CÁC LOÀI BACILLUS TRONG ĐẤT NHƯ MỘT NGUỒN TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN CHO SỨC KHỎE VÀ DINH DƯỠNG CỦA CÂY TRỒNG

CÁC LOÀI BACILLUS TRONG ĐẤT NHƯ MỘT NGUỒN TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN CHO SỨC KHỎE VÀ DINH DƯỠNG CỦA CÂY TRỒNG

Thành phần vi sinh vật của đất đóng một vai trò quan trọng trong việc giữ cho đất sống và hoạt động, thực hiện một số chức năng không thể thiếu như hình thành đất, phân hủy các chất hữu cơ, xác bã thực vật, động vật, phân giải dinh dưỡng tồn dư cây không sử dụng được chuyển hóa thành dinh dưỡng cây sử dụng được, phân giải các chất độc hại trong đất (Van et al. 2006). Các vi khuẩn có ích sống tự do mang lại lợi ích sức khỏe cho cây trồng được gọi chung là vi khuẩn Rhizobacteria thúc đẩy tăng trưởng thực vật bao gồm các chi khác nhau: Azospirillum, Pseudomonas, Azotobacter, Klebsiella, Enterobacter, Alcaligens, Arthrobacter, Burkholderia, Bacillus và một số loài khác (Bashan et al. 2014). Một số loài thuộc chi Bacillus như B.megaterium, B.roundans, B. coagulans, B. subtilis, B. azotofixans, B. macerans, B. velezensis, … cũng là một số loài được báo cáo là thúc đẩy tăng trưởng thực vật.

Bacillus spp. là một trong những vi khuẩn được chiếm phần lớn ưu thế trong các loại đất và được biết đến nhiều với khả năng tạo ra nhiều tác dụng có lợi cho cây trồng. Do sự đa dạng về di truyền và trao đổi chất, Bacillus spp. thích nghi tốt với nhiều điều kiện môi trường khác nhau. Khả năng thích nghi với môi trường đa dạng như vậy với vô số đặc điểm có lợi đã làm cho Bacillus spp. trở thành một ứng cử viên thích hợp cho ứng dụng làm phân bón sinh học hoặc các chất kiểm soát sinh học. Bacillus spp. phục vụ nhiều chức năng sinh thái trong hệ sinh thái đất từ chu kỳ dinh dưỡng đến khả năng chống chịu điều kiện bất lợi cho cây trồng. Các thành viên của chi Bacillus được biết là có nhiều đặc điểm có lợi giúp cây trồng trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua việc thu nhận các chất dinh dưỡng, cải thiện tổng thể sự tăng trưởng bằng cách sản xuất phytohormone, bảo vệ khỏi mầm bệnh và các tác nhân gây căng thẳng sinh học khác. Với loài đa năng này chúng được xem là một trong những vi khuẩn cần được khai thác thương mại nhất trong ngành công nghệ sinh học nông nghiệp. Tuy nhiên tiềm năng của nó vẫn chưa được nhận ra một cách đầy đủ và cần phải chú trọng đến việc chuyển dịch các công nghệ liên quan từ phòng thí nghiệm sang thực tiễn đất đai vì lợi ích của một nền sinh thái xanh.

Bacillus thúc đẩy tăng trưởng thực vật  bằng các cơ chế trực tiếp và gián tiếp khác nhau: cố định nitơ, hòa tan và khoáng hóa phốtpho và các chất dinh dưỡng khác, sản xuất phytohormone, sản xuất tế bào phụ, hợp chất kháng khuẩn và enzyme thủy phân, gây ra đề kháng toàn thân và khả năng chống chịu với căng thẳng phi sinh học (Goswami et al. 2016)

1. Bacillus và sự cố định Nitơ:

Các loài Bacillus đa dạng bao gồm B. cereus, B. firmus, B. purmilus, B. licheniformis, B. megaterium, B. subterraneous, B. aquimaris, B. vietnamensis và B. aerophilus được biết là có khả năng cố định nitơ trong khí quyển (Ding et al 2015; Yousuf et al 2017). Trong đó loài B . cereus được phát hiện có hoạt tính nitrogenase cao nhất trong số 42 loài Bacillus spp khác nhau . được nghiên cứu bởi Ambrosini và cộng sự 2016 . Bacillus aryabhattai , B. megaterium và B. subtilis đã được phân lập làm chất cố định đạm nội sinh từ một giống lúa Hàn Quốc (Ji et al. 2014).

