Methylobacterium spp.
1.2.1.1 Sơ lược khả năng sinh tổng hợp các chất điều hịa tăng trưởng thực
vật ở vi sinh vật
Một số nghiên cứu về chất điều hịa tăng trưởng thực vật cho thấy sự phát sinh hình thái cũng như một số phản ứng trong tế bào được điều hịa bởi cả 2 nguồn chất điều hịa, một nguồn từ nội sinh và nguồn cịn lại từ các vi sinh vật bề mặt, gồm cả nấm và vi khuẩn [27]. Đối với tất cả các nhĩm chất điều hịa tăng trưởng được biết đến, gồm 5 nhĩm cơ bản và một số chất mới, nhiều nghiên cứu cho thấy các nhĩm này đều được tổng hợp ở vi sinh vật. Sự khác biệt nằm ở mức độ đa dạng và cấu trúc của nhĩm chất được tổng hợp ở 2 giới sinh vật [27].
Cho đến hiện nay người ta xác định cĩ sự tổng hợp auxin, cytokinin, gibberellin, abscisic acid, ethylene và một số phytohormone được cho là mới như brassinosteroid, salicylic acid, jasmonic acid, bioamine, oligosaccharine ở một số tảo, nấm, vi khuẩn, trong đĩ cĩ cả những vi sinh vật là tác nhân gây bệnh. Các nghiên cứu về khả năng sinh tổng hợp chất điều hịa tăng trưởng thực vật ở vi sinh vật được trình bày trong các bảng tổng hợp và so sánh với thực vật.
Auxin: cĩ đến 80% vi khuẩn phân lập từ vùng rễ cây cĩ khả năng sản sinh IAA (bảng 1.4). Chúng được nghiên cứu khơng chỉ vì hiệu ứng sinh lý lên cây trồng mà cịn cĩ thể do vai trị của phytohormone trong đáp ứng sự tương tác giữa vi khuẩn-thực vật. Vi khuẩn sinh tổng hợp IAA theo một vài con đường khác nhau và trong một chủng cĩ thể cĩ một hoặc nhiều con đường sinh tổng hợp IAA cùng tồn tại [49], [114], [48]. Thêm vào đĩ, hàm lượng IAA tiết ra ở các vi sinh vật khác nhau tùy theo điều kiện mơi trường sống và các vi sinh vật gây bệnh ở thực vật sinh
30
Bảng 1.4.Các vi sinh vật cĩ khả năng sinh tổng hợp IAA [27], [49], [114], [147]
Đối tượng tổng hợp Các hiện tượng được ghi nhận Nhĩm nghiên cứu
Nấm
Pisolithus tinctorius Kích thích tăng trưởng thực vật Frankenberger và Poth,1987 Vi khuẩn
Azospirillum Rhizobium, Bradyrhizobium
Giảm chiều dài rễ, tăng cường sự hình thành lơng rễ Tien và cộng sự, 1979 Atzorn và cộng sự,1988 Badenosch-Jones và cộng sự, 1982 Klebsiella Azospirillum, Gluconacetobacter Herbaspirillum Pseudomonas syringae pv savastanoi Agrobacterium Erwinia herbicola pv Gypsophilae Cyanobacteria, Nostoc
Gia tăng sự phân nhánh và bề mặt tiếp xúc của rễ
Làm gia tăng hàm lượng IAA và IBA tự do ở cây bắp non
Cảm ứng sự hình thành khối u
Cộng sinh cùng với giống
Gunnera El-Kawas và Adachi, 1999 Fuentes-Ramírez và cộng sự, 1993 Bastián và cộng sự, 1998 Fallik, và cộng sự, 1989 Comai và Kosuge, 1980; 1982; Liu và cộng sự, 1982 Manulis và cộng sự,1998 Sergeeva và cộng sự, 2002 Methylobacterium spp. Doronina và cộng sự 2002 Omer và cộng sự, 2004
Gibberellin:Sinh tổng hợp gibberellin ở nhĩm vi nấm, ví dụ: Fusarium spp.
