3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.2.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng nấm ký sinh côn trùng trên thế giới
* Nghiên cứu về thành phần, phân loại nấm ký sinh côn trùng
Nấm ký sinh côn trùng là một nhóm đặc biệt trong giới nấm, được phát hiện cách đây hơn 150 năm và hiện nay có khoảng hơn 700 loài đã được xác định và mô tả Nấm ký sinh côn trùng có mặt ở cả 4 lớp: Nấm bậc thấp Phycomycetes, nấm túi Ascomycetes, nấm đảm Basidiomycetes và nấm bất toàn Deuteromycetes. Nấm ký sinh côn trùng thuộc lớp nấm bậc thấp Phycomycetes tập trung ở 3 bộ Chytridiales, Blastocladiales và Entomophthorales, bào tử của chúng phát tán mạnh trong tự nhiên. Lớp nấm túi Ascomycetes gồm bộ Laboulbeniales ngoại ký sinh côn trùng và bộ Hypocreales gồm những giống quan trọng như Cordyceps, Aschersonia. Lớp nấm đảm Basidiomycetes tập trung nhiều ở hai chi Septobasidium và Uredinell. Các nấm ký sinh côn trùng thuộc lớp nấm bất toàn Deuteromycetes phần lớn nằm trong bộ Moniliales gồm các chi: Beauveria, Metarhizium, Paecilomycetes, Cephalosporium, Verticillium, Aspergillus, Penicillium, Sorosporella. Những giống nấm này đã được nhiều nước trên thế giới nghiên cứu và ứng dụng, chúng thường tạo thành hệ sợi dày trên bề mặt của ký chủ; bào tử hình thành trên bề mặt hệ sợi và không phát tán mạnh (Roberts, 1989; Shah và Goettel, 2009).
Nấm gây bệnh cho côn trùng là một tác nhân sinh học quan trọng trong việc khống chế côn trùng gây hại. Phát hiện về nấm bệnh trên côn trùng ra đời cùng với sự xuất hiện khoa học nghiên cứu về bệnh côn trùng, từ đầu thế kỷ 18 đã có những ghi nhận đầu tiên về bệnh nấm côn trùng (Balisneri,1709). Người ta còn thấy nấm là vi sinh vật đầu tiên được chứng minh về khả năng lan truyền từ ký chủ này sang ký chủ khác. Vào năm 1815, Agostino Bassi đã mô tả tỉ mỷ về bệnh nấm trắng Muscardin trên tằm dâu. Sau Bassi, ngày càng xuất hiện nhiều công trình nghiên cứu về sử dụng nấm trên côn trùng. Theo Oduen (1837), nấm trắng Muscardin không chỉ gây bệnh cho tằm mà còn lây bệnh cho các côn trùng khác. Luis Pasteur (1885-1890) đã phát hiện tằm bị bệnh tằm vôi do nấm trắng Muscardin sau này định danh lại là
Beauveria gây ra (Phạm Thị Thùy, 2004; Phạm Văn Nhạ, 2013).
Chi nấm Beauveria thường gọi tên là nấm bạch cương hoặc nấm trắng vì nấm có màu trắng nên. Nhiều nước như Liên xô cũ, Anh và Mỹ ... đã sản xuất thành công chế phẩm nấm Beauveria với tên thương mại là Beauverin dựa vào độc tố. Trong chi này có 3 loài nấm chính có khả năng diệt côn trùng, đó là: B. bassiana, B. tenella, B. brongniartii. Trong 3 loài nấm trên thì loài B. bassiana chiếm 85-90 % tỷ lệ ký sinh trên côn trùng hại cây trồng, vì thế nhiều nơi chỉ nghiên cứu nấm B. bassiana
Nấm B. bassiana sinh ra những bào tử đơn bào, không màu, hình cầu hoặc hình trứng, đường kính từ 1 – 4 μm. Sợi nấm có đường nằm ngang, đường kính 3 – 5 μm, phát triển mạnh trên môi trường nhân tạo hoặc trên cơ thể côn trùng. Chúng mang nhiều giá sinh bào tử, phồng to ở phía dưới với kích thước 3 – 5 x 3 – 6 μm. Các giá của bào tử trần thường tạo thành các nhánh ở phần ngọn hoặc trực tiếp tạo thành nhánh của giá, phần ngọn của bào tử có dạng cuống ziczac không đều. Theo Hamill (1969) nấm này tiết độc tố diệt côn trùng có công thức nguyên là C45H57O9N3 được đặt tên là beauvericin, đây là một loại depxipeptit vòng có điểm sôi 93 – 940C. Trong tự nhiên khi bào tử nấm B. bassiana rơi vào cơ thể côn trùng gặp điều kiện thuận lợi chỉ sau 12 – 24 giờ thì bào tử nấm nảy mầm. Chúng hình thành sợi đâm xuyên qua lớp vỏ kitin sau đó phát triển bên trong cơ thể côn trùng, tiết độc tố làm phá hủy ngay cả tế bào bạch huyết, gây chết cho sâu; sợi nấm phát triển rất nhiều trong cơ thể côn trùng sau đó chui ra ngoài tạo nên một lớp bào tử phủ trên thân sâu (Charnley, 2003; Nguyễn Văn Đĩnh, 2004; Thungrabeab, 2007).
