CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN
1.2. TỔNG QUAN VỀ VI KHUẨN Bacillus subtilis
1.2.2. Vai trị PGPR trong kích thích sinh trƣởng thực vật
Các nghiên cứu về vi khuẩn PGPR tập trung nhiều vào vai trò tăng khả năng chống chịu với điều kiện mơi trƣờng khắc nghiệt của nhóm vi khuẩn PGPR. Chaiharn và Lumyong đã phân lập đƣợc tổng cộng có 216 phân lập vi khuẩn hòa tan phosphate đƣợc phân lập từ đất trồng lúa khác nhau ở miền Bắc Thái Lan [18]. Những chủng này đƣợc sàng lọc invitro cho các hoạt động thúc đẩy tăng trƣởng thực vật của chúng nhƣ hòa tan phosphate vô cơ, amoniac (NH3), catalase và hoạt động enzyme làm thối hóa tế bào. Kết quả cho thấy 100% phosphate hịa tan vơ cơ, 77,77% sản xuất NH3 và hầu hết các chủng phân lập đều dƣơng tính với catalase. Ngồi ra, một số chủng cũng sản
sinh ra các enzim làm thối hóa tế bào nhƣ protease (7%), chitinase (1%), cellulase (3%) và β-glucanase. Các chủng phân lập có thể biểu hiện nhiều hơn hai hoặc ba đặc tính thúc đẩy tăng trƣởng thực vật (PGP), có thể thúc đẩy tăng trƣởng thực vật trực tiếp hoặc gián tiếp. Đặc biệt, nghiên cứu còn cho thấy, chủng Acinetobacter CR 1.8. có thể phát triển ở nồng độ muối lên tới 25%.
Gần đây, nghiên cứu hoạt động của hỗn hợp vi khuẩn nội sinh
Pseudomonas pseudoalcaligenes) và vi khuẩn vùng rễ (Bacillus pumilus) trên Oryza sativa L. với cũng cho thấy phản ứng tốt trong việc chống lại các tác động bất lợi của độ mặn [19].
Một nghiên cứu khác cũng cho thấy vai trò tƣơng tự của PGPR. Nghiên cứu này đánh giá ảnh hƣởng của khả năng chịu mặn của vi khuẩn
Bacillus amyloliquefaciens NBRISN13 (SN13) trên cây lúa trong điều kiện
thủy canh và đất bị nhiễm mặn. SN13 tăng khả năng sinh trƣởng của thực vật và khả năng chịu mặn (NaCl 200 mM) [20].
(1) Biofertilizer (cố định đạm, sản sinh siderophore và hịa tan P trong đất);
(2) Kiểm sốt sinh học đối với các tác nhân gây bệnh cây trồng (đối kháng ức chế các tác nhân gây bệnh, sản sinh enzyme lytic và cơ chế kích kháng trên cây trồng).
- Sử dụng phân bón vi sinh đa chức năng với các vi khuẩn Plant Growth-Promoting Rhizobacteria (PGPR) có khả năng tăng dinh dƣỡng và chức năng tự nhiên vốn có của đất trồng giúp tiết kiệm phân bón vơ cơ và tăng sức đề kháng tự nhiên của cây trồng dẫn tới giảm lƣợng thuốc BVTV sử dụng đối với cây trồng.
- Vi khuẩn nội ký sinh thực vật (Endophytic bacteria) đƣợc tìm thấy trong hầu hết ở các lồi thực vật, chúng cƣ trú ở trong nội mô của thực vật ký chủ và giữa chúng hình thành một loạt các mối quan hệ khác nhau nhƣ cộng sinh tƣơng hỗ, công sinh dinh dƣỡng, hội sinh. Endophytic bacteria khi kết hợp chức năng PGPR sẽ thúc đẩy thực vật tăng trƣởng, tăng năng suất và đóng vai trị là một tác nhân điều hòa sinh học. Endophytic PGPR bacteria sản xuất hàng loạt các sản phẩm tự nhiên có lợi cho thực vật ký chủ mà ta có thể khai thác những tác nhân đó để ứng dụng trong y học, nơng nghiệp hay cơng nghiệp. Ngồi ra nó cịn có tiểm năng loại bỏ các chất gây ơ nhiễm trong đất bằng cách tăng cƣờng khả năng khử độc đồng thời có khả năng sản xuất sinh khối và nhiên liệu sinh học.
