Nghiên cứu đa dạng và sinh tổng hợp cyclooligomer depsipeptide của nấm ký sinh côn trùng tại Khu bảo tồn thiên nhiên Copia và Vườn quốc gia Xuân Sơn.Nghiên cứu đa dạng và sinh tổng hợp cyclooligomer depsipeptide của nấm ký sinh côn trùng tại Khu bảo tồn thiên nhiên Copia và Vườn quốc gia Xuân Sơn.Nghiên cứu đa dạng và sinh tổng hợp cyclooligomer depsipeptide của nấm ký sinh côn trùng tại Khu bảo tồn thiên nhiên Copia và Vườn quốc gia Xuân Sơn.Nghiên cứu đa dạng và sinh tổng hợp cyclooligomer depsipeptide của nấm ký sinh côn trùng tại Khu bảo tồn thiên nhiên Copia và Vườn quốc gia Xuân Sơn.Nghiên cứu đa dạng và sinh tổng hợp cyclooligomer depsipeptide của nấm ký sinh côn trùng tại Khu bảo tồn thiên nhiên Copia và Vườn quốc gia Xuân Sơn.Nghiên cứu đa dạng và sinh tổng hợp cyclooligomer depsipeptide của nấm ký sinh côn trùng tại Khu bảo tồn thiên nhiên Copia và Vườn quốc gia Xuân Sơn.Nghiên cứu đa dạng và sinh tổng hợp cyclooligomer depsipeptide của nấm ký sinh côn trùng tại Khu bảo tồn thiên nhiên Copia và Vườn quốc gia Xuân Sơn.Nghiên cứu đa dạng và sinh tổng hợp cyclooligomer depsipeptide của nấm ký sinh côn trùng tại Khu bảo tồn thiên nhiên Copia và Vườn quốc gia Xuân Sơn.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI
NGU N THỊ THÙ VÂN
NGHIÊN CỨU ĐA DẠNG VÀ SINH TỔNG HỢP
CYCLOOLIGOMER DEPSIPEPTIDE CỦA NẤM KÝ SINH CÔN TRÙNG TẠI KHU BẢO TỒN THIÊN NHIÊN COPIA
VÀ VƯỜN QUỐC GIA XUÂN SƠN
Chuyên ngành: Vi sinh vật học
Mã số: 9.42.01.07
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC
HÀ NỘI - 2022
Trang 2Công trình được hoàn thành tại:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI
Người hướng dẫn khoa học: 1 PGS TS Dương Minh Lam
2 GS.TS Ngô Sỹ Hiền
Phản biện 1: PGS TS Lê Thanh Bình
Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam Phản biện 2: PGS TS Vũ Nguyên Thành
Viện Công nghệ thực phẩm Phản biện 3: PGS TS Trần Văn Tuấn
Đại học Quốc gia Hà Nội
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường
họp tại Trường Đại học Sư phạm Hà Nội
vào hồi … giờ … ngày … tháng… năm 2022
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
Thư viện Quốc Gia, Hà Nội
Thư viện Trường Đại học Sư phạm Hà Nội
Trang 3MỞ ĐẦU
Nấm ký sinh côn trùng (Entomopathogenic fungi - EPF) hay nấm côn trùng (Insect fungi) là nhóm nấm gây bệnh cho côn trùng Đây là nhóm nấm có vai trò rất quan trọng đối với hệ sinh thái Cho đến nay có gần 2000 loài nấm ký sinh côn trùng được ghi nhận Nấm ký sinh côn trùng có khả năng sinh tổng hợp đa dạng các chất chuyển hóa thứ cấp như: Cyclic depsipeptide, peptide, dẫn xuất amino acid, polyketide, peptide hybrid, terpenoid Các chất chuyển hóa thứ cấp từ nấm ký sinh côn trùng có phổ hoạt tính mạnh đã và đang thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu Trong đó đáng chú ý là nhóm hoạt chất cyclooligomer depsipeptide
