STREPTOMYCES TRONG THÚC ĐẨY TĂNG TRƯỞNG THỰC VẬT (26/11/2021)

STREPTOMYCES SPP.

TRONG THÚC ĐẨY TĂNG TRƯỞNG THỰC VẬT

(Cơ chế và vai trò)

1.  GIỚI THIỆU:

Streptomyces thúc đẩy tăng trưởng thực vật là vi khuẩn gram dương sống trong đất và bề mặt rễ. Streptomyces được công nhận rộng rãi vì chúng tạo ra một loạt các hợp chất. Các nhóm sinh vật này có mối liên hệ có lợi với thực vật, nhờ đó chúng cải thiện sự phát triển của thực vật và bảo vệ chống lại sâu bệnh, điều này đã thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới. Nói chung, các sinh vật thúc đẩy tăng trưởng thực vật tạo điều kiện trực tiếp cho cây phát triển bằng cách hỗ trợ cải thiện quá trình thu nhận dinh dưỡng (nito, phốt pho, kali và các khoáng chất cần thiết) hoặc sản xuất Phytohormone (axit indole acetic, cytokinins, gibberellins, …) hoặc ngăn chặn bệnh thực vật. Nhiều nghiên cứu khác nhau đã ghi nhận sự gia tăng sức khỏe và năng suất của các loài thực vật khác nhau bằng cách áp dụng nhóm Streptomyces trong cả điều kiện bình thường và căng thẳng. Chương này nhấn mạnh sự hiểu biết chi tiết về các cơ chế của Streptomyces qua trung gian thúc đẩy tăng trưởng thực vật với sự phát triển và nghiên cứu mới nhất.

2. CƠ CHẾ THÚC ĐẨY TĂNG TRƯỞNG THỰC VẬT

Các hoạt động của Streptomyces có thể được quan sát từ hai khía cạnh khác nhau: cơ chế trực tiếp và cơ chế gián tiếp. Từ thúc đẩy tăng trưởng như cố định nito sinh học, hòa tan phốt pho, kali cũng như những quá trình chuyển đổi nguồn nito, photpho, kali sẵn có nhưng không sử dụng được sang sử dụng được. Streptomyces hoạt động như tác nhân kiểm soát sinh học, chống lại mầm bệnh thực vật khác nhau thông qua sản xuất các hợp chất kháng vi sinh vật và các enzyme ngoại bào.

1. Cơ chế trực tiếp:
   1. Cố định đạm:

Sự thúc đẩy sự phát triển của cây trồng cần nito như một nguyên tố thiết yếu. Cây trồng không đủ năng lực để sử dụng nito trực tiếp từ nito khí quyển. Quá trình cố định nito yêu cầu chuyển đổi nito thành dạng cây có thể sử dụng được và quá trình này gọi là cố định nito sinh học. Các vi sinh vật cố định nito chuyển đổi nito trong khí quyển thành amoniac cây có thể hấp thu được (Ahemad và Kibret, 2014). Hầu hết vi sinh vật sử dụng enzyme nitrogenase để thực hiện quá trình cố định sinh học nito trong khí quyển (Kim và Rees, 1994).

Các nghiên cứu báo cáo rằng các chủng Streptomyces phân lập có khả năng cố định nito mạnh mẽ (Sellstedt và Richau, 2013). Loài Streptomyces thermoautotrophicus có khả năng cố định nito trong khí quyển thành dạng sinh học nhờ hai loại enzymes molypden denitrogenase và mangan super oxit oxidoreductase, tuy nhiên vấn đề này vẫn thiếu bằng chứng thuyết phục. Vẫn cần thêm nhiều nghiên cứu liên quan đến sự cố định nito của Streptomyces trong đất.

