2.3. Vi khuẩn vùng rễ, vi khuẩn nội sinh thực vật và vai trò của chúng đối với
2.3.2. Vi khuẩn nội sinh thực vật (endophytic bacteria
Vùng rễ cây trồng là nơi xuất xuất phát của nhiều vi khuẩn sống nội sinh thực vật (Mano và Morisaki, 2008). Khái niệm về vi khuẩn nội sinh có thể được hiểu là các vi khuẩn tập trung trong mô thực vật mà không gây bệnh hoặc những hậu quả tiêu cực khác đối với cây chủ (Schulz và Boyle, 2005). Vi khuẩn nội sinh trải qua phần lớn vòng đời trong cây chủ (Quispel, 1992). Có hơn 300.000 loài thực vật được biết trên Trái đất mà hầu hết mỗi loài đều có một hay một số loài vi khuẩn sống nội sinh (Strobel et al., 2004). Tuy nhiên chỉ một số ít cây trồng được nghiên cứu tường tận vì hiệu quả kinh tế của chúng và qua đó tìm thấy nhiều loài vi khuẩn nội sinh với các đặc tính tốt (Ryan et al., 2008).
Qua nhiều kết quả nghiên cứu về vi khuẩn nội sinh trên nhiều đối tượng thực vật như Lúa mì, Bông vải, Ngô, Cải Canola (Brassica napus L. hay Brassica campestris)... các tác giả đều cho rằng chúng bắt nguồn từ đất. Hạt giống và cây con mang theo chúng và theo đó phân phát đến các vùng khác nhau. Tại đây, chúng nhanh chóng phát triển trong đất vùng rễ hay bề mặt rễ, nhân mật số và di chuyển vào trong mô thực vật bằng nhiều con đường khác nhau. Theo Hallmann (2001), vi khuẩn nội sinh thường được thu hút đến cây chủ bằng cơ chế hóa hướng
động (chemotaxis) hay di chuyển ngẫu nhiên. Rễ cây tiết ra một số hợp chất thu hút vi khuẩn nội sinh đến và quần tụ (colonization) trên bề mặt rễ (Bashan, 1986).
Một hợp chất trung gian để gắn chặt vi khuẩn vào bề mặt rễ được các nhà khoa học giả định là lectin. Duijff et al. (1997) đã chứng minh vi khuẩn nội sinh dòng WCS417r đến bề mặt rễ do một hợp chất lipopolysaccharide. Ngoài ra, sự tiếp xúc ngẫu nhiên của vi khuẩn với lông hút của rễ non khi rễ phát triển để tìm nguồn nước hay dưỡng chất cũng là một cơ hội quan trọng.
Trước khi xâm nhập vào mô thực vật, vi khuẩn phải phân cắt hay sinh sản để tăng mật số vì sự tập trung của chúng tại các địa điểm có khả năng xâm nhập tương đối thấp, chỉ từ 1.000 đến 100.000 tế bào/g mô thực vật (Hallmann, 2001).
Sự xâm nhập của vi khuẩn nội sinh vào mô thực vật có thể diễn ra qua các con đường sau: Qua các lỗ tự nhiên như thủy khổng, khí khổng, bì khổng; qua vi lỗ hiện diện khi bắt đầu sự hình thành lông hút; qua vị trí hình thành các rễ ngang (lateral root); qua các vết thương do tác động vật lý hay qua các vết bệnh. Trong số đó, vi lỗ và vết thương là các cửa ng quan trọng vì đây là lớp tế bào non dễ xâm nhập. Vết bệnh do tuyến trùng (Hallmann et al., 1997) hoặc do nấm bệnh (Mahafee và Kloepper, 1997) cũng là cửa ng cho vi khuẩn nội sinh xâm nhập.
