Nghiên cứu ảnh hưởng của chủng vi khuẩn lam nostoc calcicola hn9 1a đến một số thành phần chống ooxxi hóa trong lá cây đậu tương nam đàn (glycine (l ) merr )

MỞ ĐẦU Trong trạng thái bình thường, các tế bào thực vật luôn tổng hợp một lượng nhất định các dạng ôxy hoạt hóa như hydrogen peroxide H2O2, gốc tự do superoxide O2 •- để tham gia những

NGUYỄN THỊ HOÀI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHỦNG VI KHUẨN LAM Nostoc

calcicola HN9-1a ĐẾN MỘT SỐ THÀNH PHẦN CHỐNG ÔXI HÓA

TRONG LÁ CÂY ĐẬU TƯƠNG NAM ĐÀN (Glycine max (L.) Merr.)

LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC Chuyên ngành: Thực vật học

Nghệ An, 8-2016

NGUYỄN THỊ HOÀI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHỦNG VI KHUẨN LAM Nostoc

calcicola HN9-1a ĐẾN MỘT SỐ THÀNH PHẦN CHỐNG ÔXI HÓA

TRONG LÁ CÂY ĐẬU TƯƠNG NAM ĐÀN (Glycine max (L.) Merr.)

LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC Chuyên ngành: Thực vật học

Mã số: 60.42.01.11

Người hướng dẫn khoa học: TS Mai Văn Chung

Nghệ An, 8-2016

học, Trường Đại học Vinh)

Các số liệu, kết quả nghiên cứu trình bày trong luận văn là trung thực

và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình khoa học nào khác trong nước và ở nước ngoài Mọi trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Công trình này được thực hiện trong khuôn khổ đề tài KHCN NAFOSTED, mã số 106-NN.03-2014.22 do TS Mai Văn Chung làm Chủ nhiệm

Tác giả

Nguyễn Thị Hoài

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo Sau đại học, Khoa Sinh học, Trường đại học Vinh đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập và nghiên cứu

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy, cô giáo Bộ môn Thực vật-Sinh lý thực vật và các bộ môn liên quan đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập Xin trân trọng cám ơn TS Nguyễn Lê Ái Vĩnh (Khoa Sinh học, Trường Đại học Vinh) đã cung cấp dịch vi khuẩn lam

Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Mai Văn Chung, người thầy đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ trong suốt thời gian nghiên cứu

và hoàn thành luận văn

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, cùng tập thể anh chị em lớp Cao học 22 Thực vật học đã động viên, ủng hộ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện này

Tác giả

Nguyễn Thị Hoài

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN………

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ………

DANH MỤC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH ………

NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN ………

MỞ ĐẦU ……… Trang 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU ……… 3

1.1 Cơ chế tự bảo vệ của thực vật 3

1.1.1 Tự bảo vệ thụ động 3

1.1.2 Tự bảo vệ chủ động sinh hóa 5

1.1.3 Một số cơ chế tự bảo vệ của thực vật 9

1.2 Vi khuẩn lam và vai trò của chúng trong sản xuất nông nghiệp …… 16

1.2.1 Khái quát về vi khuẩn lam 16

1.2.2 Vai trò của vi khuẩn lam trong sản xuất nông nghiệp………17

1.2.3 Vai trò của vi khuẩn lam trong cơ chế tự bảo vệ cây trồng……… 19

1.3 Cây đậu tương và giá trị của cây đậu tương……… 21

1.3.1 Khái quát về cây đậu tương……… 21

1.3.2 Giá trị dinh dưỡng của đậu tương ……… 22

1.3.3 Giống đậu tương Nam Đàn ………23

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tương nghiên cứu ………24

2.2 Nội dung nghiên cứu……… 24

2.3 Phương pháp nghiên cứu ……… 25

2.3.1 Chuẩn bị dịch VKL ……… 25

2.3.2 Bố trí thí nghiệm ……… 25

2.3.3 Phương pháp phân tích……… 26

3.1 Ảnh hưởng của N calcicola HN9-1a đối với sinh tổng hợp các dạng ôxy

hoạt hóa trong lá cây đậu tương Nam Đàn ……….28

3.1.1 Ảnh hưởng của N calcicola HN9-1a đối với superoxide (O 2 .- ) trong lá cây đậu tương Nam Đàn ……… 28

3.1.2 Ảnh hưởng của N calcicola HN9-1a đối với hydrogen peroxide trong lá đậu tương Nam Đàn……… …30

3.2 Ảnh hưởng của N calcicola HN9-1a đối với các chất chống ôxy hóa trong lá cây đậu tương Nam Đàn ………32

3.2.1 Ảnh hưởng của N calcicola HN9-1a đối với axit ascorbic trong lá đậu tương Nam Đàn ………33

3.2.2 Ảnh hưởng của N calcicola HN9-1a đối với phenol tổng số trong lá đậu tương Nam Đàn ……… 34

3.3 Ảnh hưởng của N calcicola HN9-1a đối với các enzyme chống ôxy hóa trong lá cây đậu tương Nam Đàn ……….36

3.3.1 Enzyme superoxide dismutase (SOD, EC 1.15.1.1)……… ….36

3.3.2 Enzyme catalase (CAT, EC 1.11.1.6)………38

3.3.3 Enzyme peroxidase (POX, EC 1.11.1.7)……… ….40

3.3.4 Enzym ascorbate peroxidase (APX, EC 1.11.1.11) ……… ….42

3.3.5 Enzyme polyphenol oxidase (PPO, EC 1.10.3.2)………44

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ……… … 47

A Kết luận……….… 47

B Đề nghị……….47

TÀI LIỆU THAM KHẢO………48

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI …….-i-

PHỤ LỤC……… i

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 3.2 Hàm lượng hydrogen peroxide trong lá cây đậu tương Nam Đàn …31 Bảng 3.3 Hàm lượng axit ascorbic (Vitamin C) trong lá đậu tương Nam Đàn 33 Bảng 3.4 Hàm lượng phenol tổng số trong lá đậu tương Nam Đàn ………….35 Bảng 3.5 Hoạt độ enzyme superoxide dismutase (SOD) trong lá đậu tương Nam