Hình 1.7. Hạt nano Titanium-Bis-Ammonium-Lactato-
Dihydrohyde (TiBALDH) [23] (A); hạt nano CaptiGel trong dung môi hữu cơ
(B); hạt nano CaptiGel trong nƣớc
(C); sự hình thành bề mặt phức của hạt nano Ti với các phospholipids
(D); phƣơng trình phản ứng trên bền mặt hạt nano Ti và các phospholipids (E); sự hình thành những tập hợp vi khuẩn Bacillus spp từ sự kích ứng của hạt nano Ti (F).
Bộ: Eubacteriales Họ: Bacillaceae Giống: Bacillus
Loài: Bacillus subtilis
1.2.3.2. Đặc điểm phân bố
B. subtilis là vi khuẩn thƣờng có mặt trong nƣớc, đất, khơng khí, xác
bã thực vật thối rữa và cả trong đƣờng tiêu hóa của ngƣời và động vật. B. subtilis hiện diện trong đất với một số lƣợng phổ biến là 106 – 107 CFU/g. Vi khuẩn này có khả năng sinh bào tử để có thể chịu đựng các điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt và những thay đổi bất lợi của môi trƣờng sống. Thơng thƣờng có khoảng 60% số lƣợng B. subtilis trong đất tồn tại ở trạng thái này [24].
1.2.3.3. Đặc điểm hình thái
B. subtilis là trực khuẩn nhỏ, hai đầu trịn, bắt màu tím Gram dƣơng,
kích thƣớc 0.5 – 0,8 µm x 1,5 – 3 µm, đứng đơn lẻ hay tạo thành chuỗi ngắn. Vi khuẩn có khả năng di động, có 8 – 12 chiên mao, sinh bào tử hình bầu dục nhỏ hơn tế bào vi khuẩn và nằm giữa tế bào. Bào tử B. subtilis phát triển bằng cách nảy chồi do sự nứt của vỏ, khơng kháng acid, có khả năng chịu nhiệt, chịu ẩm, tia tử ngoại, phóng xạ,… [25].
Hình dạng của vi khuẩn trên mơi trƣờng TSA (Trypcase Soya Agar) là khuẩn lạc dạng trịn, rìa răng cƣa khơng đều, đƣờng kính 3 – 5 mm, màu vàng xám, tâm sẫm màu. Sau 1- 4 ngày bề mặt nhăn nheo, màu hơi ngả nâu. Trên môi trƣờng canh TSB (Trypton Soya Broth), B. subtilis phát triển làm đục môi trƣờng, tạo màng nhăn, lắng cặn kết lại nhƣ vẩn mây ở đáy, khó tan khi lắc đều.
1.2.3.4. Đặc điểm sinh hóa [26]
1.2.3.5. Các chất kháng sinh do Bacillus subtilis tổng hợp
Subtilin
Subtilin có khả năng chịu nhiệt rất cao, khơng mất hoạt tính khi hấp autoclave ở pH 2, tác động của subtilin là ức chế sự phát triển của vi sinh vật bằng cách gắn với màng nguyên sinh chất bằng tƣơng tác giữa điện tử tự do sinh ra bởi sự dehydrate với các nhóm sulfhydyl trên màng nguyên sinh chất làm ảnh hƣởng đến hệ thống vận chuyển các chất có trọng lƣợng phân tử nhỏ và hệ thống trao đổi proton.
Subtilosin
Subtolosin là bacteriocin có tính kháng khuẩn mạnh đối với Listeria
monocytogenes và Bacillus cereus. Sublancin Sublancin không tác động với
vi khuẩn gram âm nhƣng có khả năng đối kháng mạnh với vi khuẩn gram dƣơng kể cả tế bào sinh dƣỡng lẫn bào tử. Sublancin là bacteriocin rất bền, bảo quản ở nhiệt độ thƣờng trong thời gian 2 năm khơng mất hoạt tính.
TasA
TasA có phổ kháng khuẩn rộng đƣợc tổng hợp và tiết vào môi trƣờng 30 phút sau khi quá trình tạo bào tử đƣợc bắt đầu, đồng thời TasA cũng đƣợc chuyển vào giữa lớp màng kép của tiền bào tử sau đó định vị trong lớp petidoglycan vách của lõi bào tử, TasA giúp cho Bacillus subtilis chiếm ƣu thế trong quá trình tạo bào tử và nảy mầm.
