VI SINH VẬT CỐ ĐỊNH NITƠ CỘNG SINH TRÊN RỄ CÂY HỌ ĐẬU

Vi khuẩn cố định đạm đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nguồn dinh dưỡng tự nhiên cho cây trồng, cải thiện chất lượng đất và thúc đẩy nông nghiệp bền vững. Việc hiểu rõ và ứng dụng các loại vi khuẩn này trong canh tác nông nghiệp không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn góp phần bảo vệ môi trường và tài nguyên đất đai cho các thế hệ tương lai. Vi khuẩn cố định đạm cộng sinh trên rễ cây họ đậu có khả năng chuyển đổi nitrogen (N₂) trong không khí thành các hợp chất hữu cơ mà cây trồng có thể sử dụng, như amoniac (NH₃). Đây là quá trình quan trọng giúp cung cấp nguồn dinh dưỡng tự nhiên cho cây trồng. Chúng tồn tại trong đất và rễ cây, đóng vai trò thiết yếu trong hệ sinh thái nông nghiệp bền vững.

Vi khuẩn cố định đạm cộng sinh trong rễ, tạo nên các nốt sần ở cây họ đậu

Chúng là vi sinh vật quan trọng trong việc cố định N₂ trong đất và cây

1. Đặc điểm

Vi khuẩn cộng sinh sống trong mối quan hệ đôi bên cùng có lợi với cây trồng, thường là cây họ Đậu (Fabaceae), còn gọi là vi khuẩn nốt sần. Chúng hình thành những nốt sần ở rễ cây, đôi khi ở cả thân cây phần gần với đất và cư trú trong đó. Tại nốt sần, vi khuẩn tiến hành quá trình cố định nitơ, sản phẩm cố định được một phần sử dụng cho vi khuẩn và một phần sử dụng cho cây. Những sản phẩm quang hợp của cây cũng một phần được cung cấp cho vi khuẩn. Chính vì thế mà quan hệ giữa vi khuẩn và cây là quan hệ cộng sinh hai bên cùng có lợi.

Từ năm 1886 Hellrigel và Wilfarth đã phát hiện ra khả năng cố định nitơ của cây đậu Hoà Lan bằng thí nghiệm trồng trên cát cây kiều mạch và cây đậu Hoà Lan. Sau khi kết thúc thí nghiệm người ta tiến hành định lượng đạm tổng số ở 2 chậu cát và nhận thấy: chậu cát trồng cây đậu Hoà Lan có hàm lượng nitơ tăng lên so với ban đầu còn chậu cát trồng kiều mạch thì lượng nitơ giảm đi. Nghiên cứu sâu hơn nữa người ta thấy lượng đạm chỉ tăng lên khi đất trồng cây đậu không khử trùng và nốt sần được hình thành trên rễ cây đậu. Từ đó người ta đã kết luận rằng: cây đậu Hoà Lan khi cộng sinh với một loài vi khuẩn sống trong nốt sần thì sẽ có khả năng cố dịnh nitơ không khí. Đến năm 1888 Beijerinck đã phân lập được vi khuẩn nốt sần, năm 1889 vi khuẩn nốt sần được đặt tên là Rhizobium. Lúc đầu người ta dựa vào cây đậu mà vi khuẩn cộng sinh để đặt tên loài cho chúng. Ví dụ như loài Rhizobium leguminosarum cộng sinh với cây đậu Hoà Lan, loài Rhizobium trifolii cộng sinh với cây cỏ ba lá.

Gần đây người ta chia vi khuẩn nốt sần thành hai nhóm, nhóm sinh trưởng nhanh và nhóm sinh trưởng chậm dựa vào thời gian xuất hiện khuẩn lạc trên môi trường nuôi cấy. Nhóm sinh trưởng nhanh khuẩn lạc xuất hiện sau 3 - 5 ngày, có đường kính 2 - 4mm thuộc chi Rhizobium. Nhóm sinh trưởng chậm khuẩn lạc xuất hiện sau 5 - 7 ngày nuôi cấy, có đường kính không quá 1mm thuộc chi Bradirhizobium.

