2.4.1.1 Vai trò của nấm trong phân hủy chất hữu cơ trong đất
Hầu hết các loài nấm đa bào có khả năng phân hủy cellulose và lignin (Kubicek, 2012). Tuy nhiên, cơ chế phân hủy của các loài nấm này khác nhau, tùy theo mỗi loài, nấm có khả năng tiết những enzyme khác nhau trong quá trình phân hủy chất hữu cơ. Các kết quả nghiên cứu chứng minh rằng dòng nấm Aspergillus sp. có khả năng sản xuất enzyme glucose oxidase, pectinase, hemicellulase nhưng chưa tìm thấy dòng nấm này sản xuất enzyme cellulase. Trong khi dòng nấm Penicillum sp. có khả năng sản xuất enzyme cellulase và
hoạt động β-glucosidase cao. Mặt khác, nấm Humicola insolens có khả năng sản xuất enzyme lipase và cellulsase (Kubicek, 2012). Kết quả nghiên cứu chứng minh sự khác nhau trong phân hủy chất hữu cơ xếp thành 3 nhóm nấm: nhóm nấm mục rửa trắng (white rot); nấm mục nâu (brown rot) và nấm mục mềm (soft rot).
Nấm mục trắng (white rot) là nhóm nấm duy nhất trong ba nhóm nấm có khả năng phân hủy hoàn toàn cấu trúc của gỗ bởi chúng có khả năng phân hủy lignin bằng cách tách liên kết giữa Cα và Cβ. Sự phân hủy cellulose, hemicellulose và lignin bởi nấm mục trắng diễn ra cùng thời điểm ở một số loài như Trametes versicolor, Irpex lacteus, Phanerochaete chrysosporium, Heterobasidion annosum. Một số loài nấm khác chọn tiến trình phân hủy lignin trước, trước khi bắt đầu phân hủy cellosose như Ganoderma australe, Phlebia tremellosa, Ceriporiopsis subvermispora, Pleurotus sp., Phellinus pini. Trong khi nấm mục nâu (brown rot) thì chỉ có khả năng phân hủy phổ biến trên vật liệu gỗ mềm. Đóng vai trò trong phân hủy cellulose và hemicellulose nhưng không thể phân hủy lignin hoàn toàn, chỉ tham gia phần nhỏ vào sự phá hủy lignin. Tuy nhiên, một số nấm mục nâu có thể tự tạo ra ẩm độ và dinh dưỡng để tham gia vào quá trình phân hủy chất hữu cơ. Hầu hết nấm mục trắng và mục nâu tiêu biểu đặc trưng cho nhóm nấm đảm. Một số loài nấm mục nâu như Gloeophyllum trabeum, Laetiporu sulfureus, Postia placenta, Serpula lacrymans (Kubicek, 2012).
Trái lại, nấm mục mềm (soft rot) chỉ phân hủy vật liệu hữu cơ có chứa hàm lượng lignin thấp và yêu cầu ẩm độ cao hơn trong quá trình phân hủy so với nấm mục trắng và nâu. Một số loài nấm mục mềm như Trichoderma reesei, Chaetomium globosum, Thielavia terrestris, paecilomyces sp (Kubicek, 2012).
2.4.1.2 Vai trò của vi khuẩn trong phân hủy chất hữu cơ
Phân hủy chất hữu cơ là tiến trình sinh học hiếu khí có sự tham gia của vi khuẩn và nấm. Suốt tiến trình phân hủy chất hữu cơ, cộng đồng vi khuẩn và điều kiện lý, hóa trong khối ủ có liên quan tác động lẫn nhau (Partanen et al., 2010). Trong giai đoạn đầu của tiến trình phân hủy chất hữu cơ, nhóm vi khuẩn hoạt động tích cực trong sự phân hủy là vi khuẩn có khả năng sản xuất acid hữu cơ ưa nhiệt trung bình. Mật số của nhóm vi khuẩn này ở khoảng 1,7- 2,8 × 109 cfu g-1 sau 10 ngày sau khi ủ. Một số vi khuẩn nhóm ưa nhiệt trung bình như Lactobacillus sp. and Acetobacter sp. (Chandna et al., 2013). Sự tham gia của vi khuẩn trong giai đoạn trễ (giai đoạn nhiệt độ cao) từ khoảng 11-32 ngày sau khi ủ là nhóm vi khuẩn gam dương chiếm ưu thế có mật số 107 đến 108 cfu g-1 như Bacillus sp. và Actinobacteria sẽ ưu thế hơn (Dương Minh Viễn và ctv., 2011). Vi khuẩn thuộc nhóm vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ dễ phân hủy ở điều kiện hiếu khí (Rebollido et al., 2008). Sau khi kết thúc quá
trình ủ của khối ủ compost, sự đa dạng cộng động vi khuẩn cũng rất khác nhau (Chandna et al., 2013). Kết quả nghiên cứu cho thấy vi khuẩn gam dương chiếm khoảng 85%, còn lại 15% là nhóm vi khuẩn gam âm (Chandna et al., 2013; Herrera-Eetrella and Chet, 1999).