Đàn ………… ………… ………… ………… ……….37

Bảng 3.6 Hoạt độ enzyme catalase (CAT) trong lá đậu tương Nam Đàn ……39 Bảng 3.7 Hoạt độ enzyme peroxidase (POX) trong lá đậu tương Nam Đàn 41 Bảng 3.8 Hoạt độ enzyme ascorbate peroxidase (APX) trong lá đậu tương Nam

Đàn ………… ………… ………… ………… ……….43

Bảng 3.9 Hoạt độ enzyme polyphenol oxidase (PPO) trong lá đậu tương Nam

Đàn ………… ………… ………… ………… ………… …… 45

DANH MỤC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH

Sơ đồ 1.1 Stress “ôxy hóa” ở cây đậu do rệp hại gây nên ……… 9

Sơ đồ 1.3 Hoạt động của các enzyme chống ôxy hóa ……… 12 Hình 2.1 Cây đậu tương Nam Đàn ở giai đoạn V2 ……… 24

Hình 2.2 Chủng Nostoc calcicola HN9-1a ……….24

đậu tương Nam Đàn ……… … 29

lá đậu tương Nam Đàn ……….31

Hình 3.3 Ảnh hưởng của N calcicola HN9-1a đối với hàm lượng axit ascorbic

trong lá đậu tương Nam Đàn ………33

Hình 3.4 Ảnh hưởng của N calcicola HN9-1a đối với hàm lượng phenol tổng

số trong lá đậu tương Nam Đàn ……… 35

Hình 3.5 Ảnh hưởng của N calcicola HN9-1a đối với hoạt độ enzyme SOD

trong lá đậu tương Nam Đàn ………37

Hình 3.6 Ảnh hưởng của N calcicola HN9-1a đối với hoạt độ enzyme CAT

trong lá đậu tương Nam Đàn ………39

Hình 3.7 Ảnh hưởng của N calcicola HN9-1a đối với hoạt độ enzyme POX

trong lá đậu tương Nam Đàn ………41

Hình 3.8 Ảnh hưởng của N calcicola HN9-1a đối với hoạt độ enzyme APX

trong lá đậu tương Nam Đàn ……… …….43

Hình 3.9 Ảnh hưởng của N calcicola HN9-1a đối với hoạt độ enzyme PPO

trong lá đậu tương Nam Đàn ……… 45

NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN

H2O2 : Hydrogen peroxide

O2.- : Gốc tự do superoxide

MỞ ĐẦU

Trong trạng thái bình thường, các tế bào thực vật luôn tổng hợp một lượng nhất định các dạng ôxy hoạt hóa như hydrogen peroxide (H2O2), gốc tự do superoxide (O2 •-) để tham gia những phản ứng tự bảo vệ: nhận diện tác động của các yếu tố bên ngoài, tăng cường độ bền của vách tế bào, khởi động các con đường tín hiệu, kích hoạt biểu hiện của gen và protein bảo vệ, [32] Tuy nhiên, hàm lượng H2O2 và O2•- cao thường gây stress “ôxy hóa” dẫn đến rối loạn tính thấm của màng, biến tính lipid, protein, axit nucleic , thậm chí làm chết tế bào [13] Để hạn chế những thiệt hại này, thực vật hình thành các cơ chế kiểm soát, điều chỉnh hàm lượng H2O2 và O2•- phù hợp với trung tâm là hoạt động của các enzym chống ôxy hóa như superoxide dismutase-SOD, catalase-CAT, peroxidase-POX và ascorbate peroxidase-APX, polyphenol oxidase-PPO [13], [32] Các enzyme này duy trì sinh tổng hợp H2O2 và O2•- đủ hàm lượng để tham gia cơ chế phòng vệ của cây trồng, đồng thời hạn chế độc tính của chúng đối với

tế bào

Là sinh vật nhân sơ có vai trò quan trọng trong sản xuất nông nghiệp, vi khuẩn lam (VKL) được biết đến là có khả năng tiết ra nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học hỗ trợ cây trồng sinh trưởng phát triển Nhiều hoạt chất đó có bản chất là hooc-môn thực vật hay protein enzym có chức năng điều hòa trao đổi chất, một số khác lại có khả năng kháng vi khuẩn, virus, nấm bệnh hay hoạt tính chống ôxy hóa [39] Nhiều chủng/loài VKL đã được nuôi thu sinh khối ở pha cân bằng (giai đoạn VKL đạt sinh khối cao) để khai thác, ứng dụng những lợi ích trên Tuy nhiên, vào cuối thời kỳ sinh trưởng (pha suy vong), VKL chết làm gia tăng các sản phẩm phân hủy như axit hữu cơ, ethanol có tính độc đối với thực vật Dịch VKL ở pha suy vong có thể tác động như một yếu tố bất lợi, ảnh hưởng tiêu cực đến sinh trưởng, phát triển và năng suất của cây trồng

Đậu tương Nam Đàn (Glycine max (L.) Merr.) là giống cây trồng gắn liền

với thương hiệu ‘tương Nam Đàn’ nổi tiếng của Nghệ An Sau khi bị thoái hóa, giống đậu tương này đã được phục tráng thành công vào năm 2009 Để mở rộng quy mô sản xuất đối với cây đậu tương Nam Đàn, việc nghiên cứu bổ sung các giải pháp khoa học, kỹ thuật, trong đó có việc sử dụng chiết vi khuẩn lam, nhằm nâng cao hiệu quả canh tác giống đậu tương này, là thực sự cần thiết Từ thực tế

đó, chúng tôi lựa chọn và thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của chủng

vi khuẩn lam Nostoc calcicola HN9-1a đến một số thành phần chống oxi hóa trong lá cây đậu tương Nam Đàn (Glycine max (L.) Merr.)

