện mặn đã thâm nhập sâu vào trong vùng trũng nhờ vào quá trình biển tiến, kết quả là đầm thủy triều được mở rộng phía sau là đầm sú vẹt phát triển dọc theo bờ biển của đồng bằng, những trầm tích sú vẹt giàu hữu cơ từ giai đoạn này tồn tại dưới khu vực rộng của Tứ Giác Long Xuyên và vùng đồng bằng lau sậy Vùng biển Tứ Giác Long Xuyên là dạng vùng hở do phần tiếp giáp với vịnh Thái Lan ở phía Tây hình thành những vùng lợ không được bồi

tụ bởi sự chết dần của các nhánh sông cổ, do đó đất phèn vùng này có hàm lượng hữu cơ bán phân hủy rất lớn và nhiều nơi trở thành những đầm than bùn

có dạng hẹp, chạy dọc theo những nhánh sông cổ như ở Hà Tiên và Hòn Đất Tỉnh Kiên Giang

Đất phèn ở vùng Tứ Giác Long Xuyên tương đối đồng nhất về quá trình hình thành và độc chất, ít có những biến động lớn trong cùng một khu vực Phần lớn khoảng 1 km sát biển, đất phèn bắt nguồn từ trầm tích sét than bùn, đôi khi không thấy rõ các dấu vết của Jarosite trong tầng Sulfuric (tầng phèn),

mà thường xuyên xuất hiện tầng Perdysic (phèn giả) có màu xám nâu, do sự

che lấp màu vàng của Jarosite bởi một số khoáng Các khoáng như khoáng Hydrotrolide (FeS.nH2O) màu đen ở trạng thái khử, màu xám khi oxy hóa, hoặc khoáng Melnikovite (FeS2.nH2O) có màu xám nhạt ở trạng thái khử và

màu đen khi oxy hóa (Tôn Thất Chiểu và ctv., 1991) Do đặc điểm của quá

trình hình thành đất phèn mà vùng Tứ Giác Long Xuyên có các dạng đất phèn đặc trưng như sau:

- Loại đất phèn tiềm tàng nội địa: sâu trong vùng nội địa xuất hiện các vùng trũng trên các ổ phèn nằm xen kẽ giữa các cồn cát, khi biển lùi để lại các vịnh hở có dạng hình bán nguyệt quay lưng về hướng biển, các vùng trũng này

có thảm thực vật, đồng cỏ phát triển tốt, phẫu diện đất có hai tầng chính: tầng mặt xám đen mùn dày Tầng bên dưới là Pyrite, với mực nước ngầm nông hay

có nước trên mặt, mùn nhiều, có hàm lượng SO42- tổng số trong đất cao và lượng SO42- hòa tan thấp, biểu hiện mức độ tiềm tàng còn rất lớn, tỷ lệ SO42-hòa tan/S tổng số là 0,06, pH đất thấp từ 2-3 đơn vị, hàm lượng Al3+ từ 1.900 - 2.900ppm, Cl- thấp do sâu trong nội địa ảnh hưởng rất ít của thủy triều (Lê Huy Bá, 2003)

- Loại đất phèn tiềm tàng cận duyên hải: phân bố dọc theo vùng ven biển, do phù sa biển và sông bồi nhiều hơn, độ sâu của lớp phèn tiềm tàng ít lộ trên mặt đất, với thảm thực vật là rừng thứ sinh: chà là, dừa nước, cỏ mồm, cỏ nước mặn

- Loại đất than bùn: do sự phát triển đặc biệt đã tạo nên tầng than bùn hẹp, chạy dọc theo những nhánh sông cổ ở khắp vùng Tứ Giác Long Xuyên với phần lộ trên mặt, dưới là Pyrite đó là than bùn tiềm tàng có hàm lượng

SO42- và chỉ số C/N rất cao và tầng dày trên 1,2m toàn là xác hữu cơ bán phân hủy, không mặn, không bị phèn là đất than bùn

