CHƯƠNG 1: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 1.1 Giới thiệu về cây ớt
1.4 Phòng trừ bệnh cây bằng biện pháp sinh học
Theo Hiltner (1904) thì vùng rễ (rhizosphere) là khu vực xung quanh hệ thống rễ và ảnh hưởng lên rễ (trích dẫn bởi Hartman, 2008). Vùng rễ là môi trường rất phức tạp với các tác động của vi sinh vật lên cây trồng và ngược lại và chúng phụ thuộc lẫn nhau. Rễ cây sẽ tiết dịch và các sản phẩm phân hủy để thu hút và làm thức ăn cho vi sinh vật ngược lại cây trồng sẽ được một số lợi từ vi sinh vật. Thành phần của dịch tiết ở rễ chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố như loài thực vật, từng vùng của rễ, các yếu tố vô sinh và hữu sinh (Siddiqui, 2006).
Vi khuẩn vùng rễ (rhizobacteria) là những vi khuẩn sống và định cư ở vùng rễ cây trồng, chúng có thể nhân mật số và định cư ở tất cả các ổ sinh thái ở rễ vào mọi giai đoạn phát triển của cây (Antoun and Prévost, 2005).
Có khoảng 2-5% vi khuẩn vùng rễ khi được chủng vào đất có hệ vi sinh vật cạnh tranh, biểu hiện có lợi cho sự tăng trưởng của cây được gọi là vi khuẩn vùng rễ kích thích tăng trưởng của cây (Plant Growth Promoting Rhizobacteria = PGPR) (Kloepper and Schorch, 1978).
1.4.2 Mối quan hệ giữa PGPR với cây trồng 1.4.2.1 Vi khuẩn ngoại sinh rễ
Nhiều vùng trên rễ non được định cư bởi vi khuẩn, nơi đây có nhiều hốc sinh thái thích hợp mà những vi khuẩn thuộc các chi như Azotobacter, Arthrobacter, Bacillus và Pseudomonas có thể phát triển. Những vi khuẩn này có khả năng ngăn chặn vi sinh vật có hại. Nhiều báo cáo cho thấy tác động có lợi của vi khuẩn vùng rễ lên sự tăng trưởng của cây trồng là do chúng có khả năng kiềm hãm hay chiếm chỗ mầm bệnh (Lambert et al., 1987).
1.4.2.2 Vi khuẩn nội sinh rễ
Theo Zinniel et al. (2002) thì vi khuẩn nội sinh là những vi khuẩn sống trong mô cây, chúng có thể tác động gây hại hoặc có lợi cho cây ký chủ. Vi khuẩn nội sinh có thể được phân lập từ bề mặt hoặc bên trong mô cây.
Vi khuẩn vùng rễ thường là các vi khuẩn sống tự do nhưng một số loài có thể xâm nhập vào vào mô cây sống mà không làm cây biểu hiện triệu chứng bị xâm nhiễm, được gọi là vi khuẩn nội sinh rễ (endophytes) (Autoun và Prévost, 2005).
Theo Kado (1992) and Kloepper (2006) thì vi khuẩn nội sinh có khả năng tạo một ổ sinh thái giống như ổ sinh thái của vi khuẩn gây bệnh và không gây hại cho cây ký chủ. Đây là một đặc điểm để xử lý vi khuẩn vào hạt hoặc rễ của cây trước khi trồng.
1.4.3 Khả năng kích thích sinh trưởng của vi khuẩn vùng rễ 1.4.3.1 Sự tạo ra indol acetic acid (IAA)
Theo Phạm Việt Cường và ctv. (2003) thì việc sử dụng đa chủng trong thực tế làm tăng hoặc không làm ảnh hưởng tới các chủng vi khuẩn chi Bacillus được phân lập từ đất trồng tại Việt Nam. Nhưng khả năng sinh tổng hợp IAA phụ thuộc rất mạnh vào chủng, chi vi khuẩn, môi trường nuôi cấy và một số nhân tố khác. Có 80% vi khuẩn phân lập từ vùng rễ có khả năng sản sinh IAA và chúng được nghiên cứu không chỉ vì hiệu ứng sinh lý của chúng lên cây trồng mà còn có thể do vai trò của phytohocmon đáp ứng sự tương tác giữa vi khuẩn-thực vật.
1.4.3.2 Tạo ra Siderophore
Vi khuẩn tạo siderophore kích thích cây tăng trưởng một cách gián tiếp qua việc cô lập lượng sắt có giới hạn trong vùng rễ, đặc biệt trong đất trung tính và đất kiềm, làm giảm lượng sắt hữu dụng cho sự tăng trưởng của mầm bệnh (Husen, 2003).
