2.2. Khát quát về vi khuẩn nội sinh
2.2.3. Một số đặc tính của vi khuẩn nội sinh
Đạm là là chất dinh dưỡng cần thiết và quan trọng cho sự phát triển của cây trồng. Không khí có khoảng 80% là khí nito nhưng cây trồng không thể hấp thu trực tiếp khí nito trong không khí được. Cây trồng chỉ có thể hấp thu đạm có sẵn trong đất ở dạng ammonium và nitrate thông qua rễ của chúng. Các vi khẩn nội sinh thực vật có khả năng sử dụng đạm trong không khí nhờ sự cố định đạm sinh học, là quá trình chuyển nito trong không khí thành thành dạng đạm nguyên tử rồi thành dạng đạm vô cơ ammonia - dạng đạm mà cây trồng có thể hấp thụ được, sau đó vi khuẩn sẽ chuyển hóa tiếp một phần thành dạng acid amin hữu cơ để vi khuẩn sử dụngnhờ sự xúc tác của enzyme nitrogenase (Santi et al., 2013). Enzyme nitrogenase gồm heterotetrameric protein MoFe liên kết với homodimeric protein Fe. Các electron sẽ đi vào homodimeric Fe protein và được vận chuyển tới protein MoFe nhờ năng lượng ATP, qua đó electron được hoạt hóa để phản ứng với nito. Mỗi electron được chuyển đến MoFe protein đủ để phá vỡ một liên kết của N2, dù vậy cũng chưa có sự hiểu biết chính xác là 3 chu kỳ như thế sẽ chuyển một phân tử N2 thành ammonia. Nitrogenase sẽ liên kết mỗi nguyên tử nito với ba nguyên tử hidro để tạo ammonia (NH3) (http://en.wikipedia.org/wiki/Nitrogenase, 2013). Phản ứng khử nito với xúc tác của enzyme nitrogenase có thể được tóm tắt như sau:
N2 + 6e- + 12 ATP + 12 H2O → 2 NH4
+ + 12 ADP + 12 Pi + 4 H+ Quá trình khử này gồm nhiều phản ứng khử kế tiếp nhau:
N2 + 2 H+ → [NH=NH] + 2 H+ → [NH=NH] + 2 H+ → 2 NH3
Ammonia tạo ra trong chu trình tiếp tục được đồng hóa tạo thành những acid amin cung cấp cho cây trồng (Nguyễn Lân Dũng et al., 2007).
Theo Dilworth (1966), enzyme nitrogenase cũng khử C2H2 (acetylene) thành C2H4 (ethylene) và nhờ điều này các nhà nghiên cứu đã tìm ra phương pháp khử acetylene (ARA) dùng để xác định hoạt động enzyme nitrogenase rất hữu ích trong việc định lượng quá trình cố định đạm, từ đó có thể chọn lọc những dòng vi khuẩn có khả năng cố định đạm tốt.
Ở một số sự cộng sinh như Klebsiella sp. với cây lúa hay Azospirillum sp. với bắp, việc bổ sung nguồn carbon như sodium malate là rất cần thiết cho hoạt động của enzyme nitrogenase trong quá trình cố định đạm (Santi et al., 2013).
2.2.3.2. Khả năng hòa tan lân khó tan
Lân là một trong những dưỡng chất cần thiết cho sự tăng trưởng, phát triển của cây trồng và cũng là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến năng suất cây trồng. Cây trồng chỉ có thể sử dụng được lân dưới dạng hòa tan trong đất. Tuy nhiên, nồng độ lân hòa tan trong đất thường rất thấp, ở mức 1 ppm hoặc ít hơn (10M H2PO4
-) (Goldstein, 1994). Lân thường được bổ sung vào đất dưới dạng phân bón dạng hòa tan mà cây trồng dễ sử dụng nhưng lượng lân vô cơ hòa tan này nhanh chóng bị cố định và kết tủa thành dạng không hòa tan và trở nên không có giá trị đối với cây trồng (Rodríguez và Fraga, 1999). Bên cạnh đó, nhều loại đất như đất đỏ bazan, đất đen,… có hàm lượng lân trong đất khá cao nhưng cây lại không hút được để sử dụng do lân ở dạng khó tan.
Trong đất, lân cũng tồn tại dưới dạng vật chất hữu cơ. Lân hữu cơ có thể chiếm đến 30-50% lân tổng số (Paul và Clark, 1988). Các hợp chất lân vô cơ được hình thành do quá trình phân giải lân hữu cơ (còn gọi là quá trình khoáng hóa lân hữu cơ), phần lớn là các muối phosphat khó tan mà cây trồng không thể hấp thu (Trần Cẩm Vân, 2005).
Một số vi khuẩn cộng sinh cố định đạm có khả năng hòa tan lân do chúng có thể tiết ra các acid hữa cơ hòa tan các hợp chất lân khó tan (Yahya and Al-Aseawi, 1989).
