Vi khuẩn lam (cyanobacteria) trong một số loại hình đất trồng ở tỉnh nghệ an và vai trò của chúng đối với trồng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN ĐỨC DIỆN VI KHUẨN LAM (CYANOBACTERIA) TRONG MỘT SỐ LOẠI HÌNH ĐẤT TRỒNG Ở TỈNH NGHỆ AN VÀ VAI TRÒ CỦA CHÚNG ĐỐI VỚI TRỒNG TRỌT LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC NGHỆ AN - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN ĐỨC DIỆN VI KHUẨN LAM (CYANOBACTERIA) TRONG MỘT SỐ LOẠI HÌNH ĐẤT TRỒNG Ở TỈNH NGHỆ AN VÀ VAI TRÒ CỦA CHÚNG ĐỐI VỚI TRỒNG TRỌT Chuyên ngành: Thực vật học Mã sô: 9.42.01.11 LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC Người hướng dẫn khoa học: GS TS Võ Hành PGS TS Nông Văn Hải NGHỆ AN - 2018 LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận án này, tơi xin bảy tỏ lịng tơn kính biết ơn giúp đỡ hướng dẫn tận tình suốt trình nghiên cứu GS.TS Võ Hành, Khoa sinh học, Trường Đại học Vinh; PGS.TS Nông Văn Hải - Viện Nghiên cứu hệ gen, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Xin cảm ơn nhiều tới Quý thầy, cô giáo nguyên cán khoa Sinh học, Phòng Sau đại học; cán bộ, kỹ thuật viên Trung tâm Thí nghiệm thực hành trường Đại học Vinh; Viện Nơng hóa thổ nhưỡng Việt Nam Viện Hệ gen Việt Nam Nhân dịp này, xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Đình San PGS.TS Mai Văn Chung tạo điều kiện để tham gia đề tài cấp tỉnh đề tài Nafosted, mã số 106-NN.03-2014.22 Tôi xin cảm ơn TS Nguyễn Lê Ái Vĩnh giúp tơi q trình thực địa ý kiến đóng góp, thảo luận trình nghiên cứu Xin cảm ơn Ban lãnh đạo đồng nghiệp thuộc Viện Cơng nghệ Hóa sinh - Môi trường Trường Đại học Vinh, tạo điều kiện thuận lợi mặt thời gian để tơi hồn thành cơng trình nghiên cứu Cảm ơn gia đình, bạn bè động viên, giúp đỡ vật chất tinh thần để tơi hồn thành luận án Xin cảm ơn chân thành thực đến tất giúp đỡ quý báu Nghệ An, tháng năm 2018 Tác giả Nguyễn Đức Diện LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Nghệ An, tháng năm 2018 Tác giả Nguyễn Đức Diện MỤC LỤC Trang ĐẶT VẤN ĐỀ 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiển luận án Đóng góp luận án Bố cục luận án Chương TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Giới thiệu chung vi khuẩn Lam 1.1.1 Vị trí vi khuẩn Lam sinh giới 1.1.2 Đặc điểm vi khuẩn Lam 1.2 Phân loại vi khuẩn Lam 1.2.1 Sơ lược lịch sử nghiên cứu phân loại vi khuẩn Lam 1.2.2 Hệ thống phân loại vi khuẩn Lam Komárek cộng (2014) 10 1.2.3 Tình hình nghiên cứu thành phần lồi vi khuẩn Lam đất trồng giới Việt Nam 14 1.2.4 Danh lục loài vi khuẩn Lam Việt Nam xếp theo hệ thống phân loại Komárek cộng (2014) 18 1.3 Vai trò vi khuẩn Lam nông nghiệp 21 1.3.1 Sự cố định nitơ phân tử vi khuẩn Lam 21 1.3.2 Nghiên cứu ứng dụng vi khuẩn Lam sản xuất nông nghiệp 25 1.4 Điều kiện tự nhiên tỉnh Nghệ An 30 Chương ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33 2.1 Đối tượng nghiên cứu 33 2.2 Địa điểm thời gian thu mẫu 33 2.2.1 Địa điểm thu mẫu 33 2.2.2 Thời gian thu mẫu 36 2.3 Nội dung nghiên cứu 36 2.4 Phương pháp nghiên