2.4.1.3 Vai trò của xạ khuẩn trong phân hủy chất hữu cơ
Xạ khuẩn được xem là nhóm vi sinh vật chính yếu cho phân hủy chất hữu cơ ở nhiệt độ cao từ 45-55oC. Ở giai đoạn nhiệt độ cao thúc đẩy sự phân hủy chất hữu cơ phức tạp với hàm lượng lignin và cellulose cao, đồng thời với sự tăng nhanh mật số ở giai đoạn 45-70 ngày sau khi ủ (Dương Minh Viễn và ctv., 2011; Rebollido et al., 2008). Giai đoạn này, xạ khuẩn cạnh tranh dinh dưỡng với các vi sinh vật khác bởi sản xuất chất kháng sinh, enzyme lytic… đồng thời phát huy vai trò thúc đẩy quá trình phân hủy chất hữu cơ sau khi sự tham gia của vi khuẩn và nấm ở giai đoạn đầu của tiến trình ủ phân hữu cơ (Rebollido et al., 2008).
2.4.2 Vai trò khác nhau của vi sinh vật và nấm Trichoderma đối kháng vi
sinh vật gây bệnh trong đất
2.4.2.1 Vai trò của nấm Trichoderma ức chế vi sinh vật gây bệnh trong đất
Vai trò ký sinh: Dòng nấm Trichoderma sp. được xem là dòng nấm có khả năng quản lý tốt bệnh hại trong đất bởi nhiều cơ chế khác nhau (Kumar et al., 2007). Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng một vi sinh vật có khả năng đối kháng tốt với loài gây bệnh có những đặc điểm sau: tiêu diệt trực tiếp vi sinh vật gây bệnh, ảnh hưởng lên sự phát triển vi sinh vật gây bệnh bởi tiết ra chất kích kháng hoặc cạnh tranh dinh dưỡng, oxy và nơi ở, biến đổi cấu trúc gen của loài gây bệnh, gây ra tính kháng của cây trồng, nâng cao sức đề kháng cây trồng và chống chịu điều kiện bất lợi môi trường bên ngoài, gây bất hoạt enzyme của loài gây bệnh (Kumar et al., 2007).
Trong đó, dòng nấm Trichoderma sp. thực hiện cơ chế ức chế vi sinh vật gây bệnh thông qua nhiều hoạt động. Khả năng ký sinh trên loài khác để lấy dưỡng chất từ vi sinh vật gây bệnh (Van Den Boogert, 1996; Zeilinger and Omann, 2007). Dòng nấm Trichoderma sp. sẽ ký sinh hoặc phát triển phủ lên sợi nấm của vi sinh vật khác, khi đó sẽ giới hạn và ức chế sự phát triển của vi sinh vật gây bệnh. Quá trình ức chế của dòng nấm Trichoderma sp. đối với vi sinh vật gây bệnh bằng cách quấn quanh đối tượng gây bệnh thông qua hệ sợi nấm, phát triển xuyên qua, hòa tan vách tế bào, màng tế bào bằng hoạt động của enzyme. Loài nấm Trichoderma harzianum thể hiện khả năng ký sinh trên loài nấm gây bệnh Rhizoctonia solani rất tốt. Trong khi loài nấm Trichoderma virens sản xuất tốt chất kháng sinh chống lại hệ sợi nấm của loài gây bệnh
Sản xuất kháng sinh: Nấm Trichoderma có khả năng sản xuất nhiều chất kháng sinh khác nhau, có vai trò ức chế sự phát triển của các loài nấm gây bệnh. Một số loại chất kháng sinh được sản xuất từ dòng nấm
Trichoderma sp. như: gliotoxin, gliovirin và glioviridin. Ngoài ra, dòng nấm
Trichoderma sp. có khả năng sản xuất một số hợp chất hữu cơ như ethylene, hydrogen cyanide, alcohols, aldehydes và ketones có khả năng giới hạn sự phát triển các sinh vật khác trong cơ chế quản lý sinh học (Kumar et al., 2007). Một chất kháng sinh khác được sản xuất từ dòng nấm Trichoderma sp. là peptabiols đóng vai trò vừa là chất kháng nấm vừa là chất kháng khuẩn. Có nhiều dạng peptabiols khác nhau như trichozianins, trichokindins, harzianins, trichoningins, trichokonins, trichorozins, trichogins có tác động phá hủy màng tế bào, giới hạn sự phát triển của loài nấm gây bệnh bởi hoạt động sinh học của các chất này.