Các acid hữu cơ này có trọng lượng phân tử thấp, chủ yếu là acid gluconic và acid 2- ketogluconic (Goldstein, 1995; Rodríguez và Fraga, 1999). Các acid hữu cơ khác như acid glycolic, acid oxalic, acid malonic và acid succinic cũng được nhận diện trong một số vi khuẩn có khả năng hòa tan lân (Banik and Dey, 1982; Illmer và Schinner, 1992).
Vi khuẩn tiết ra những acid hữu cơ có thể hòa tan lân khó tan do làm giảm pH, sự chelate hóa của các ion dương và cạnh tranh vị trí hấp thụ trong đất (Nahas, 1996).
Theo Kucey et al. (1989), sự làm giảm pH đất rất quan trọng trong cơ chế hòa tan lân dạng khó tan trong đất.
Ngoài cơ chế acid hóa, theo Moghimi và Tate (1978), các vi khuẩn còn có thể hòa tan lân khó tan bằng sự tạo phức và các phản ứng trao đổi ion. Trong đó, phức cation có thể là cơ chế quan trọng trong các trường hợp hòa tan lân khó tan khi có cấu trúc acid hữu cơ thích hợp để tạo ra phức.
2.2.3.3. Khả năng tổng hợp indole-3-acetic acid (IAA)
Indole-3-acetic acid (IAA) là một loại auxin phytohormone tự nhiên mà nhiều loài vi khuẩn có khả năng tổng hợp được (Spaepen et al., 2007). IAA chi phối sự phân chia tế bào ở giai đoạn đầu phát tiển của cây trồng, sự giản dài tế bào, phân hóa sinh mô và phát triển quả và hạt. Ngoài ra, IAA kích thích đồng thời sự giãn dài trục lá mầm, ngăn cản sự sinh trưởng của rễ chính, kích thích sự khởi đầu của rễ bên và sự tạo thành lông rễ (Theologis và Ray, 1982; Gray et al., 2001). Theo Spaepen và Vanderleyden (2011) trên 80% vi khuẩn được phân lập từ vùng rễ có khả năng tổng hợp IAA. Nhiều loài vi khuẩn cố định đạm sống tự do, vi khuẩn sống cộng sinh có cơ chế tổng hợp IAA từ tiền chất chính là L-tryptophan như Azospirillum brasilense (Somers et al., 2005), Azotobacter (Ahmad etal., 2005) và Enterobacter cloacae (Koga et al., 1991). Từ tiền chất là L-tryptophan, có ít nhất 5 lộ trình được mô tả cho sự tổng hợp IAA, trong đó vi khuẩn tổng hợp IAA chủ yếu qua hai lộ trình là lộ trình indole-3-pyruvate (IPA) và indole-3-acetamide (IAM), các lộ trình khác như lộ trình tryptamine, lộ trình Tryptophan side-chain oxidase (TSO) và lộ trình indole-3- acetonitrile (IAN) (Spaepen và Vanderleyden, 2011).
Hình 2: Tổng quát các lộ trình sinh tổng hợp IAA ở vi khuẩn (Spaepen et al., 2007)
Lộ trình indole-3-pyruvate (IPA) được tìm thấy ở nhiều loài vi khuẩn như Azospirillum brasilense, Azospirillum lipoferum, Enterobacter cloacae, Pseudomonas putida và Pseudomonas agglomerans (Spaepen và Vanderleyden, 2011). Lộ trình này bao gồm 3 bước: đầu tiên, tiền chất tryptophan được chuyển thành IPA nhờ enzyme tryptophan transaminase; sau đó, enzyme indole-3-pyruvate decarboxylase (IPDC) (được mã hóa bởi gene ipdC) xúc tác sự khử nhóm carboxylở IPA thành indole-3- acetaldehyde (IAAld) và IAAld bị oxy hóa thành IAA bởi enyme indole-3- acetaldehyde oxidase (Ryu et al., 2008).
Lộ trình indole-3-acetamide (IAM) là lộ trình được tìm thấy ở vi khuẩn cộng sinh cố định đạm của các loài thuộc chi Rhizobium và Bradyrhizobium. Đầu tiên, enzyme tryptophan-2-monooxygenase (được mã hóa bởi gene iaaM) chuyển tryptophan thành IAM, tiếp theo IAM được thủy phân thành IAA và ammonia bởi enzyme IAM hydrolase (được mã hóa bởi gene iaaH) (Spaepen và Vanderleyden, 2011). Theo Glickmann et al. (1998), Pseudomonas syringae cũng tổng hợp IAA theo lộ trình này.
Lộ trình Tryptophan side-chain oxidase (TSO) chỉ được tìm thấy ở Pseudomonas fluorescens CHA0. Ở lộ trình này, tryptophan được chuyển hóa trực tiếp thành IAAld qua IPA và IAAld bị oxy hóa thành IAA như ở lộ trình IPA (Oberhansli et al., 1991).
Tuy nhiên, một số loài trong Pseudomonas spp. còn có cơ chế tổng hợp IAA không sử dụng tiền chất tryptophan, trong đó indole-3-glycerol phosphate → IPA → IAAld → IAA (PRinsen et al., 1993).