- Đối với Mycorrhizas tạo thành từ loài Glomus:
+ Sợi nấm tương đối thẳng phân nhánh dọc theo vỏ rễ, thường phân nhánh "H" do sự tăng trưởng đồng thời ở 2 hướng
+ Arbuscules có thể dày và chắc
+ Vesicles hình oval thường ở giữa các tế bào vỏ rễ. Các vesicles tồn tại trong rễ và thường phát triển thành dày lên và nhiều lớp
- Đối với Mycorrhizas tạo thành từ loài Gigaspora và Scutellospora:
+ Các sợi nấm cuộn vòng thường xuất hiện gần các điểm vào. Chi này có kiểu xâm chiếm rễ tương tự như Acaulospora, nhưng sợi nấm ở vỏ nói chung vách dày và biến màu sẫm.
+ Không xuất hiện các túi bên trong
+ Thân sợi nấm thường dài và dày hơn so với Glomus. Arbuscules xuất hiện thành dải do những nhánh uốn cong tương đối dài
+ Mô hình xâm nhập của Gigaspora tương tự như Scutellospora, với sợi nấm rộng (Trần Văn Mão, 2011)
+ Điểm vào của sợi nấm có các kiểu phân nhánh đặc trưng. Sợi nấm ở vỏ bên ngoài thường phân nhánh không đều, cuộn hơn Glomus. Các cụm trong rễ tương đối nhỏ.
+ Sợi nấm có vách mỏng do đó có thể rất khó nhìn thấy, nhưng có thể nhìn thấy được do những hàng của các giọt lipid.
+ Các túi nội bào chưa đầy dầu, ban đầu có hình chữ nhật, nhưng thường trở nên không đều do phồng ra các tế bào lân cận, đây cũng là một tính năng đặc trưng (Trần Thị Dạ Thảo, 2012).
2.5.3. Ectomycorrhizal (nấm rễ ngoại cộng sinh)
Ectomycorrhizas thường được hình thành do nấm thuộc Basidiomycota, Ascomycota, và Zygomycota sống cộng sinh với rễ của khoảng 10% các loài thực vật, chủ yếu là cây thân gỗ gồm có bạch dương, bạch đàn, thông, sồi, và các loài hoa hồng. Trong đó nấm tạo thành một lớp áo xung quanh rễ và một mạng lưới Hartig giữa các tế bào rễ mà không xâm nhập vào nội bì.
Hartig Net là một mạng lưới các sợi nấm, mở rộng vào rễ, thâm nhập giữa các tế bào biểu bì và tế bào vỏ. Mạng lưới này là nơi trao đổi chất dinh dưỡng giữa nấm và cây chủ (Hình 5).
Khi sợi nấm tiếp xúc, nhận biết, sẽ bám chặt các tế bào biểu bì rễ ở gần đỉnh của rễ non, tích cực phát triển (Hình 6).
2.5.4. Nấm rễ nội cộng sinh Arbuscular Mycorrhizae (AM)
Nấm rễ nội cộng sinh Arbuscular Mycorrhizae (AM) khi cộng sinh trên thực vật phân hóa thành các dạng cấu trúc khác nhau bao gồm:
- Cấu trúc trong rễ ngăn:
+ Sợi nấm (Hypha): không có vách ngăn khi còn non và đâm nhánh bên trong lớp vỏ rễ hình thành nên cấu trúc bụi và túi.
+ Bụi (Arbuscule): phân nhánh ngoằn nghèo trong tế bào vỏ. + Túi (Vesicles): Là cấu trúc dự trữ dinh dưỡng cho nấm. - Cấu trúc trong đất: Bào tử và sợi nấm
+ Bào tử: Vô tính, hình cầu lớn (đường kính: 20 – 1000µm) nó được tạo thành từ sợi nấm trong đất hoặc rễ.
+ Sợi nấm: Mạng lưới sợi nấm trong đất có hình dạng sợi mỏng, chức năng của nó là ống dẫn để hấp thu chất dinh dưỡng (Trần Văn Mão, 2011; Trần Thị Dạ Thảo, 2012).