Tạo tính kích kháng và tăng cường sinh trưởng cho cây trồng: Thực vật có khả năng tạo tính kháng đối với loài gây bệnh theo cơ chế bị động hoặc chủ động. Cơ chế chủ động tạo hàng rào bảo vệ cho cây trồng khi cây trồng bị tác nhân khác xâm nhiễm hoặc tấn công (Walters et al., 2014). Kết quả nghiên cứu đã chứng minh sự tác động đa dạng của các dòng vi sinh vật đã gây ra cơ chế kích kháng cho cây trồng. Việc chủng vi sinh vật gây bệnh đã gây ra tính kháng trong thực vật. Một số vi sinh vật không gây bệnh sống cộng sinh hoặc nội sinh trong rễ cây trồngcũng có khả năng tạo tính khángnhư vi khuẩn hòa tan lân, vi khuẩn vùng rễ thúc đẩy sự phát triển cây trồng, nấm sống nội sinh (Walters et al., 2014).
Các dòng nấm Trichoderma sp. có khả năng kích hoạt cơ chế kháng bệnh cây trồng tại vùng nhiễm bệnh và toàn bộ hệ thống cây trồng. Tính kháng hệ thống của thực vật được kích hoạt qua con đường sản xuất ra jasmonic acid/ethylene (Kumar et al., 2007). Ngoài ra, sự hiện diện Trichoderma sp. góp phần nâng cao sinh khối khô và sự phát triển của thực vật. Các nghiên cứu chứng minh các dòng nấm Trichoderma sp. sản xuất các hormon cho thúc đẩy sự phát triển của thực vật, tăng khả năng hấp thu dưỡng chất qua cơ chế hòa tan các khoáng vô cơ trong đất.
Theo kết quả nghiên cứu cho thấy một số vi sinh vật trong đất có khả năng thúc đẩy sự phát triển cây trồng và nâng cao tính chống chịu với các điều kiện bất lợi. Cơ chế của vi khuẩn vùng rễ kích thích sinh trưởng ở cây trồng (PGPR) được hiểu thông qua ảnh hưởng gián tiếp bởi việc cân bằng hệ vi sinh vật tại vùng rễ. Ngoài ra, PGPR có khả năng sản xuất các đại thực bào chứa sắt, chất kháng sinh, chất hydrogen cyanide có khả năng ức chế loài gây bệnh thực vật và vi sinh vật gây bệnh tại vùng rễ cây trồng thông qua cơ chế tạo tính kháng hệ thống (ISR) truyền tải khả năng kích kháng cho các bộ phận
thực vật, đồng thời sản xuất các hormon kích thích sự phát triển cây trồng (Walters et al., 2014).
