CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI VÀ TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU
1.2. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
1.2.1. Những nghiên cứu về nấm ký sinh côn trùng
* Khái niệm chung về bệnh lý côn trùng
Côn trùng thường mắc nhiều bệnh khác nhau do nhiều loài vi sinh vật gây lên như vi rút, vi khuẩn, nấm, tuyến trùng và nguyên sinh động vật. Bệnh côn trùng thường thể hiện hàng loạt các đặc tính khác nhau, đặc điểm chung là sau khi gây bệnh thì làm chết các cá thể côn trùng. Khoa học nghiên cứu bệnh côn trùng gọi là bệnh lý học côn trùng. Bệnh lý học côn trùng không chỉ đơn thuần miêu tả những biến đổi bệnh lý trong cơ thể côn trùng mà còn nghiên cứu các tác nhân gây bệnh, dịch bệnh, đặc điểm cơ bản và những diễn biến của vi sinh vật gây bệnh ở trong và ngoài cơ thể ký chủ. Cá thể côn trùng bị bệnh khác hẳn với cá thể khỏe bởi hàng loạt triệu chứng bên ngoài do có những thay đổi về sinh lý và bệnh lý của các mô (trích theo Tạ Kim Chỉnh, 2009).
Những thay đổi bên ngoài có thể cảm nhận được gọi là triệu chứng bệnh. Triệu chứng đặc trưng nhất là sự thay đổi cách vận động của côn trùng.
Sự vận động này tùy theo mức độ phát triển bệnh. Khi bị bệnh, các mô dần dần bị phá hủy từng phần, lúc đầu côn trùng vận động yếu, sau ngừng hẳn, nằm im một chỗ cho đến khi chết. Khi bị bệnh nấm, vận động của côn trùng ngừng sau 2-3 ngày, thậm chí kéo dài đến 1 tuần trước khi nấm phát triển dầy đặc trong thân côn trùng. Khi bị bệnh do nấm Entomophthorales, côn trùng ngừng vận động 24 giờ trước khi sợi nấm từ trong cơ thể mọc ra ngoài. Chỉ những côn trùng bị thương hay bị bệnh nấm màu sắc mới bị thay đổi và xuất hiện những vết đen. Khi bị nhiễm nấm bộ Deuteromycetes đặc biệt bị bệnh do nấm Beauveria bassiana ở chỗ bào tử bám vào và phát triển bên trong thân côn trùng tạo nên một vệt đen không có hình thù nhất định. Côn trùng bị bệnh nấm khi chết thường có màu hồng, vàng nhạt và trắng, thân hơi cứng lại, màu sắc này phụ thuộc vào màu sắc của bào tử nấm gây bệnh. Nấm Sorosporella hay Mycophagus làm cho côn trùng khi chết có màu đỏ rực rỡ.
Sự thay đổi kích thước và tốc độ lớn của côn trùng cũng là đặc điểm đặc trưng của các bệnh mãn tính hoặc các bệnh xâm nhập chậm. Trường hợp bị bệnh nấm, thân thể côn trùng bị ngắn lại hoặc bị khô đét đi do hệ thống tiêu hóa bị tổn thương hoặc do thiếu thức ăn. Các vi sinh vật gây bệnh côn trùng tác động đến những mô nhất định. Khi côn trùng bị bệnh nấm, tuyến mỡ và các mô khác bị hòa tan do emzyme lipasa và protease của nấm tiết ra. Nhờ đặc điểm đó, người ta có thể xác định được côn trùng bị bệnh do động vật nguyên sinh hay do nấm bậc thấp (Coelomycidium, Entomophthora…) gây ra. Hiện tượng chết hoại gắn liền với hiện tượng tiêu mô là tiêu biểu cho bệnh nấm. Quá trình này tiến triển qua 2 giai đoạn:
- Hiện tượng chấn thương: Các mô bị thương, bị phá hoại do nấm từ bên ngoài gây ra. Trong trường hợp này, limfo máu đọng lại và mô tái sinh được tạo nên trên bề mặt phần thân bị chấn thương.
