Vào trước những năm 1968, một trong những tranh cãi khoa học về cây bông khi quan sát các vùng trồng bông trong một phạm vi lớn với cùng điều kiện chăm sóc, tuy nhiên có vùng cây bông phát triển hơn hẳn vùng còn còn. Khi đó yếu tố ngoại lai tác động đến sinh trưởng cây bông được xem xét, các nhà khoa học cho rằng IAA chỉ là sản phẩm trao đổi chất thứ cấp bởi vi sinh vật và không có tác động lớn đến sinh trưởng của bông. Tuy nhiên, đến năm 1968, Chandramohan và Mahadevan đã tiến hành nghiên cứu và đã xác định được vi khuẩn nội sinh với rễ cây bông, sản sinh IAA, có tác động lớn đến sinh trưởng cây bông. Các bằng chứng khoa học những năm tiếp theo đã cho thấy rằng các vi khuẩn nội sinh ở bông như một bộ máy sản sinh IAA khổng lồ, giúp kích thích sinh trưởng và tăng năng suất bông (Stijin và Jos, 2010; Ruben và cs, 2012).
Ahmad và cs (2008) tiến hành nghiên cứu nhóm vi khuẩn đất thúc đẩy sinh trưởng ở thực vật cho cây lúa mì, mía, hành tây, súp lơ, bắp cải và đậu xanh phát hiện thấy trên 80% các loài thuộc chi Azotobacter, Pseudomonas và Mesorhizobium, và 20% các loài thuộc Bacillus có khả năng sinh tổng hợp IAA. Hàm lượng IAA sản sinh bởi các chủng vi khuẩn phụ thuộc tỷ lệ thuận vào nồng độ tryptophan bổ sung (50 đến 500 àg/l) vào trong môi trường nuôi cấy. Hàm lượng IAA được sinh tổng hợp ở nồng độ tryptophan 50 và 500 àg/l bổ sung lần lượt dao động 1,47-3,6 àg/ml lờn 10,17-22,02 àg/ml [46].
Sàng lọc trực tiếp các chủng vi khuẩn sản sinh IAA từ đất nông nghiệp bằng sử dụng môi trường giàu dinh dưỡng có bổ sung chất cảm ứng tryptophan 5g/l, Yuan và cs (2011) đã tuyển chọn được 53 chủng vi khuẩn sinh tổng hợp IAA. Kết quả nhận diện trình tự gen 16S rRNA, các chủng sinh IAA này thuộc cả Gram âm và Gram dương: Arthrobacter (chiếm 55%), Ensifer (13%), Sinorhizobium (13%), Pseudomonas (6%), Kocuria (6%), Acinetobacter (6%), Alcaligenes (4%), Pedobacter (2%), Flavobacterium (2%), Enterobacter (2%), Bacillus (2%) và Agrobacterium (2%) với hàm lượng IAA dao động từ 5,8 đến 138,6 àg/ml. Ngược lại, khi khụng sử dụng chất cảm ứng tryptophan, IAA của chủng trên vẫn được sinh ra nhưng ở nồng độ thấp hơn nhiều so với có bổ sung tryptophan, khi đó hàm lượng IAA sản sinh dao động từ 1,2 đến 36,5 àg/ml.
Tương tự, thông qua sử dung môi trường tối ưu cho chủng Klebsiella oxytoca chứa đựng: K2HPO4 (17,8 g/l); KH2PO4 (159,5 g/l); MgSO4ã7H2O (0,2 g/l); NaCl (0,1 g/l); CaCl2 (20 mg/l); FeSO4ã7H2O (20 mg/l); Na2MoO4ã2H2O (2,0 mg/l);
MnSO4ãH2O (2,4 mg/l); H3BO3 (2,8 mg/l); CuSO4ã5H2O (8,0 mg/l); ZnSO4ã7H2O (240 μg/l); biotin (100 μg/l) có bổ sung 100 μg ml tryptophan ở pH 6 cho thấy hàm lượng IAA đạt cao nhất (42,8 àg/ml) (Celloto và cs, 2012).