cứu 36 2.4.1 Phương pháp lấy mẫu đất mẫu vi khuẩn Lam 36 2.4.2 Phương pháp phân tích số tiêu nơng hóa thổ nhưỡng 37 2.4.3 Phương pháp kế thừa lựa chọn hệ thống phân loại vi khuẩn Lam 37 2.4.4 Phương pháp định loại vi khuẩn Lam 37 2.4.5 Phương pháp phân lập số chủng vi khuẩn Lam 39 2.4.6 Phương pháp phân tích gen cố định nitơ nifD 40 2.4.7 Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng dịch huyền phù vi khuẩn Lam lên số tiêu sinh lý sinh trưởng suất lúa 41 2.4.8 Phương pháp thử nghiệm tác dụng vi khuẩn Lam lên hệ thống chống ơxy hóa đậu tương 43 2.4.9 Phương pháp xử lý số liệu 45 Chương KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 46 3.1 Đa dạng vi khuẩn Lam số loại đất trồng tỉnh Nghệ An 46 3.1.1 Đa dạng thành phần loài vi khuẩn Lam phát đất trồng tỉnh Nghệ An 46 3.1.2 Sự đa dạng taxon vi khuẩn Lam bậc bộ, họ chi 54 3.1.3 Sự phân bố vi khuẩn Lam đất lúa đất trồng công nghiệp mối liên quan với số tiêu nơng hóa 58 3.1.4 So sánh phân bố Vi khuẩn Lam đất trồng tỉnh Nghệ An đất trồng Việt Nam 63 3.2 Kết phân lập chủng vi khuẩn Lam từ đất trồng Nghệ An 67 3.2.1 Danh lục chủng vi khuẩn Lam phân lập 67 3.2.2 Kết phân lập số chủng thuộc loài vi khuẩn Lam bổ sung cho danh lục vi khuẩn Lam Việt Nam 68 3.2.3 Kết phân lập mơ tả số lồi chưa xác định tên 82 3.2.4 Kết phân lập số chủng vi khuẩn Lam có tế bào dị hình nghiên cứu gen quy định tổng hợp nitrogenase chúng 88 3.3 Kết nghiên cứu ảnh hưởng chủng Nostoc calcicola HN91a trồng 93 3.3.1 Kết thử nghiệm ảnh hưởng vi khuẩn Lam Nostoc calcicola HN9-1a giống lúa Tám thơm 94 3.3.2 Ảnh hưởng vi khuẩn Lam Nostoc calcicola HN9-1a lên hệ thống chống oxy hóa đậu tương 97 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 107 Kết luận 107 Kiến nghị 108 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO 110 PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1 Sơ đồ ba lãnh giới sinh giới (Woese cs, 1990) Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống vi khuẩn Lam (theo Komárek cs 2014) 11 Hình 2.1 Địa điểm thu mẫu đất mẫu vi khuẩn Lam tỉnh Nghệ An 35 Hình 3.1 Sơ đồ định vị trực tiếp điểm nghiên cứu theo phương pháp CCA 62 Hình 3.2 Ảnh hiển vi chủng Chroococcus helveticus DT2-01 71 Hình 3.3 Ảnh hiển vi chủng Jaaginema minimum DP3-01 73 Hình 3.4 Ảnh hiển vi chủng Pseudanabaena dictyothalla QV3-11 74 Hình 3.5 Ảnh hiển vi chủng Leptolyngbya carnea DP3-03 75 Hình 3.6 Ảnh hiển vi chủng Geitlerinema acutissimum TT3-08 77 Hình 3.7 Hình ảnh hiển vi loài Westiellopsis prolifica phát triển trong đất trồng 79 Hình 3.8 Hình ảnh hiển vi chủng Westiellopsis prolifica DP1-01 nuôi môi trường BG-11 80 Hình 3.9 Hình ảnh hiển vi chủng Nostoc gelatinosum TT3-05 đất (A) môi trường BG11 (B - H) 81 Hình 3.10 Hình ảnh hiển vi chủng Mastigocladus sp QL3-01 phát triển trong môi trường BG-11 84 Hình 3.11 Hình ảnh hiển vi chủng Isocystis sp DP3-11 phát triển trong môi trường tự nhiên 86 Hình 3.12 Hình ảnh hiển vi chủng Isocystis sp DP3-11 phát triển trong môi trường BG-11 87 Hình 3.13 Ảnh điện di