CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.2. Sinh học và sinh thái học của NNS
1.2.2.1. Bảo vệ cây chủ chống côn trùng hại cây
Đầu những năm 1980 bắt đầu có những báo cáo đầu tiên cho thấy các vi sinh vật nội sinh, trong đó có nấm, có thể đóng vai trị quan trọng bên trong cây chủ: sự có mặt của những nấm này trong cây chủ có thể làm giảm sự tấn công của cơn trùng. Giai đoạn 1981 -1985 có thể đƣợc coi là một giai đoạn lịch sử trong lĩnh vực bảo vệ cây trồng, bởi trong giai đoạn đó ngƣời ta bắt đầu biết đƣợc rằng chính các vi sinh vật nội sinh đã bảo vệ cây chủ chống lại các côn trùng ăn thực vật. Bản chất của sự bảo vệ này và những biến đổi liên quan đến quá trình đó cũng bắt đầu đƣợc nghiên cứu [22].
Webber, vào năm 1981, có lẽ là ngƣời đầu tiên đƣa ra ví dụ về vai trị bảo vệ cây chủ của nấm nội sinh, trong đó NNS Phomopsis oblonga bảo vệ cây du Ceratocytis ulmi chống lại bọ cánh cứng Physocnemum brevilineum. Tác giả cho
rằng NNS P. oblonga có vai trị làm giảm sự lan truyền của tác nhân gây bệnh ở cây du, bằng cách khống chế vectơ truyền bệnh, tức bọ cánh cứng P. brevilineum. Ơng cũng cho rằng có mối liên hệ giữa tác dụng ngăn cản bọ cánh cứng với các hợp chất độc do NNS sinh ra. Bốn năm sau, dự đoán này đƣợc khẳng định bởi Claydon và cs, ngƣời đã chỉ ra rằng các NNS thuộc họ Xylariaceae tổng hợp những sản phẩm thứ cấp trong các cây chủ thuộc chi Fagus, và rằng những chất này có ảnh hƣởng đến
ấu trùng của bọ cánh cứng [49].
Ngồi ra cịn có những nghiên cứu sớm khác cho thấy vai trò của NNS bảo vệ cây chủ nhƣ sau:
- Các NNS bảo vệ cỏ lúa đại mạch đen Lolium perenne L. chống lại sâu kéo màng Parapediasia teterrlla [70], chống lại sâu đục thân Argentina, Listronotus bonariensis [73].
- NNS Cladosporium sphaerosperum bảo vệ cây vân sam trắng Picea glauca chống côn trùng cánh giống (Homoptera) Adelges abietis [103].
- Các NNS giống với Balansia cyperi bảo vệ cỏ lúa mạch đen lâu năm L. perenne và các thành viên của chi Cyperus chống lại côn trùng Spodoptera frugiperda [46, 79].
- NNS Acremonium lolii và một loài NNS của chi Gliocadium bảo vệ nhiều lồi Lolium chống cơn trùng hại [104].
- Cũng những NNS nói trên bảo vệ cây chống châu chấu Acheta domesticus [18].
- Johnson và cs, bằng thực nghiệm theo kiểu “lựa chọn”, cho biết rằng cơn trùng thích ăn những cây cỏ đi trâu (Festuca) khơng chứa NNS hơn những mẫu cây có nấm ấy [88]. Tƣơng tự, ấu trùng sâu kéo màng Parapediasia teterrella ƣa thích thức ăn là những cây L. perenne và F. arundinacea không chứa NNS, đến mức chúng sẽ bị chết đói nếu chỉ đƣợc cung cấp những cây có NNS Acremonium
[22]. Trên đồng ruộng, những lồi cỏ khơng chứa NNS đã bị côn trùng phá hại mạnh, trong khi đó những lồi có chứa Acremonium thì hầu nhƣ sạch khỏi ấu trùng của sâu đó [91].
Trong những nghiên cứu trên đây về quan hệ ba bên (NNS - cây chủ - côn trùng hại cây), các tác giả đã chỉ ra không những tầm quan trọng của vi sinh vật trong việc kiểm soát sâu hại trong nông nghiệp, mà còn cho thấy rằng NNS đã khống chế sâu hại bằng những cơ chế rất đa dạng. Những hiểu biết đó đang đƣợc ứng dụng để phát triển các biện pháp kiểm soát sinh học, bao gồm cả các kỹ thuật cổ điển cũng nhƣ các kỹ thuật sinh học phân tử [22].