Để chứng minh cho điều đó, nhiều nhà khoa học đã phân lập từ thân rễ của bắp, lúa và cỏ cua kết quả là tìm thấy 27 loài Bacillus có khả năng cố định nitơ khác nhau (Habibi et al 2014). Một loại vi khuẩn cố định đạm mới B. rhizosphaerae đã được phân lập từ thân rễ mía và có thể làm tăng sinh khối khô của thực vật (Madhaiyan et al 2011). Để đảm bảo khả năng cố định nitơ và phân tích đa dạng của sinh vật, chất đánh dấu gen được sử dụng rộng rãi nhất là nifH (Yousuf et al 2017). Tức là nếu có sự hiện diện của gen nifH thì loài Bacillus có thể có khả năng cố định đạm, chuyển hóa đạm cây có thể hấp thụ được (amoniac).

2. Bacillus và sự phân giải lân:

Phốt pho là chất dinh dưỡng quan trọng thứ hai sau nitơ tăng sự sinh trưởng và năng suất của cây trồng. Thực vật có thể hấp thụ phốt pho ở dạng HPO ₄ ²⁻ và H ₂ PO ₄ ^- (Saeid và cộng sự 2018) nhưng phần lớn phốt pho có trong đất không ở dạng cây trồng có thể hấp thụ. Nhiều vi sinh vật trong đất có khả năng tự chuyển hóa phốt pho ở dạng cây trồng không sử dụng được thành dạng phốt pho cây trồng có thể hấp thụ được (Bhattacharyya và Jha 2012) và được gọi chung là vi sinh vật hòa tan phốt pho (vi sinh vật phân giải lân) (viết tắt là PSM) . Nhiều loài Bacillus như B. Cirans, B. cereus , B. fusiformis , B. pumilus , B. megaterium , B. mycoides , B. coagulans , B. chitinolyticus , B. subtilis , v.v. đã được báo cáo là có khả năng hòa tan phốt pho (Sharma và cộng sự 2013 ). Loài B. subtilis có khả năng hòa tan P ở nhiều nhiệt độ và pH khác nhau (Mehta et al. 2013 ). Ba loài B. megaterium, B. subtilis và B. cereus đã được thử nghiệm để hòa tan phốt pho trong các chất nền khó phân hủy như xương gia cầm, xương cá và tro, kết quả cả ba loài đều tạo ra axit hữu cơ và có mối tương quan chặt chẽ với tổng nồng độ axit hữu cơ được tạo ra và lượng phốt pho có sẵn được giải phóng từ chất nền (Saeid và cộng sự 2018 ). 

Trái ngược với đất có độ pH cao (đất trung tính, bazơ) nơi phốt pho được cố định dưới dạng canxi photphat dạng cây có thể hấp thụ ngay, ở đất chua P  (pH đất thấp) thường tạo phức không tan với nhôm và sắt. Do đó, trong đất chua, các vi sinh vật phân giải lân phải phân giải từ các phức hợp của nhôm và sắt (Pradhan và cộng sự 2018 ). Loài Bacillus megateriumM510 được phân lập từ thân rễ bắp ở vùng phía đông Himalaya được phát hiện có khả năng hòa tan cả nhôm photphat và photphat sắt ngoài việc hòa tan vừa phải tricalcium photphat (Panda et al. 2016). Qua đó có thể thấy loài này có thể là một vi sinh vật phân giải lân hiệu quả ở cả đất chua và đất kiềm. 

Các dạng lân hữu cơ khác nhau có thể đóng góp chung vào 30% –50% tổng lượng lân trong đất. Do đó, khoáng hóa lân có thể là một phương pháp hữu hiệu để quản lý lân trong cây trồng. Phosphatases và phytases là hai nhóm enzyme xúc tác quá trình chuyển hóa từ phốt phát hữu cơ thành phốt phát vô cơ. Bacillus flexus và B. megaterium được chứng minh là có hoạt tính phosphatase axit và kiềm (Ibarra-Galeana et al. 2017). Phytases được biết là được sản xuất bởi B. subtilis , B. licheniformis và B. laevolacticus (Farhat và cộng sự 2008 ). Trong một nghiên cứu khác, B. cereus và B. megaterium đã được báo cáo là vi khuẩn khoáng hóa phốt pho hữu cơ (Guang-Can et al. 2008).