sản phẩm PCR gen nifD chủng nghiên cứu 90 Hình 3.14 Sự tương đồng trình tự gen nifD chủng Nostoc calcicola HN91a với số chủng từ ngân hàng gen 91 Hình 3.15 Sự tương đồng trình tự gen nifD chủng Nostoc linckia Cam-C1 với số chủng từ ngân hàng gen 91 Hình 3.16 Sự tương đồng trình tự gen nifD chủng Nostoc gelatinosum TT3-05 với số chủng từ ngân hàng gen 91 Hình 3.17 Sự tương đồng trình tự gen nifD chủng Nostoc paludosum ĐT3-02 với số chủng từ ngân hàng gen 92 Hình 3.18 Sự tương đồng trình tự gen nifD chủng Nostoc ellipsosporum NH2X7 với số chủng từ ngân hàng gen 92 DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Số lượng taxon gặp ngành vi khuẩn Lam đất trồng Việt Nam 18 Bảng 1.2 Số lượng taxon gặp ngành VKL Việt Nam 20 Bảng 1.3 Tính đặc hiệu cặp mồi gen nifD số chủng vi sinh vật 24 Bảng 2.1 Địa điểm thu mẫu đất mẫu vi khuẩn Lam 33 Bảng 3.1 Danh lục taxon VKL phân bố số loại đất trồng tỉnh Nghệ An (Được xếp theo hệ thống phân loại Komárek cs 2014) 46 Bảng 3.2 Đa dạng hình thái lồi VKL 53 Bảng 3.3 Sự phân bố taxon VKL 54 Bảng 3.4 Số lượng taxon họ gặp 55 Bảng 3.5 So sánh phân bố chi VKL đất trồng lúa nước đất cạn trồng công nghiệp tỉnh Nghệ An 56 Bảng 3.6 Kết phân tích số tiêu nơng hóa đất trồng tỉnh Nghệ An 60 Bảng 3.7 So sánh phân bố VKL đất trồng tỉnh Nghệ An Việt Nam 63 Bảng 3.8 Các chủng VKL phân lập từ đất trồng Nghệ An 67 Bảng 3.9 Danh lục chi loài VKL bổ sung cho danh lục thành phần loài VKL Việt Nam 69 Bảng 3.10 Kết phân lập số chủng thuộc chi, loài VKL chưa xác định tên 82 Bảng 3.11 Kết phân lập số chủng VKL có TBDH khơng có TBDH từ đất trồng tỉnh Nghệ An 89 Bảng 3.12 Kết phân tích khả cố định ni tơ số chủng VKL có TBDH khơng có TBDH từ đất trồng tỉnh Nghệ An 93 TT Tên taxon 383 a Nostoc commune Vaucher ex Bornet et Flahault 1888 Loài nước ngọt/ cạn 384 b Nostoc ellipsosporum (Desmazieres) Rabenhorst ex Bornet et Flahault var violacea Rao 1937 Nguồn tài liệu [7, 38, 165] [44] [11] Loài nước 385 a Nostoc microscopicum Carmichael ex Bornet & Flahault 1886 Loài cạn 386 a Nostoc paludosum Kützing ex Bornet et Flahault 1888 [bao gồm Nostoc entophytum Bornet et Flahault 1888] Loài nước ngọt/trên cạn [28] [7, 38, 165] 387 b Nostoc linckia (Roth) Bornet et Flahault 1888 [bao gồm Nostoc piscinale Kützing ex Bornet et Flahault 1888] [7] Loài nước 388a Nostoc pruniforme Agardh ex Bornet et Flahault 1888 Loài nước 389 a 390 a Nostoc punctiforme (Kützing ex Hariot) Hariot 1891 Loài nước Nostoc sphaericum Vaucher ex Bornet & Flahault 1886 [7, 11, 38, 165] [44] [7, 11, 38, 165] [28] Loài nước ngọt/trên cạn 391 a Nostoc verrucosum Vaucher ex Bornet & Flahault 1886 [28] Loài nước 10.9 Chi Desmonostoc P.Hrouzek & S.Ventura, 2013 392 a Desmonostoc muscorum (C.Agardh ex Bornet & Flahault) Hrouzek & Ventura in Hrouzez et al.2013 [28] ( Trước Nostoc muscorum C.Agardh ex Bornet & Flahault 1888) Loài nước ngọt/trên cạn 10.10 Chi Richelia J.Schmidt, 1901 393 a Richelia intracellularis J.A.Schmidt in Ostenfeld & J.A.Schmidt 1901 [28] Loài biển Ghi chú: a Loài châu Âu, b Loài châu Âu, c loài chưa chỉnh sửa d loài hệ thống Phụ lục Ảnh hiển vi loài VKL đất trồng tỉnh Nghệ An Ghi chú: Thước tỉ lệ tất ảnh 20 m Synechocystis aquatilis Sauvageau 1892 Synechocystis sallensis Skuja 1929 Aphanocapsa muscicola (Meneghini) Wille 1919 Jaaginema minimum Anagnostidis et Komárek 1988 Pseudanabaena catenata Lauterborn 1915 Pseudanabaena curta (Hollerbach) Cronberg et Komárek 1994 Pseudanabaena dictyothalla (Skuja) Anagnostidis 2001 Leptolyngbya carnea (Kützing ex Lemmermann) Anagnostidis et Komárek 1988 Leptolyngbya fragilis (Gomont) Anagnostidis et Komárek 1988) 10 Leptolyngbya foveolarum (Rabenhorst ex Gomont) Anagnostidis et Komárek 1988 11 Leptolyngbya tenuis (Gomont) Anagnostidis et Komárek 1988 12 Leptolyngbya valderiana (Gomont) Anagnostidis et Komárek 1988 13 Trichocoleus sociatus (West et G.S.West) Anagnostidis 2001 14 Aphanothece microscopica Nägeli 1849 15 Aphanothece stagnina (Sprengel) Braun 1863 16 Gloeothece rupestris (Lyngbye) Bornet 1880 17 Chroococcus helveticus Nägeli 1849 18 Chroococcus minor (Kützing) Nägeli 1849 19 Chroococcus pallidus Nägeli 1849 20 Chroococcus turgidus (Kützing) Nägeli 1849 21 Chroococcus turgidus var maximus Nygaard 1926 22 Gloeocapsa atrata Kützing 1843 23 Gloeocapsa granosa (Berkeley) Kützing 1847 24 Gloeocapsa rupestris Kützing 1847 25 Microcystis aeruginosa (Kützing) Kützing 1846 26 Microcystis firma (Kützing) Schmidle 1902 27 Microcystis wesenbergii (Komárek) Komárek 1968 28 Stanieria sphaerica (Setchell et Gardner) Anagnostidis et Pantazidou 1991 29 Geitlerinema acutissimum (Kufferath) Anagnostidis 1989 30 Microcoleus lacustris Farlow ex Gomont 1892 31 Microcoleus paludosus Gomont 1892 32 Microcoleus vaginatus Gomont ex Gomont 1892 33 Lyngbya cincinnata (Itzigsohn) Compère 1985 34 Lyngbya aestuarii Liebman ex Gomont 1892 35 Lyngbya maior Meneghini ex Gomont 1892 36 Lyngbya martensiana Meneghini ex Gomont 1892 37 Oscillatoria anguina Bory ex Gomont 1892 38 Oscillatoria annae Van Goor 1918 39 Oscillatoria curvicepts var angusta Ghose 1927 40 Oscillatoria jenensis Schmid 1921 41 Oscillatoria limosa Agardh ex Gomont 1892 42 Oscillatoria simplicissma Gomont 1892 43 Oscillatoria tenuis Agardh ex Gomont 1892 44 Phormidium aerugineo-caerulea (Gomont) Anagnostidis et Komárek 1988 45 Phormidium animalis (Agardh ex Gomont) Anagnostidis et Komárek 1988 46 Phormidium allorgei (Frémy) Anagnostidis et Komárek 1988 47 Phormidium ambiguum Gomont 1892 48 Phormidium breve (Kützing ex Gomont) Anagnostidis et Komárek 1988 49 Phormidium corium Gomont ex Gomont 1892 50 Phormidium irriguum (Kützing ex Gomont) Anagnostidis et Komárek 1988 51 Phormidium subincrustatum Fritsch et Rich 1929 52 Phormidium terebriforme (Agardh ex Gomont) Anagnostidis et Komárek 1988 53 Phormidium uncinatum Gomont ex Gomont 1892 54 Scytonema drilosiphon Elenkin et Polyansky [Polyanski] 1922 55 Scytonema guyanense Bornet et Flahault 1888 56 Scytonema hofmannii Agardh ex Bornet et Flahault 1887 57 