Mục tiêu chung của đề tài là: Nghiên cứu ảnh hưởng của chủng VKL

Nostoc calcicola HN9-1a ở các pha cân bằng và pha suy vong lên biểu hiện của

một số thành phần của hệ thống chống ôxy hóa ở cây đậu tương Nam Đàn

(Glycine max (L.) Merr.) trong giai đoạn sinh trưởng phát triển sinh dưỡng

(trước khi ra hoa)

Cụ thể, nghiên cứu này được thực hiện nhằm:

- đánh giá tác động của chủng VKL N calcicola HN9-1a ở pha cân bằng

và pha suy vong đối với stress “ôxy hóa” gắn liền với các dạng ôxy hoạt hóa

H2O2, O2•- trong lá đậu tương Nam Đàn

- phân tích ảnh hưởng của chủng N calcicola HN9-1a đến sinh tổng hợp

một số chất có hoạt tính chống ôxy hóa như axit ascorbic (vitamin C), phenol tổng số trong lá đậu tương Nam Đàn

- đánh giá vai trò của chủng N calcicola HN9-1a đến hoạt độ của các

enzym chống ôxy hóa SOD, CAT, POX, APX và PPO ở lá đậu tương Nam Đàn cũng như mối liên hệ giữa các enzyme này với stress “ôxy hóa” ở lá đậu tương Nam Đàn

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Cơ chế tự bảo vệ của thực vật

Mỗi loài thực vật, trong vòng đời của mình, chịu tác động của rất nhiều yếu tố bất lợi khác nhau từ môi trường sống: sâu bọ, nấm, vi khuẩn, vi rút gây bệnh, nhiệt độ cao-thấp, hạn hán, úng ngập, kim loại nặng, độc tố Các yếu tố khác nhau có cơ chế và cường độ tác động khác nhau Mặc dù phải chịu những thiệt hại nhất định từ sự tác động đó, nhưng phần lớn các cây vẫn tồn tại và sinh trưởng, phát triển tốt, đó sự thích nghi Trên phương diện miễn dịch, đó là do đặc điểm cấu tạo của thực vật có vai trò là các rào cản vật lý ngăn cản các yếu tố gây bệnh xâm nhập vào và phát triển trong cây; và các phản ứng sinh hóa xảy ra trong tế bào và mô, hình thành các chất hoặc là độc đối với tác nhân gây bệnh hoặc tạo điều kiện ức chế sự sinh trưởng của tác nhân gây bệnh; tạo nên các hàng rào và cơ chế tự bảo vệ trong cây [37]

1.1.1 Tự bảo vệ thụ động

a Đặc điểm hình thái, cấu trúc thân lá

Hàng rào đầu tiên là bề mặt cây chủ nơi tác nhân gây bệnh tiếp xúc và xâm nhập Các đặc điểm cấu trúc bề mặt ảnh hưởng tới sự tiếp xúc và xâm nhập của tác nhân gây bệnh gồm số lượng và chất lượng lớp sáp và cutin; vách tế bào biểu bì; số lượng, kích thước, vị trí và hình dạng khí khổng và lỗ thở ở thân và

sự có mặt của tế bào cương mô [46]

+ Lớp sáp Lớp sáp trên bề mặt lá, quả tạo ra bề mặt ghét nước, do đó

ngăn sự hình thành màng nước cần cho bào tử nấm tiếp xúc và nảy mầm và vi khuẩn nhân lên Mật độ lông lá dày cũng có ảnh hưởng tương tự và có thể làm giảm sự nhiễm bệnh

+ Tầng cutin Tầng cutin dày có thể ngăn cản sự xâm nhập của các tác

nhân gây bệnh có kiểu xâm nhập trực tiếp Tuy nhiên, độ dày tầng cutin không luôn luôn quan hệ thuận với tính kháng

+ Biểu bì Độ dày và độ cứng của vách tế bào biểu bì dường như là yếu tố

quan trọng đối với tính kháng của một số tổ hợp ký sinh-ký chủ Vách dày và cứng của tế bào biểu bì có thể ngăn cản sự xâm nhập theo kiểu trực tiếp của tác nhân gây bệnh

+ Tế bào bên trong Vách tế bào của mô đang bị xâm nhập thường thay

đổi độ dày và độ cứng và đôi khi cũng ức chế sự phát triển của bệnh Sự có mặt của nhiều tế bào cương mô ở thân nhiều cây ngũ cốc có thể hạn chế sự phát triển một số bệnh, chẳng hạn bệnh gỉ sắt hại thân

b Tự bảo vệ nhờ các chất hóa học có sẵn

Mặc dù rào cản vật lý có thể tạo ra một số mức độ tự bảo vệ nhưng nhìn chung khả năng tấn công của tác nhân gây bệnh phụ thuộc không nhiều vào rào cản này Thực tế là nhiều yếu tố gây hại không thể xâm nhập dù không có trở ngại cấu trúc của cây chủ Tự bảo vệ hóa học chắc chắn đóng vai trò quan trọng hơn trong cơ chế tự bảo vệ bị động của cây Một số nhóm hợp chất có sẵn phổ biến bao gồm: phenolics (phenols, phenolic acids, quinones, flavonoids, flavonones, flavonols, tannins, coumarins); terpenoids (capsaicin); alkaloids (berberine, piperine); lectins và polypeptides (mannose, fabatin) [46]