Trong quá trình phát triển vi khuẩn nốt sần thường có sự thay đổi hình thái. Lúc còn non, đa số các loài có hình que, có khả năng di động bằng đơn mao, chùm mao hoặc chu mao tuỳ từng loài. Sau đó trở thành dạng giả khuẩn để có hình que phân nhánh, mất khả năng di động. Ở dạng này, vi khuẩn nốt sần có khả năng cố định nitơ. Khi già dạng hình que phân nhánh phân cắt tạo thành dạng hình cầu nhỏ.

Vi khuẩn nốt sần thuộc loại háo khí, ưa pH trung tính hoặc hơi kiềm, thích hợp với nhiệt độ 28 - 30⁰C, độ ẩm 60 - 80%. Chúng có khả năng đồng hoá các nguồn cacbon khác nhau như các loại đường đơn, đường kép, axit hữu cơ, glyxerin v.v...

Đối với nguồn nitơ, khi cộng sinh với cây đậu, vi khuẩn nốt sần có khả năng sử dụng nitơ không khí. Khi sống tiềm sinh trong đất hoặc được nuôi cấy trên môi trường, chúng mất khả năng cố định nitơ. Lúc đó chúng đồng hoá các nguồn nitơ sẵn có, nhất là các nguồn amôn và nitrat. Chúng có thể đồng hoá tốt các loại axit amin, một số có thể đồng hoá peptôn. Ngoài nguồn dinh dưỡng cacbon và nitơ, vi khuẩn nốt sần còn cần các loại chất khoáng, trong đó quan trọng nhất là photpho. Khi nuôi vi khuẩn nốt sần ở môi trường có sẵn nguồn đạm lâu ngày, chúng sẽ mất khả năng xâm nhiễm và hình thành nốt sần. Đó là điều cần chú ý trong việc giữ giống vi khuẩn nốt sần.

2. Một số loài phổ biến

2.1. Rhizobium

Rhizobium là loại vi khuẩn Gram âm, sống tự do trong đất nhưng chuyển sang dạng cộng sinh (bacteroid) khi xâm nhập vào rễ cây. Thường cộng sinh với cây họ Đậu (Fabaceae) như đậu tương, đậu phộng, đậu cô ve, cây phân xanh, ... tạo thành các nốt sần trên rễ và cung cấp đạm cho cây trồng.

Vi khuẩn cố định nitơ cộng sinh với cây họ đậu

2.2. Frankia

Frankia là xạ khuẩn thuộc chi Frankia, thuộc nhóm vi khuẩn sợi Gram dương (Actinobacteria). Thường cộng sinh tạo nốt sần phi-actin (actinorrhizal plants) thuộc các họ như Casuarinaceae (Phi lao/ Cỏ lau), Betulaceae (Tổng quán sủi - Alnus), Myricaceae, ... giúp cây trồng ở những vùng đất nghèo dinh dưỡng vẫn phát triển tốt.

3. Sự hình thành nốt sần và quan hệ cộng sinh của vi khuẩn nốt sần với cây họ đậu

Không phải tất cả các cây thuộc họ đậu đều có khả năng cộng sinh với vi khuẩn nốt sần mà chỉ khoảng 9% trong chúng. Khả năng hình thành nốt sần ở cây họ đậu không những phụ thuộc vào vi khuẩn có trong đất mà còn phụ thuộc vào các điều kiện ngoại cảnh khác nhau.

Về độ ẩm, đa số cây họ đậu có thể hình thành nốt sần trong phạm vi độ ẩm từ 40 - 80%, trong đó độ ẩm tối thích là 60 - 70%. Tuy nhiên, cũng có những trường hợp ngoại lệ, ví dụ như cây điền thanh có thể hình thành nốt sần trong điều kiện đất ngập nước.