(Eukaryote) đã được biết tới nhiều cịn ở các nhĩm vi khuẩn (prokaryote) thì rất ít các lồi đã được ghi nhận (bảng 1.5). Trong đĩ mức độ đa dạng về cấu trúc gibberellin ở vi sinh vật thấp hơn nhiều so với thực vật. Cụ thể một số cấu trúc
gibberellin được thống kê như: GA3, GA7, GA4, và GA13 (Fusarium graminearum);
GA5, GA8, GA34, GA44 và GA53 (Bacillus cereus, B. macroides, và B. pumilus); GA1 (Azospirillum lipoferum và A. brasilense) [147].
Bảng 1.5.Các vi sinh vật cĩ khả năng sinh tổng hợp gibberellin [27], [147]
Đối tượng tổng hợp Các hiện tượng được ghi nhận Nhĩm nghiên cứu
Nấm
Gibberella fujikuroi (Fusarium fujikuroi)
Gây bệnh lúa von và các triệu chứng tương tự ở bắp cũng như một số cây khác Rojas và cộng sự, 2001 Fernández-Martin và cộng sự,1995 Vi khuẩn Azospirillum brasilense Azospirillum lipoferum Azospirillum brasilense Cassán và cộng sự, 2001 Fulchieri và cộng sự, 1993
Cytokinin: cũng giống như auxin, các vi sinh vật, đặc biệt là vi sinh vật vùng
rễ sản sinh ra cytokinin với nhiều mục tiêu: gây bệnh cho thực vật (Agrobacterium
spp.) hay thúc đẩy sự tăng trưởng của thực vật (Methylobacterium spp., Azotobacter
spp., Azospirillum spp., Rhizobium spp., Bacillus spp., Pseudomonas spp.) [93],
[143], [147].
Bảng 1.6. Các vi sinh vật cĩ khả năng sinh tổng hợp cytokinin [27], [93], [147]
Đối tượng tổng hợp Nhĩm nghiên cứu
Algae
Tảo đỏ và tảo nâu
Vi khuẩn Azospirillum spp. Pseudomonas syringae pv savastanoi Agrobacterium tumefaciens Erwinia herbicola Methylobacterium spp. Tien và cộng sự, 1979 Roberto và Kosuge, 1987 Lichter và cộng sự, 1995 Long và cộng sự
Abscisic acid: đối với ABA, các vi sinh vật cĩ khả năng sinh tổng hợp hợp
chất này được xem như là khơng cĩ lợi vì đặc tính ức chế của ABA (stress hormone). Các ABA ngoại sinh cĩ khả năng hạn chế sự hình thành leghemoglobin ở nốt sần cây họ đậu và làm giảm khả năng cố định nitơ [148]. Sự tiết ABA ở vi
khuẩn cố định đạm Azospirillum brasilense 245 giúp cho việc giải thích tại sao khi
áp dụng chủng Azospirillum spp. trên thực vật lại chỉ thu được kết quả khả quan
32
Bảng 1.7.Các vi sinh vật cĩ khả năng sinh tổng hợp abscisic acid [148]
Đối tượng tổng hợp Nhĩm nghiên cứu
Tảo
Ulva, Fucus, Laminaria, Ascophyllum,
Cystoseira, Porphyra, Dunaliella
Musatenko và cộng sự, 2001 Zhang và cộng sự 1993 Vi khuẩn Azotobacter chroococcum Nostoc muscorum Azospirillum brasilense spp. 245 Masalek B. và cộng sự 1999 Cohen và cộng sự, 2008
Ethylene: Vi sinh vật cũng cĩ khả năng sinh tổng hợp ethylene bao gồm cả các vi sinh vật dị dưỡng và tự dưỡng. Các nhĩm vi sinh vật sinh tổng hợp ethylene được liệt kê trong bảng dưới đây:
Bảng 1.8.Các vi sinh vật cĩ khả năng sinh tổng hợp ethylene [27], [148]
Đối tượng tổng hợp Nhĩm nghiên cứu
Vi khuẩn
Escherichia coli; Cryptococcus albidus; Pseudomonas syringae; Chromobacterium violaceum; Ralstonia solanacearum; Synechococcus; Anabaena; Nostoc; CalothrixScytonema; Cylindrospermum
Tien, 1979 Roberto, 1987 Lichter, 1995
Nấm
Cercospora; Cenococcum geophilum; Hebeloma crustuliniforme; Laccaria laccata; Botrytis cinerea; Fusarium oxysporum; Acremonium falciforme; Penicillum digitatum
Graham, 1980 Arsha, 1989 Chou, 1973
Các vi sinh vật sinh tổng hợp ra ethylene thường là những vi sinh vật gây bệnh. Chính sự gia tăng lượng ethylene làm cho thực vật bị stress, giảm tính đề kháng và là điều kiện cho vi sinh vật gây bệnh tấn cơng [148].