Ở Bắc Mỹ, các nhà khoa học đã phát hiện ra 175 loài côn trùng bị nấm B. bassiana ký sinh, các nhà khoa học ở Liên Xô cũng đã tìm thấy khoảng 60 loài côn trùng hại cây trồng bị nấm B. bassiana ký sinh. Nhiều nhà khoa học trên thế giới đã đưa ra danh sách các loại côn trùng dễ mẫn cảm với nấm bạch cương B. bassiana, đó là: Aporia crataegi, Aradua cinnamomeus, Arancina sp., Balaninus glandium, Bembidion
sp., Blissus leucopterus, Bothynoderes punctiventris, Byctiscus sp., Cacoccia crataegana, Carpocapsa pomonella, Chrysomela sp., Chysopa vulgaris Ciouss sp., Cleonus sp.,
Coccinella septempunetala, Cossus cossus, Crambus bonifatellus, Cyplocephanus sp.,
Eurydema sp., Eurygaster intercriceps, Galerucinae rufa, Gnorimoschema ocellatellum, Grapholita glytiniporella, Hoplia sp., Ipidae sp., Ixades ricinus, Lama sp., Laspeyresia
sp., Leptinotasa decemlineata, Lethrus aplerus, Melasoma tremulae, Melolontha sp.,
Neodirpion serlifer, Notodonta anceps, Nygmia phaeorhoea, Ophonus sp., Otiorrhynchus
sp., Phyllobius sp., Phyllotrela sp., Pyrausta nubilalis, Pyrhocoris apterus, Rhizotrogus
sp., Scolytus scolytus, Staphulynus sp., Staruopus fogi, Tachina sp., Tetranychus urticae, Zeuzera pyrina ... (Ferron, 1978; Hajek, 1994).
Năm 1954, Macleod phân nấm Bạch cương thành 2 loài chính là B. bassiana
và B. tenella. Năm 1975, Hook công bố hai loài nấm bạch cương không có tác dụng phòng trừ sâu là B. alba và B. vermiconi. Sau đó Carmichae (1980) và Samson (1982) công bố thêm ba loài mới là B. felina, B. velata và B. amorpha (Samson, 1982; Trần Văn Mão, 2002).