Surfactin
Surfactin có tính đối kháng mạnh với vi khuẩn, virut và kháng lại các tế bào ung thƣ nhƣng ít tác động đối với nấm. Tác động của surfactin làm ức chế các kênh chuyển ion trên lớp màng lipid kép đồng thời ức chế hoạt tính của một số enzyme.
Bacilysocin
Bacilysocin là kháng sinh có bản chất phospholipid có tính kháng khuẩn mạnh với nấm đƣợc phát hiện đầu tiên trên Bacillus subtilis.
1.2.3.6. Tính đối kháng của Bacillus subtilis
Với vi sinh vật gây bệnh
Hình thức đối kháng chủ yếu của Bacillus subtilis đối với vi sinh vật gây bệnh là cạnh tranh dinh dƣỡng và tiết kháng sinh. Tác dụng chủ yếu của kháng sinh đối với vi khuẩn có thể biểu hiện ở 3 hƣớng chủ yếu sau:
Làm ngừng tổng hợp thành (màng) tế bào hay làm tan màng tế bào
vi khuẩn và do đó phá hủy tính chất thẩm thấu của tế bào, các ion Mg2+, Na+, Ca2+ thốt ra ngồi, tế bào chết.
Ảnh hƣởng quá trình tổng hợp protein của vi khuẩn. Chất kháng sinh có thể phong bế q trình tổng hợp protein bằng cách ngăn cản ribosome tổng hợp chuỗi polypeptid hay đƣa đến tổng protein bất thƣờng.
Ảnh hƣởng đối với acid acetic cụ thể là phá hủy sự trao đổi của ADN và ARN bằng cách ức chế men RNA polymerase hay gắn vào các base làm đứt đoạn chuỗi xoắn kép ADN.
Thực tế khi ni cấy nấm bệnh có sự hiện diện của Bacillus subtilis với một số lƣợng lớn sẽ xảy ra cạnh tranh dinh dƣỡng, cạnh tranh không gian sinh sống giữa vi khuẩn và nấm. Do vi khuẩn phát triển nhanh hơn (trong 24 giờ) sẽ sử dụng phần lớn chất dinh dƣỡng trong môi trƣờng, đồng thời tạo ra một số loại kháng sinh nên sự sinh trƣởng của nấm bị ức chế.
Với đồng loại
Trong môi trƣờng dinh dƣỡng bị cạn kiệt, Bacillus subtilis đã tạo ra chất kháng sinh giết chết những tế bào vi khuẩn bên cạnh chƣa bắt đầu quá trình này nhằm tiêu thụ chất dinh dƣỡng giải phóng từ các tế bào này với mục đích kéo dài thời kỳ trƣớc khi tạo bào tử.
1.3. CÂY LÚA VÀ DƢA LƢỚI
1.3.1. Tổng quan về cây lúa
Đến nay, có nhiều giả thiết khác nhau về nguồn gốc của chi Lúa trên trái đất, nhƣng hầu hết đều thừa nhận rằng các loài lúa hoang dại đã xuất hiện từ thời tiền sử của trái đất (thời Gondwana). Theo công bố của Chang và cộng sự, O.sativa xuất hiện đầu tiên ở dãy Himalaya, Miến Điện, Lào, Việt Nam và Trung Quốc [27]. Từ các trung tâm trên lúa Indica phát tán đến lƣu vực sông Hồng Hà và sơng Dƣơng Tử rồi sang Nhật Bản, Triều Tiên và từ đó biến thành chủng Japonica. Lúa đƣợc hình thành ở Indonesia và là sản phẩm của quá trình chọn lọc từ Indica.
Ở Việt Nam, theo kết quả khảo sát nguồn gen cây lúa những năm gần đây tìm thấy các lồi lúa dại mọc nhiều ở vùng Tây Bắc, Nam Trung bộ, đồng bằng sông Cửu Long, Tây Nguyên là các loài O.granulata, O.nivara,
O.ridleyi, O.rufipogon. Với điều kiện khí hậu nhiệt đới, Việt Nam cũng có thể
là cái nơi hình thành cây lúa nƣớc. Từ lâu, cây lúa đã trở thành cây lƣơng thực chủ yếu có ý nghĩa quan trọng trong nền kinh tế và xã hội của nƣớc ta.