+ Các chất ức chế được tiết ra bên ngoài tế bào

Cây có thể tiết ra một số hợp chất có tính độc đối với nấm bệnh Ví dụ, lá

cà chua và củ cải đường tiết ra các chất kháng nấm ức chế sự nảy mầm bào tử

nấm Botrytis và Cercospora; củ hành tây vỏ trắng bị nhiễm bệnh thán thư (Colletotrichum circinans) còn củ có vỏ đỏ tạo ra các hợp chất phenolic

(protocatechuic acid và catechol) có khả năng ức chế sự nảy mầm của nấm

sắt (Puccinia helianthi) do ASM kích thích cây tiết ra courmarin và các hợp chất

phenolic có khả năng ức chế nảy mầm và hình thành giác bám của bào tử nấm

+ Các chất ức chế ở trong tế bào

Một số hợp chất phenolic, tannin và các acid béo có sẵn ở nồng độ cao trong tế bào lá non, quả non hoặc hạt có khả năng chống một số loại nấm gây

bệnh thực vật, chẳng hạn Botrytis Nhiều hợp chất tương tự có khả năng ức chế

các enzyme thủy phân kể cả enzyme phân hủy pectin của tác nhân gây bệnh Khi

mô trở nên già, nồng độ các chất ức chế này giảm và tính kháng cũng giảm theo

Catechin có khả năng ức chế sự hình thành đế xâm nhiễm của bào tử

nấm Alternaria alternate Nhiều hợp chất khác, chẳng hạn như saponin (là các

hợp chất glycosid của triterpen và steroid; ví dụ điển hình là tomatin trong cà chua) ức chế các nấm thiếu enzyme saponinase phân hủy saponin

Một nhóm hợp chất nữa tham gia cơ chế bảo vệ thụ động của thực vật nữa là lectin, các protein liên kết đặc hiệu với đường Lectin phổ biến trong hạt của nhiều loại cây, có thể dung tan hoặc ức chế sinh trưởng của nhiều loại nấm

1.1.2 Tự bảo vệ chủ động sinh hóa

a Phytoalexin

Phytoalexin là các hợp chất có trọng lượng phân tử thấp, có tính kháng

vi sinh vật, được tạo ra bởi cây do hậu quả của sự nhiễm bệnh hoặc các stress

sinh học [25]

Phytoalexin được tạo ra trên các tế bào khỏe xung quanh, nhằm phản ứng với các chất khuyếch tán ra từ các tế bào bị xâm nhiễm hoặc tổn thương Sự hình thành và tích lũy phytoalexin mang tính cục bộ và xảy ra khá nhanh Khi phytoalexin tích lũy tới một nồng độ nào đó sẽ ức chế sự phát triển của vi sinh vật (thường là nấm) Các loài/chủng nấm có tính gây bệnh có xu hướng kích thích hình thành phytoalexin với nồng độ thấp hơn so với các loài/chủng không

có tính gây bệnh Ngoài ra, các loài/chủng nấm không có tính gây bệnh cũng

dường như kém mẫn cảm với tính độc của phytoalexin hơn so với các loài/chủng nấm có tính gây bệnh

Phytoalexin rất đa dạng về số lượng và cấu trúc Khoảng 350 chất có tính chất giống phytoalexin đã được phát hiện từ khoảng 30 họ thực vật; trong đó khoảng 150 chất được phân lập trên cây họ đậu (Fabaceae) Phần lớn phytoalexin được phân lập trên cây Hai lá mầm, một số được phân lập trên cây Một lá mầm Cấu trúc hóa học của phytoalexin được phân lập từ cùng một họ thực vật thường khá giống nhau Các phytoalexin nhóm phenylpropanoid phổ biến trong nhiều họ thực vật như Fabaceae, Solanaceae, Convolvulaceae, Umbelliferae và Gramineae; các phytoalexin nhóm isoflavonoid phổ biến trong

họ Fabaceae, nhóm sesquiterpenoid phổ biến trong họ cà (Solanaceae)

Một số phytoalexin đặc trưng và được nghiên cứu nhiều là pisatin (ở đậu

Hà Lan), glyceolin (ở đậu tương, cỏ ba lá, cỏ alfafa), rhisitin (ở khoai tây);

capsidiol (ở ớt); cammaxin (ở Arabidopsis)

b Các hợp chất phenol

Một số hợp chất phenolic phổ biến thường hình thành và tíc lũy với tốc độ nhanh hơn trên cây bị bệnh, đặc biệt trên các giống kháng Một số các hợp chất phenolic phổ biến là chlorogenic acid, caffeic acid, ferulic acid Ví dụ, quả đào

xanh hình thành nhiều chlorogenic acid khi bị nhiễm nấm Monilinia fructicola

Hợp chất phenolic này ngoài gây độc trực tiếp đối với nấm thì quan trọng hơn còn ức chế các enzyme của nấm dùng để phân hủy mô ký chủ [25]

Các hợp chất phenolic độc hình thành từ các hợp chất phenolic không độc Nhiều cây chứa các chất glycoside (glucose) liên kết với các phân tử phenolic Ở trạng thái liên kết, các hợp chất này không độc Một số loại nấm và

vi khuẩn có thể hình thành hoặc kích thích mô cây hình thành các enzyme glycosidase thủy phân các hợp chất trên và giả phóng các hợp chất phenolic độc

Nhiều hợp chất phenol trong cây có độc tính thấp đối với tác nhân gây bệnh Trong nhiều trường hợp, trong mô nhiễm bệnh của các giống kháng bệnh, hoạt tính của các enzyme oxy hóa phenol (ví dụ: polyphenol oxydase) nhìn chung được tăng cường Các enzyme này sẽ oxy hóa các hợp chất phenolic thành các hợp chất quinone có tính độc mạnh hơn Một cơ chế khác là: trong quả

xanh thường chứa “-dien” (là các hợp chất hydrocarbon có chứa 2 liên kết kép),

có tính độc cao đối với tác nhân gây bệnh Ở một số loại quả, elicitor từ nấm không gây bệnh đã kích thích hình thành một hợp chất phenolic là epicatechin

