1.4.1. Sự hình thành khả năng đối kháng của xạ khuẩn
Xạ khuẩn là một trong những sinh vật có khả năng sinh tổng hợp nhiều loại kháng sinh. Các chất kháng sinh có nguồn gốc từ xạ khuẩn có tính phổ kháng khá rộng. Khả năng kháng khuẩn của kháng sinh là một đặc điểm quan trọng để phân loại xạ khuẩn [8].
Nhiều chủng xạ khuẩn có khả năng tổng hợp đồng thời 2 hay nhiều chất kháng sinh có cấu trúc hóa học và có tác dụng tương tự nhau. Trong các nghiên cứu đã công bố, riêng bộ gene của Streptomyces coelcolor có khả năng mã hóa một lượng lớn protein được tiết ra bao gồm: 60 loại protease, 13 loại chitinase hoặc chitosanase, 8 loại cellulase hoặc endoglucanase, 3 loại amylase. Streptomyces có vai trò rất quan trọng trong việc phân hủy ban đầu các vật liệu hữu cơ, chủ yếu là các loài hoại sinh [43].
Sự đối kháng giữa các vi sinh vật trong đất là cơ sở của biện pháp sinh học phòng chống bệnh cây. Sự phát triển và ứng dụng của các tác nhân vi sinh vật là một trong những biện pháp thay thế. Sự có mặt của xạ khuẩn đối kháng trong đất làm giảm rõ rệt tỉ lệ mắc bệnh của cây. Thông thường, một loại xạ khuẩn đối kháng có thể ức chế một vài loại nấm gây bệnh, nhưng có những lồi hoạt động rộng có thể ức chế nhiều tác nhân gây bệnh có trong đất. Một số chủng Streptomyces ngăn chặn sự phát triển của nấm Botrytis cinerea đã được chứng minh là tạo ra các hợp chất kháng sinh như phosphazomyzin, albopeptin B, tautomycin, tautomycein và ezomycin S. Cấu trúc hóa học đa dạng của các chất chuyển hóa này sẽ làm giảm cơ hội cho mầm bệnh phát triển và đề kháng lại kháng sinh [44].
1.4.2. Cơ chế tác động của xạ khuẩn đối kháng vi khuẩn
Kháng sinh là các phân tử ức chế có chọn lọc sự phát triển của vi khuẩn mà không ảnh hưởng đến các sinh vật nhân thực. Kháng sinh sẽ can thiệp vào các q trình chuyển hóa cần thiết của tế bào vi khuẩn mà các q trình chuyển hóa này khơng có trong tế bào nhân thực. Về cơ bản, thuốc kháng sinh nhắm vào các cấu trúc có chức năng của vi khuẩn, chẳng hạn như vancomcin ức chế quá trình sinh tổng hợp thành tế bào, streptomcin ức chế quá trình dịch mã, rifambicin ức chế quá trình phiên mã RNA, novobiocin và metronidazole ức
chế quá trình sao chép và tổng hợp DNA. Nói chung, các chất kháng sinh sẽ ức chế sự phát triển của vi khuẩn (Hình 1.5) [45].
Trong số các loại thuốc kháng sinh nhắm mục tiêu vào thành tế bào, nhóm glycopeptide (vancomycin, teicoplanin, telavancin, ramoplanin,…) là một nhóm vaccine được sản xuất bởi xạ khuẩn có khả năng liên kết với dipeptide D-alanyl - D-alanine trong thành tế bào của vi khuẩn Gram dương, ngăn cản việc bổ sung các đơn vị mới vào peptidoglycan và ức chế tổng hợp peptidoglycan [45].
Cycloserin được sản xuất bởi Streptomyces lanaceus, là tác nhân chống lại sự hoạt động của hai enzyme quan trọng trong các giai đoạn tổng hợp peptidoglycan của tế bào là alanin racemase và D-Ala-D-Ala ligase. Khi cả hai enzyme này bị ức chế, gốc D-alanin tự do khơng thể hình thành và các phân tử D alanin đã hình thành trước đó khơng thể liên kết với nhau [46].