Lúa trồng hiện nay có nguồn gốc từ lúa dại. Việc xác định trực tiếp tổ tiên của cây lúa trồng ở Châu Á (Oryza sativa) vẫn còn nhiều ý kiến khác nhau. Một số tác giả nhƣ Đinh Dĩnh, Bùi Huy Đáp, Đinh Văn Lữ,… cho rằng: Oryza fatua là loài lúa dại gần nhất và đƣợc coi là tổ tiên của lúa trồng hiện nay.
Phân loại cây lúa
Viện Nghiên cứu lúa Quốc tế (IRRI) trƣớc đây đã nghiên cứu và xếp lúa trồng ở châu Á (Oryza sativa) thuộc họ hòa thảo (graminae), có bộ nhiễm sắc thể 2n = 24. Theo Trần Văn Đạt, Kato là ngƣời đầu tiên xây dựng các luận cứ khoa học về phân loại dƣới loài của lúa trồng châu Á dựa trên các đặc điểm hình thái [28]. Tùy theo các đặc điểm và tiêu chí khác nhau mà các nhà khoa học phân loại cây lúa theo các quan điểm khác nhau, phân loại cây lúa nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng nguồn gen để phục vụ cho mục tiêu chọn tạo giống cây trồng. Nhiều tƣ liệu đƣa ra cơ sở tiến hóa của các loài lúa trồng hiện nay, tuy nhiên theo. Khush, sự tiến hóa của hai loại lúa trồng phổ biến hiện nay trên thế giới đƣợc thể hiện trong sơ đồ, nhƣ sau [29]
Đặc điểm hình thái
Cây lúa có chiều cao từ 1,0 - 1,8 m, với các lá mỏng, hẹp khoảng 2 - 2,5 cm và dài 50 – 100 cm. Tuỳ thời kì sinh trƣởng, phát triển mà lá lúa có màu khác nhau. Khi lúa chín ngả sang màu vàng. Các hoa nhỏ tự thụ phấn mọc thành các cụm hoa phân nhánh cong hay rủ xuống, dài 35 – 50 cm.
Đặc điểm sinh trưởng
Thời gian sinh trƣởng của cây lúa: Tính từ lúc hạt lúa nẩy mầm đến lúc thu hoạch (dao động khoảng 90 - 180 ngày đối với các giống lúa hiện trồng).
Thời gian sinh trƣởng ruộng lúa cấy = Thời gian ruộng mạ + Thời gian ruộng cấy.
Thời gian sinh trƣởng ruộng lúa gieo thẳng = Thời gian lúc thu hoạch - lúc gieo hạt
Nếu tính theo thời kỳ sinh trƣởng thì cây lúa có 3 thời kỳ sinh trƣởng chính:
-Thời kỳ sinh trƣởng sinh dƣỡng: tính từ lúc hạt thóc nảy mầm đến khi bắt đầu vào giai đoạn phân hố hoa lúa (trên thực tế ngƣời ta tính từ khi gieo mạ, cấy lúa, cây lúa đẻ nhánh tới số nhánh tối đa).
-Thời kỳ sinh trƣởng sinh thực: tính từ lúc bắt đầu phân hoá hoa lúa đến khi lúa trỗ bông và thụ tinh (bao gồm từ: làm địng - phân hố địng, đến trỗ bơng - bơng lúa thốt khỏi lá đòng, nở hoa, tung phấn, thụ tinh.
-Thời kỳ chín: sau khi thụ tinh, bơng lúa bƣớc vào kỳ chín, kết thúc thời kỳ này là bơng lúa chín hồn tồn, sau đó tiến hành thu hoạch hạt thóc.
Phân loại theo quan điểm canh tác học
Q trình thuần hóa và thích nghi với điều kiện sống và điều kiện canh tác khác nhau, cây lúa trồng đƣợc phân thành các nhóm:
Lúa có tƣới: Lúa đƣợc trồng trên những cánh đồng có cơng trình thủy lợi, chủ động về nƣớc tƣới trong suốt thời gian sinh trƣởng, phát triển.
Lúa nƣớc sâu: Lúa đƣợc trồng trên những cánh đồng thấp, khơng có khả năng rút nƣớc sau mƣa hoặc lũ. Tuy nhiên, nƣớc không ngập quá 10 ngày và nƣớc không cao quá 50 cm.
Lúa nổi: Lúa đƣợc gieo trồng trƣớc mùa mƣa; khi mƣa lớn, cây lúa đã đẻ nhánh; khi nƣớc lên cao cây lúa vƣơn khỏi mặt nƣớc khoảng 10 cm/ngày để ngoi theo. Ở Việt Nam tồn tại cả 4 nhóm lúa nhƣ nêu trên.