Một số nhĩm vi sinh vật, điển hình là Methylobacterium spp., khơng sản sinh
ra ethylene mà ngăn cản sự hình thành hợp chất này thơng qua sự tiết 1- aminocyclopropane-1-carboxylate (ACC) deaminase. Sự hoạt động của enzyme này bất hoạt con đường chuyển hĩa của ACC thành ethylene là nguyên nhân thúc đẩy sự tăng trưởng rễ của cây cải [96], hay gia tăng tính kháng của cây cà chua với vi
ở nhiều loại vi khuẩn, đặc biệt là nhĩm vi khuẩn vùng rễ Pseudomonas spp., Alcaligenes spp., Rhodococcus spp. và Rhizobium spp. [148]. Ngồi ra, ở
Rhizobium japonicum, Streptomyces spp. cịn sản sinh ra aminoethoxyvinylglycine và rhizobitoxin cĩ khả năng ức chế quá trình sinh tổng hợp ethylene của thực vật [148]. Các vi sinh vật với đặc tính làm giảm khí ethylene được ứng dụng rất lớn trong lĩnh vực nơng nghiệp, chẳng hạn làm chậm quá trình lão suy ở hoa cắt cành, tăng tuổi thọ của hoa…
Ngồi các nhĩm chính, ở vi sinh vật người ta cịn ghi nhận cĩ sự tổng hợp một số chất cĩ tác dụng điều hịa tăng trưởng thực vật như brassinosteroid, salicylic acid, jasmonic acid, bioamine và oligosaccharide.
Brassinosteroid được sinh tổng hợp bởi Cercospora arachidicola, Chlorella
vulgaris L. [148].
Salicylic acid được sinh tổng hợp bởi Methylobacterium oryzae [74],
Pseudomonas fluorescens, Escherichia coli [157].
Jasmonic acid được tổng hợp bởi một số chủng cyanobacteria (Spirulina spp.)
và tảo lục (Chlorella spp.) [148].
Ngồi các bioamin đĩng vai trị là hormone, chất dẫn truyền xung thần kinh ở động vật (serotonin, acetylcholine), vi sinh vật cịn cĩ khả năng tổng hợp nhiều bioamin cĩ hoạt tính điều hịa sinh trưởng thực vật. Seretonin là phân tử cĩ cấu trúc tương đồng (analog) với auxin được tìm thấy ở các vi sinh vật tương tác thực vật như Enterococcus faecalis, Rhodospirillum rubrum, Bacillus cereus, và
Staphylococcus aureus. Norepinephrine được tìm thấy ở Bacillus spp., Proteus vulgaris, Serratia marcescens, nấm men Saccharomyces cereviseae, nấm
Penicillium chrysogenum [148].
Oligosaccharide được tổng hợp bởi các vi khuẩn cố định đạm, là tín hiệu sinh
34
circulans. Các vi khuẩn này tổng hợp lipochitinoligosaccharide làm thay đổi một số cấu trúc hình thái rễ [148].