Với mục tiêu sàng lọc được các chủng vùng rễ hỗ trợ cây trồng sinh trưởng từ các mẫu đất trồng khoai tây, Dhungana và cs (2018) sàng lọc được được 05 chủng bao gồm Microbacterium sp. Sal 8, Agrobacterium sp. Sal 7, Rhizobium sp. Sal 4, Enterobacter sp. Sal 3 và Klebsiella sp. Sal 1 với khả năng sản sinh IAA lần lượt là 4, 13, 20, 40, 65 àg/ml. Những chủng vi khuẩn này cú tỏc động hỗ trợ sinh trưởng của cây khoai tây về kích thước rễ, thân và trồi mầm ít nhất 1,5 lần so với đối chứng trong
điều kiện in vivo.
Kết quả nghiên cứu của Liu và cộng sự (2019) về khả năng sản sinh IAA và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh tổng hợp IAA của chủng Burkholderia pyrrocinia JK-SH007 đã bộc lộ hàm lượng IAA sinh ra phụ thuộc vào nhiệt độ, pH, môi trường lờn men và thời gian lờn men. Cụ thể IAA sản sinh cao nhất khoảng 70 àg/ml từ chủng Burkholderia pyrrocinia JK-SH007 thích hợp ở 37oC, pH 7, sử dụng môi trường Tryptic soy broth có bổ sung tryptophan 6 mg/ml. Trong khi ở hàm lượng IAA có hướng giảm ở nồng độ tryptophan từ 8 đến 10 mg/ml. Phân tích trình tự genome của chủng Burkholderia pyrrocinia JK-SH007 bộc lộ con đường sinh tổng hợp IAA theo một trong ba con đường indole-3-acetamide hoặc indole-3-acetonitrile hoặc tryptamine. Quá trình sinh tổng hợp này được mã hóa bởi hai gen chức năng bao gồm iaaM và iaaH [47].
Nghiên cứu của Myo và cs (2019) tiến hành tuyển chọn nhóm vi khuẩn Gram dương có tác động hỗ trợ cây trồng sinh trưởng, nhóm tác giả đã sàng lọc được Streptomyces fradiae NKZ-259 có khả năng sản sinh IAA cao nhất là 82,363 μg/mL ở điều kiện thích hợp có bổ sung tryptophan ở hàm lượng 2 g/L trong 6 ngày nuôi cấy trong môi trường Tryptic soy broth. Kết quả thử nghiệm tác động của Streptomyces fradiae NKZ-259 đối với cây cà chua cho thấy có tác động tốt, tăng chiều dài rễ và thân ít nhất 2 lần so với đối chứng (không bổ sung Streptomyces fradiae NKZ-259).
Bên cạch đó, chủng Streptomyces fradiae NKZ-259 còn có khả năng ức chế các loại nấm gây bệnh ở thực vật như Botrytis cinerea, Curvularia lunata, Alternaria alternata, Colletotrichum gloeosporioides, Rhizoctonia cerealis và Ustilaginoidea viren [48].