Epicatechin ức chế enzyme lipoxygenase dẫn tới không phân hủy “-dien” và quả

chín vẫn có thể kháng được sự xâm nhiễm của nấm (đặc biệt là nấm thán thư)

c PR protein (pathogenesis-related protein)

Protein liên quan đến sự gây bệnh (PR protein) là các protein được cây tạo

ra do cảm ứng bởi các tác nhân gây bệnh chủ yếu thuộc các nhóm nấm vi khuẩn,

virus, tuyến trùng Nhiều PR có hoạt tính kháng nấm Ngoài ra, sự tấn công của côn trùng cũng kích thích cây tạo ra PR protein

Hiện có khoảng 17 nhóm (còn được gọi là họ) PR protein khác nhau, được ký hiệu từ PR1 đến PR17 theo thứ tự được phát hiện [25] Dưới đây là đặc điểm của một số nhóm PR quan trọng nhất:

+ PR-1 là nhóm protein có số lượng nhiều nhất; thường hình thành trong

cây với hàm lượng rất cao sau khi bị nhiễm bệnh (có thể đạt tới 1-2% tổng lượng protein của lá) Protein của nhóm này đã được phát hiện thấy trên tất cả các loại

cây được kiểm tra Các protein có chức năng tương tự PR-1 cũng được phát hiện

thấy ở nhiều sinh vât khác như nấm, côn trùng, động vật có xương sống Mặc dù chức năng sinh học và cơ chế hoạt động của nhóm này chưa rõ nhưng các

protein PR-1 có hoạt tính kháng nấm cả in vitro và in vivo Trên thuốc lá, có ít nhất 16 protein PR-1 đã được khám phá, trong đó 3 protein loại acid (PR-1a, - 1b, -1c) và 1 protein (PR-1g) hình thành khi cây bị nhiễm Tobacco mosaic virus

Trên lúa có 23 gen mã hóa protein PR-1 Trên ớt, sự biểu hiện của gen PR-1 loại kiềm được cảm ứng bởi TMV đã tạo tính kháng đối với tolerance to P parasitica var nicotianae, Ralstonia solanacearum, và P syringae pv tabaci

+ PR-2 (-1,3- glucanase) là nhóm protein có mặt trong nhiều loài cây, động vật và vi sinh vật Glucanase có thể chia thành 3 nhóm: nhóm I là các glucanase có tính kiềm hình thành ở không bào; nhóm II và III có tính acid và là các protein ngoại bào Glucanase thuộc nhóm I có hoạt tính kháng nấm cả invitro và invivo Glucanase thuộc nhóm II và III chỉ có hoạt tính kháng nầm nếu phối hợp với glucanase nhóm I hoặc chitinase Đặc tính kháng nấm của glucanase là khả năng phân hủy vách tế bào của nấm (cấu tạo bởi glucan)

+ PR-3 (chitinase lớp I, II, IV, VI, VII), PR-8 (chitinase lớp III) và PR-11

(chitinase lớp V) là các chitinase có hoạt tính kháng nấm bằng cách xúc tác cho phản ứng thủy phân để cắt liên kết P-1,4-glycoside của N-acetyl-D-glucosamine (chitin, thành phần của vách tế bào nấm) Phản ứng thủy phân này tạo ra các oligosacharid có vai trò là elicitor cho các phản ứng tự bảo vệ khác

+ PR-4 (protein liên kết chitin): Hoạt tính kháng nấm của các protein

nhóm PR-4 làdo khả năng liên kết với chitin của vách tế bào nấm dẫn tới ức chế

sinh trưởng của nấm Loại PR-4 phổ biến nhất là legumin và vicilin (chiếm tới

80% hàm lương protein của hạt đậu) Vicilin đã được chứng minh có khả năng

ức chế sinh trưởng và nảy mầm bào tử của nhiều loại nấm như Fusarium solani,

F oxysporum, Collectotrichum musae, Phytophthora capsici, Neurospora crassa, Ustilago maydis

+ PR-5: Osmotin và thaumatin-like (TL) protein là các protein có tính

kiềm Osmotin và TL tương tác với màng tế bào nấm và hình thành các lỗ thủng xuyên màng Osmotin trên thuốc lá kích thích MAPK do đó phá vỡ 1 đường hướng dẫn truyền tín hiệu (dựa vào MAPK) nhằm tăng cường tính ổn định của vách tế bào nấm TL protein có mặt trong nhiều loài cây

+ PR-6 là họ các protein ức chế protease (Protease inhibitors-PI) Các

protein PR6 có thể ức chế các protease nhóm aspartic, serine, cystein

+ PR-12 (Defensins) và PR-13 (thionins) Defensin và thionin là các

protein có trọng lượng phân tử nhỏ (~5 kD), kích thước khoảng 45-54 axit amin Các protein này là các protein hoạt động trên màng, phát hiện thấy ở tất cả các nhóm sinh vật và độc đối với nấm Cơ chế gây độc đối với nấm của các loại protein này vẫn chưa rõ nhưng defensin đã được chứng tỏ là làm tăng vận chuyển ion K+ ra ngoài màng, tăng hấp thụ Ca2+ của nấm Neurospora crassa

1.1.3 Một số cơ chế tự bảo vệ của thực vật

a Hệ thống chống ôxy hóa (Antioxidant system)