Độ thoáng khí của đất cũng ảnh hưởng đến sự hình thành và chất lượng nốt sần. Thường nốt sần chỉ hình thành ở phần rễ nông, phần rễ sâu rất ít nốt sần. Nguyên nhân là do tính háo khí của vi khuẩn nốt sần, thiếu Oxy sẽ làm giảm cường độ trao đổi năng lượng và khả năng xâm nhập vào rễ cây. Đối với cây, thiếu Oxy cũng làm giảm sự hình thành sắc tố Leghemoglobin. Những nốt sần hữu hiệu có màu hồng chính là màu của sắc tố này.

Nhiệt độ thích hợp nhất với hoạt động của vi khuẩn nốt sần là 24⁰C, dưới 10⁰C nốt sần vẫn có thể hình thành nhưng hiệu quả cố định nitơ giảm. Ở nhiệt độ 36⁰C cây họ đậu phát triển tốt nhưng cường độ cố định nitơ lại kém.

pH môi trường cũng ảnh hưởng đến sự hình thành và chất lượng nốt sần. Có loại chỉ hình thành nốt sần ở pH từ 6,8 - 7,4 có loại có khả năng hình thành nốt sần ở pH rộng hơn từ 4,6 - 7,5.

Tính đặc hiệu là một đặc điểm quan trọng trong quan hệ cộng sinh giữa vi khuẩn nốt sần và cây họ đậu. Một loài vi khuẩn nốt sần chỉ có khả năng cộng sinh với một hoặc vài loài đậu. Cũng có một số loài vi khuẩn có khả năng hình thành nốt sần ở cây họ đậu không đặc hiệu với nó nhưng số lượng nốt sần ít và khả năng cố định nitơ kém. Tuy nhiên đặc tính này giúp cho vi khuẩn nốt sần có thể tồn tại ở những nơi không có cây họ đậu đặc hiệu đối với nó. Tính đặc hiệu giữa vi khuẩn và cây họ đậu được quyết định bởi hệ gen của chúng. Bởi vậy người ta có thể cải biến tính đặc hiệu bằng các tác nhân đột biến hoặc có thể dùng kỹ nghệ di truyền để cải biến hệ gen quy định đặc hiệu cộng sinh.

Quan hệ cộng sinh giữa vi khuẩn nốt sần và cây đậu tạo thành một thể sinh lý hoàn chỉnh. Chỉ trong quan hệ cộng sinh này, chúng mới có khả năng sử dụng nitơ của không khí. Khi tách ra, cả cây và vi khuẩn đều không thể sử dụng nitơ tự do.

Quá trình này diễn ra qua nhiều giai đoạn phức tạp, trong đó vi khuẩn sử dụng enzyme nitrogenase để chuyển đổi N₂ trong không khí thành NH₃. Amoniac sau đó được chuyển hóa thành các dạng hợp chất hữu cơ khác mà cây trồng có thể hấp thụ.

Giai đoạn hình thành mối quan hệ cộng sinh:

Trong quá trình này, vi khuẩn này nhận tín hiệu hóa học từ rễ cây, sau đó xâm nhập vào rễ qua các tế bào lông hút. Khi đã vào trong rễ, vi khuẩn tạo thành nốt sần, nơi chúng thực hiện quá trình này.

Quá trình hình thành nốt sần được bắt đầu từ sự xâm nhập của vi khuẩn vào rễ cây. Vi khuẩn thường xâm nhập vào rễ cây qua các lông hút hoặc vết thương ở vỏ rễ. Cây họ đậu thường tiết ra những chất kích thích sinh trưởng của vi khuẩn nốt sần tương ứng, đó là các hợp chất gluxit, các axit amin ... Muốn xâm nhiễm tốt, mật độ của vi khuẩn trong vùng rễ phải đạt tới 10⁴ tế bào trong 1 gram đất. Nếu xử lý với hạt đậu thì mỗi hạt đậu loại nhỏ cần 500 - 1000 tế bào vi khuẩn, hạt đậu loại to cần khoảng 70.000 tế bào.