1. 2. Sự hòa tan photphat:

Trong số các chất dinh dưỡng đa lượng, phốt pho (P) là chất dinh dưỡng quan trọng thứ hai đối với cây trồng sau nito. Thông qua các cơ chế khác nhau như axit hóa, sự sẵn có của nguồn cacbon và các con đường trao đổi chất, vi sinh vật đất có khả năng giải phóng tự do dạng phốt phát (Rajput at al, 2013). Sự hòa tan photphat là sự khoáng hóa photphat từ đất bởi phosphatase hoặc phosphohydrolase. Phosphatase chuyển dạng phức hợp của phosphat sang dạng cây có thể sử dụng được. Nhiều loài Streptomyces được phân lập từ đất, thân rễ đã được phát hiện là một loại đất cao cấp và tăng sự phát triển của cây. Trong số các loài Streptomyces spp. thì S.thermolilacinus, S.youssoufiensis, S. rochei và S.carpinensis đã được báo cáo là những loài có khả năng hòa tan phốt phat tốt nhất (Hamdali et al, 2008), (Job et al, 2014), (Sreevidya et al, 2016).

1. 3. Sự hòa tan kali:

Kali là một chất dinh dưỡng đa lượng cần thiết cho sự tăng trưởng và phát triển của cây trồng và do đó thường được bổ sung làm tối ưu hóa năng suất phát triển của cây trồng. Ngoài sự phát triển của thực vật, nó còn đóng vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp protein và quang hợp (Armengaud et al, 2009; Basak và Biswas, 2009; Lin, 2010). Các nghiên cứu về trạng thái hòa tan kali Streptomyces và khả năng giải phóng kali từ các khoáng chất silicat, cũng như thực tế nó đã tìm thấy để phân hủy bột đá chứa kali ở trạng thái rắn lên men (Liu et al, 2016).

1. 4. Sản xuất nội tiết tố thực vật (Hoocmon thực vật):

Nội tiết tố thực vật đóng một vai trò quan trọng trong việc điều hòa sự phát triển của các tế bào thực vật và các quá trình sinh lý. Chúng thường được sản sinh bởi thực vật, nhưng một số khác cũng được sản xuất bởi vi sinh vật, bao gồm cả nấm và vi khuẩn, hợp chất do vi khuẩn hay nấm tiết ra cũng có tác động lên tăng trưởng và phát triển của thực vật. Hiện nay có một lượng lớn nội tiết tố thực vật được tổng hợp bởi con người và chúng được gọi là chất điều hòa tăng trưởng thực vật (PGR).

Nội tiết tố thực vật như auxin, gibberellins, cytokinin, ethylene và axit abscisic có nhiều tác dụng tùy theo giai đoạn cây và lượng hoocmon, quyết định sự hình thành của hoa, thân, lá, các quá trình như rụng lá và sự phát triển, chín của quả. Nội tiết tố thực vật đóng vai trò rất quan trọng cho sự tăng trưởng thực vật, không có nội tiết tố, thực vật chỉ là một khối các tế bào giống hệt nhau không được biệt hóa. Vì lý do này chúng còn được gọi là các yếu tố tăng trưởng hoặc kích thích tố tăng trưởng. Ngoài các hoạt động có lợi, một lượng quá lớn nội tiết tố cũng có ảnh hưởng xấu đến thực vật.

Auxin được sinh ra ở đỉnh thân và cành, auxin có nhiều trong các cơ quan sinh trưởng mạnh như: hạt đang nảy mầm, lá đang sinh trưởng,…Nó làm cho các tế bào dài ra, kích thích việc tạo hoa, quả không hạt và ức chế sự rụng lá, rụng quả không có enzyme phân giải. Không nên sử dụng auxin nhân tạo đối với nông phẩm được sử dụng làm thức ăn trực tiếp, bởi vì nó không có enzyme phân giải nên sẽ gây hại cho người và động vật. Tuy nhiên trong nông nghiệp Auxin tự nhiên và cả nhân tạo được sử dụng làm chất kích thích.

Gibberrellin được tiết ra ở các cơ quan còn non và có nhiều ở lá, củ, chồi đang nảy mầm,…Làm tăng sự phân chia tế bào mô phân sinh và ở mức cơ thể kích thích sự phát triển quả và sự nảy mầm.