- Hiện tượng nhiễm trùng máu của côn trùng khi bị bệnh nấm là do
limfo chứa đầy sợi nấm hoặc những giai đoạn phát triển khác nhau của nấm (Helen et al, 2010). Hiện tượng thực bào là một quá trình tế bào bao vây và nuốt một phần tiểu thể nhất định nào đó. Khi côn trùng bị bệnh nấm Beauveria thì những hợp bào và những loại tế bào khổng lồ đặc biệt được hình thành bao vây ký sinh và cố gắng tiêu diệt chúng. Samson et al, 2008 cũng đã nhận xét hiện tượng này khi nghiên cứu nấm Sorosporella.
* Quá trình gây bệnh và nguyên nhân gây bệnh côn trùng
Thông thường đối với các bệnh truyền nhiễm, vi sinh vật lan truyền qua đường thức ăn, nhưng đối với nấm chủ yếu lại là do sự va chạm trực tiếp, qua gió hay qua môi giới truyền bệnh, môi giới có thể là những ký sinh hay côn trùng ăn thịt. Nhiều trường hợp do việc xác định vi sinh vật gây bệnh không chính xác nên dễ dẫn đến nhầm lẫn, do vậy Robert Koch, 1897 đã lập ra tiêu chuẩn để chứng minh sự hiện diện của tác nhân gây bệnh như sau:
- Vi sinh vật phải có mặt trong mọi trường hợp của bệnh.
- Có thể phân lập và thuần khiết các vi sinh vật đó.
- Khi dùng dạng thuần khiết để gây bệnh nhân tạo thì cũng gây được loại bệnh cũ.
- Cần phải chứng minh được sự có mặt của vi sinh vật trong cơ thể côn trùng thí nghiệm.
Muốn cho vi sinh vật xâm nhập vào cơ thể ký chủ trở thành vi sinh vật gây bệnh thì chúng phải có tác động về mặt hóa học hay cơ học lên ký chủ và gây bệnh cho ký chủ. Trong các tác động hóa học, có hoạt tính thấp nhất là những quá trình trong đó vi sinh vật chỉ lấy một phần thức ăn của ký chủ và tiết ra các sản phẩm trao đổi chất với một lượng nhất định đối với côn trùng.
Ảnh hưởng của cỏc sản phẩm trao đổi chất thường được thể hiện rất rừ đối với nấm ở cuối giai đoạn hình thành bào tử.
Những năm cuối thế kỷ 20, nhiều tác giả tách chiết được từ dịch nuôi
cấy nấm Beauveria và Metarhizium ngoại độc tố destruxin. Li et al, 2009;
James el al, 2010 đã xác định từ dịch nuôi cấy chủng Metarhizium anisopliae Ma.83 loại độc tố destruxin A và thử nghiệm diệt loài sâu Soparda populnea tuổi 3 với LD50 là 3àg/gr. Tớnh độc của vi sinh vật về cơ bản là làm cho côn trùng có những thay đổi về bệnh lý và bị chết. Có thể đánh giá độ nguy hiểm của vi sinh vật và theo liều lượng vi sinh vật gây bệnh. Đó là lượng vi sinh vật thấp nhất để gây bệnh trong một thời gian nhất định làm chết 50% hay 90% số cá thể (LD50, LD90) và thời gian ngắn nhất để vi sinh vật gây bệnh làm chết 50% hay 90% số cá thể ký chủ (LT50, LT90).
* Con đường truyền bệnh và cơ chế gây bệnh nấm côn trùng
Nguyên nhân gây bệnh chủ yếu là lây lan từ con côn trùng bị nhiễm bệnh sang con khỏe thông qua va chạm trực tiếp với nhau, qua gió hay qua thức ăn chứa mầm bệnh. Việc truyền bệnh qua con đường đẻ trứng của ký chủ hầu như không đáng kể. Bệnh nấm rất dễ truyền bằng những va chạm đơn giản mà một số bệnh khác không thực hiện được. Khi lây lan bằng gió, dịch bệnh nấm tạo thành những ổ bệnh kéo dài theo chiều gió thường thổi.