Scytonema millei Bornet ex Bornet et Flahault 1897 58 Scytonema ocellatum (Dillwyn) Lyngbye ex Bornet et Flahault 1887 59 Calothrix gracilis Fritsch 1912 60 Hapalosiphon welwitschii West et G.S.West 1897 61 Mastigocladus sp 62 Westiellopsis prolifica Janet 1941 63 Anabaena iyengarii Bharadwaja 1935 64 Anabaena oscillarioides Bory ex Bornet & Flahault 1886 65 Cylindrospermum stagnale (Kützing) Bornet et Flahault 1888 66 Nostoc calcicola Brébisson ex Bornet et Flahault 1888 67 Nostoc carneum (Lyngbye) Agardh ex Bornet et Flahault 1888 68 Nostoc commune Vaucher ex Bornet et Flahault 1888 69 Nostoc ellipsosporum (Desmazières) Rabenhorst ex Bornet et Flahault 1888 70 Nostoc gelatinosum Schousboe ex Bornet et Flahault 1888 71 Nostoc linckia (Roth) Bornet et Flahault 1888 72 Nostoc oryzae (Fritsch) Komárek et Anagnostidis 1989 73 Nostoc paludosum Kützing ex Bornet & Flahault 1886 74 Nostoc punctiforme (Kützing ex Hariot) Hariot 1891 75 Wollea ambigua (Rao) Singh 1942 76 Isocystis sp Phụ lục Trình tự nucleotit gen NifD chủng VKL có TBDH Chủng Nostoc calcicola HN91a AATTTGACAAGGCTAAGAAAAACAACACAATCGACTTCGAGcCAAGCCAATAT GATGTAGCATTAATCGGTGACTACAACATCGGTGGTGATGCTTGGGCAAGCCG GATGTTATTAGAAGAAATGGGCTTGCGTGTTGTAGCTCAGTGGTCTGGTGACG GTACACTCAACGAGTTGATTCAAGGCCCTGCTGCTAAATTAGTTCTCATCCACT GCTACCGTTCTATGAACTACATCTGCCG Chủng Nostoc linckia Cam-C1 CCCAGAATACGACAAGCTCAAGAAAGAAAACAAACTTGACTTCGAGCCAAGC CCATACGACGTAGCTTTAATCGGTGACTACAACATCGGTGGTGACGCTTGGGC AAGCCGCATGTTGTTGGAAGAAATGGGCTTACGTGTAGTAGCTCAATGGTCTG GTGATGGTACTCTTAACGAGTTAATCCAAGGGCCTGCTGCTAAGTTAGTCCTCA TCCACTGCTACCGTTCTATGAACTACATCTGCCG Chủng Nostoc gelatinosum TT3-05 CCGACAAGAAAGAAGAAGGTAAGTTACAATTCGAGTCTACTCCTTACGACGTT GCATCATCGGTGACTACACATCGGTGGTGACGCTTGGGCTAGCCGGATTCTGTT AGAAGAATTGGGCTTGCGCGTAGTTGCTCAGTGGTCTGGTGATGGTACAATCA ACGAAATGTTGATGACACCGAACGTGAAGATGAACTTGATTCACTGCTACCGT TCGATGAACTACATCTGCCG Chủng Nostoc paludosum ĐT3-02 CCCTGATTTGACAAAGCTAAGAAAAACAACACAATCGACTTCGAGCCAAGCCC CTACGACGTAGCATTAATCGGTGACTACAACATCGGTGGTGATGCTTGGGCAA GCCGGATGTTATTAGAAGAAATGGGCTTGCGTGTTGTTGCTCAGTGGTCTGGTG ACGGTACACTCAACGAGTTGATTCAAGGCCCTGCTGCTAAATTAGTTCTGATCC ACTGCTACCGTTCTATGAACTACATCTGCCG Chủng Nostoc ellipsosporum NH2X7 AAAGAAGGTAAGTTACCATTCGAGTCTACTCCTTACGACGTAGCAATCATCGG TGACTACAACATCGGTGGTGACGCTTGGGCTAGCCGCATTCTCTTAGAAGAAC TGGGCTTGCGTGTAGTTGCTCAGTGGTCTGGTGATGGTACAATCAACGAAATG TTGATGACACCGAACGTGAAGATGAACTTGATTCACTGCTACCGTTCGATGAA CTACATCTGCCG ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN ĐỨC DIỆN VI KHUẨN LAM (CYANOBACTERIA) TRONG MỘT SỐ LOẠI HÌNH ĐẤT TRỒNG Ở TỈNH NGHỆ AN VÀ VAI TRÒ CỦA CHÚNG ĐỐI VỚI TRỒNG TRỌT Chuyên ngành:... có tỉnh Nghệ An Xuất phát từ sở khoa học thực tiễn nêu trên, tiến hành đề tài ? ?Vi khuẩn Lam (Cyanobacteria) số loại hình đất trồng tỉnh Nghệ An vai trò chúng trồng trọt” Mục tiêu Mục tiêu của. .. CỨU VÀ THẢO LUẬN 46 3.1 Đa dạng vi khuẩn Lam số loại đất trồng tỉnh Nghệ An 46 3.1.1 Đa dạng thành phần loài vi khuẩn Lam phát đất trồng tỉnh Nghệ An 46 3.1.2 Sự đa dạng taxon vi khuẩn