Cyclooligomer depsipeptide (COD) là một nhóm đặc biệt của nonribosomal peptid gồm 2, 3 hoặc 4 đơn phân Trong đó mỗi đơn phân được cấu tạo bởi ít nhất một 2-hydroxycarboxylic acid và một 2-amino acid COD được sinh tổng hợp nhờ hệ enzyme non-ribosomal peptide synthetase (NRPSs) COD là hoạt chất tự nhiên được tìm thấy ở vi khuẩn, nấm, thực vật, tảo, hải miên, và một số loại sinh vật biển khác Trong các nhóm COD thì COD từ nấm
ký sinh côn trùng là một nhóm rất quan trọng, chiếm tỷ lệ lớn nhất
Cyclooligomer depsipeptide từ nấm ký sinh côn trùng có phổ hoạt tính sinh học rộng, bao gồm khả năng gây độc ở thực vật, gây độc tế bào, kháng vi rút, diệt côn trùng, chống sốt rét, chống khối u, ức chế hoạt động của một số loại enzyme cũng như là hạn chế sự hình thành các amyloid ở bệnh Alzheimer Đặc biệt trong các nghiên cứu gần đây cho thấy COD từ nấm ký sinh côn trùng rất
có tiềm năng trong phòng chống ung thư, ức chế sự sinh trưởng của một số dòng ung thư khác nhau ở người Hiện nay, các hoạt chất COD từ nấm ký sinh côn trùng được coi là nguồn nguyên liệu tự nhiên mới rất tiềm năng ứng dụng trong y dược
Trên thế giới việc nghiên cứu nấm ký sinh côn trùng cũng như COD từ nấm ký sinh côn trùng bắt đầu từ rất sớm Điển hình như nghiên cứu về tách chiết enniatin A từ nấm Fusarium orthocera var enniatinum của Gaumann (1947), nghiên cứu về sinh tổng hợp cyclodepsipeptide D- D-, L-L-, và D-L- Cyclodi- (β-seryloxy- propionyl) của Hassal và cộng sự (1967) hay nghiên cứu
về cấu trúc của beauvericin từ nấm của Hamill và cộng sự (1969), Trải qua hơn 70 năm, nấm ký sinh côn trùng và COD từ nấm ký sinh côn trùng vẫn thu hút được sự chú ý của rất nhiều nhà khoa học trên thế giới Ở Việt Nam đã có một số công trình nghiên cứu về nấm ký sinh côn trùng và ứng dụng của chúng
đã được công bố Các nghiên cứu tập trung chủ yếu vào đa dạng nấm ký sinh côn trùng hoặc sử dụng sinh khối nấm để sản xuất các chế phẩm ứng dụng làm thuốc trừ sâu, tiêu biểu như nghiên cứu của các tác giả Nguyễn Thị Lộc (2006),
Trang 4Phạm Thị Thùy (2010), Phạm Văn Nhạ (2013),… Nghiên cứu về COD từ nấm
ký sinh côn trùng là vấn đề rất mới mẻ, hiện chưa có một công trình nghiên cứu nào ở Việt Nam đề cập tới vấn đề này
Khu bảo tồn thiên nhiên Copia (Sơn La) và Vườn Quốc gia Xuân Sơn (Phú Thọ) là hai khu vực có độ đa dạng sinh học nổi bật ở miền Bắc Việt Nam Được thiên nhiên ưu đãi về điều kiện tự nhiên vì thế hệ động thực vật ở hai khu vực này rất phong phú, không chỉ có giá trị nghiên cứu khoa học, bảo tồn nguồn gen
mà còn có ý nghĩa trong phát triển kinh tế, khai thác tài nguyên thiên nhiên (đặc biệt là tài nguyên sinh vật) Với những khu rừng nhiệt đới và cận nhiệt đới, ở đây có rất nhiều loài động thực vật quý hiếm hiện hữu và đặc trưng cho vùng núi phía Bắc Tuy nhiên khu hệ nấm ở Khu bảo tồn thiên nhiên Copia và Vườn Quốc gia Xuân Sơn còn chưa có nhiều nghiên cứu Những hiểu biết về đa dạng thành phần loài, đặc điểm sinh học và giá trị sử dụng còn đang rất hạn chế Đặc biệt, hầu như không có bất kỳ nghiên cứu nào về nấm gây bệnh côn trùng ở hai khu vực này