3. Vai trò của Bacillus trong sự hấp thu Kali và các chất dinh dưỡng khác:

Kali là chất dinh dưỡng thực vật quan trọng thứ ba sau nitơ và phốt pho, có vai trò chính trong quá trình sinh trưởng và phát triển của cây. Trữ lượng của nó trong đất rất lớn, nhưng hơn 98% tồn tại ở dạng thực vật không hấp thu được. Vi sinh vật phân giải kali (viết tắt là KSB) có thể biến dạng kali có sẵn này thành dạng cây trồng hấp thụ được thông qua sản xuất axit hữu cơ. Có một cơ chế nổi tiếng khác để hòa tan K là sản xuất polysaccharid ngoại bào, có thể hòa tan các khoáng chất chứa kali và giải phóng kali vào dung dịch đất (Singh và cộng sự 2015). 

Vi sinh vật phân giải kali khi được thí nghiệm đồng thời với chất cố định N và chất hòa tan P có thể nâng cao tác dụng của chất cố định N và chất hòa tan P (Basak và Biswas 2010). Ở nhiều loài Bacillus khác nhau như B. velezensis , B. cereus ,B. coagulans , B. edaphicus , B. megaterium , B. subtilis , B. firmus , B. mycoides , B. decolorationis và B. horikoshii cũng đã được báo cáo rằng kali có thể đã được phân giải hòa tan bởi chúng (Verma và cộng sự 2015). 

Bacillus licheniformis BHU18 được phát hiện là có khả năng chịu đựng các độ pH khác nhau và do đó có thể là một chế phẩm sinh học hiệu quả ở cả đất chua và đất kiềm (Saha et al. 2016), chúng được chứng minh là có thể hòa tan kali và tạo ra chất điều hòa sinh trưởng (IAA). 

Trong Bacillus còn tìm thấy một chất dinh dưỡng quan trọng khác chính là kẽm. Vi khuẩn hòa tan kẽm (viết tắt là ZSB) được biết là sản xuất các loại axit hữu cơ và vô cơ, qua đó các dạng kẽm phức tạp không có sẵn được tạo ra cho cây trồng (Kumawat et al 2017 ). Các loài hòa tan, phân giải kẽm nổi tiếng trong chi Bacillus là B. aryabhattai , B. subtilis , B. thuringiensis và B. tequilensis (Shakeel et al 2015 ; Singh et al 2017). Vi sinh phân giải kẽm B. subtilis cấy DS-178 vào các kiểu gen lúa mì đã tăng cường sự hấp thu Zn trong hạt lúa mì gấp hai lần so với đối chứng không được cấy (Singh và cộng sự 2017 ). Ngoài ra B. subtilis GB03 được phát hiện làm tăng hàm lượng sắt trong các loài thực vật (Freitas et al. 2015).

4. Bacillus và sự thúc đẩy tăng trưởng thực vật ở cây trồng:

Việc sử dụng Bacillus là vi khuẩn vùng rễ kích thích tăng trưởng thực vật (viết tắt PGPR) đã được báo cáo trong nhiều nghiên cứu trồng trọt và cây trồng khác nhau (Saxena et al. 2017 ). B. cereus với khả năng hòa tan P, K và Zn và các hoạt động chống lại nấm gây hại cây trồng Pyricularia oryzae và Fusarium oryzae (thúi rễ) đã cho thấy năng suất cây trồng tăng lên và hạn chế các biểu hiện thiếu các dinh dưỡng thiết yếu N, P, K (Shakeel et al. 2015). 