Trong cơ thể thực vật, ở điều kiện bình thường, những dạng ôxy hoạt hóa (ROS-reactive oxygen species) là sản phẩm chuyển hóa của ôxy (O2) như hydrogen peroxide (H2O2), superoxide (O2•-), và hydroxyl (OH-), tham gia điều khiển sự sinh trưởng, phát triển của các cơ quan lá, hoa, quả… thông qua điều tiết các quá trình chuyển hóa nội bào Khi cơ thể gặp điều kiện sống bất lợi như hạn hán, lạnh, nóng, nấm bệnh, sâu hại…, hàm lượng các gốc này tăng đột biến, gây nên hiện tượng “stress ôxi hóa” (oxidative stress) [33]

Sơ đồ 1.1 Stress “ôxy hóa” ở cây đậu do rệp hại gây nên [33]

Trong “stress ôxi hóa”, các gốc tự do biểu hiện cả hai vai trò tích cực và tiêu cực Với hàm lượng cao trong tế bào, chúng tác động tiêu cực làm thay đổi tính thấm, độ dẫn điện, phân giải thành phần photpholipid, dẫn đến phá hủy màng nội chất, gây chết các tế bào, tổn thương các cơ quan, bộ phận Vai trò tích cực được đánh giá trên phương diện sự bùng nổ đó lại là một dạng phản ứng phòng vệ của cơ thể thực vật đối với các yếu tố gây stress, đặc biệt là đối với bệnh nấm, bệnh vi khuẩn và có nhiều nghiên cứu đã đánh giá vai trò này trên các loại cây trồng [13, 32] Trong trường hợp sâu bệnh tấn công, vai trò tự bảo

vệ của các gốc tự do bước đầu đã được ghi nhận ở nhiều loài thực vật

Để hạn chế những thiệt hại do stress “ôxy hóa”, thực vật có những cơ chế kiểm soát, điều chỉnh hàm lượng ROS phù hợp, trong đó có sự tham gia của các enzym chống ôxy hóa (enzymatic antioxidant) như superoxide dismutase-SOD, catalase-CAT, peroxidase-POX, ascorbate peroxidase-APX, ascobate oxidase-

AO, polyphenol oxidase-PPO [13], [32]

SOD là enzyme phân giải gốc tự do superoxide (O2•-), một dạng ôxy hoạt hóa rất độc hình thành khi tế bào, mô bị stress, thành chất ít độc hơn (hydrogen peroxide- H2O2) Quá trình xúc tác của SOD có thể biểu diễn bằng các phản ứng dạng ion sau:

M(n+1)+ −SOD + O2•- → Mn+−SOD + O2

Mn+−SOD + O2•- + 2H+ → M(n+1)+−SOD + H2O2Với: M là một trong các kim loại Cu (n=1); Mn (n=2) hoặc Fe (n=2) Sau đó, CAT là enzyme chứa sắt tìm thấy trong tất cả mô hiếu khí, xúc tác cho phản ứng phân giải H2O2 thành H2O và O2 theo phản ứng

2 H2O2 → 2 H2O + O2Trong hệ thống enzyme chống oxy hóa thì CAT là một trong những enzyme quan trọng nhất, có tác dụng loại trừ H2O2 tích tụ trong tế bào

Cùng với CAT, enzyme peroxidases (POX) có mặt ở tất cả các loài thực vật, tác động lên H2O2 và peroxide hữu cơ trong sự hiện diện của chất nhận oxy Ngoài ra, enzyme này còn xúc tác cho các phản ứng oxy hóa nhiều loại polyphenol và amime thơm, do đó có nhiều loại POX tương ứng theo cơ chất, ví dụ: guaiacol peroxidase (GPX), pyrogallol peroxidase (PPX), syringaldazine peroxidase (SPX) hay glutathione peroxidase (GlPx) [34]

Trong cơ chế bảo vệ của thực vật, SOD, CAT và POX luôn hoạt động đồng thời với nhau, duy trì độ hoạt động cao trong khoảng thời gian 6-48 giờ góp phần kiểm soát hàm lượng H2O2 và O2 •-

sinh ra do stress “ôxy hóa” theo chuỗi phản ứng sau:

Sơ đồ 1.3 Hoạt động của một số enzyme chống ôxy hóa [31]

Các enzym PPO và APX đóng vai trò phân giải các cơ chất tương ứng là hợp chất phenol và vitamin C trong các phản ứng các dạng ô xy hoạt hóa và chuyển hóa chúng thành các dạng ít độc hoặc không độc đối với tế bào sống

Các enzyme chống ôxy hóa vừa duy trì sinh tổng hợp ROS để tăng cường khả năng chống chịu trước tác động từ môi trường ngoài, đồng thời kiểm soát, giảm thiểu độc tính của ROS đối với các yếu tố cấu trúc và quá trình sống diễn

ra bên trong tế bào [49]

Chất chống oxi hóa (non-enzymatic antioxidant) là một loại hóa chất giúp ngăn chặn hoặc làm chậm quá trình oxi hóa chất khác có trong cơ thể sống [42]

Sự oxi hóa là loại phản ứng hóa học trong đó electron được chuyển sang chất oxi hóa, có khả năng tạo các gốc tự do sinh ra phản ứng dây chuyền phá hủy tế bào sinh vật Chất chống oxi hóa ngăn quá trình phá hủy này bằng cách khử đi các gốc tự do, kìm hãm sự oxi hóa bằng cách oxi hóa chính chúng Cơ thể thực vật duy trì nhiều loại chất chống oxi hóa như: các hợp chất phenol, flavonoid, carotenoid, glutathione, vitamin C, vitamin E, v.v [26]