Mạng lưới các sợi nấm của nấm Populus
Đầu giai đoạn xâm nhập rễ của Pisolithus tinctorius. Sợi nấm (mũi tên) đang bắt đầu phát triển
ở gần đỉnh của một rễ ngắn (A). Bar = 10 μm
Giai doạn sau của sự xâm nhập rễ thông bởi Pisolithus tinctorius. Các sợi nấm hình thành lớp phủ dày đặc trên bề mặt rễ Bar = 10 μm Hình 2.5. Hartig net của Populus Hình 2.6. Sự xâm nhập rễ thông
của Pisolithus tinctorius
Trong đó:
+ Bào tử: là chỗ phình to lên của sợi nấm, bào tử được hình thành khi dinh dưỡng đã cạn và sự kết hợp giữa nấm và cây chủ bị già yếu. Bào tử chứa đựng lipid, tế bào chất và nhiều nucleid.
+ Sợi nấm: Sự kết hợp Mycorrhiza bắt đầu bằng sự nảy mầm của bào tử khi có sự hiện diện của rễ. Sợi nấm có khả năng phát triển giới hạn, chúng sẽ chết sau vài tuần khi nảy mầm mà không gặp rễ ký chủ. Chúng có nhiệm vụ hấp thu chất dinh dưỡng và làm gia tăng sự kết hợp với rễ và hình thành bào tử nấm.
Bụi: bụi phân nhánh rất phức tạp và được hình thành bên trong tế bào vỏ rễ. Bụi được hình thành từ sự chia đôi của nhánh và sự nén bề rộng của sợi nấm, bắt đầu từ thân sợi nấm (đường kính: 5-10µm) và kết thúc bằng sự phát triển mạnh của cành nhánh sợi nấm (đường kính 1µm). Bụi được xem là vị trí chủ đạo để trao đổi dinh dưỡng giữa nấm và cây chủ.
Túi: Túi phát triển để tích lũy sản phẩm dự trữ ở nhiều loại VAM. Túi là chỗ phình to lên của sợi nấm trong tế bào vỏ rễ, nó chứa lipid và tế bào chất. Túi có thể nằm trong hoặc ngoài gian bào. Túi có chức năng như yếu tố lan truyền giống (Trần Văn Mão, 2011; Trần Thị Dạ Thảo, 2012).
2.6. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC SỬ DỤNG NẤM RỄ CỘNG SINH ĐỂ SẢN XUẤT VẬT LIỆU SINH HỌC VÀ TÁI TẠO THẢM THỰC VẬT BẰNG VẬT LIỆU SINH HỌC
2.6.1. Mối quan hệ cộng sinh giữa nấm rễ và cây chủ
Trong mối quan hệ cộng sinh, sợi nấm xâm nhập vào tế bào vỏ rễ, phát triển bên trong tế bào và hình thành những cấu trúc dạng bụi (arbuscules) hay dạng bọng (vesicules). Cấu trúc Arbuscules do các cành nhánh của sợi nấm được bao gọn bên trong huyết tương của tế bào nguyên vẹn của cây chủ và làm tăng bề mặt tiếp xúc của sợi nấm và nguyên sinh chất của tế bào rễ giúp cho việc trao đổi dinh dưỡng giữa nấm và thực vật trở nên hiệu quả hơn (Nancy Collins Johnson, 2007). Mối quan hệ tương hỗ này cung cấp cho nấm một lượng cacbon đáng kể như glucoza, saccaroza được tạo ra từ quá trình quang hợp của cây. Cacbonhydrat được chuyển từ lá đến rễ và sau đó đến hệ thống sợi nội bào của nấm đã liên kết chặt chẽ với tế bào rễ.