Khi mật độ vi khuẩn phát triển tới một mức độ nhất định nó sẽ kích thích cây đậu tiết ra enzym poligalactorunaza có tác dụng phân giải thành lông hút để vi khuẩn qua đó xâm nhập vào. Đường vi khuẩn xâm nhập được tạo thành do tốc độ phát triển của vi khuẩn (sinh trưởng đến đâu, xâm nhập đến đấy) hình thành một "dây xâm nhập" được bao quanh bởi một lớp nhày do các chất của vi khuẩn tiết ra trong quá trình phát triển. Ở giai đoạn này phản ứng của cây đối với vi khuẩn tương tự như đối với vật ký sinh, bởi vậy tốc độ tiến sâu vào nhu mô của dây xâm nhập rất chậm do phản ứng của cây, chỉ khoảng 5 - 8 μm/h. Không phải tất cả các dây xâm nhập đều tiến tới nhu mô rễ mà chỉ một số trong chúng. Chính vì thế để hình thành nốt sần cần mật độ vi khuẩn lớn.

Khi tới lớp nhu mô, vi khuẩn kích thích tế bào nhu mô phát triển thành vùng mô phân sinh. Từ vùng mô phân sinh tế bào phân chia rất mạnh và hình thành 3 loại tế bào chuyên hoá: Vỏ nốt sần là lớp tế bào nằm dưới lớp vỏ rễ bao bọc quanh nốt sần; Mô chứa vi khuẩn gồm những tế bào bị nhiễm vi khuẩn nằm xen kẽ với các tế bào không nhiễm vi khuẩn. Những tế bào chứa vi khuẩn có kích thước lớn hơn tế bào không chứa vi khuẩn tới 8 lần, có những mô chứa vi khuẩn toàn bộ các tế bào đều bị nhiễm vi khuẩn. Loại tế bào chuyên hoá thứ 3 là các mạch dẫn từ hệ rễ vào nốt sần. Đây chính là con đường dẫn truyền các sản phẩm của quá trình cố định nitơ cho cây và các sản phẩm quang hợp của cây cho nốt sần.

Hoạt động của enzyme nitrogenase

Enzyme nitrogenase là yếu tố quyết định trong quá trình chuyển đổi N₂ thành NH₃. Đây là enzyme nhạy cảm với oxy, vì vậy loại vi khuẩn này thường cần môi trường thiếu oxy hoặc có các cơ chế bảo vệ enzyme này khỏi sự oxy hóa.

Tại các tế bào chứa vi khuẩn, vi khuẩn nốt sần xâm nhập vào tế bào chất tại đấy chúng phân cắt rất nhanh. Từ dạng hình que sẽ chuyển sang dạng hình que phân nhánh gọi là dạng giả khuẩn thể. Chính ở dạng giả khuẩn thể này vi khuẩn bắt đầu tiến hành quá trình cố định nitơ.

Thời kỳ cây ra hoa là thời kỳ nốt sần hình thành nhiều nhất và có hiệu quả cố định nitơ mạnh nhất. Hiệu quả cố định nitơ thường thể hiện ở những nốt sần có kích thước lớn và có màu hồng của Leghemoglobin.

Ở những cây họ đậu có đời sống ngắn từ 1 năm trở xuống, đến giai đoạn cuối cùng của thời kỳ phát triển, màu hồng của sắc tố Leghemoglobin chuyển thành màu lục. Lúc đó kết thúc quá trình cố định nitơ, dạng giả khuẩn thể phân cắt thành những tế bào hình cầu. Khi cây chết, vi khuẩn nốt sần sống tiềm sinh trong đất chờ đến vụ trồng sau. Tuy nhiên, có một vài cây họ đậu như cây điền thanh hạt tròn không thấy xuất hiện dạng giả khuẩn.