Đặc biệt, nấm nội sinh ở cỏ làm thức ăn gia súc mang lại nhiều lợi thế cho cây chủ, và sự phát hiện ra chúng là một câu chuyện thú vị. Trong những năm 1940, ngƣời ta bắt đầu nhận ra rằng gia súc ăn cỏ, nhƣ cừu và ngựa, ăn cỏ đuôi trâu (Festuca) tại các đồng cỏ ở Mỹ và ăn cỏ lúa mạch đen (Secale cereale) ở các cánh đồng lâu năm ở New Zealand, đơi khi bị giảm trọng lƣợng, ốm yếu, thậm chí bị què, bị mất móng; ngựa có thể bị đẻ thai chết và mất sữa. Tới năm 1976, tại Georgia, Robins và Bacon so sánh năng suất gia súc ở các đồng cỏ tách biệt nhƣng gần nhau. Những cây ở đồng cỏ có gia súc kém năng suất thì chứa một loại NNS. NNS này về sau đƣợc biết đến là có tác hại đến trọng lƣợng và tình trạng sức khỏe của gia súc trên đồng cỏ đó. Nấm ấy sản sinh ra (hoặc làm cho cây chủ sản sinh ra) nhiều độc tố. Bởi vậy sự có mặt của NNS là điều rất tai hại cho chăn nuôi ở vùng này, và những ngƣời chăn ni bắt đầu tìm cách phát triển những loại cỏ khơng có NNS. Tuy nhiên, khi các nhà nghiên cứu nhận thức đƣợc tác hại của NNS đối với gia súc và tìm cách loại bỏ chúng khỏi cỏ thức ăn gia súc thì họ cũng phát hiện ra một điều quan trọng khác là những đồng cỏ khơng có NNS thì cằn cỗi, lụi tàn dần, và khơng thể đƣợc duy trì làm đồng cỏ tốt. Các nhà nghiên cứu ở New Zealand đã loại bỏ NNS khỏi cỏ lúa mạch đen lâu năm để tăng cƣờng sinh trƣởng cừu và nhận thấy rằng cỏ ấy mất đi tính đề kháng đối với cơn trùng hại chủ yếu, đó là sâu đục thân Achentina. Phát hiện này khiến các nhà nghiên cứu chú ý hơn đến những lợi ích mà một cơ thể nội sinh có thể mang đến cho cây chủ.
Vào đầu những năm 1980, Funk ở trƣờng đại học Rutgers nhận thấy sự đề kháng côn trùng của cỏ lúa đại mạch lâu năm có nhiễm NNS. Ơng nhận thấy cỏ này có tính đề kháng rất mạnh đối với những cơn trùng ăn lá và thân cỏ. Ông cũng nhận thấy NNS có thể đƣợc truyền từ cây này sang cây khác khi ngƣời ta dùng những kỹ thuật trồng cây thông thƣờng.
Trong số các hợp chất đƣợc coi là nguyên nhân của tính đề kháng của cây đối với côn trùng hại, cũng nhƣ nguyên nhân của tính chịu đựng của cây đối với các stress mơi trƣờng, thì các alcaloit đƣợc nghiên cứu nhiều nhất. Một số alcaloit là độc đối với động vật, độc đối với côn trùng hoặc ngăn cản côn trùng ăn cây. Vấn đề cịn tranh cãi là liệu chính NNS tổng hợp các alcaloit ấy hay nó cảm ứng cây tổng hợp?
Những cỏ nhiễm NNS cũng chịu nhiệt và chịu khơ hạn tốt hơn, do đó chúng tồn tại lâu hơn trong các đồng cỏ. Những cơ chế của các tính chịu đựng này chƣa đƣợc biết rõ lắm, nhƣng ngƣời ta biết rằng quan hệ với NNS có thể làm thay đổi một số đặc tính hóa học của cây cũng nhƣ tăng cƣờng sinh trƣởng của rễ cây.