Những bào tử trên thân côn trùng nhờ gió bay đi và rơi vào cơ thể côn trùng khác. Từ đó bào tử nấm nảy mầm, hệ sợi phát triển tới mức phủ kín các lỗ thở trên cơ thể côn trùng. Quá trình sinh trưởng, phát triển của bào tử và hệ sợi nấm ăn sâu vào trong cơ thể côn trùng là quá trình trao đổi chất của nấm. Đã có nhiều công trình nghiên cứu về những sản phẩm trao đổi chất khi nuôi cấy nấm Beauveria bassiana và Metarhizium anisopliae trên môi trường nhân tạo. Trong quá trình bào tử nảy mầm đã tiết ra một phức hệ enzyme ngoại bào phân giải chitine, protein và lipid. Tiếp theo giai đoạn là mô và tuyến mỡ bị hòa tan bởi enzyme protease là giai đoạn nhiễm trùng máu của côn trùng. Đó là hiện tượng limfo chứa đầy sợi nấm hoặc những giai đoạn khác của nấm. Chỉ đến khi hồng cầu trong cơ thể côn trùng bị phá vỡ thì côn trùng mới chết. Lúc này nấm vẫn tiếp tục phát
triển và sinh trưởng trên xác côn trùng là nền cơ chất giầu chất hữu cơ.
Về cơ chế gây bệnh nấm và làm côn trùng chết cũng phải kể đến vai trò của độc tố (toxin) nấm. Trong công trình nghiên cứu các chủng nấm sống trong đất các tác giả McCoy et al, 2008 đã mô tả rất chi tiết các chủng nấm thuộc giống Beauveria, Latch et al, 1976 thì mô tả các chủng nấm thuộc chi Metarhizium. Các tác giả cũng đã xác định ngoại độc tố của những nấm này là sản phẩm thứ cấp vòng peptít là destruxin A, B, C, D, L – provin – L – leucine anhydride, L-provin-L-valine anhydride và desmethyl destruxin B.
* Nghiên cứu về các nhân tố ảnh hưởng hiệu lực của nấm gây bệnh đến ký chủ
- Bệnh nguyên
Khả năng gây bệnh của nấm lên cơ thể côn trùng là yếu tố chất lượng của độc lực loài nấm đó và nó được xác định bởi nhiều các nhân tố, bao gồm sinh lý của ký chủ (kháng thể), sinh lý của nấm (các nhân tố khả năng gây bệnh như sản sinh các enzyme và các độc tố) và môi trường. Nấm là một nhóm có phổ ký chủ rộng nhất trong các loại bệnh của chân khớp. Tuy nhiên phổ ký chủ rộng tùy thuộc theo từng loài nấm như Aschersonia aleyrodis chỉ ký sinh trên ruồi nhà, N. rileyi hầu như chỉ ký sinh trên họ ngài đêm bộ cánh vảy. Trái lại, các loài như B. bassiana và M. anisopliae có phổ ký chủ rất rộng bao gồm nhiều bộ trong ngành chân đốt. Hiện nay hai loài B.bassiana và M.anisopliae được đăng ký với ngân hàng Gene một bộ sưu tập kiểu gene và được coi là các loài hoàn hảo và có triển vọng nhất. Khả năng ký sinh thường được xác định trong các giới hạn quyết định của môi trường bao gồm nồng độ và phương pháp sử dụng, trong đó khả năng ký sinh (độc lực) của một loài nấm, một phức hệ bao gồm các nhân tố như thời tiết khí hậu phù hợp là một tương lai cho việc thành công của phòng trừ sinh học.