Vitamin C có nhiều trong các loại rau quả tươi như cùi trắng cam, chanh, quýt và có hàm lượng cao trong rau xanh… Trong cơ thể sống, vitamin C hoạt động như một chất chống oxy hóa cùng với các enzyme chống oxy hóa khác như GlPx, CAT, và SOD có tác dụng giúp cơ thể giảm thiểu những thiệt hại do

bị stress ôxy hóa Ngoài khả năng vô hoạt trực tiếp các gốc tự do, vitamine C còn có khả năng hoạt động hiệp lực với các chất chống oxi hóa khác trong cơ thể như vitamine E, carotenoid và flavonoid Khi có sự tiếp xúc giữa vitamine E và gốc tự do peroxide của acid béo, vitamine E chuyển điện tử của nó cho gốc tự do nhưng đồng thời nó trở thành gốc tự do tocopheryl (vitamine E ở dạng oxi hóa) Vitamine C tiến hành khử gốc tocopheryl thành vitamine E nguyên dạng, sẵn sàng vô hoạt các gốc tự do peroxide mới Các carotenoid và các flavonoid khi vô hoạt các gốc tự do cũng được hoàn nguyên với cơ chế tương tự bởi vitamine C Điều này góp phần hạn chế sự tự kích hoạt oxi hóa (pro-oxidant) của các gốc vitamine E và flavonoid [18]

Các hợp chất phenol là một trong các nhóm sản phẩm trao đổi chất bậc hai chủ yếu của thực vật, rất đa đạng về cấu trúc và chức năng Ở thực vật, các hợp chất phenol tạo màu cho thực vật (anthocyanin); bảo vệ thực vật trước tia cực tím, chống lại sự oxi hóa; là hợp chất tín hiệu cho sự cộng sinh giữa thực vật

và vi khuẩn nốt sần; bảo vệ thực vật trước sự tấn công của vi sinh vật gây hại [21] Khả năng chống oxi hóa của các hợp chất phenol phụ thuộc chặt chẽ vào đặc điểm cấu tạo của chúng

Carotenoid là các hợp chất màu hữu cơ có trong thực vật và một số sinh vật có khả năng quang hợp Chúng đem lại màu vàng đến đỏ cho thực vật đồng thời tham gia quá trình quang hợp ở cây xanh với vai trò là sắc tố phụ Cơ chế chống oxi hóa của carotenoid trong quá trình làm bất hoạt các gốc tự do:

1- Chuyển điện tử: Carotenoid + ROO  Carotenoid+ + ROO

-2- Chuyển hydro: Carotenoid + ROO  Carotenoid + ROOH

3- Cộng hợp: Carotenoid + ROO  ROO-Carotenoid Trong cơ thể, các carotenoid họat động hiệp lực với các chất chống oxi hóa khác Các gốc tocopheryl được khử thành dạng hoạt động tocopherol nhờ nhận được hydro từ vitamine C với chất vận chuyển trung gian là carotenoid

b Sự chết tế bào được lập trình

Sự chết tế bào được lập trình (PCD-Programme Cell Death) là quá trình tự

chết của tế bào, có những biến đổi hình thái đặc trưng, diễn ra theo một trình tự nhất định, được điều khiển bởi di truyền, nhằm đạt được và duy trì trạng thái cân bằng trong quá trình phát triển và chống lại các stress môi trường và sự tấn công của tác nhân gây bệnh [24]

PCD xuất hiện thường xuyên trong suốt đời sống thực vật, trong quá trình biệt hóa cơ quan, mô và tế bào Ví dụ trong sự hình thành và phát triển hoa: hoa đực hình thành do PCD ở các tế bào vòi nhụy, noãn hình thành trước đó; và ngược lại, hoa cái hình thành do PCD ở các tế bào nhị đực Các tế bào chóp rễ bị chết do PCD trong qua trình phát triển; hoặc các rễ bên hình thành mới tại vị trí

có dinh dưỡng hoặc nước còn các rễ già không chức năng sẽ chết do PCD

Nhằm chống lại sự tấn công của tác nhân gây bệnh, thực vật phát triển

một loại PCD là phản ứng siêu nhạy cảm (HR-Hypersensitive Response) HR là

một trong những cơ chế tự bảo vệ của thực vật nhằm hạn chế, giảm thiểu sự lây nhiễm, lan truyền các mầm bệnh xâm nhập từ môi trường sống HR diễn ra gắn liền với những thiệt hại lớn, thường là chết, đối với các tế bào và mô xung quanh điểm nhiễm bệnh, tạo nên hàng rào cách ly với các vùng khác trên cơ thể thực vật HR có thể được cảm ứng bởi nhiều nhóm tác nhân gây bệnh (nấm sinh dưỡng, vi khuẩn, virus và tuyến trùng) HR thường xuất hiện trong nhiều tính

kháng: tính kháng thông qua gen R, tính kháng đơn gen/đa gen HR là kết quả

của một chuỗi các phản ứng dẫn truyền tín hiệu và tự bảo vệ tại các tế bào bị

phenolic bị oxy hóa) đầu độc cả tế bào lẫn tác nhân gây bệnh Ngoài ra, nếu yếu

tố gây bệnh không chết thì mô bị chết hoại cũng ngăn không cho tác nhân gây bệnh lan truyền tiếp Trong nhiều trường hợp, HR không hình thành vết chết hoại có thể nhìn thấy bằng mắt thường vì HR xuất hiện chỉ ở tế bào nhiễm bệnh hoặc ở vài tế bào xung quanh [24]

Sau khi cảm ứng tác động của mầm bệnh, HR được khởi động dẫn đến sự thay đổi các dòng ion vào-ra tế bào, tiếp đó, kích thích bùng nổ ôxi hóa đặc trưng bởi sự sinh tổng hợp mạnh mẽ các dạng ôxy hoạt hóa như hydrogen peroxide (H2O2), các gốc tự do superoxide (O2 •-