Trong những năm 1980, ngƣời ta bắt đầu trồng những loại cỏ bằng các hạt đƣợc chủ động nhiễm NNS, dƣới dạng thƣơng phẩm, đầu tiên là đối với cỏ lúa mạch đen, sau đó là cỏ đi trâu thân cao, và trong khoảng năm 2000 - 2004 là nhiều loại cỏ khác. Tuy nhiên trào lƣu này không dễ dàng nhƣ một số ngƣời đã nghĩ. Nó đã vấp phải một số cản trở: một lồi NNS ở cỏ đi trâu nhỏ, Epichloe festucae, gây ra những triệu chứng xấu ở gốc hạt, và do đó làm giảm sự tạo hạt. Một
số NNS khác cũng gây ra những hiệu ứng không mong muốn ở cây chủ. Bởi vậy ngƣời chăn nuôi phải biết chọn một NNS phù hợp cho cơng việc của mình.
Tất cả những nghiên cứu ở giai đoạn sớm đã nêu trên đây đều cho thấy rằng sự có mặt của NNS đã bảo vệ cây chủ chống côn trùng hại.
Những nghiên cứu về sau cho thấy rằng quá trình bảo vệ cây nhờ các cơ thể nội sinh thực ra phức tạp hơn những điều đƣợc chờ đợi. Bởi vậy các CTNS không thể đƣợc xem nhƣ vật thần kỳ để khống chế các động vật ăn cỏ. Mặc dù trong hầu hết các báo cáo về chủ đề này, các tác giả đều dẫn ra một mối tƣơng tác hỗ sinh
(mutualistic) giữa cơ thể nội sinh và cây chủ, nghĩa là có lợi cho cây chủ, có hại cho cơn trùng hại cây, nhƣng cũng có những báo cáo về các tƣơng tác trung tính hoặc thậm chí đối kháng (antagonistic).
Mặt khác, những tác dụng tiêu cực của cây có NNS đối với gia súc ni bằng cây đó, nhƣ sự nhiễm độc, sự giảm cân, sự giảm sữa, v.v., đã đƣợc phát hiện trong suốt thời gian qua. Nhƣ vậy một vấn đề đặt ra cho giai đoạn nghiên cứu tiếp theo sẽ là mối tƣơng quan giữa một bên là tác hại đối với đàn gia súc ăn cỏ và bên kia là việc kiểm sốt cơn trùng hại cây [22].
Ngoài các loài cỏ nhƣ đã nêu trên đây, hàng loạt cây khác cũng đƣợc bảo vệ nhờ NNS:
Ở cây sồi (Quercus sp.), NNS Rhabitocline parkeri có tác dụng chống cơn
trùng Contarinia sp. [146]; ; Ở cây vân sam đen (cây bách đen) Picea mariana, 21
trong số 100 dịch chiết sợi nấm nội sinh có tính độc đối với Choristoneura fumiferana [89].
Những kết quả nêu trên đây về hiệu quả bảo vệ các cây khỏi bị côn trùng phá hại, do NNS gây ra, là những kết quả nghiên cứu trong phịng thí nghiệm cũng nhƣ trên đồng ruộng. Ngoài ra, những thử nghiệm cho cơn trùng lựa chọn thức ăn (là các cây có và khơng có NNS) cũng thƣờng đƣợc áp dụng. Mặc dù đa số các nghiên cứu đó đều có các kết quả thuyết phục, nhƣng vẫn còn những vấn đề gây tranh cãi. Nhƣ sẽ đƣợc đề cập dƣới đây, có những trƣờng hợp trung tính, thậm chí đơi khi cịn thấy chỉ số cơn trùng ở những cây có vi sinh vật nội sinh cịn cao hơn ở các cây khơng có:
- Một vài lồi Cicadellidae và một loài Chrysomelidae, Chaetocnema publicardia, đã giảm số lƣợng cùng với sự tăng liên tiếp của NNS. Tuy nhiên, cùng
lúc đó có sự tăng số lƣợng cá thể các lồi Cicadellidae khác (Exitianus exitiosus) và sự tăng số lƣợng côn trùng thuộc chi Bruchomorpha [96]. Tác giả của nghiên cứu
này cho rằng sự loại bỏ các NNS độc ra khỏi đất đồng cỏ đã gây nên sự mất cân bằng sinh học, dẫn đến sự tăng số lƣợng một số cơn trùng có hại và sự giảm số
- Trong một nghiên cứu rộng lớn về quan hệ của NNS Acremonium ở một số loài cỏ với sự tấn cơng của ba lồi rệp cây và hai lồi Lepidoptera, S. frugiperda và
S. eridania, Breen thấy rằng ở hầu hết các trƣờng hợp đều có sự giảm độ sống sót
của cơn trùng, nhƣng sự giảm ấy khơng giống nhau [34]. Điều đó cho thấy rằng cần phải phân tích riêng rẽ các yếu tố nhƣ: genotyp của cây, các NNS và côn trùng, bởi lẽ, tùy thuộc vào các điều kiện mà có thể đạt đƣợc sự kiểm sốt cơn trùng hay khơng, thậm chí có thể có hiệu quả ngƣợc lại, nhƣ sự tăng chỉ số cơn trùng khi có mặt NNS chẳng hạn.