Một yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn một chủng là độc lực, nó là
số lượng của bào tử có thể gây lên bệnh trong một nhóm của côn trùng. Trên thí nghiệm đồng ruộng, mật độ các mầm bào tử phải đủ lớn đảm bảo tốt khả năng côn trùng tới sẽ tiếp xúc với số lượng đủ của các bào tử phải nhiều hơn ngưỡng gây nhiễm. Khi một bệnh nguyên độc tố cao sẽ chỉ cần vài bào tử để gõy bệnh, lựa chọn cỏc kiểu gene độc tố cú hiệu quả rừ ràng cho hiệu quả phòng trừ côn trùng. Đáng tiếc có nhiều các nghiên cứu xác định số lượng độc tố của các dòng nấm côn trùng (LD50) được thiết kế dưới các điều kiện không tuân thủ theo các chỉ số cần thiết của môi trường đồng ruộng (nhiệt độ không đổi). Tuy nhiên một số nghiên cứu đã cố gắng tạo các điều kiện nhân tạo có thể hạn chế hiệu quả của các bệnh nguyên côn trùng trên điều kiện đồng ruộng (các hạn chế môi trường) trong việc đánh giá lựa chọn các kiểu gene có thể gây bệnh dưới các điều kiện (Inglis G.D. et al, 1999).
Khả năng tồn tại của một nấm côn trùng trong một môi trường là một đóng góp quan trọng khác của việc thành công trong sử dụng biện pháp sinh học. Các bào tử tồn tại bền vững tốt, chúng sẽ có khả năng cao khi côn trùng tiếp xúc với các bào tử và gây ra bệnh. Như đã nêu trên, các ngưỡng gây bệnh là động lực và sự tồn tại của bào tử tới khi các điều kiện môi trường thuận lợi cho bệnh phát triển sẽ có kết quả hơn trong phòng trừ.
Một số nấm côn trùng thường gây lên dịch bệnh tự nhiên và khả năng của một bệnh nguyên cho chu kỳ và phát tán là một nhân tố quan trọng trong sự phát triển của dịch bệnh này. Sự lan truyền của nấm N. rileyi là một nhân tố quan trọng trong sự phát triển của dịch bệnh trên đồng ruộng. Kish and Allen (1978) đã tóm tắt các nhân tố phát sinh tác động đến sự phát tán của nấm N. rileyi trên các quần thể sâu nhung hại đậu tương (velvet bean caterpillar) như sau:
1. Sự hình thành bào tử trên xác sâu cần thiết giai đoạn ẩm độ cao (trên 70%), nhưng bào tử sẽ tồn tại trên xác sâu không phụ thuộc vào sự giao động
của ẩm độ cho tới khi xác sâu được làm khô
2. Điều kiện gió khô làm tăng quá trình giải phóng bào tử
3. Điều kiện gió khô cũng làm chậm lại quá trình nảy mầm và ký sinh của bào tử, nhưng ký sinh tăng nếu có ẩm độ đạt được cho sự nảy mầm của bào tử.
4. Mưa và dinh dưỡng làm tăng sự hình thành bào tử trên xác sâu 5. Bào tử được rửa bởi nước mưa và được làm ẩm sẽ tươi lên
6. Một lượng ẩm độ cao trong quá trình đỉnh cao của dịch bệnh có đôi chút ảnh hưởng tới tiến trình dịch bệnh, nhưng một sự vượt ẩm độ trong giai đoạn đầu của dịch bệnh (dưới 10% nhiễm bệnh) có thể làm cho tốc độ nhiễm bệnh chậm lại, nếu như sau quá trình hình thành bào tử nhưng trước khi giải phóng bào tử
7. Sự xen kẽ giữa ẩm và khô là sự cần thiết cho tốc độ lây nhiễm và một thời gian ngắn, dinh dưỡng ẩm và ẩm độ cao với giai đoạn dài hơn trong điều kiện khô, gió nhẹ là tốt nhất cho sự gia tăng và tốc độ lây nhiễm.