Năm 1878, tác giả Metschnikov đã phát hiện và phân lập được nấm xanh
Entomophthora anisopliae trên sâu non bọ cánh cứng hại lúa mỳ (Anisopliae austrinia), về sau này ông đổi tên là Metarhizium anisopliae. Tác giả đã nghiên cứu môi trường nhân nuôi nấm trên, rồi thử lại bằng cách sử dụng bào tử nấm thuần khiết
gây bệnh trên ấu trùng, dạng trưởng thành của sâu non bọ đầu dài hại củ cải đường (Bothinoderes punctiventris) và nhận thấy có hiệu quả. Sau đó, Metschnikov cùng với Isac Craxinstic tiến hành sản xuất bào tử nấm M. anisopliae dạng thuần khiết rồi trộn với chất bột nền và đưa ra đồng ruộng để diệt sâu non và trưởng thành bọ đầu dài hại củ cải đường (Bothinoderes punctiventris), các tác giả xác nhận hiệu quả của nấm đạt được 55- 80% sau 10-14 ngày thử nghiệm (Nguyễn Lân Dũng, 1981; Phạm Thị Thùy, 2004). Nấm M. anisopliae cũng giống với nấm B. bassiana, chúng nằm trong nhóm nấm bất toàn Deuteromycetes và loài nấm này có bào tử phát triển mạnh trên môi trường thạch, có màu xanh tối với kích thước từ 5 - 8 µm lúc đầu màu trắng hơi vàng, sau chuyển dần sang màu xanh lục, nên gọi là nấm lục cương hay nấm xanh. Các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu đã xác định chi nấm Metarhizium có 2 loài nấm chính gây bệnh trên côn trùng, đó là:
- Metarizhium anisopliae ký sinh chủ yếu trên bộ cánh bằng Isoptera (mối), bộ cánh thẳng Orthoptera (cào cào, châu chấu), bộ cánh cứng Coleoptera (bọ hại dừa, bọ hung hại mía), bộ cánh nửa Hemiptera (bọ xít), bộ cánh đều Homoptera (rầy nâu hại lúa) và bộ cánh vẩy Lepidoptera (sâu non các loại thuộc họ ngài đêm, tằm dâu) …
- Metarhizium flavoviride ký sinh chủ yếu trên các pha côn trùng bộ cánh thẳng Orthoptera (cào cào, châu chấu), bọ cánh cứng Coleoptera, một số sâu non bộ cánh vẩy Lepidoptera …
Chi nấm Metarhizium có sợi nấm và bào tử lúc đầu có màu trắng rồi chuyển sang màu xanh, cuống sinh bào tử ngắn. Nấm M. flavoviride có bào tử trần hình oval hay hình trứng. Nấm M. anisopliae bào tử hình cổ chai hay hình trụ, hình hạt đỗ. Kích thước bào tử khoảng 3,5- 6,4 µm, bào tử có màu lục xám đến màu xanh oliu, chúng thường đứng riêng rẽ hoặc có thể xếp thành chuỗi Y. Kodairo (1961 - 1962) đã tách được 2 chất độc của nấm này là destruxin A có công thức nguyên C29H47O7N5, điểm sôi 1880C và destruxin B công thức nguyên là C30H51O7N5 có điểm sôi 2340C (Zimmermann, 1993; Minler, 1998a, 1998b; Meyling, 2007).
Năm 1981, Liang đã phân lập được các loài Paecilomyces cateniobliquus, Paecilomyces cateniannulatus, Paecilomyces tenuipes, Paecilomyces farinosus. Chi nấm Paecilomyces do Bainier mô tả năm 1907, sau đó được nhiều tác giả chấp nhận chi mới này và bổ sung nhiều loài mới. Chuyên luận về chi nấm này của Samson (1974) chấp nhận 16 loài đã mô tả đồng thời tổ hợp mới 9 loài và đề nghị thêm 9 loài mới, tất cả được tập hợp trong hai nhóm loài. Nhóm loài thứ nhất là nhóm loài
Paecilomyces có giai đoạn bào tử túi, chịu nhiệt và ưa nhiệt, có khuẩn lạc màu nâu vàng hoặc các màu nâu khác. Nhóm loài thứ hai là nhóm loài Isarioides gồm các loài không có giai đoạn bào tử túi, ưa nhiệt ôn hoà và có khuẩn lạc màu tím hồng, màu lục
và màu vàng. Nhiều loài trong nhóm thứ hai này ký sinh gây bệnh côn trùng (Samson, 1974, 1982, 2004; Liang và cs, 2005).
Đến năm 2004, dựa trên các kỹ thuật phương tiện phân loại hiện đại các loài trong chi Paecilomyces được Samson hệ thống lại với 26 loài (Samson, 2004). Năm 2005 nhóm tác giả Liang và cộng sự đã tiến hành điều tra và thu thập các nguồn nấm
Paecilomyces tại Trung Quốc. Kết quả điều tra thu thập đã phát hiện ra một số loài mới như Paecilomyces cylindricosporus, Paecilomyces gunnii… Các loài này được thu thập từ đất và xác côn trùng bị nấm ký sinh tại các vùng núi cao của tỉnh Hồ Bắc. Cùng với các loài đã được ghi nhận trước đó, nhóm tác giả đã xây dựng khóa định loại của 28 loài trong chi Paecilomyces thu thập tại Trung Quốc (Samson, 1974, 1982, 2004; Liang và cs, 2005).