- Loại đất phèn hoạt động: do quá trình canh tác và để khô nước, mực nước ngầm hạ thấp, ở đất này có tầng Jarosite xuất hiện gần hoàn thiện gần mặt đất, trong đất vẫn có nhiều xác bã sú vẹt, thành phần cơ giới chủ yếu là sét, được phân bố theo từng lõm ở khắp nơi của vùng, từ sau năm 1975 một diện tích lớn đất phèn được khai thác để trồng Tràm và Dứa tại Hòn Đất, Kiên Giang

2.2.2.2 Đặc điểm sinh thái đất phèn Đồng Tháp Mười

Đồng Tháp Mười là vùng đất ngập nước ở ĐBSCL có diện tích 697.000

ha, với diện tích đất phèn chiếm 273.831 ha, trải rộng trên 3 tỉnh Đồng Tháp, Tiền Giang và Long An, có khí hậu ôn hòa, nhiệt độ trung bình hàng năm cao Phân chia hai mùa rõ rệt: mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 11, mùa khô từ tháng

12 đến tháng 4, biến trình nhiệt trong năm có tính chất chế độ nhiệt á xích đạo,

nhiệt độ trung bình trong tháng chênh lệch không quá 3oC, số ngày nắng hơn

300 ngày, cao so với các nơi khác, chính vì thế làm cho vùng Đồng Tháp Mười có sự bốc hơi rất lớn Lượng mưa ở vùng này thay đổi rất nhiều qua các tháng và không ổn định, lượng mưa trung bình tháng dao động từ 168 mm, có năm lên đến 365 mm và có năm lại giảm xuống còn 38 mm, trong những trận mưa đầu mùa thường do đối lưu dưới dạng dòng nhiệt, thời gian xảy ra ngắn, cường độ thay đổi lớn và số ngày mưa liên tục xen vào đó là những ngày không mưa gây hạn (trong thời kỳ chưa có lũ) Những đặc điểm này ảnh hưởng đến quá trình biến động của đất phèn Đồng Tháp Mười có địa hình là dạng lòng chảo lớn, bên trong có nhiều lòng chảo nhỏ hơn, làm cho địa hình thay đổi rất nhiều có nơi cao 0,5m đến 1,5 – 2m và đặc biệt có nơi cao đến 3,5m như Gò Tháp Địa hình Đồng Tháp Mười hơi nghiêng từ Đông Bắc xuống Tây Nam và Nam Lũ là một trong những đặc điểm nổi bật nhất về chế

độ thủy văn của Đồng Tháp Mười, do đặc điểm địa hình của Đồng Tháp Mười trũng ở vùng trung tâm nên nó giống như một chiếc bồn chứa nước tự nhiên, hàng năm lũ thường bắt đầu vào tháng 8 và kết thúc vào cuối tháng 11 Khoảng đầu tháng 9 khi mực nước sông Tiền ở Tân Châu vượt quá 4,2 m thì dòng chảy của sông Mekong, trước tiên sẽ chảy vào nội đồng qua các con rạch, sau đó nước ở Sở Thượng chảy tràn về Sở Hạ, các con kênh từ Đồng Tiến trở lên giáp biên giới Campuchia chứa đầy nước, một phần trong gần 1 tỷ mét khối nước đó được tích lại trong nội đồng, một phần chảy trở lại sông Tiền qua nhiều ngã và một phần được đổ ra biển Do bồn Đồng Tháp Mười nằm trong khu vực chuyển tiếp nước lũ từ Campuchia về và sự truyền triều từ biển Đông vào, mặt khác do chế độ dòng chảy không ổn định nên độ ngập của Đồng Tháp Mười không chỉ phụ thuộc vào địa hình mà còn phụ thuộc vào chế

độ dòng chảy Trong mùa nước kiệt, chế độ nước chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của thủy triều theo nhiều hướng và các pha truyền triều này gặp nhau trong nội đồng triệt tiêu lực và tốc độ chảy, tạo thành khu giáp nước thường phèn ứ đọng ở đây Do đó mà pH nước kênh càng cao khi đi sâu vào trong khu vực nội đồng