- Ký chủ
Một phức hệ các nhân tố bao gồm sinh lý và hình thái có ảnh hưởng tới tính mẫn cảm của các loài sâu hại tới nấm ký sinh côn trùng như: Mật độ phân bố, tập tính, tuổi sâu, dinh dưỡng, di truyền và sự phơi nhiễm gây ra bởi cơ giới, hóa học hoặc các tác nhân không phải là vi sinh vật khác (các loài bắt mồi và ký sinh). Một đánh giá chi tiết về ảnh hưởng của nhân tố ký chủ đối với sự phát triển của bệnh nằm ngoài phạm vi nghiên cứu ở đây và chúng tôi tập trung nghiên cứu vào các nhân tố quan trọng ảnh hưởng tới hiệu lực ký sinh của nấm côn trùng bộ Hyphomycetes trong việc quản lý côn trùng hại.
Một trong những mô hình quan trọng nhất trong phòng trừ bằng vi sinh vật là những loài côn trùng hoạt động nhiều thì mẫn cảm hơn những loài không hoạt động nhiều (Steinhaus, 1958a; Vago, 1963). Trong khi nhiều nhân tố ảnh hưởng và mở đường cho sự gây bệnh côn trùng (như mật độ, dinh
dưỡng, sự tiếp xúc với hóa chất gây stress, môi trường), các cơ chế sinh lý (tức là suy giảm tính miễn dịch) của hiện tượng sốc và sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố mụi trường vẫn chưa được hiểu rừ. Dinh dưỡng của cụn trựng là một nhân tố rất quan trọng ảnh hưởng tới tính mẫn cảm đến sự gây bệnh trên côn trùng và nó thường bị bỏ qua khi nghiên cứu quá trình phát triển của bệnh. Không đầy đủ dinh dưỡng thường dẫn tới tăng tính mẫn cảm của bệnh cho côn trùng và việc sử dụng các giống cây trồng có kiểu gen kháng để làm giảm nguồn thức ăn cho sâu hại có thể làm tăng tính mẫn cảm của côn trùng.
Ngược lại, chế độ ăn cũng có thể làm giảm tính mẫn cảm của dịch hại đối với tính gây bệnh côn trùng của nấm bộ Hyphomycetes. Ekesi et al. (2010) đã tìm ra rằng loài bọ trĩ Megalurothrip sjostedti ít mẫn cảm nhất đối với M.
anisopliae trên một số giống đậu bò bởi vì chúng có hợp chất kìm hãm nấm.
Nồng độ các chất chuyển hóa trung gian trong cây được cho là cao hơn trong lá non so với lá già nhưng lá già chứa ít dinh dưỡng hơn (nitơ và nước) (Fenny, 1992).
Việc giảm lượng dinh dưỡng và nước trong lá già của những cây lâu năm đã được chỉ ra là có quan hệ chặt chẽ làm giảm tỷ lệ sinh trưởng của các ấu trùng bộ cánh vảy so với những loài ăn lá non hoặc ăn lá cây thân thảo (Krischik và Denno, 1983). Hàm lượng protein cao trong chế độ ăn của côn trùng có thể đối trọng với sự ảnh hưởng của độc tố của những chất chuyển hóa trung gian như alkaloid (Costa và Gaugler, 1989). Hiện nay nó được xác định là côn trùng có thể tách các hợp chất kháng nấm từ thức ăn để bảo vệ chúng chống lại bệnh nấm, và hiện nay ngày càng tăng sự tập trung nghiên cứu vào tác động của dinh dưỡng đối với sự gây bệnh của nấm trên côn trùng (Inglis G.D. et al., 1999), nó bao gồm các phản ứng sinh lý trong quá trình lây nhiễm bệnh cho côn trùng bởi nấm bộ Hyphomycetes là một chiến lược chắc chắn trong các nghiên cứu ứng dụng, nó có thể được áp dụng để làm