1.4.4 Kích thích tính kháng bệnh bằng PGPR
Theo Kloepper et al. (1980) thì: cơ chế kích thích tính kháng bệnh bằng vi khuẩn là do các vi khuẩn vùng rễ có thể tiết ra các chất kháng sinh thực vật ức chế mầm bệnh, tạo ra siderophore cạnh tranh sắt trong đất và tạo ra các enzyme chitinase và β- 1,3 glucanase hòa tan vách tế bào vi khuẩn gây bệnh.
Cách thức xử lý thường là đổ dịch huyền phù vi khuẩn (hay hỗn hợp nhiều vi khuẩn) vào đất, hoặc nhúng rễ cây con trong dịch hỗn hợp huyền phù vi khuẩn, hay áo hạt với số lượng lớn vi khuẩn trước khi gieo. Sau đó, cây con được chủng mầm bệnh ở một phần khác không tiếp xúc với vi khuẩn vùng rễ, nếu sự kích kháng xảy ra thì hiệu quả ức chế mầm bệnh do vi khuẩn vùng rễ có thể biểu hiện lên những mô cây bên trên không trực tiếp tiếp xúc với vi khuẩn vùng rễ. Có nhiều vi khuẩn vùng rễ cũng có thể ức chế trực tiếp sinh trưởng của mầm bệnh, do đó để đánh giá khả năng kích kháng lưu dẫn, vi khuẩn phải không có mặt ở vị trí tấn công của mầm bệnh. (Van Loon et al., 1998; trích dẫn bởi Trang Thanh Bình, 2009).
Sự kích kháng lưu dẫn không phụ thuộc vào sự phát triển của phản ứng siêu nhạy cảm, nhưng có khả năng ngăn chặn tối đa khi việc kích thích của mầm bệnh gây ra vết
hoại tử. Trái lại, việc kích thích do VKVR không gây ra bất kỳ một triệu chứng nào trên cây ký chủ, và tăng cường sự sinh trưởng của cây (Van Loon et al., 1998).
1.4.5 Một số đặc điểm của vi khuẩn thuộc chi Bacillus 1.4.5.1 Đặc điểm chung về hình thái, sinh học và sinh thái
Bacillus spp. thường cú dạng hỡnh que với kớch thước 1,0-1,2ì3,0-5,0àm, gram dương, không có lớp capsule, hiếu khí. Vi khuẩn tạo nội bào tử có kích thước 1,0x1,5àm (Cook and Baker, 1989). Bacillus cereus là vi khuẩn gram dương cú khả năng tạo nội bào tử và rất phổ biến trong đất và cây trồng (Huang, 2005). B.
amyloliquefaciens là vi khuẩn gram dương, có dạng hình que với kích thước 0,7- 0,9x1,8-3àm, cỏc tế bào thường kết thành chuỗi, cỏc tiờm mao được đớnh ở trung tõm hoặc hơi lệch tâm. Nhiệt độ tối ưu cho sự tăng trưởng của B. amyloliquefaciens là 30- 400C. Tăng trưởng không xảy ra dưới 150C hoặc trên 500C .(Priest et al., 1987).
1.4.5.2 Đặc tính về sự hình thành nội bào tử và khả năng lưu tồn
Bacillus có khả năng hình thành nội bào tử để sống sót khi gặp điều kiện môi trường bất lợi như nhiệt độ cao, khô, hóa chất độc hại (chất khử trùng, kháng sinh) và bức xạ tia cực tím. Ở nhiệt độ 1000C, nội bào tử của một loài Bacillus có thể chịu được từ 2,5-1200 phút (20 giờ) (Phạm Văn Kim, 2000). Nội bào tử có khả năng chịu nhiệt do thành phần cấu tạo có hàm lượng calcium và dipicolinic acid cao, tạo thành calcium dipicolinate làm tế bào mất kiệt nước và không còn hoạt động biến dưỡng nữa; lớp vỏ ngoài và vỏ trong dầy, không thấm nước bảo vệ nội bào tử trước tác động của bức xạ và hóa chất (Cowan, 2013). Sự thành lập nội bào tử là một tiến trình phức tạp, trải qua nhiều giai đoạn, cần khoảng 10 giờ ở loài Bacillus megaterium (Willey et al, 2011).
Nhiều nhân tố có ảnh hưởng trên sự hình thành nội bào tử được ghi nhận như: nhiệt độ sinh trưởng, pH môi trường, điều kiện thoáng khí, sự hiện diện của một số khoáng, nguồn carbon, nitrogen và phosphorus và nồng độ của chúng, nhưng hai nhân tố môi trường có vai trò đặc biệt quan trọng được xác định là sự thiếu hụt dưỡng chất và mật số quần thể (Logan and Halket, 2011). Tình trạng thiếu hụt dưỡng chất, đặc biệt khi nguồn carbon hoặc nitrogen đầy đủ, là tác nhân kích thích tế bào sinh dưỡng chuyển sang dạng nội bào tử. Ở hầu hết các loài, tiến trình từ khi tế bào sinh dưỡng nhận biết điều kiện kích thích, cần thời gian 6-8 giờ (Cowan, 2013).