Hình 1.5: Các chất kháng sinh có vai trị ức chế các cấu trúc chức năng của tế bào vi khuẩn (chất kháng sinh do Actinomycetes và nấm tạo ra được biểu thị lần lượt bằng màu
Tetracycline có nguồn gốc từ Streptomyces aureofaciens ức chế liên kết aminoacyl-tRNA. Chloramphenicol và erythromycin có nguồn gốc từ 2 chủng xạ khuẩn là Streptomyces venezuelae và Saccaropolyspora erythraea có khả năng liên kết với tiểu đơn vị 50S, ngăn
chặn hoạt động của peptidyl transferase. Trong khi đó, Streptomycin được sản xuất từ
Streptomyces griseus có khả năng ngăn chặn sự hình thành phức hợp khởi đầu bằng cách
chèn các acid amin khơng thích hợp [45].
Rifampicin là một loại kháng sinh bán tổng hợp được sản xuất bằng quá trình lên men chủng xạ khuẩn Amycolatopsis mediterranei, được ứng dụng trong trị liệu chống bệnh lao. Rifampicin ức chế RNA polymerase của vi khuẩn bằng cách liên kết với tiểu đơn vị RNAP β trong kênh DNA/RNA và làm mất ổn định phức hợp DNA-RNA polymerase- oligonucleotide [47].
Novobiocin là loại kháng sinh aminocoumarin được sản xuất bởi xạ khuẩn Streptomyces
niveus là một chất ức chế DNA gyrase của vi khuẩn, hoạt động bằng cách nhắm mục tiêu
vào tiểu đơn vị GyrB của enzyme liên quan đến quá trình truyền năng lượng [48].
1.4.3 Cơ chế tác động của xạ khuẩn đối kháng nấm mốc
Các biện pháp phòng trừ bằng phương pháp sinh học đã được áp dụng khá phổ biến trong những năm trở lại đây, đặc biệt là ứng dụng chitinase có nguồn gốc từ vi sinh vật có lợi để làm suy yếu và suy thoái thành tế bào của nhiều mầm bệnh. Chitinase có vai trị làm mất tính ổn định lớp biểu bì của động vật giáp xác, chống lại sâu bệnh và kí sinh trùng gây hại. Từ đó, chitinase thể hiện hoạt tính kháng khuẩn, chống nấm và diệt côn trùng. Chitinase đã trở thành một giải pháp rõ ràng và quan trọng trong việc khắc phục các mối nguy hiểm về môi trường và con người do sử dụng thuốc trừ sâu và thuốc diệt nấm tổng hợp. Do đó, các vi sinh vật có khả năng tổng hợp chitinase hứa hẹn sẽ thay thế các loại thuốc hóa học tổng hợp có hại trong việc quản lí và phịng bệnh ở cây trồng [49], [50].
Các nghiên cứu sâu về Streptomyces cũng đã chứng minh rằng xạ khuẩn có khả năng phân hủy các mảnh chitin rắn một cách nhanh chóng, phần lớn là do khả năng xâm nhập vào cơ chất bằng hệ sợ tơ của chúng. Chitinase tinh khiết của Streptomyces rimosus thể hiện hoạt tính kháng nấm in vitro chống lại Fusarium solani và Alternaria alternata. Streptomyces
có hiệu quả cao trong việc phá hủy thành tế bào của nấm Rhizoctonia, Colletotrichum, Aspergillus, Fusarium và Pythium [51]. Đồng thời, chủng xạ khuẩn này đã làm giảm đáng
kể sự phát triển của mầm bệnh in vitro do chúng có khả năng sản sinh một hoặc nhiều chất chuyển hóa kháng nấm. Trong số các loài Streptomyces phân lập từ rễ, Streptomyces hygroscopicus có khả năng đối kháng với Colletotrichum gloeosporioides và Sclerotium rolfsii. Xạ khuẩn phân lập từ các mẫu đất ở Jordan thể hiện hoạt tính diệt nấm in vitro, khi
chúng bắt đầu tổng hợp chitinase thì chúng có khả năng chống lại sự phát triển sợi nấm của
Sclerotinia sclerotiorum [52]. Gherbawy và cộng sự đã phân lập được 7 chủng xạ khuẩn
có khả năng tổng hợp chitinase có đặc tính kháng nấm chống lại một hoặc nhiều loại nấm gây bệnh ở cây trồng như: Fusarium oxysporum, Pythium aristosporum, Colletotrichum
gossypii và Rhizoctonia. Streptomyces cavourensis được chứng minh là có khả năng đối
kháng với nấm gây bệnh thán thư trên hạt tiêu, do có sự kết hợp của chitinase và một hợp chất chống nấm là 2-furancarboxaldehyd [49].