Ngược lại, cây nhận được nhiều khoáng chất và nước hơn từ hệ sợi lan tỏa của nấm trong đất. Hệ sợi xâm nhập bên trong có thể đâm nhánh ra ngoài và phát triển dài dọc theo bề mặt rễ và hình thành thêm nhiều điểm xâm nhập vào rễ hơn. Chúng cũng phát triển đi vào sợi đất, sợi nấm kết các hạt đất lại. Smith (1997) đã chỉ ra rằng chiều dài sợi nấm phát triển trong đất ước lượng trung bình là khoảng 1m sợi nấm trên 1cm rễ. Mạng lưới sợi nấm này có thể mở rộng hàng nghìn centimet bên ngoài từ bề mặt rễ cây, đi qua khu vực cạn kiệt dinh dưỡng cho rễ hấp thu những khoáng kém linh động từ trong đất cung cấp cho cây trồng (Smith, 1988).
Vai trò của cây chủ đối với nấm rễ là như sau: Chủ yếu là nấm rễ lấy nguồn dinh dưỡng Cacbon từ cây chủ để sinh trưởng và phát triển. Bên cạnh đó, rễ của cây chính là giá đỡ để bào tử nấm rễ có thể cộng sinh với cây trồng (Trần Văn Mão, 2011; Geogre E, 1995).
Mặt khác, nấm rễ có vai trò rất quan trọng trong đời sống thực vật ở cạn, chúng có vai trò thực tiễn trong nền kinh tế, khoa học và các chu trình vật chất, năng lượng trong tự nhiên:
- Mở rộng diện tích hấp thu của rễ cây: Sợi nấm cộng sinh là cơ quan hấp thu chủ yếu của rễ thực vật, nấm rễ làm tăng diện tích bề mặt hấp thụ của rễ cây từ 10 – 100 lần, do đó cải thiện đáng kể khả năng tận dụng dinh dưỡng từ đất và tăng khả năng hòa tan các chất như P, Fe để cây hấp thụ. Quá trình lấy dinh dưỡng của cây trồng dễ dàng hơn và cây không đòi hỏi nhiều phân bón. Nấm rễ tạo thành một mạng lưới phức tạp để cây huy động các chất dinh dưỡng. Trong điều kiện không có nấm rễ, dinh dưỡng có thể bị mất khỏi đất do bị rửa trôi (Brudrett MC, 2012).
- Hình thành chất kích thích sinh trưởng: Trong quá trình cộng sinh với rễ cây, nấm rễ hình thành nhiều chất kích thích sinh trưởng như Auxin, Cytokinin, Gibberelin, Vitamin B1, IAA (Trần Văn Mão, 1999).
- Tăng khả năng hấp thu dinh dưỡng: Sự gia tăng về số lượng của sợi nấm trong đất giúp rễ cây có thể hấp thu dinh dưỡng tốt hơn, vì vậy mà làm gia tăng khả năng hấp thu dinh dưỡng bị cố định, đặc biệt là Photpho (P) – là một nguyên tố rất quan trọng đối với cây trồng, có nhiều trong đất nhưng ở dạng khó hấp thu. Trong đất có lượng P nhất định, những gốc Photphat khó di động, kết hợp với các ion Fe, Al, Na cố định trong đất tạo thành các P không tan, cây trồng không hấp thụ được, số P không hấp thụ được đó chiếm 90 – 95%, chỉ có một lượng rất ít P hòa tan được cây sử dụng. Nấm rễ sản sinh ra enzim photphotaza chuyển P không tan thành P hòa tan giúp cây trồng có thể dễ dàng sử dụng.
Đã có rất nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của phân bón đến hoạt động của AM và cây chủ. Năm 2001, khi nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm và độ phì nhiêu của đất đến phân bố AMF, Friberg (2001) nhận thấy: Mức độ đa dạng AMF tỷ lệ thuận với phần trăm lượng chất hữu cơ và tỷ lệ nghịch với hàm lượng Ca, Mg và P trong đất. Số lượng bào tử tăng đồng thời với mức tăng hàm lượng chất hữu cơ và N trong đất, giảm khi hàm lượng Ca, Mg và P cao.