(EC: Tế bào biểu bì; h: Lông hút; b: Vi khuẩn; Bar = 1 m) Hình 2.6. Ảnh hiển vi điện tử quét về sự dòng hóa trên vùng lông hút rễ Lúa của Burkholderia kururiensis
(Nguồn: Mattos et al., 2008)
Sau khi xâm nhập vào nhu mô, vi khuẩn nội sinh di chuyển đến các bó mạch gỗ để theo nước di chuyển đến các bộ phận khác của cây. Thí nghiệm của Mattos et al. (2008) cho thấy quá trình dòng hóa quanh vùng có lông hút của rễ Lúa, xâm nhập vào bên trong và di chuyển đến mạch gỗ của Burkholderia kururiensis. Các thí nghiệm về sự dòng hóa của Herbaspirillum sp. A46 trên các giống Lúa ( ndo, 2003) hay của Gluconacetobacter diazotrophicus trên Cà chua (Luna et al., 2012) cũng cho thấy sự tiếp cận rễ (rễ ngang hoặc lông hút), xâm nhập và di chuyển lên thân, lá của vi khuẩn nội sinh. Beatle và Lindow (1995) cho rằng vi khuẩn nội sinh cũng có khả năng xâm nhập trực tiếp vào bên trong mô lá qua khí khổng để đi đến tế bào nhu mô lá (Hallmann, 2001). Ở đấy, chúng có thể phát triển trong điều kiện vi hiếu khí ở một khoảng không với một lượng oxy cần thiết tương tự như khoảng không chứa khí ở nhu mô rễ mà Rheinold et al. (1986) đã phát hiện trên vi khuẩn nội sinh rễ Lúa.
Vi khuẩn nội sinh giúp tăng cường dinh dưỡng cho cây bằng nhiều cơ chế trực tiếp hay gián tiếp. Nhiều vi khuẩn nội sinh có khả năng cố định đạm, có vai trò quan trọng trong vòng tuần hoàn nitrogen, bổ sung nguồn đạm cho đất và cây trồng, ổn định năng suất cây trồng, giúp phát triển sinh thái bền vững (Persello- Cartieaux et al., 2003). Thí nghiệm trên Mía tại Brazil cho thấy vi khuẩn nội sinh có thể cung cấp 80 kg N/ha/năm (Boddey et al.,1995). Khi nghiên cứu ở 4 loài Lúa trồng khác nhau ở Ấn Độ, người ta đã xác định được vi khuẩn nội sinh Gluconacetobacter diazotrophicus có khả năng cố định đạm nhờ vào gen nif (Muthukumarasamy et al., 2005). Có 32 dòng thuộc các chi Pantoea, Pseudomonas, Burkholderia, Acinetobacter và Ralstonia đã được phân lập từ hai loại cây trồng phổ biến ở Trung Quốc là Ngô và Cải. Tất cả các dòng đều có khả năng hòa tan tricalcium phosphate và làm giảm pH môi trường, đồng thời có hơn 60% tổng số dòng còn có khả năng sản sinh indoleacetic acid và siderophore (Huang et al., 2010). Nhiều nghiên cứu cho thấy các vi khuẩn nội sinh như Enterobacter cloacae, Azospirillum brasilense, Azotobacter, v.v... có khả năng tổng hợp I từ tiền chất L-tryptophan (Koga et al., 1999; Ahmad et al., 2005;
Somers et al., 2005). Các khám phá mới về khả năng chống lại các tác nhân gây
bệnh cho cây thông qua các tác nhân đối kháng sinh học hay khả năng tổng hợp các hợp chất giúp phân hủy thuốc bảo vệ thực vật hay các dung môi hữu cơ của các vi khuẩn nội sinh cũng đã được thông báo (Nelson, 2004; Berg et al., 2005;
Siciliano et al., 2001; Germaine et al., 2006).
Các công trình nghiên cứu trong nước về các đặc tính quý của các vi khuẩn vùng rễ và vi khuẩn nội sinh thực vật phân lập từ nhiều loại thực vật khác nhau cũng đang gia tăng nhanh chóng và đem lại nhiều kết quả khả quan (Lăng Ngọc Dậu et al., 2007; Nguyễn Hữu Hiệp, 2008; Nguyễn Thị Thu Hà et al., 2009; Vũ Văn Định, 2009; Lương Thị Hồng Hiệp và Cao Ngọc Điệp, 2011; Nguyễn Thị Ngọc Trúc, 2012). Các kết quả này có thể được ứng dụng trong các lĩnh vực như phân bón vi sinh, đối kháng sinh học, khử độc môi trường, v.v... nhằm tiến tới một nền sản xuất Nông nghiệp phát triển bền vững.