Ở những cây họ đậu 1 năm và những cây họ đậu lâu năm (thân gỗ) cũng có sự khác nhau về tính chất nốt sần. Ở cây lạc, cây đậu tương, nốt sần hữu hiệu (có khả năng cố định nitơ) thường có màu hồng, kích thước lớn, thường nằm trên rễ chính trong khi nốt sần vô hiệu có màu lục, kích thước nhỏ, thường nằm trên rễ phụ. Ở một số cây đậu lâu năm lại không theo quy luật đó. Ví dụ như cây keo tai tượng dùng để trồng rừng, nốt sần hữu hiệu có cả ở rễ phụ và không có màu hồng.

4. Lợi ích của vi khuẩn cố định đạm trong nông nghiệp

Cung cấp đạm tự nhiên cho cây trồng

Loại vi khuẩn này cung cấp một nguồn dinh dưỡng tự nhiên, giúp cây trồng phát triển mạnh mẽ mà không cần phụ thuộc vào phân bón hóa học. Điều này giúp giảm chi phí sản xuất và hạn chế ô nhiễm môi trường.

Khả năng cố định nitơ của một số loại cây họ đậu

Cây phát triển nhanh hơn, lá xanh tốt hơn, giảm 30 - 50% chi phí phân đạm hóa học, giảm tỷ lệ sâu bệnh 25 - 50% so với các loại phân bón truyền thống.

Việc sử dụng loại vi khuẩn này mang lại nhiều lợi ích cho nông nghiệp, đặc biệt là trong việc phát triển nông nghiệp bền vững.

Cải thiện chất lượng đất

Sự tồn tại của chúng trong đất giúp cải thiện độ phì nhiêu của đất, làm tăng khả năng giữ nước và các chất dinh dưỡng khác. Đất trở nên màu mỡ hơn và có khả năng phục hồi tốt hơn sau khi trồng trọt.

Ngoài ra còn giúp cân bằng dinh dưỡng hữu cơ, thân thiện với môi trường xung quanh đồng thời là đối với sức khỏe con người.

Tăng cường tính bền vững trong canh tác

Sử dụng chúng là một trong những biện pháp quan trọng để phát triển nông nghiệp bền vững. Nó giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào phân bón hóa học và các sản phẩm nông nghiệp có hại, đồng thời bảo vệ môi trường và sức khỏe con người.

5. Ứng dụng vi khuẩn cố định đạm trong nông nghiệp

Trồng cây họ đậu

Trồng cây họ đậu để tăng vi sinh vật cố định ni tơ

Cây họ đậu là nhóm cây trồng có mối quan hệ cộng sinh mạnh mẽ với loại vi khuẩn này, đặc biệt là Rhizobium. Việc trồng cây họ đậu không chỉ giúp cung cấp nguồn đạm cho cây trồng mà còn cải thiện chất lượng đất cho các vụ mùa tiếp theo.

Sử dụng chế phẩm vi sinh

Chế phẩm vi sinh chứa vi khuẩn cố định đạm được sử dụng rộng rãi để bổ sung vi khuẩn có lợi vào đất trồng, đặc biệt là ở những vùng đất xấu hoặc bị thoái hóa.

Cải thiện hiệu quả sử dụng phân bón

Kết hợp chúng với phân hữu cơ hoặc vô cơ có thể giúp tăng cường hiệu quả sử dụng phân bón, giảm thiểu lượng phân bón cần thiết và cải thiện năng suất cây trồng.

Phân chứa các chủng này giúp tăng cường cung cấp các chất dinh dưỡng từ đất cho cây trồng, điều hòa sinh trưởng, các loại men, vitamin có lợi để cây có khả năng chống chịu các loại sâu bệnh hại, nâng cao năng suất – chất lượng sản phẩm và độ phì nhiêu cho đất.

Tác giả Th.S Võ Như Cầm