Nhằm bổ sung các hiểu biết về nấm ký sinh côn trùng và COD từ nấm ký sinh côn trùng cũng như góp phần xây dựng danh mục nguồn gen, bảo tồn đa dạng sinh học các loài nấm ký sinh côn trùng tại Khu bảo tồn thiên nhiên Copia
và Vườn Quốc gia Xuân Sơn, chúng tôi lựa chọn nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu đa dạng và sinh tổng hợp cyclooligomer depsipeptide của nấm ký sinh côn trùng tại Khu bảo tồn thiên nhiên Copia và Vườn Quốc gia Xuân Sơn”
Mục tiêu đề tài
Đánh giá được thành phần loài và khả năng sinh tổng hợp cyclooligomer depsipeptide của một số chủng nấm ký sinh côn trùng phân lập được ở Khu bảo tồn thiên nhiên Copia (Sơn La) và Vườn quốc gia Xuân Sơn (Phú Thọ)
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Nấm được phân lập từ các mẫu côn trùng thu thập
ở Khu bảo tồn thiên nhiên Copia (Sơn La) và Vườn quốc gia Xuân Sơn (Phú Thọ)
- Phạm vi nghiên cứu: Phân lập, tuyển chọn, nghiên cứu đặc điểm hình thái
và sinh học phân tử của chủng nấm có khả năng sinh tổng hợp COD Nghiên cứu ảnh hưởng môi trường và điều kiện nuôi cấy thu nhận COD, tách chiết, tinh sạch và khảo sát hoạt tính sinh học của COD từ chủng nấm đã tuyển chọn
Nội dung nghiên cứu
- Phân lập và nghiên cứu đa dạng nấm ký sinh côn trùng từ mẫu thu ở Khu bảo tồn thiên nhiên Copia và Vườn quốc gia Xuân Sơn
- Tuyển chọn các chủng nấm ký sinh côn trùng có khả năng sinh tổng hợp cyclooligomer depsipeptide
Trang 5- Nghiên cứu định loại chủng nấm đã tuyển chọn bằng phương pháp hình thái và sinh học phân tử
- Nghiên cứu lựa chọn môi trường và điều kiện nuôi cấy, sinh tổng hợp cyclooligomer depsipeptide cho chủng nấm đã tuyển chọn ở quy mô phòng thí nghiệm
- Nghiên cứu thu hồi, tinh sạch và xác định cấu trúc hóa học của cyclooligomer depsipeptide
- Nghiên cứu khảo sát một số hoạt tính sinh học của các phân đoạn trong quá trình tách chiết cyclooligomer depsipeptide
Những đóng góp mới của luận án
- Là luận án đầu tiên nghiên cứu một cách toàn diện (từ khâu phân lập, tuyển chọn, định loại, nghiên cứu các đặc điểm lên men thu nhận, tách chiết, tinh sạch, khảo sát hoạt tính sinh học của COD) về một chủng nấm ký sinh côn trùng thuộc chi Cordyceps có khả năng sinh tổng hợp COD và có tiềm năng ứng dụng
- Đây là luận án đầu tiên công bố về đa dạng nấm ký sinh côn trùng và khả năng sinh tổng hợp COD của chủng nấm phân lập từ các mẫu côn trùng thu thập ở Khu bảo tồn thiên nhiên Copia (Sơn La) và Vườn quốc gia Xuân Sơn (Phú Thọ)
- Lần đầu tiên ghi nhận sự có mặt của loài nấm Cordyceps cateniannulata tại
Việt Nam
- Là công bố đầu tiên trên thế giới về Cordyceps cateniannulata có khả
năng sinh tổng hợp COD
Cấu trúc của luận án
Luận án gồm 158 trang, bao gồm các phần sau:
Mở đầu: 4 trang
Chương 1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu: 37 trang
Chương 2 Nguyên vật liệu và phương pháp nghiên cứu: 15 trang