Chứng minh cho điều đó, một số nghiên cứu của nước ngoài đã thực tiễn với một số loài nhất định:

Một loài vi khuẩn vùng rễ kích thích tăng trưởng thực vật sản xuất chất điều hòa sinh trưởng IAA, B. altitudinis FD48, khi được cấy vào lúa đã được chứng minh là có thể sửa đổi cấu trúc rễ bằng cách điều chỉnh các gen đáp ứng với auxin (Ambreetha và cộng sự 2018 ). Bacillus megaterium và B. safensis đã được báo cáo để tăng cường các thông số phát triển của thực vật như trọng lượng khô của rễ và chồi và trọng lượng hạt trong điều kiện ruộng ở lúa mì (Mukhtar et al. 2017 ). Các chủng sản xuất Auxin, B. velezensis S-134, B. muralis D-5, B. thuringiensis S-26 và B. simplex D-1 có khả năng tạo ra IAA, axit indole-3-cacboxylic và axit indole-3-lactic đã được chứng minh là làm giảm bớt căng thẳng hạn hán trên lúa mì (Raheem et al. 2018 ). Một hiệu ứng vi sinh vật thương mại, B. velezensisFZB42 từ Đức, khi được cấy vào cây ngô cùng với việc bón phân trộn đã ảnh hưởng đáng kể đến sự tăng trưởng và khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng. Hoạt động quang hợp tăng cường cũng được báo cáo thể hiện bằng sự gia tăng các chất chuyển hóa axit gamma-aminobutyric, glucose, fructose và alanin trong lá của cây được cấy (Vinci et al. 2018). Một chất hòa tan lân trong B. megaterium đã được chứng minh là làm tăng sự phát triển của thực vật, hàm lượng chất diệp lục, đường sucrose, glucose, fructose và các axit amin trong lá cho thấy hoạt động quang hợp tăng cường ở mù tạt (Kang et al. 2014 ). Loài B. licheniformis A2 được phân lập từ thân rễ của thực vật đơn sắc Suaeda fruticosatừ Rann of Kutch đã được chứng minh là làm tăng sự phát triển của cây lạc cả khi có và không có stress do muối (Goswami et al. 2014). Vi khuẩn tạo khoáng (P và Zn) -solubil hóa Bacillus sp. AZ17 và Pseudomonas sp. AZ5 đã được báo cáo để cải thiện trọng lượng và số lượng nốt sần, rơm rạ và năng suất ngũ cốc cũng như sự hấp thu P và Zn ở cây đậu xanh trong điều kiện đồng ruộng ở khu vực có mưa (Zaheer et al. 2019 ). Bacillus sequans CB7 được phân lập từ đất thân rễ táo với các đặc điểm PGP nhiều mặt như P-solubilization, sản xuất auxin, ACC deaminase và siderophore đã được chứng minh là có ảnh hưởng tích cực đến các thông số sinh trưởng thực vật ở cà chua trong điều kiện nhà lưới (Mehtaet al. 2015). Bacillus subtilis với khả năng sản xuất IAA đã được chứng minh là có ảnh hưởng đến sự phát triển của cây và năng suất của hành tây (Čolo et al. 2014). Bacillus velezensis FZB42, một mô hình thúc đẩy tăng trưởng thực vật, và các chủng kiểm soát sinh học của Bacillus đã được chứng minh là thúc đẩy tăng trưởng và ngăn chặn bệnh tật trên các loại cây trồng khác nhau như khoai tây, bông, lúa mì, cà chua, dâu tây và rau diếp (Fan et al. 2018 ). Vai trò của Bacillus như PGPR cũng đã được báo cáo trong nhiều loại cây trồng khác như bông, tiêu, đậu tương, gram xanh và hướng dương (Passari et al. 2018 ; Zahir et al. 2018). 

5. Bacillus như tác nhân kiểm soát sinh học:

Chi Bacillus là một trong những nhóm vi sinh vật được khai thác nhiều nhất để kiểm soát sinh học các mầm bệnh và dịch hại. Bacillus spp. được biết là loài tạo ra nhiều chất chuyển hóa có thể ức chế sự phát triển và chức năng của các sinh vật tế bào như vi khuẩn, nấm, côn trùng, giun tròn và các sinh vật tế bào như virus. Bộ gen của các loài Bacillus được sản xuất liên quan đến sinh tổng hợp các chất chuyển hóa thứ cấp cho thấy các đặc tính kháng khuẩn, enzym lytic, các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và độc tố. Bacillus có thể trực tiếp ức chế sự phát triển của sâu bệnh và mầm bệnh thông qua việc sản xuất các hợp chất kháng khuẩn, enzym hoặc chất độc, biểu hiện trên từng loài cụ thể. Bacillus có tầm quan trọng đặc biệt do các hợp chất kháng khuẩn được tổng hợp từ chúng và khả năng khai thác thương mại của chúng. 