Nội bào tử có thể tồn tại trong một thời gian dài cho đến khi điều kiện môi trường thuận lợi hơn cho sự tăng trưởng. Sự chuyển thành tế bào sinh dưỡng từ nội bào tử thường gồm 3 giai đoạn chính: hoạt hóa, nảy mầm và tăng sinh, trong đó nếu
không có tác động hoạt hóa nội bào tử có thể không hoạt động, ngay cả khi dinh dưỡng đầy đủ (Willey et al, 2011). Tiến trình hoạt hóa, chuẩn bị cho nội bào tử nảy mầm, thường có liên quan đến vai trò tác động của nhiệt. Các khảo sát về ảnh hưởng của nhiệt độ lên sự chuyển hóa từ nội bào tử thành tế bào sinh dưỡng, cho thấy nhiệt độ kích hoạt thường là 65oC trong 45 phút, 34oC trong 48 giờ và sự hoạt hóa này là thuận nghịch. Ở nhiệt độ 30oC sự hoạt hoá cũng được ghi nhận và trong thực tế nhiệt độ này dễ dàng xảy ra trong đất hoặc đống chất hữu cơ đang phân hủy (Keynan et al., 1964).
Trong tự nhiên, nội bào tử nảy mầm có lẻ chỉ do phản ứng với chất dinh dưỡng, thường là các amino acid, đường hoặc purine nucleoside, riêng rẻ hay kết hợp, như kết hợp của asparagine, glucose, fructose and K+ (AGFK) gợi sự nảy mầm của nội bào tử B. subtilis, giai đoạn gợi này chỉ xảy ra trong vòng vài giây, và tiến trình tiếp tục ngay cả khi đã loại bỏ tác nhân khởi phát. Theo Cowan (2013) tiến trình này có thể hoàn tất khỏ nhanh, thường trong 1ẵ giờ. Cỏc tỏc nhõn kớch thớch húa học cú thể là cỏc phõn tử hữu cơ có trọng lượng phân tử nhỏ như amino acid hoặc muối vô cơ kích thích hoạt động của các thể màng của nội bào tử hình thành các enzyme để thủy phân lớp vỏ bao và tạo điều kiện để tế bào hấp thu nước, hút dinh dưỡng và phát triển thành tế bào sinh dưỡng có chức năng biến dưỡng và sinh trưởng bình thường. Trong sự nảy mầm, nội bào tử phồng lên, làm phân hủy và tiêu thụ các lớp vỏ bảo vệ, tăng hoạt động biến dưỡng, nên cũng mất khả năng chống chịu với nhiệt và các yếu tố khắc nghiệt của môi trường khác. Ở giai đoạn tăng sinh, các thành phần mới trong tế bào chất được hình thành, từ các phần còn lại của nội bào tử, và phát triển thành tế bào vi khuẩn hoạt động (Willey et al, 2011).
1.4.5.3 Tiềm năng ứng dụng vi khuẩn thuộc chi Bacillus trong nông nghiệp.
Vi khuẩn thuộc chi Bacillus được đánh giá hội tụ những tính năng căn bản cho việc ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp. Nhiều chủng Bacillus đã được nghiên cứu và hiểu biết nhiều, được xác nhận tính an toàn, nói chung khi dùng làm tác nhân phòng trừ sinh học. Do có khả năng tạo nội bào tử trong điều kiện môi trường không thuận lợi, Bacillus có khả năng sống sót rất tốt với các điều kiện khác nghiệt của môi trường, như nhiệt độ cao, pH cao hoặc thấp hơn giá trị mà các loài khác chịu đựng được, thiếu dưỡng chất hay nước,... (Cawoy et al., 2011). Trong nuôi nhân công nghiệp, nội bào tử thường hình thành vào cuối giai đoạn nuôi nhân, do đó thuận lợi cho việc gia công các chế phẩm dạng bột có tỉ lệ nội bào tử cao (Lolloo et al., 2010).
Chế phẩm sinh học có tác nhân là vi khuẩn tạo nội bào tử thường có thời gian
phòng trừ sinh học và kích thích sinh trưởng thực vật theo nhiều cơ chế khác nhau, nhiều chủng Bacillus được xem như là những tác nhân sinh học an toàn và có tiềm năng cao trong phòng trừ sinh học (Silo-suh et al., 1998; Cawoy et al., 2011).