Cơ chế tạo tính kháng từ ISR (Induced systemin resistance) tương tự như tạo tính kháng từ SAR (systemic acquired resistance). Tuy nhiên, ISR không yêu cầu sự có mặt của salicilic acid (SA) so với SAR, nhưng yêu cầu sự có mặt của jasmonic acid (JA) và ethylene (ET). Có chế tạo tính kháng SAR được hiểu tương tự như ISR, tuy nhiên SAR thể hiện tính kháng sẵn có trong loài thực vật và được kích hoạt khi có mặt của vi sinh vật gây bệnh. Bản thân trong thực vật này có protein để nhận ra loài gây bệnh khi bị tấn công thông qua có chế nhiễm bệnh trước đó. Khi đó, cơ chế SAR được tạo tại nơi mô thực vật bị tổn thương để chống lại tác nhân gây bệnh. Như vậy PGPR có khả năng ức chế loài gây bệnh khi được tăng cường trong vùng rễ được hiểu thông qua cơ chế bí mật sản xuất cacboxylic acid và sự axit hóa tại vùng rễ cây trồng và thay đổi cấu trúc cộng đồng vi sinh vật. Bên cạnh các dòng Trichoderma sp. có khả năng vừa tạo tính kháng ISR và sản xuất hormon thúc đẩy sự phát triển cây trồng thì một số loài vi sinh vật khác như Pseudomonas sp., Penicillum simplicissimum, Arabidopsis thaliana gây ra cơ chế tạo tính kháng, đồng thời thúc đẩy sự phát triển cây trồng (Walters et al., 2014).
Cạnh tranh dinh dưỡng và nơi sinh sống: Cạnh tranh dinh dưỡng và nơi ở đối với vi sinh vật gây bệnh: đây được xem là cơ chế cổ điển trong quản lý sinh học để ảnh hưởng gián tiếp đến vi sinh vật gây bệnh. Do đó, cơ chế quản lý này rất khó xác định được dòng vi sinh vật cạnh tranh có khả năng tiết enzyme, chất kháng để chống lại vi sinh vật gây bệnh (Lorito et al., 1993). Tuy nhiên, nhiều kết quả nghiên cứu chứng minh vai trò của cạnh tranh dinh dưỡng trong ức chế vi sinh vật (Lo, 1998). Một nghiên cứu cho thấy cạnh tranh dưỡng chất sắt trong môi trường đất kiềm đã giới hạn sự phát triển của vi sinh vật. Vi khuẩn Pseudomanoas flourescent được nghiên cứu cho thấy có khả năng tiết ra chất kết tủa ion (siderophore) có tính ái lực rất cao với sắt, từ đó cạnh tranh nguồn sắt trong môi trường để cạnh tranh dinh dưỡng với các vi sinh vật khác (Lo, 1998). Ngoài ra, dòng nấm Trichoderma sp. cũng có khả năng tiết enzyme làm kết tủa ion Fe và hấp thu các ion Fe kết tủa này (gọi là sideropores). Việc hấp thu này dẫn đến cạnh trạnh lượng Fe có trong đất giữa vi sinh vật đối kháng với vi sinh vật gây bệnh. Loài Trichoderma virens có khả năng sản xuất ba loại siderophores: a moonohydroxymate; a dipeptide of trans-fusarinine; a trimer disdespipeptide có khả năng cạnh tranh dinh dưỡng loài gây bệnh (Lorito et al., 1993).
2.4.2.2 Vai trò của nhóm vi sinh vật phân hủy lignocellulose (Trichoderma sp. và Gongronella butleri trong ức chế vi sinh vật gây bệnh trong đất
Một số loài nấm sợi có khả năng quản lý sinh học trong ức chế sự phát triển và sống sót của các loài nấm gây bệnh thực vật (Chet and Inbar, 1997).
Các nấm gây bệnh thực vật có cấu tạo tế bào chính yếu bởi chitin và β-1,3- glucan mà chứa đựng cellulose trong vách tế bào (Arya and Perelloó, 2010; Lo, 1998). Cơ chế của các loài nấm sợi sử dụng enzyem ngoại bào phả hủy cellulose, hemicellulose, lignin để nhận ra các loài nấm gây bệnh, chúng bao quanh và phá hủy vách tế bào của loài gây bệnh bởi các enzyme β-1,3- Glucanase, chitinase, protease (Verma et al., 2007). Hoạt động của enzyme cellulase và chitinase càng tăng dẫn đến nâng cao khả năng quản lý sinh học trong việc ức chế vi sinh vật gây bệnh (Sindhu and Dadarwal, 2001). Nhiều loài nấm sợi Trichoderma sp. được nghiên cứu có sản xuất các enzyme ngoại bào (chitinase) trong quản lý sinh học loài gây bệnh (Benítez et al., 2004). Một số loài Trichoderma sp. điển hình có vai trò quản lý sinh học sản xuất enzyme chitinase vai trò trong phá hủy vách tế bào có chứa thành phần chitin như Trichoderma reesei, Trichoderma virens, Trichoderma harzianum, Trichoderma atroviride, Trichoderma aureoviride (Rai and Bridge, 2009).