Theo mô tả của tác giả Samson (1974, 2004), chi Paecilomyces đặc trưng bởi những đặc điểm sau: Khuẩn lạc màu trắng, lục, tím nhạt, vàng hoặc vàng nâu. Giá bào tử trần đơn độc hoặc thành bó giá, phân nhánh không đều hoặc thành vòng. Nhánh mang ở đỉnh mọc thành vòng. Thể bình đôi khi đơn độc trên các sợi nấm không phân hoá. Thể bình gồm phần gốc hình trụ hoặc hình gần trứng và phần ngọn thon nhỏ, dài hẹp. Bào tử trần không ngăn vách, không màu hoặc màu nhạt, nhẵn hoặc có gai, thành chuỗi gốc non. Các chuỗi bào tử trần tách xa nhau, ít khi tụ hợp thành khối. Hai chi lân cận nhất với chi Paecilomyces về đặc điểm hình thái là Acremonium và Penicillium. Chi Acremonium phân biệt với chi Paecilomyces bởi các thể bình thường đơn độc trên sợi nấm không phân hoá hoặc trên các giá bào tử trần ngắn và bởi các thể bình hình bình. Chi Penicillium phân biệt với chi Paecilomyces bởi các thể bình hình bình, cũng có phần ngọn hẹp nhưng không dài như của Paecilomyces và không có bào tử áo ở các loài thuộc chi Penicilium. Các loài nấm ký sinh côn trùng trong chi nấm Paecilomyces được sử dụng rộng rãi trong phòng trừ sinh học đó là đó là P. fumosoroseus, P. farinosus, P. lilacinus, P. javanicus, P. amoeneroseus và P. tenuipes (Samson, 1974, 1982, 2004, Tigano-Milani , 1995a, 1995b; Peter và cs, 2005, 2006).
Theo sự mô tả đặc điểm các loài trong chi Paecilomyces của tác giả Samson (1974, 1982, 2004) thì có một số nhóm loài có hình thái rất giống nhau. Mặt khác khi nuôi cấy trên môi trường nhân tạo, nấm có một số thay đổi về mặt hình thái tuỳ thuộc vào những điều kiện và môi trường nuôi cấy khác nhau. Vì vậy để định danh các loài nấm này bằng hình thái là rất khó khăn, đôi khi mang tính chủ quan (Peter và Myrian, 2006). Do vậy đã có nhiều công trình nghiên cứu phân tích gen của các các loài nấm
Paecilomyces giống nhau về mặt hình thái (Tigano-Milani và cs, 1995a, 1995b; Cantone và Vandenberg, 1998). Đa số công trình nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật sinh học để giải trình tự của ARN ribosoma (rDNA) để xác định quan hệ di truyền của các loài nấm Paecilomyces spp..
Năm 1983, Riley phát hiện một loài nấm ký sinh côn trùng họ Ngài đêm ở Bắc Mỹ đặt tên là Botrytis rileyi và Spicaria rileyi. Ở châu Á cũng tìm ra nấm ký sinh trên sâu họ Ngài đêm là Botrytis prasina và Spicaria prasina. Năm 1903, Maublane cho rằng chúng không giống hai chi trên và đặt tên mới là Nomuraea. Ông chia hai loài trong chi này là N. rileyi có khuẩn lạc màu xanh, cuống bào tử mộc đơn, bào tử hình bầu dục dài hoặc hình ống và loài N. alypicota có cuống bào tử đa bào, có khuẩn lạc màu tím, bào tử hình ống hơi cong (Sung và cs, 2007).
Mặc dù cho đến nay, một số loài nấm ký sinh côn trùng được biết đến như là tác nhân gây bệnh và gây thiệt hại nghiêm trọng cho kỹ nghệ tằm tơ, nhưng cũng có rất nhiều loại nấm ký sinh côn trùng đã được ứng dụng trong Đông y, sản xuất thuốc trị bệnh và các chất bổ dưỡng cho cơ thể con người có giá trị rất cao như nấm Đông trùng - Hạ thảo. Dựa trên đặc điểm hình thái cũng như đặc điểm về cấu trúc phân tử, các loài nấm này bao gồm các chi chủ yếu là: Cordyceps, Elaphocordyceps, Metacordyceps và Ophiocordyceps. Chi nấm Cordyceps đã được thu mẫu và định loại trên 400 loài ở các vùng khác nhau trên toàn thế giới, trong đó loài nấm Cordyceps sinensis, Cordyceps militaris và một số loài khác được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn cả về phân loại, thành phần hóa học và giá trị dược liệu (Sung và cs, 2007).