Chương 3 Kết quả và Thảo luận: 71 trang
Kết luận và Kiến nghị: 2 trang
Tài liệu tham khảo: Luận án tham khảo được 12 tài liệu tiếng Việt, 209 tài liệu tiếng nước ngoài, 02 trang Web
Phụ lục: Luận án có 11 phụ lục các kết quả phân tích, trình tự ADN, phổ
Trang 6CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU
Trong chương này, sáu vấn đề liên quan đến các nghiên cứu trong luận án
này đã được tổng quan Đó là: (1.1) Nấm và nấm ký sinh côn trùng; (1.2) Nấm
ký sinh côn trùng sinh tổng hợp cyclooligomer depsipeptide; (1.3) Nhu cầu dinh dưỡng và điều kiện nuôi cấy của nấm ký sinh côn trùng sinh tổng hợp cyclooligomer depsipeptide; (1.4) Tách chiết, tinh sạch và nghiên cứu cấu trúc cyclooligomer depsipeptide từ nấm ký sinh côn trùng; (1.5) Tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam
Trong phần (1.1) Nấm và nấm ký sinh côn trùng, giới thiệu về nấm (mục
1.1.1), sơ lược về nấm ký sinh côn trùng và các hoạt chất trao đổi chất thứ cấp
từ nấm ký sinh trùng (mục 1.1.2) đã được trình bày cụ thể
Trong phần (1.2) Nấm ký sinh côn trùng sinh tổng hợp cyclooligomer
depsipeptide, các nội dung về cấu trúc hóa học, các dạng COD từ nấm và hoạt
tính của COD đã được tổng quan (mục 1.2.1) Đa dạng nấm ký sinh côn trùng
sinh tổng hợp cyclooligomer depsipeptide (Một số chi nấm ký sinh côn trùng phổ biến sinh tổng hợp COD, Nấm Cordyceps spp sinh tổng hợp COD - mục 1.2.2)
và con đường sinh tổng hợp COD ở nấm (mục 1.2.3) được trình bày cụ thể từ trang 18 đến trang 25
Phần (1.3) Nhu cầu dinh dưỡng và điều kiện nuôi cấy của nấm ký sinh
côn trùng sinh tổng hợp cyclooligomer depsipeptide, chúng tôi đã tổng quan
về: Lựa chọn môi trường nuôi cấy, độ pH, nguồn cacbon, nguồn nitơ
Trong phần (1.4) Tách chiết, tinh sạch và nghiên cứu cấu trúc
cyclooligomer depsipeptide từ nấm ký sinh côn trùng, các bước tách chiết,
tinh sạch, các phương pháp trong nghiên cứu cấu trúc COD đã được tổng quan
và mô tả cụ thể
Trong phần (1.5) Tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam, các
hướng nghiên cứu nấm ký sinh côn trùng sinh tổng hợp COD trên thế giới và Việt Nam đặc biệt là ở khu vực nghiên cứu đã được tổng quan
CHƯƠNG II: NGU ÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU
Trong chương này, các Nguyên vật liệu và đối tượng nghiên cứu được
trình bày trong mục (2.1) bao gồm: (2.1.1) Đối tượng nghiên cứu; (2.1.2)
Hóa chất và thiết bị; (2.1.3) Môi trường
Các Phương pháp nghiên cứu (mục 2.2) được chia thành 05 nhóm chính
như sau:
2.2.1 Phương pháp vi sinh vật học gồm các phương pháp: Phương pháp
phân lập, Phương pháp giữ giống, Phương pháp ho t h h ng n m t y n
Trang 7h n, Phương pháp t y n h n h ng n m inh y looligom depsipeptide, Phương pháp ông khô, Phương pháp lự h n môi t ường dinh dưỡng và
iề kiện n ôi y phù hợp ho inh t ưởng và tí h lũy COD h ng t y n