6. Hình thành màng sinh học:

Cơ chế hoạt động chính của các tác nhân kiểm soát sinh học chống lại mầm bệnh và dịch hại như nhiều báo cáo cũ là sản xuất các hợp chất kháng vi sinh vật. Tuy nhiên, nghiên cứu gần đây trong lĩnh vực kiểm soát sinh học đã phát hiện sự xâm nhập của rễ và hình thành màng sinh học là một trong những cơ chế của hoạt động kiểm soát sinh học. Sự xâm chiếm rễ và hình thành màng sinh học đã được báo cáo là cơ chế kiểm soát sinh học ở các loài Bacillus khác nhau như B. velezensis , B. atrophaeus và B. subtilis (Pandin et al 2017). 

Các chất tiết ra từ rễ của cây ký chủ và các lipopeptit như bacillomycin và Suractin được biết là gây ra sự hình thành màng sinh học ở các loại trực khuẩn khác nhau (Fan et al 2011). Surfactin được phát hiện là đóng một vai trò quan trọng trong sự xâm chiếm rễ và hình thành màng sinh học của B. atrophaeus và B. subtilis . Dịch tiết từ rễ của dưa chuột được phát hiện có khả năng thúc đẩy quá trình hóa học của B. velezensis SQR9 và sự hình thành màng sinh học trong thân rễ bằng cách tạo ra bacillomycin D (Pandin et al. 2017). Ngày càng có nhiều bằng chứng về sự hình thành màng sinh học trong sinh quyển và thân rễ để kiểm soát sinh học các mầm bệnh đòi hỏi phải có nhiều cuộc điều tra hơn nữa.

Tổng kết lại về loài Bacillus sau hàng loạt bài post để cả nhà mình có thể nắm và hiểu rõ hơn về loài này.

Bacillus là loài có mật số chiếm ưu thế lớn trong các loại đất với khả năng thích nghi cao nên chúng thích hợp được ứng dụng trong nhiều vai trò, nhiều vị trí khác nhau:

1. Bacillus và sự cố định Nitơ
2. Bacillus và sự phân giải Lân
3. Vai trò của Bacillus trong sự hấp thụ Kali và các chất dinh dưỡng khác (Zn, Fe)
4. Bacillus và sự thúc đẩy tăng trưởng thực vật ở cây trồng
5. Bacillus như tác nhân kiểm soát sinh học
6. Bacillus góp phần hình thành màng sinh học

Tuy nhiên loài nào cũng có hai mặt, 1 mặt lợi và 1 mặt hại, đối với loài Bacillus mặt hại liên quan đến các nghiên cứu bên thực phẩm là chủ yếu. Ví dụ B. cereus đã bị coi là tác nhân gây bệnh thực phẩm, từ lâu nó đã có liên quan đến hai loại ngộ độc thực phẩm riêng biệt; nôn mửa và tiêu chảy, mối liên hệ giữa việc sản xuất độc tố trong các chủng này và bệnh do thực phẩm chưa được thiết lập đầy đủ, mặc dù đã tìm thấy nhiều loại độc tố khác nhau. B. anthracis , tác nhân gây bệnh than. Đây vẫn là một căn bệnh lưu hành quan trọng ở một số quốc gia Châu Phi, Châu Á và Đông và Nam Âu.

Vậy nên phần mặt hại của loài này ad không đi sâu.

Tùy vào mục đích sử dụng mà chúng ta sẽ có những lựa chọn loài thích hợp.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1. Foodborne Disease Potential of Other Bacillus Species, P.E. Granum, ... C From, in Encyclopedia of Food Safety, 2014

2. Bacillus Species (Anthrax), Denise F. Bratcher, in Principles and Practice of Pediatric Infectious Diseases (Fifth Edition), 2018

3. Foodborne Pathogens, M. D’Agostino, N. Cook, in Encyclopedia of Food and Health, 2016

4. Etiologic Agents of Infectious Diseases, Denise F. Bratcher, in Principles and Practice of Pediatric Infectious Diseases (Fourth Edition), 2012

5. Bacillus species in soil as a natural resource for plant health and nutrition, A.K. Saxena, M. Kumar, H. Chakdar, N. Anuroopa, D.J. Bagyaraj, First published: 09 November 2019

Sao Vàng Mekong tổng hợp 11/10/2021