Có nhiều nghiên cứu đã chứng minh được rằng, một số chủng vi khuẩn có cả khả năng đồng thời cố định nitơ và khả năng sinh tổng hợp IAA, đây là nguồn vi sinh vật quan trọng đối với nền nông nghiệp hiện đại. Đã có khá nhiều những nghiên cứu nhằm đánh giá về vai trò của các vi sinh vật có khả năng đồng thời cố định nitơ và sinh tổng hợp IAA, cũng như khả năng ứng dụng của chúng trong nông nghiệp. Nhóm vi khuẩn nổi bật có thể kể đến là các vi khuẩn vùng rễ kích thích tăng trưởng thực vật như Arthrobacter, Azospirillum, Bacillus, Enterobacter, Gluconacetobacter, Klebsiella, Paenibacillus, Pseudomonas,…
Kết quả nhóm nghiên cứu của Samina Mehnaz và cs (2006) xác định sự ảnh
hưởng của 3 dòng vi khuẩn Pseudomonas putida, Gluconacetobacter azotocaptans và Azospirillum lipoferum lên sự phát triển của cây ngô thông qua việc kiểm tra khả năng cố định nitơ và khả năng sản sinh IAA. Kết quả cho thấy khả năng sản xuất IAA của Azospirillum brasilense N8 sản sinh ra lượng IAA cao nhất 16,8 μg/mL, Azospirillum lipoferum N7 sinh tổng hợp ra 6,5 μg/mL IAA; trong khi hai chủng Pseudomonas putida CQ179 và Gluconacetobacter azotocaptans DS1 sinh tổng hợp IAA ít hơn, lần lượt là 105 và 106 ng/mL. Đồng thời, phân tích trình tự gen cho thấy sự có mặt của gen nifD (gen mã hóa cho enzyme nitrogenase có vai trò cố định nitơ) các chủng vi khuẩn Azospirillum brasilense N8, Azospirillum lipoferum N7 và Gluconacetobacter azotocaptans DS1; với khả năng cố định nitơ tự do từ 6,6 đến 120 nmol/giờ. Kết quả khảo sát trên cây ngô bằng việc kết hợp cả ba chủng có khả năng cố định nitơ và sản sinh IAA cho thấy, chúng có tác động tốt trong việc thúc đẩy sinh trưởng ở cây ngô nhanh hơn khoảng 15-20% về chiều dài thân và chiều dài bộ rễ so với đối chứng (không sử dụng các chủng vi khuẩn ở trên).
Với mục tiêu sàng lọc các chủng vi khuẩn vùng rễ, hỗ trợ cây trồng sinh trưởng.
Rodrigues và cs (2016) đã tuyển chọn được tuyển chọn được 21 chủng có khả năng cố định nitơ (từ 8 đến 24 àg/ml tựy thuộc vào lượng trytophan sử dụng) và 47 chủng sản sinh IAA (từ 64,3 đến 127,84 àg/ml). Trong đú Klebsiella spp. (KFA 1.3, KFA 1.2, KRC 2.2 và KRB 1.2), Pantoea sp. KRZ5 và Enterobacter spp. (KRZ6 và KRZ23) có cả khả năng sinh tổng hợp IAA và cố định nitơ. Các chủng vi khuẩn này được bổ sung vào vùng rễ của cây ngô với mật độ 105 CFU/g đất đối với mỗi chủng. Kết quả cho thấy chúng có vai trò làm tăng diện tích lá ngô từ 35,54 đến 46,96 cm2 (trong khi diện tích lá của lô đối chứng là 31,58 cm2); tương tự kéo dài chiều dài mầm từ 8,5 đến 11,8 cm (đối chứng là 8,24 cm). Như vậy rõ ràng các chủng vi khuẩn này có tác động tích cực đối với sinh trưởng cây ngô [49]. Tuy nhiên, nếu nhóm tác giả kết hợp tất cả các chủng này với nhau thì hiệu quả hỗ trợ sinh trưởng cây ngô có thể sẽ tăng cao hơn so với sử dụng đơn lẻ từng chủng.