Enzyme chitinase là enzyme phả hủy chitin của vách tế bào, vai trò trong thủy phân liên kết β-(1,4) của chitin. Enzyme chitinase được phân chia thành hai nhóm chính: enzyme endochitinase và exochitinase (Graham and Sticklen, 1994; Phạm Thị Lịch và Trần Thanh Thủy, 2013). Tùy theo loài vi sinh vật mà mỗi loài sản xuất lượng và loại enzyme chitinase khác nhau. Loài nấm Trichoderma harzianum có thể sản xuất bảy loại enzyme chitinase khác nhau (Rai and Bridge, 2009). Trong đó, enzyme chitinase của CHIT33, CHIT37, CHIT42 được sản xuất từ loài nấm Trichoderma harzianum có chức năng phá hủy vách tế bào và sử dụng dinh dưỡng của loài nấm khác (Chet and Inbar, 1997; Elad and Kapat, 1999; Rai and Bridge, 2009). Sự hiệp lực của các enzyme này cũng được chứng minh tăng khả năng ức chế các loài nấm khác. Ngoài ra, enzyme chitinase được sản xuất từ loài nấm
Trichoderma sp. cho thấy nhiều hiệu quả hơn trong việc ức chế các loài nấm khác tốt hơn enzyme chitinase được sản xuất từ thực vật và các loài vi sinh vật khác (Lorito et al., 1993).
Các loài nấm Trichoderma sp. cũng được nghiên cứu sản xuất enzyme protease, vai trò trong phá hủy thành phần protein trong vách tế bào và bất hoạt enyme của các loài nấm gây bệnh (Elad and Kapat, 1999). Enzyme protease được sản xuất từ dòng nấm Trichoderma sp. đóng vào trò rất quan trọng trong quản lý sinh học các loài nấm gây bệnh trong đất. Tuy nhiên, độ hoạt động hiệu của enzyme protease ở nhiệt độ tương đối cao từ 37 oC - 40oC và ở ngưỡng pH trung tính đến kiềm, pH 7-10 (Roberto et al., 2005; Uchikoba
et al., 2001).
Ngoài ra, chitin và cellulose có cấu trúc gần giống nhau. Chitin có nhóm acetamide (-NHCOCH3) ở vị trí C2. Tương tự, chitosan có cấu trúc giống chitin (Hình 2.7). Chitosan cũng là một hợp chất cao phân tử dạng mạch
thẳng, có liên kết 1,4-β-2-amino-2-deoxy-D-glucopyranose bị deacaetyl hóa từ chitin (Dutta et al., 2004). Chitosan cũng được sản xuất bởi hoạt động của enzye chitinase. Sự tham gia phản ứng của chitosan linh động hơn cellulose bởi nhóm -NH2 của chitosan. Chitosan đóng vai trò trong phân hủy sinh học và là tác nhân đối kháng với vi sinh vật gây bệnh, tạo hàng rào tự bảo vệ cho cây trồng (Herrera-Eetrella and Chet, 1999; Kaur et al., 2012). Hệ sợi nấm của nhiều loài nấm như Trichoderma reesei, Gongronella butleri, Aspegillus niger, Rhizopus oryzae là nguồn sản xuất chitin và chitosan.
Cơ chế gây ra hàng rào tự bảo vệ cây trồng đối với nấm gây bệnh là sản xuất nhiều enzyme thủy phân khác nhau như chintinase, glucanase, pectinase và sự tổng hợp phytoalexins được xuất phát từ sản xuất chitosan. Trong đó, nghiên cứu cho rằng sự có mặt của chitosan dẫn đến nâng cao sản xuất enzyme phenylpropanoid. Enzyme phenylpropanoid được xem là tiền thân của quá trình biến dưỡng thứ cấp (phytoalexins, ligin, flavonoids) đóng vai trò quan trọng trong tác động của loài gây bệnh và cây trồng (El-Hadrami et al., 2010). Đặc biệt enzyme phytoalexins đóng vai trò quan trọng trong cơ chế bảo vệ cây trồng chống lại côn trùng và vi sinh vật gây bệnh (Ahuja et al., 2012;