Cytokinin là dẫn xuất của Adenin được tiết ra ở rễ, hạt, quả và có tác dụng làm chậm quá trình già của tế bào, kích thích sự sinh chồi thân trong nuôi cấy mô, kích thích sự ra rễ.

Streptomyces spp. sản xuất axit indole -3-acetic (IAA) cải thiện sự phát triển của cây trồng bằng cách tăng khả năng nảy mầm của hạt giống, tăng chiều dài rễ và trọng lượng khô của rễ trên đậu Hà Lan (Tokala et al, 2002), trên cà chua (Passari, 2008), trên lúa mỳ (Sadeghi et al, 2012), trên ớt (Passari et al, 2015), trên gạo (Gopalakrishna, 2013).

Một số loài Streptomyces spp. như S.nobilis, S.kunmingenesis, S.olivaceoviridis, S.rimosus, S.rochei, S.griseoviridis, S.lydicus, S. djakartensis, S.griseorubens, S.globisporus, S.caviscabies và S.enissocaesilis đã được báo cáo có khả năng sản sinh nội tiết tố (Gopalakrishnan at al, 2015; Anwar et al., 2016). Các cytokinin tạo ra Streptomyces có mùi thơm được phân lập từ đất ở tầng sinh quyển (Solans et al, 2011).

2. Cơ chế gián tiếp:
   1. Đối kháng:

Đối kháng là hoạt động ức chế thể hiện giữa hai vi sinh vật. Một số Streptomyces trong hạt, thân rễ thực vật đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ thực vật khỏi nhiều mầm bệnh thực vật, do đó tăng cường sự phát triển tăng trưởng cây trồng. Nhiều loài xạ khuẩn, đặc biệt là những loài thuộc giống Streptomyces tốt được gọi là tác nhân kiểm soát sinh học kháng nấm ức chế một số loại nấm gây bệnh thực vật (Joo, 2005).

Cơ chế kiểm soát sinh học của Streptomyces được cho là bằng cách tổng hợp các chất kháng sinh, sản xuất các enzyme thủy phân như cellulase, amylase, protease, xylanase,…(Dhanasekaran et al, 2008).

Qua các thử nghiệm Streptomyces griseus H7602 cho thấy hoạt động ức chế đáng kể đối với Phytophthora capsici. Streptomyces griseocarneus được phân lập từ đất, thân rễ cà chua biểu hiện sự ức chế đối với các nấm hại Rhizoctonia solani, Pythium, Phytophthora spp., Fusarium oxysporum spp., Fusarium solani, Thielaviopsis basicola và Verticillium dahlia (Sabaratnam và Traquair, 2015).

Các chủng Streptomyces (S. fradiae, S. avermitilis, S. cinnamonensis và S. canus) được phân lập từ đất, thân rễ của vườn cây ăn quả, ổi cho thấy hoạt động kháng nấm tiềm năng đối với F. solani và A. solani (Mohandas et al, 2013), phục vụ hoạt động đối kháng rộng rãi chống lại Fusarium spp., Alternaria spp., Curvularia spp., Rhizoctonia spp.,

Do đó việc quản lý kiểm soát mầm bệnh bằng cách sử dụng các loài Streptomyces là một lựa chọn khả thi và một sự thay thế cho các yếu tố hóa học (Heydary và Pessarakli, 2010; Talubnak và Soytong, 2010).

1. 2. Cạnh tranh:

Ảnh hưởng của Streptomyces và phản ứng của chúng đối với các vi sinh vật cùng tồn tại chưa được hiểu rõ. Theo nghiên cứu của Kinkel và Schlatter (2014) cho rằng cạnh tranh về chất dinh dưỡng và sử dụng chất dinh dưỡng chồng chéo giữa các Streptomyces cùng tồn tại và có tương quan với khả năng sản xuất kháng sinh và khả năng ức chế mầm bệnh quần thể Streptomyces trong đất.