Công trình nghiên cứu của Giassi và cs (2016) tiến hành đánh giá vai trò của nhóm vi khuẩn vùng rễ hỗ trợ cây cam sinh trưởng. Nhóm tác giả đã tuyển chọn được 30 chủng vi khuẩn đất bao gồm 11 chủng thuộc chi Bacillus và 19 chủng thuộc Actinobacteria. Trong có 06 chủng có tiềm năng ứng dụng trong nông nghiệp với khả
năng sinh tổng hợp IAA và cố định nitơ (nitơ tổng số) tương ứng Bacillus sp. BM24 là 21,07 àg/ml và 41,36 àg/ml; Bacillus sp. CPMO5 (30,34 và 41,08 àg/ml); Bacillus sp. BM16 (20,17 và 17,69 àg/ml); Bacillus sp. CPMO2 (19,43 và 45,09 àg/ml);
Bacillus sp. BM17 (16,03 và 56,5 àg/ml) và Actinobacteria sp. ACT11 (0,73 và 61,54 àg/ml). Đỏnh giỏ vai trũ của cỏc chủng tiềm năng này đối với sinh trưởng cõy cam cho thấy (i) về chiều cao thân dao động từ 15,58 đến 22,56 cm so với đối chứng là 11,9 cm; (ii) tổng số lá trên cây từ 13,2 đến 16,4 lá (đối chứng là 12,0 lá); (iii) đường kính mầm từ 0,34 đến 0,38 cm (đối chứng là 0,29 cm). Tuy nhiên, khi sử dụng tất cả các chủng này với nhau thì không có hiệu quả vượt trội so với sử dụng riêng lẻ từng chủng vi khuẩn đối với cây cam; cụ thể khi kết hợp tất cả các chủng vi khuẩn trên với nhau thì chiều cao cây là 15,28 cm, số lá/cây là 13,4 và đường kính mầm là 0,37 cm [50].
Một nghiên cứu khác của Anjali Chauhan và cs (2017), tiến tuyển chọn được chủng Aneurinibacillus aneurinilyticus CKMV1 vùng rễ với khả năng cố định nitơ 202,91 nmol/giờ và sản sinh IAA khoảng 8,1μg/mL) sau 72 giờ nuôi cấy. Khi tiến hành ủ hạt cà chua với chủng CKMV1 cho kết quả nảy mầm của hạt đạt 88,7%, trong khi đối chứng (không sử dụng chủng CKMV1) là 60,8%. Thêm nữa khi theo dõi sinh trưởng của cây cà chua cũng cho thấy chủng CKMV1 có tác động hiệu quả đối với cà chua. Cụ thể chủng CKMV1 giúp tăng chiều dài rễ và chồi mầm lần lượt là 22,6 và 13,8% so với đối chứng [51].
Với mục tiêu nghiên cứu là tuyển chọn và định lượng nhóm vi khuẩn có vai trò thúc đẩy sinh trưởng ở cây mía, Li và cs (2017) đã tuyển chọn được 30 chủng vi khuẩn thuộc chi Pseudomonas. Kết quả khảo sát cho thấy cả 30 chủng Pseudomonas spp. đều có mang gen nifD (gen mã hóa cho enzyme nitrogenase) và sản sinh IAA. Trong đó sinh tổng hợp IAA dao động từ 13,12 đến 312,07 μg/mL trong môi trường có bổ sung tryptophan với nồng độ khác nhau và lượng nitơ được cố định 6,16 đến 108,30 μmol/ml [52].
Gần đây nhất, nhóm nghiên cứu của Gusti Ayu Kade Sutariati và cs (2020) đã đánh giá sự tác động của vi khuẩn có khả năng cố định đạm, tổng hợp hoocmon sinh trưởng có ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp đến việc tăng trưởng của cây, kể cả sinh trưởng của hạt. Nhóm nghiên cứu đã đánh giá thông qua việc lây nhiễm nhóm nội vi khuẩn Rhizobacteria vào hạt lúa thông qua quá trình ủ sinh học (tất cả các chủng
Rhizobacteria thử nghiệm đều có khả năng cố định nitơ và sinh tổng hợp IAA). Kết quả cho thấy xử lý hạt giống bằng nội vi khuẩn rhizobacteria làm tăng chiều dài rễ của hạt lúa lên đến 140% so với hạt không xử lý.
Tóm lại, nghiên cứu về vi sinh vật có hoạt tính cố định nitơ và sinh tổng hợp kích thích sinh trưởng (IAA) đã được đông đảo các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm. Các kết quả đã được công bố là nguồn học liệu quý báu giúp tác giả có định hướng đúng đắn trong quá trình triển khai nghiên cứu này.
Chương 2