- Phương tiện quan trọng làm nhiệm vụ vận chuyển cacbon vào trong đất chính là nấm rễ. Theo nhà khoa học về đất người Úc Christine Jones, loài cây nào có nấm rễ sẽ vận chuyển được nhiều cacbon vào trong đất hơn 15% so với loài không có nấm rễ. Nấm rễ xâm nhập vào đất tốt hơn so với rễ cây vì sợi của chúng mỏng hơn rễ cây. Quan trọng hơn, nấm rễ có khả năng sản xuất raglomalin – một chất đặc biệt giúp đất duy trì được cấu trúc và giữ cacbon trong đất khỏi bị phân hủy trong thời gian dài.
- Nâng cao sức chống chịu của cây: Cùng với sự gia tăng hấp thụ dinh dưỡng, sợi nấm cũng cho phép gia tăng hấp thu nước. Hơn nữa mạng lưới sợi nấm
rộng rãi cũng ngăn chặn sự tấn công của bệnh hại đến rễ, gia tăng sự chống chịu hạn. Nấm rễ tập hợp kim loại trong vùng rễ lại và làm thay đổi khả năng hấp thu kim loại của cây trồng. Khi trồng rừng trên núi đá vôi, tỷ lệ sống của cây con nhiễm nấm cộng sinh tăng 14% trong điều kiện khô hạn tuyệt đối. (Trần Văn Mão, 2011).
- Tăng khả năng kháng bệnh của cây trồng: Bệnh thực vật có thể được kiểm soát bằng các thuốc đối kháng làm giảm mầm bệnh. Nấm AM và tương tác cộng sinh của chúng với thảm thực vật làm giảm bớt thiệt hại gây ra bởi các tác nhân gây bệnh (Harier L.A and Watson C.A, 2004).
- Cải thiện cấu trúc đất: Sợi nấm rễ nội cộng sinh được chứng minh rằng nó thải ra một chất đường dính như keo, gọi là “Glomaline”, nó giúp các hạt đất kết lại với nhau làm cấu trúc đất được cải thiện. Bên cạnh đó, nó tiết ra axit mùn làm cho đất tơi xốp hơn.
2.6.2. Sự phản hồi của cây trồng với nấm rễ nội cộng sinh
Quá trình cộng sinh mang lại lợi ích cho cả thực vật và vi sinh vật. Các nhà khoa học đã xác định được một số hình thức cộng sinh. Trong đó, quá trình cộng sinh chủ yếu là giữa nấm Glomeromycete và rễ cây, được gọi là "arbuscular mycorrhiza" – nấm rễ cộng sinh. Có đến 70-90% trong số các loài thực vật sống trên đất tham gia vào việc hình thành cộng sinh nấm rễ (arbuscular mycorrhizae). Các nghiên cứu gần đây cho thấy nấm có khả năng kích thích sự sinh trưởng của cây, giúp cho thực vật có thể hấp thụ hiệu quả nước và các chất dinh dưỡng vi lượng từ đất.
Các kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy, nấm Glomeromycete có thế phát ra các tín hiệu phân tử cộng sinh khuếch tán. Trên thực tế, phương pháp hóa học phân tích đã lọc và xác định được cấu trúc của các tín hiệu phân tử này đối với nấm rễ, những tín hiệu phân tử đó được gọi là các nhân tố Myc. Các thí nghiệm cho thấy rằng các nhân tố Myc kích thích quá trình hình thành nấm rễ và phát triển hệ thống rễ trong những mẫu cây họ đậu (Medicago truncatula), ngoài ra, còn trong các loài thuộc các họ thực vật khác như cúc vạn thọ (Asteraceae) và cà rốt (Apiaceae) (Jean Dénarié, 2007).
Nhiều tác giả đã nghiên cứu chuyên sâu về nấm rễ AM và đều cho thấy hầu hết cây trồng tăng năng suất sau khi nhiễm nấm AM (Jakobsen and Nielsen, 1983; Baon et al., 1992; Talukda av Germida, 1994; Xavier and Geermida, 1997; Alkaraki et al., 1998), đặc biệt là ở đất có nguồn photpho thấp (Thoson, 1990; Rubio et al., 2003).
Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nấm rễ AM đến giống dưa chuột (Cucumis sativus L, 2010) cho thấy: AM có ảnh hưởng đáng kể đến đường kính gốc cây, số lá, chiều cao và chiều dài rễ. AM không có nhiều tác dụng đến tỷ lệ nảy mầm của hạt giống mà có ảnh hưởng đến thời gian nảy mầm của hạt. Với công thức tiêm chủng Gigaspora margarrita, cây dưa chuột mọc sớm nhất còn cây đối chứng mọc muộn nhất (Sefi, 2010).
Khi nghiên cứu về ảnh hưởng của nấm rễ AM đến sự sinh trưởng của cây
Piper longum L. – một cây thuộc họ tiêu, P.Gogoi and R.K.Singh (2011) nhận thấy hầu như tất cả các chủng AM đều gia tăng sự tăng trưởng thực vật, sinh khối và hàm lượng dinh dưỡng (N và P). Chiều dài chồi đạt cao nhất trong công thức nhiễm Gigaspora fasicutalum, tổng sinh khối của cây nhiễm Gigaspora fasicutalum cũng đạt cao nhất ở 0,84g trong khi đó tổng sinh khối của cây đối chứng chỉ đạt 0,23g (P.Gogoi and R.K.Singh, 2011).
Nhu cầu về các chất dinh dưỡng và khoáng phụ thuộc vào nhu cầu của thực vật trong khi việc cung cấp các chất dinh dưỡng chủ yếu phụ thuộc vào sự sẵn sàng và tính linh động của chất khoáng trong đất (1977 Russell, Marschner 1995).
Sợi nấm của nấm VAM có thể định vị các chất dinh dưỡng trong đất nhanh hơn so với rễ (St John et al., 1983, Warner, 1984.) và tạo thành các sợi nấm “hút” phân nhánh nhỏ trong chất mùn. Các sợi nấm ECM cũng tăng nhanh trong các chất hữu cơ đang phân huỷ.
Sợi nấm VAM có thể sử dụng cùng hình thức dinh dưỡng như rễ, nhưng những sợi nấm có lợi ích lớn hơn khi phospho ở dạng ít tan (1991 Bolan, Schweiger năm 1994, Tarafdar & Marschner năm 1994, Kahiluoto & Vestberg 1998). Sợi nấm ECM sử dụng nguồn cả hai nguồn vo cơ và hữu cơ của nitơ và phostpho (Abuzinadah & Đọc 1989, Hausling and Marschner 1989). Sợi nấm ECM cũng có thể phát triển trong đá, chúng góp phần vào sự phong hoá (et al
Jongmans năm 1997,. Van Breemen et al. 2000).
Vì vậy, nấm rễ có thể tiếp cận với hình thức dinh dưỡng mà thực vật không thể sử dụng trực tiếp, và các chất dinh dưỡng tách biệt với rễ cây. Do đó, cây chủ hấp thu tốt hơn các chất dinh dưỡng từ bên ngoài (đặc biệt là môi trường nghèo dinh dưỡng) nhờ liên kết với các sợi nấm và cung cấp cho sợi nấm những sản phẩm quang hợp của chúng.
PHẦN 3. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
- Biện pháp tái tạo TTV bằng VLSH.
3.2. VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU
- Giống vi sinh vật: Nấm rễ nội cộng sinh Arbuscular mycorrhizae. - Thực vật nhân giống nấm rễ: cây đậu xanh (Vigna radiata).
- Thực vật dùng để tái tạo TTV ngoài thực địa: cây đậu mèo (Mucuna Pruriens).
3.3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Thời gian nghiên cứu: tháng 4/2017 – tháng 5/2018.
- Địa điểm nghiên cứu: Học viện Nông nghiệp Việt Nam và xã Xuân Cẩm, huyện Hiệp Hòa, tỉnh Bắc Giang.
3.4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Đặc điểm của nấm rễ AM dùng để sản xuất VLSH. - Lựa chọn cây chủ dùng tái tạo TTV.
- Chất lượng của VLSH.
- Điều kiện sử dụng VLSH trên đất dốc và quá trình tái tạo TTV bằng VLSH trên đất dốc.
- Hiệu quả tái tạo TTV trên đất dốc bằng VLSH.
3.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.5.1. Phương pháp thu thập tài liệu thứ cấp