Đồng Tháp Mười được tạo thành trong phân đại Đệ Tứ, trên sự trầm tích thời kỳ Pleistocen và Holocen cùng với giai đoạn trung gian của hậu Pleistocen Quá trình thành tạo hoàn tất của Đồng Tháp Mười được bắt đầu sau thời kỳ hậu Pleistocen cách đây khoảng 8.000 năm Nền trầm tích Pleistocen với các vật liệu phù sa cổ không đồng đều được phủ lên bằng vật liệu mới của trầm tích Holocen Do đó, có thể tìm thấy những gò phù sa cổ và những giồng cát cổ nằm xen lẫn giữa cánh đồng phù sa mới Dước tác động của nhiều yếu tố tự nhiên và con người, thông qua sự phong hóa với các tiến

trình sinh - hóa xảy ra đã hình thành nhiều nhóm đất khác nhau trong Đồng Tháp Mười Đất phù sa cổ, đất giồng cổ, đất phèn, đất phù sa và phù sa ven sông

Ở Đồng Tháp Mười biến động của đất phèn trong không gian rất lớn, ngay cả trên khoảng cách ngắn Phần lớn đất phèn bắt nguồn từ trầm tích sét nặng có độ thấm cao, khi bị oxy hóa dễ dàng xuất hiện khoáng Jarosite Đồng Tháp Mười có địa hình trũng thấp, chủ yếu là đất phèn tiềm tàng đã và đang chuyển sang đất phèn hoạt động, thực vật chủ yếu là đồng cỏ thấp gồm cỏ Năng, cỏ Mồm, Đưng, Lúa trời, Bàng, Lau sậy, Đế rừng mọc ven rạch hay rừng Tràm (Breemen và Pons, 1978) Rừng bảo tồn quốc gia Tràm Chim, Đồng Tháp là điển hình của tràm tự nhiên mọc trên đất phèn

Theo Tôn Thất Chiểu và ctv., (1991), đất phèn Đồng Tháp Mười hình

thành trên những vùng biển đầm lầy hóa, là một đồng lụt kín được bao quanh bởi những gò cao của bậc thềm phù sa cổ phía Tây Bắc, sông Tiền ở phía Tây

và thềm cao của đồng bằng ven biển ở phía Đông và Đông Nam, với dấu tích của những giồng cát Tân Hiệp - Nhị Quý Đặc trưng của vùng Đồng Tháp Mười là những đầm lầy, lợ rộng lớn chứa đầy xác hữu cơ của thảm thực vật nước lợ được tích lũy trong suốt thời kỳ đầm lầy hóa của vùng này, lớp đầm lũ phủ đầy phía ven sông Tiền và mỏng dần khi đi vào trũng Long An và bắc Cái

Bè, Cai Lậy Tại đây lớp sét bùn tích lũy Pyrite lộ ra gần mặt, hình thành loại đất phèn nặng với hàm lượng chất độc cao rất khó cải tạo

Đặc trưng của đất phèn hoạt động nông của Đồng Tháp Mười là tầng mặt rất chua, pH đất thấp, hàm lượng SO42- hòa tan thấp, Al3+ rất di động và tầng

sinh phèn sâu trên 100cm (Tôn Thất Chiểu và ctv., 1991) và trong đất phèn

tiềm tàng nội địa các ion có mối tương quan chặt chẽ giữa Fe2+ với SO42-, giữa

K+ và Na+ và giữa Cl- với K+ có xu hướng tương quan càng chặt (Lê Huy Bá, 1981)

Theo nghiên cứu trên vùng đất phèn nặng mới khai hoang ở vùng Đồng Tháp Mười, cho thấy có sự biến động của đất phèn rất lớn trong không gian,

có mối quan hệ khá rõ giữa loại đất và các tầng đất với địa hình Tầng phèn có

Jarosite (thuộc loại đất Typic Sulfaquepts), chỉ tìm thấy ở nơi có địa hình cao

của khu vực Ngược lại, tầng phèn không có Jarosite (thuộc loại đất

Hydraquentic Sulfaquepts) thường thấy ở nơi có địa hình thấp hơn Độ dày

tầng phèn không có Jarosite thường mỏng hơn độ dày tầng phèn có Jarosite Ở những nơi có địa hình thấp, tầng sinh phèn (pyrite) xuất hiện rất nông Phẫu diện điển hình của đất ở khu vực này có 3 tầng chính: tầng canh tác (tầng mặt), tầng phèn (sulfuric horizon) và tầng sinh phèn (sulfidic horizon) Tầng