* Nghiên cứu về ứng dụng nấm ký sinh côn trùng
Việc nghiên cứu ứng dụng nấm ký sinh côn trùng đã được tiến hành ở nhiều nước trên thế giới từ hơn 100 năm nay. Trong lĩnh vực bảo vệ thực vật, người ta đã dùng nấm ký sinh côn trùng để phòng trừ dịch hại do côn trùng gây ra đặc biệt là nhóm côn trùng thuộc bộ Lepidoptera và Coleoptera. Một loạt các công trình nghiên cứu sản xuất và ứng dụng chế phẩm sinh học từ các nguồn nấm kí sinh côn trùng. Các chế phẩm sinh học từ các nguồn nấm ký sinh có một vai trò quan trọng trong việc phòng chống sâu hại cây trồng, đồng thời bảo vệ môi trường và sức khỏe con người (Noris và cs, 2002).
Một số chủng nấm đã được ứng dụng để sản xuất các hoạt chất sinh học và enzym, và đặc biệt là dùng làm tác nhân kiểm soát sinh học, sản xuất thuốc trừ sâu sinh học diệt trừ các loài sâu bọ, côn trùng gây hại trong nông nghiệp và trong đời sống mà không gây ô nhiễm môi trường, giữ được cân bằng sinh thái. Nấm ký sinh xâm nhập vào côn trùng không qua đường miệng mà nhờ sự tiếp xúc qua da. Bào tử nấm sau khi nảy mầm thành ống mầm nhờ tác dụng của enzyme và áp lực cơ giới xuyên qua da côn trùng. Các loài có da mỏng, mềm nấm có thể xâm nhập trực tiếp; một số loài có da dầy, nấm có thể xâm nhập qua khớp nối giữa các đốt; các lỗ thở cũng là nơi sợi nấm có thể xâm nhập. Nấm sinh trưởng nhanh, bào tử có thể tồn tại lâu dài trong tự nhiên mà hoạt tính hầu như không thay đổi (Noris và cs, 2002).
Để có bộ sưu tập chủng giống nấm diệt côn trùng, với phổ tác dụng rộng đối với nhiều loại sâu hại khác nhau, các nhà khoa học đã phải bắt đầu từ việc phân lập, tuyển chọn và nghiên cứu các đặc tính sinh học của chúng. Năm 1885, Luis Pasteur đã tách và phân lập vi sinh vật của hàng loạt cá thể côn trùng với những triệu chứng bệnh khác nhau. Trong giai đoạn này vấn đề sử dụng nấm có ích trong đấu tranh sinh học cũng được quan tâm nghiên cứu. Người đi tiên phong trong lĩnh vực này chính là nhà khoa học người Nga Ilya Ilich Mechnikov. Ông cùng người học trò của mình là nhà côn trùng học Isac Krasirsik, đã tiến hành sản xuất bào tử nấm M. anisopliae, trộn với đất bột tung ra đồng để diệt sâu non và trưởng thành bọ đầu dài hại củ cải đường (Bothinoderes punctiventris). Hiệu quả gây chết của nấm đối với bọ đầu dài đạt đến 55- 80% sau 10-14 ngày (Nguyễn Lân Dũng, 1981; Tạ Kim Chỉnh, 1996; và Phạm Thị Thùy, 2004).
Vào những năm 70 của thế kỷ trước, phải kể đến Liên Xô là nước có số lượng công trình khá lớn về những nghiên cứu ứng dụng chế phẩm nấm diệt côn trùng, trong đó chế phẩm nấm mang tên Boverin sản xuất từ nấm B. bassiana được sử dụng rộng rãi để phòng trừ bọ cánh cứng Colorado beetle. Trong những năm 80, các công trình nghiên cứu ứng dụng chế phẩm nấm Beauveria và Metarhizium lại càng phong phú và mở rộng trên khắp thế giới (Ferron và cs, 1978, 1991).
Năm 1888, ở Hoa Kỳ đã nghiên cứu dùng nấm Beauveria globulifera để trừ bọ xít lúa mì Blissus leucopterus. Nấm được sản xuất với số lượng lớn, đóng thành từng