1.                3. Tiết Enzyme phân hủy thành tế bào:

Chi Streptomyces tạo ra nhiều loại enzyme phân giải thành tế bào nấm như glucanase, chitinase và peptidase (Yuan và Crawford, 1995). Các enzyme này rất quan trọng như là thành tế bào nấm phytopathogenic chứa kitin, glucans và protein. Người ta dự đoán rằng việc sản xuất glucanase, chitinase và protaese có thể đóng vai trò quan trọng trong việc ly giải thành tế bào của các mầm bệnh (Bar-Shimon et al., 2004). Aktuganov và cộng sự đã mô tả rằng việc sản xuất các enzyme phân hủy thành tế bào được tạo ra bởi Streptomyces spp. có tiềm năng phá hủy các tế bào nấm hại Nagpure và Gupta (2012). Streptomyces spp. được biết là sản xuất các enzyme mycolytic như chitinase, protease, laminarinase,

Đã tìm thấy enzyme ức chế thành tế bào nấm Collectotrichum và Fusarium trên loài Streptomyces spp.

1.                4. Sản xuất kháng sinh:

Thuốc kháng sinh là các hợp chất ức chế protein chống lại các mầm bệnh khác nhau. Trên thế giới, 10.000 loại thuốc kháng sinh đã được tạo ra  bởi vi sinh vật, trong đó 50% được phân lập từ vi khuẩn (Anderson và Wellington, 2001). Trong số đó, 60% các hợp chất có hoạt tính sinh học được phân lập từ các loài Streptomyces được sử dụng trong nông nghiệp và công nghiệp (Ilic et al., 2007). Trong hầu hết các hệ thống sinh hóa, các kháng sinh đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn dịch bệnh. Trong những năm gần đây, việc xác định các hợp chất kháng sinh ngày càng được quan tâm. Streptomyces spp. sản xuất các chất chuyển hóa thứ cấp có hoạt tính sinh học kháng khuẩn, kháng nấm, kháng vi rút và hầu hết các vi khuẩn thuộc chi Streptomyces thể hiện một lượng lớn các đặc tính đối kháng (Hassa et al., 2011). Một số thành viên của Streptomyces đã được báo cáo là làm giảm đáng kể sự phát triển của nấm gây hại thực vật, mầm bệnh (Taechowisan et al., 2005; Errakh et al., 2007; Maldonado et al., 2010). Một nghiên cứu thực địa cho thấy mầm bệnh thực vật được kiểm soát bởi các giống Streptomyces spp. và cũng tương thích với các kháng sinh hóa học dưới dạng bavistin, thiram và captan.

Streptomyces spp. như S. wadayamensis và S.pseudovenez có khả năng tạo ra hoạt động đối kháng chống lại mầm bệnh thực vật tiềm ẩn Xylella fasrantyosa (De Oliveira et al., 2014) và Rhizotonia solani (Kanini et al., 2013).

Thuốc kháng sinh phân lập từ Streptomyces spp. chẳng hạn như manumycin và gốc nucleosid cidin từ chủng S. flaveus và S. violaceoniger, tương tự hoạt tính kháng nấm mạnh đối với P. capsici (Kook et al.,1996).

Một số kháng sinh như geldanamycin (Rothrock et al, 2003) được phân lập từ Streptomyces spp. đã được báo cáo ức chế R.solani. Một số loại kháng sinh đã cho thấy hoạt tính ức chế phổ rộng chống lại nhiều mầm bệnh như Blasticidin S, Gopalamycin, Manumycin (Maten et al, 2000).
Ưu điểm đáng kể của các chất chuyển hóa có hoạt tính sinh học của Streptomyces spp. là ít độc loại bỏ các vi sinh sống khác so với các công thức hóa học khác.

1.             5. Quản lý căng thẳng phi sinh học – Stress phi sinh học:

Vai trò của vi sinh vật được biết đến & được thiết lập tốt trong việc thúc đẩy tăng trưởng thực vật, quản lý chất dinh dưỡng & kiểm soát dịch bệnh. Tuy nhiên việc sử dụng vi khuẩn vùng rễ kích thích sinh trưởng (PGP) để giảm bớt stress cho cây trồng do hạn hán, nhiễm mặn, khử độc tuổi thọ, độc tính kim loại, nhiệt, căng thẳng thấm thấu & ngập úng ngày càng trở nên quan trọng (Shao et al., 2008).