- Ở cây sồi, trong một nghiên cứu kéo dài 4 năm, các tác giả thấy rằng yếu tố mùa trong năm có ảnh hƣởng đến sự có mặt của các NNS. Trong trƣờng hợp này, chỉ số về sâu cắn lá Cameraria sp. thuộc nhóm Lepidoptera đã khơng bị thay đổi do sự có mặt của NNS, và trong một số trƣờng hợp chỉ số này còn tăng lên trùng với sự tăng NNS. Điều đó có lẽ là do sâu hại này đã khởi động sự xâm nhập và sự chiếm cứ mô cây của NNS [63].
- Một số tình huống trong đó NNS khơng có tác dụng hạn chế cơn trùng đã đƣợc giải thích theo nhiều cách khác nhau, tùy trƣờng hợp nhƣ sau:
Do tập tính của cơn trùng: Ở những cơn trùng di chuyển nhiều, ví dụ rệp cây
Blissus lucopterus, một sự di chuyển đồng loạt tới những cây cỏ Poa không nhiễm
NNS Acremodium đã làm giảm khả năng khống chế sâu của NNS.
Trong những trƣờng hợp khác, một lƣợng nhỏ các alcaloit tích lũy trong cây chủ khiến cho khơng có sự khác biệt về trọng lƣợng và sự sống sót của ấu trùng cũng nhƣ sự phát triển từ ấu trùng thành cá thể trƣởng thành, giữa hai lơ ăn những cây có nhiễm và khơng nhiễm NNS. Đó là trƣờng hợp các ấu trùng của Tipula ăn
những cây L. perenne nhiễm nấm Neotyphodium lolii [107].
Có sự đồng tiến hóa (coevolution) trong mối tƣơng tác NNS - cây chủ - côn trùng: quan niệm này đƣợc Carroll đƣa ra [41]. Theo ông, hầu hết số liệu thu đƣợc trong những trƣờng hợp NNS khơng có hiệu quả nêu ở trên đều nhận đƣợc khi nghiên cứu trên một côn trùng, một NNS, và một cây chủ. Thế mà trong tự nhiên thì vấn đề phức tạp hơn nhiều, bao gồm những tƣơng tác giữa nhiều cơ thể nội sinh với
nhau, với một số động vật ăn cỏ, với cây chủ và nhiều cây khác cùng sống trong một khoảng khơng gian. Những vấn đề khác là: rất khó có thể cấy nhiễm các NNS và chứng minh sự sinh độc tố của các cây thân gỗ một cách in vivo.
Vẫn theo tác giả, ba hợp phần trong tƣơng tác NNS - cây chủ - cơn trùng có một lịch sử tiến hóa lâu dài, chúng sống trong sự hài hịa, nếu khơng chịu những điều kiện bất thƣờng và nhân tạo, nhƣ trong nền nông nghiệp hiện đại chẳng hạn. Những điều kiện nhƣ thế khiến cho yếu tố đồng tiến hóa khơng quan trọng nữa, hoặc bị “xô lệch” đi. Nghĩa là trong những điều kiện mới, các tƣơng tác có thể bị biến đổi. Hãy nhớ lại rằng các hoạt động nơng nghiệp mới chỉ có lịch sử 10 ngàn năm, so với lịch sử hàng triệu năm của sự đồng tiến hóa. Nhƣ vậy, việc dùng các hóa chất nơng nghiệp, những thay đổi khí hậu và những cải biến trong đất cũng nhƣ các hoạt động nông nghiệp làm cho mối tƣơng tác của ba hợp phần nói trên biến đổi khó lƣờng trƣớc đƣợc.