h n, Đánh giá ho t tính gây ộ tế bào th o phương pháp MTT, Phương pháp ánh giá ho t tính kháng vi inh vật ki m ịnh, Đánh giá ho t tính hống oxi h
2.2.2 Phương pháp sinh học phân tử gồm các phương pháp: Tá h hiết
ADN tổng ố, Nhân bội ADN, Phương pháp giải t ình tự
2.2.3 Phương pháp tách chiết và tinh sạch cyclooligomer depsipeptide
gồm các phương pháp: Phương pháp tá h hiết á hợp h t từ inh khối n m,
Phương pháp xá ịnh t ú h h á hợp h t h, Thự nghiệm tá h hiết, tinh h hợp h t COD từ inh khối n m C cateniannulata CPA14V
2.2.4 Phương pháp phân tích gồm các phương pháp: Phương pháp xá
ịnh inh khối khô (CDW), Phương pháp ịnh lượng COD t ong inh khối
n m
2.2.5 Phương pháp toán học
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đa dạng nấm ký sinh côn trùng phân lập từ mẫu thu ở Khu bảo tồn thiên nhiên Copia và Vườn quốc gia Xuân Sơn
3.1.1 Kết quả phân lập và nghiên cứu đặc điểm của nấm ký sinh côn trùng ở Khu bảo tồn thiên nhiên Copia và Vườn quốc gia Xuân Sơn
Kết quả từ 24 mẫu ký chủ thuộc các bộ côn trùng Blattodea, Hemiptera, Coleoptera, Hymenoptera và Lepidoptera, 24 chủng nấm đã được phân lập, thuần khiết và bảo quản cho các nghiên cứu tiếp theo Ký hiệu các chủng lần lượt là: CPA1, CPA3, CPA5, CPA13V, CPA14V, CPA15, CPA16, CPA31, CPA40, CPA44, XS01, XS07, XS12, XS36, XS37, XS38, XS57, XS65, XS66, XS67, XS69, XS71, XS77, XS83
Tiến hành phân loại 24 chủng nấm ký sinh côn trùng đã phân lập được dựa trên đặc điểm hình thái mẫu vô tính, hữu tính ngoài tự nhiên; đặc điểm nuôi cấy
và trình tự ITS của một số chủng các chủng nấm Kết quả xác định được các
chủng đã phân lập thuộc các chi Aschersonia (01 mẫu), Purpureocillium (01 mẫu), Beauveria (08 mẫu), Cordyceps (06 mẫu), Isaria (05 mẫu), và
Ophiocordyceps (03 mẫu) Kết quả cụ thể được thể hiện ở bảng 3.1, hình 3.25
dưới đây
Trang 8Bảng 3.1 Thành phần nấm ký sinh côn trùng phân lập đƣợc
mẫu
Chủng Ký chủ
Trang 9Hình 3.25 Mối quan hệ phát sinh chủng loại của các chủng nấm ký sinh
côn trùng phân lập tại khu vực nghiên cứu
Trang 103.1.2 Một số nhận xét về đa dạng các chủng nấm ký sinh côn trùng tại Khu bảo tồn thiên nhiên Copia và Vườn quốc gia Xuân Sơn
Kết quả 33,3% các chủng đã phân lập thuộc chi Beauveria, tiếp theo là chi
Cordyceps (25%) và Isaria (20,8%) Sự xuất hiện loài thuộc chi Aschersonia ký
sinh trên Hemiptera là lần đầu tiên được ghi nhận ở Việt Nam Trong 5 bộ ký chủ, Hymenoptera có số mẫu 07/24 mẫu thu thập được và là ký chủ của nhiều
chi nấm nhất trong nghiên cứu bao gồm Ophiocordyceps, Cordyceps,
Beauveria, và Isaria Tương tự bộ ký chủ Coleoptera có số mẫu 07/24 mẫu thu
thập được và là ký chủ của 3/6 chi nấm trong nghiên cứu (Beauveria,
Cordyceps và Purpureocillium) Trong nghiên cứu này, Cordyceps spp được
tìm thấy trên 4 bộ ký chủ nhưng không tìm thấy trên Hemiptera Chủng nấm
Isaria được tìm thấy ở bộ côn trùng Blattodae trong nghiên cứu là một ghi nhận
mới