Các vi sinh vật với khả năng trao đổi chất và di truyền nội tại tiềm tàng của chúng góp phần làm giảm stress phi sinh học thực vật (Gopalakrishnan et al., 2015). Việc lựa chọn sàng lọc & áp dụng các vi sinh vật đã được nhiều nghiên cứu phát hiện ra rằng, các loài Streptomyces như S. niveus, S. rochei, S.pada, S. coelicolor, S. olivaceus & S. geysiriensis có thể đóng vai trò quan trọng trong việc làm giảm nồng độ stress hạn hán ở các loại cây trồng khác nhau bằng cách thay đổi đặc tính sinh lý của cây (Aly et al., 2003; Yandigeri et al., 2012; Srivastava & Kumar 2015)

Ngoài tác dụng giảm stress do mặn, Streptomyces đã được chứng minh là có khả năng chống lại độc tính kim loại nặng thông qua cơ chế độc lập với kim loại khác nhau. Việc sản xuất các tế bào phụ & tích tụ các ion kim loại trong tế bào của Streptomyces đóng vai trò quan trọng trong việc giảm độc tính kim loại (Sessitch et al., 2013; Singh et al., 2015). Một số báo cáo chứng minh việc cấy vi khuẩn Streptomyces spp. kháng kim loại nặng, tăng trưởng thực vật và sinh khối trong đất ô nhiễm kim loại nặng thông qua quá trình hấp thu sinh học/tích lũy sinh học kim loại nặng, quá trình oxy hóa huy động/cố định kim loại. Các loài Streptomyces spp. như S. tendae, S. zinciresistens, S. acidiscabies, S. chromofuscus thúc đẩy đáng kể sự phát triển của cây và tăng cường sự hấp thu các kim loại nặng.

3. KẾT LUẬN:

Streptomyces là một trong những vi sinh vật chủ yếu hiện diện trong đất. Những vi khuẩn này nổi tiếng với các sản phẩm tạo ra nhiều hoạt tính sinh học, enzyme và vitamin (Siva kumar et al, 2011), (Valli et al, 2012), (Gebreselema at el 2015). Trong những năm gần đây, Streptomyces thu hút sự quan tâm đặc biệt vì vi khuẩn thúc đẩy tăng trưởng thực vật có khả năng phát triển trong mọi điều kiện (Shivlata và Satyanarayana, 2015). Nhóm vi khuẩn và thân thiện với môi trường và rất có lợi cho cây trồng (Gopalakrishnan at al, 2015), thúc đẩy cây trồng tăng trưởng thông qua một hoặc nhiều cơ chế bao gồm ngăn chặn bệnh hại cây trồng, cải thiện khả năng thu nhận chất dinh dưỡng sản xuất hormone (De Jesus Sousa và Olivares, 2016). Các nghiên cứu cho thấy rằng các vi sinh vật phân lập từ thân rễ và trong đất có khả năng thúc đẩy sự phát triển của thực vật và cung cấp các lợi ích khác cho cây trồng như: chi Bacillus, Pseudomonas, Serratia, Arthrobacter, Micrococcus, Azospirillum, Rhizobium và Streptomyces giúp cây trồng chuyển hóa chất dinh dưỡng và đồng thời ức chế mầm bệnh thực vật (Postma at al, 2003; Perner et al 2006; Jalilian et al, 2014; Amaresan et al, 2014; Passari et al, 2016).
​​​​​​​Do bản chất phong phú của nó trong bất kỳ môi trường nhất định nào nên chi Streptomyces được quan tâm để ứng dụng trong nhiều lĩnh vực thực phẩm, dược liệu, y tế, thú y,…


 

Tài liệu tham khảo:

N. Amaresan , Krishna Kumar, Jinal H. Naik, Kiran Gandhi Bapatla and R.K. Mishra. Streptomyces in Plant Growth Promotion: Mechanisms and Role. Chapter 8  2018.