1.2.1.2 Ý nghĩa của việc sinh tổng hợp các chất điều hịa tăng trưởng thực
vật đối với hoạt động sống của vi sinh vật
Chất điều hịa tăng trưởng thực vật khơng phải là nguồn dinh dưỡng hay chất điều hịa cho vi sinh vật. Vậy, chúng cĩ vai trị gì trong hoạt động sống của vi sinh vật? Các nghiên cứu trong lĩnh vực vi sinh tương tác thực vật đã và đang làm sáng tỏ vai trị này.
Đối với các vi sinh vật gây bệnh cho thực vật thì các chất điều hịa tăng trưởng thực vật làm cho mơ thực vật duy trì ở mức tăng trưởng ổn định hay quá mức, qua đĩ gia tăng tổng hợp các chất dinh dưỡng cho vi sinh vật sử dụng. Ví dụ điển hình
của tương tác này là cơ chế gây bệnh của vi khuẩn Agrobacterium spp.. Ti plasmid
của chi vi khuẩn này cĩ mang một đoạn DNA cĩ kích thước 25kb chứa các gen mã hĩa cho quá trình sinh tổng hợp auxin, cytokinin, opine và các gen gây khối u. Đoạn DNA này sẽ được gắn chèn vào bộ gen tế bào thực vật sau quá trình xâm nhiễm của vi khuẩn. Từ đĩ, nhờ khả năng gia tăng tổng hợp auxin và cytokinin mà các tế bào khối u của thực vật bị nhiễm cĩ thể tăng trưởng mạnh. Đồng thời các tế bào khối u này sẽ sản xuất ra opine, là các amino acid bất thường, khơng cĩ trong mơ bình thường và được vi khuẩn sử dụng như nguồn dinh dưỡng (nguồn carbon và nitơ) cho quá trình tăng trưởng. Chính sự tăng trưởng nhanh chĩng của vi khuẩn, cùng với sự tập trung dinh dưỡng để sinh tổng hợp các opine làm cho thực vật suy yếu nhanh chĩng và cuối cùng là sự diệt vong [60], [138].
Đối với vi khuẩn cĩ lợi thì sự sinh tổng hợp các chất điều hịa tăng trưởng thực vật cũng làm gia tăng các quá trình biến dưỡng, sự tăng trưởng các cơ quan của thực vật, từ đĩ cung cấp các chất dinh dưỡng cần thiết cho vi sinh vật. Tuy nhiên, mối quan hệ này được thiết lập theo cơ chế cân bằng, cĩ điều hịa qua lại, vì thế cả thực vật và vi sinh vật đều sinh trưởng ổn định [19]. Ví dụ điển hình cho cơ chế này là
nhĩm vi khuẩn kích thích tăng trưởng ở vùng rễ thực vật (Plant Growth Promoting Rhizobacteria, PGPR). Một vài lồi trong nhĩm này sinh tổng hợp auxin và ACC deaminase thúc đẩy sự hình thành rễ mới, qua đĩ chúng cũng thu nhận được nhiều
chất dinh dưỡng từ vùng rễ non tiết ra hơn [19]. Methylobacterium spp. tiết ra các
chất điều hịa tăng trưởng thực vật ở vùng diệp quyển, làm cho mơ lá tăng trưởng mạnh hơn, gia tăng bài tiết methanol, là nguồn carbon cho chúng sử dụng [62], [142].
Tĩm lại, thơng qua các tài liệu, cĩ thể thấy khả năng sinh tổng hợp chất điều hịa tăng trưởng thực vật của vi sinh vật đã được nghiên cứu sâu ở nhiều đối tượng vi sinh vật khác nhau. Sự sinh tổng hợp các chất này làm sáng tỏ cơ chế tương tác
giữa thực vật và vi sinh vật. Đối với vi khuẩn Methylobacterium spp., nhĩm vi
khuẩn mà chúng tơi đang quan tâm, thì sự hiểu biết về các chất điều hịa tăng trưởng thực vật ở vi sinh vật sẽ là nền tảng cho việc làm sáng tỏ cơ chế tương tác giữa chúng và thực vật thơng qua sự phát hiện các nhĩm chất cĩ hoạt tính điều hịa sinh trưởng mà chúng tổng hợp.