Có sự khác biệt nhỏ giữa hai khu vực nghiên cứu Ở Khu bảo tồn thiên nhiên Copia, 10 mẫu nấm ký sinh côn trùng thu được trong 02 đợt thu mẫu được phân loại vào 4/6 chi nghiên cứu Trong khi ở Vườn quốc gia Xuân Sơn,
14 mẫu nấm thu được trong 01 đợt thu mẫu được phân loại vào 6/6 chi nghiên cứu
3.2 Khả năng sinh tổng hợp cyclooligomer depsipeptide của các chủng nấm ký sinh côn trùng đã phân lập
Kết quả cho thấy, 19/24 (79%) chủng nấm phân lập được có khả năng sinh tổng hợp COD trung bình từ 0,11 - 4,98 mg/g Tất cả các chủng thuộc chi
Beauveria đều có khả năng sinh COD, trong khi 83.3% các chủng Cordyceps
và 60% các chủng Isaria có khả năng này Phát hiện này đã chứng minh rằng
các loài nấm thuộc họ Cordycipitaceae rất có tiềm năng trong sản xuất COD và
rất đáng để nghiên cứu Bốn chủng Isaria sp XS69, Isaria sp CPA40,
Cordyceps sp CPA14V và Beauveria sp CPA16 có khả năng sinh COD cao
nhất, đạt 3,48, 3,88, 4,81, và 4,98 mg/g, trong khi sinh khối CDW tích lũy lần lượt đạt 9,38, 10,42, 9,84, và 5,81 g/l Trong các chủng này thì chủng
Cordyceps sp CPA14V được tìm thấy trên ký chủ thuộc bộ côn trùng Blattodea
có khả năng sinh 47.29 mg/l sau 6 ngày nuôi cấy Chủng nấm Cordyceps sp
CPA14V rất có tiềm năng, cần phải có thêm các nghiên cứu về công nghệ nuôi cấy và sản xuất COD từ chủng này
Trang 11Bảng 3.2 Khả năng sinh tổng hợp COD của các chủng nấm ký sinh côn
trùng phân lập đƣợc ở khu vực nghiên cứu Chủng CDW (g/l) COD (mg/g) COD (mg/l)
Trang 123.3 Định loại chủng nấm CPA14V bằng đặc điểm hình thái và sinh học phân tử
3.3.1 Đặc điểm hình thái của chủng nấm CPA14V
Hình 3.27 Đặc điểm hình thái của chủng Cordyceps sp CPA14V
a) Tr ng thái vô tính ngoài tự nhiên a ch ng n m Cordyceps sp CPA14V; b) Bào tử ch ng Cordyceps sp CPA14V; c) Khuẩn l c ch ng Cordyceps sp CPA14V t ên môi t ường Sabouraud; d) Khuẩn l c ch ng Cordyceps sp CPA14V t ên môi t ường Czapek-Dox; ) Bào tử và ống inh bào tử ch ng Cordyceps sp CPA14V t ên môi t ường Czapek-Dox ( l b : b, =10 µm;
c,d=2cm)
Đặc điểm hình thái trạng thái sinh sản vô tính của chủng nấm CPA14V đã
phân lập giống với các đặc điểm của chi Paecoelomyces, một trong những chi nấm ở trạng thái vô tính của các loài Cordyceps
3.3.2 Định loại chủng nấm CPA14V bằng phương pháp sinh học phân tử
Vật liệu di truyền của chủng nấm CPA14V đã tuyển chọn được tách chiết
để khuếch đại trình tự gen ITS, LSU và Rpb1 bằng phản ứng PCR, sản phẩm
được gửi sang công ty First BASE (Singapore) để tiến hành xác định trình tự nucleotide Trình tự nucleotide của chủng nấm CPA14V được sử dụng để so sánh với các trình tự liên quan có sẵn trong Ngân hàng gen NCBI cho thấy rằng
các trình tự tương tự nhất là các loài Cordyceps Cây phát sinh chủng loại của chủng nấm CPA14V được xây dựng dựa trên trình tự các vùng gen ITS, LSU và
Rpb1 bằng phương pháp Neighbor Joining với bootstrap 1000 sử dụng phần
mềm Mega X, lần được các kết quả như hình 3.28, 3.29, 3.30
Trang 13Hình 3.28 Kết quả xây dựng cây phát sinh loài dựa trên vùng gen ITS