Lúa cạn: Lúa đƣợc trồng trên đất cao, khơng có khả năng giữ nƣớc, cây lúa sống hoàn toàn nhờ nƣớc trời trong suốt quá trình sinh trƣởng, phát triển. Theo Nguyễn Văn Hoan, cho đến nay phân loại lúa theo hệ thống phân loại học thực vật của loài lúa trồng Oryza sativa L. đã đạt đƣợc sự thống nhất [30].
Theo nhiều tài liệu nghiên cứu: loài Oryza sativa L. gồm 3 loại phụ, 8 nhóm biến chủng và 284 biến chủng. Theo cấu tạo của tinh bột còn phân biệt lúa nếp (glutinosa) và lúa tẻ (utilissma). Tuy nhiên theo định luật về dãy biến dị tƣơng đồng của Vavilov. N. I thì cây lúa vẫn tiếp tục tiến hóa và nhiều biến chủng mới vẫn tiếp tục xuất hiện. Vì vậy, các nhà khoa học đang tiếp tục nghiên cứu, tập hợp và bổ sung thêm cho hệ thống phân loại này.
Phân loại theo điều kiện sinh thái
Lúa trồng thành hai nhóm lớn là Japonica (lúa cánh) và Indica (lúa tiên). Lúa tiên thƣờng phân bố ở vĩ độ thấp nhƣ: Trung Quốc, Ấn Độ, Việt Nam, Indonesia... là loại hình cây to, lá nhỏ xanh nhạt, bơng xịe, hạt dài, vỏ trấu mỏng, cơm khô nở nhiều, chịu phân kém, dễ lốp đổ nên có năng suất thấp. Lúa cánh thƣờng phân bố ở vĩ độ cao, nhƣ: Nhật Bản, Triều Tiên, Bắc Trung Quốc, châu Âu... là loại hình cây có lá to, xanh đậm, bơng chụm, hạt ngắn, vỏ trấu dày, cơm thƣờng dẻo, ít nở, thích nghi với điều kiện thâm canh, chịu phân tốt, thƣờng thu hoạch cho năng suất cao.
Phân loại theo địa lý
Theo Nguyễn Văn Hoan, phân chia lúa trồng thành các nhóm sinh thái địa lý, nhƣ sau [30]:
Nhóm Đơng Á: Bao gồm Triền Tiên, Nhật Bản, phía Bắc Trung Quốc. Đặc trƣng của nhóm là chịu lạnh rất tốt và hạt khó rụng.
Nhóm Trung Á: Bao gồm các nƣớc Trung Á. Đặc điểm nổi bật của lúa vùng này là hạt to, khối lƣợng 1000 hạt đạt trên 32 gam, chịu lạnh và chịu
Nhóm Nam Á: Bắt đầu từ Pakistan sang vùng bờ biển phía Nam Trung Quốc đến Bắc Việt Nam. Đặc điểm nổi bật của nhóm sinh thái địa lý này là chịu lạnh kém, phần lớn có hạt dài và nhỏ.
Nhóm Philippin: Nhóm lúa điển hình nhiệt đới khơng chịu lạnh. Tồn bộ vùng Đơng Nam Á, miền Nam Việt Nam nằm trong nhóm này.
Nhóm châu Âu: Bao gồm các nƣớc trồng lúa ở châu Âu nhƣ: Nga, Italia, Bungaria.... Đây là nhóm sinh thái với các loại hình japonica chịu lạnh, hạt to, cơm dẻo, chịu nóng kém.
Nhóm châu Phi: Nhóm lúa trồng thuộc loại Oryza glaberrima. Nhóm châu Mỹ La Tinh: Gồm các nƣớc Trung Mỹ và Nam Mỹ. Nhóm lúa cao cây, thân to, hạt gạo lớn, gạo trong và dài, chịu ngập và chống đổ tốt.
1.3.2. Tổng quan về cây dƣa lƣới
Dƣa lƣới (Cucumis melo L.) thuộc họ Bầu bí (Cucurbitaceae) là rau ăn quả có thời gian sinh trƣởng ngắn (85 - 90 ngày, tùy từng thời vụ và giống cây trồng), trồng đƣợc nhiều vụ trong năm với năng suất khá cao.
Hình 1.9. Cây dƣa lƣới trồng trong nhà kính