) và hydroxyl (HO-), tăng cường phân hủy lipid màng tế bào trong quá trình peroxide hóa lipid, làm thay đổi căn bản tính thấm của màng tế bào, dẫn đến sự chết cần thiết của các tế bào HR là đặc trưng cho khả năng chống lại các mầm bệnh của thực vật nhưng ít gặp trong phản ứng của thực vật đối với sâu, rệp [33] hay kim loại nặng [1]

c Tính kháng tập nhiễm hệ thống

Tính kháng tập nhiễm hệ thống (SAR-Systemic Acquired Resistance) còn được gọi là kích kháng lưu dẫn, phổ biến ở phản ứng tự bảo vệ của thực vật đối với các yếu tố gây bệnh Ở một số giống cây trồng có mang tính kháng bệnh, khi

bị mầm bệnh tấn công, cây sẽ có phản ứng để chống lại sự xâm nhiễm của mầm bệnh, nhờ đó cây thoát khỏi bệnh hoặc chỉ bệnh nhẹ Khả năng kháng bệnh này

do nhiều cơ chế khác nhau, trong đó có thể do cây tiết ra các chất chống lại sự xâm nhiễm của mầm bệnh hoặc do phản ứng tự chết của mô cây, do đó cây không bị mầm bệnh gây hại [28]

SAR là loại tính kháng tạo được có tính lưu dẫn (hệ thống), phổ rộng (chống lại nhiều tác nhân gây bệnh và thậm chí các ức chế vô sinh), thường dẫn

tới biểu hiện protein PR và thông qua đường hướng dẫn truyền tín hiệu SA

(salicylic acid).Nguồn tạo SAR là các vi sinh vật gồm nấm, vi khuẩn, virus…

Các vi sinh vật này có thể gây bệnh hoặc không gây bệnh cho cây Ngoài ra, SAR cũng có thể là các chất hóa học có nguồn gốc ngoại sinh như INA, BTH…

thành nhóm chất phenol JA còn kích thích tạo protein osmotin (PR-5),

glycoprotein giàu prolin, phytoalexin và các chất ức chế proteinase Còn peptide-defensin được tổng hợp khi có tín hiệu JA, là peptide giàu cysteine

Người ta coi sự xuất hiện peptide-defensin ở thực vật cũng giống phản ứng miễn

dịch ở động vật [28]

1.2 Vi khuẩn lam và vai trò của chúng trong sản xuất nông nghiệp

1.2.1 Khái quát về vi khuẩn lam

Vi khuẩn lam (VKL) là sinh vật quang tự dưỡng có thải ôxi Chúng là một trong những sinh vật tiên phong tham gia vào quá trình phong hoá đá, tạo ra mùn bã sơ cấp và thu nhận các muối khoáng cần thiết để tồn tại VKL là những

cơ thể nguyên thuỷ, có kích thước hiển vi, tế bào của chúng chưa có nhân điển hình giống như vi khuẩn, nhưng khác ở chỗ là nó sống tự dưỡng nhờ chứa sắc tố quang hợp nên còn gọi là tảo lam Hình dạng tế bào sinh dưỡng của vi khuẩn lam rất đa dạng như: hình cầu, elíp rộng hay hình elíp dài, hình quả lê, hình trứng, dạng hình thoi, hình ống Cơ thể vi khuẩn lam có thể là dạng đơn bào, tập đoàn hay dạng sợi [11]

Đa số VKL có phương thức sống là quang tự dưỡng, ngoài ra còn có quang khử, quang dị dưỡng, thậm chí hoàn toàn dị dưỡng Chúng sử dụng các chất hữu cơ có trong môi trường dưới dạng nguồn năng lượng bổ sung Nhờ có khả năng hỗn dưỡng, VKL có thể tích cực hoạt động trong điều kiện khó khăn

để quang tự dưỡng Một số loài VKL có khả năng cố định nitơ (VKLCĐN) tạo nên nguồn phân bón sinh học cho đất hoang hoá và đất trồng trọt [11]

VKL đa bào dạng sợi, toàn bộ những tế bào nối tiếp nhau hình thành nên

trichom Các trichom xếp riêng lẻ hoặc thành nhiều dãy, thường được bao quanh bằng một lớp nhầy, mềm hoặc cứng gọi là bao Đa số VKL dạng sợi có các dị bào nang hay còn gọi là tế bào dị hình (heterocyst) Tế bào dị hình có thể đơn

độc hoặc nối tiếp nhau thành chuỗi Chức năng của chúng có thể là nơi diễn ra quá trình cố định nitơ, sinh sản, là cơ quan liên kết với các tế bào cạnh nó, điều hoà quá trình hình thành bào tử Đa số VKLCĐN đều có tế bào dị hình và chúng đều thích ứng với lối sống trên mặt đất Tuy nhiên, khả năng cố định nitơ vẫn gặp ở nhiều loài không có tế bào dị hình [11]

VKL còn có vai trò to lớn trong việc bổ sung chất hữu cơ tăng độ phì cho đất, chống xói mòn đất và tạo ra các chất có hoạt tính sinh học kích thích sự sinh trưởng và phát triển của thực vật bậc cao Một số loài VKL được dùng làm sinh vật chỉ thị cho mức độ ô nhiễm môi trường, cũng như khả năng làm sạch sinh học môi trường đất và nước [48] Chính vì thế, VKL đã và đang thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học ở nhiều nước trên thế giới

1.2.2 Vai trò của vi khuẩn lam trong sản xuất nông nghiệp

Vi khuẩn lam có vai trò rất quan trọng đối với nông nghiệp do nhiều loài trong chúng có khả năng cố định đạm bằng cách chuyển hóa nitơ phân tử thành dạng NH4+ rồi chuyển hóa thành axit amin và protein, gây ảnh hưởng tốt đến tính chất cơ, lí học của đất (tăng độ thoáng, độ ẩm), chống xói mòn Ở vùng ôn đới lượng nitơ do VKL đem lại cho đất đạt 17-24 kg/ha Ở vùng nhiệt đới từ

90kg/ha Đó là kết quả hoạt động của các loài thuộc giống Nostoc, Anabaena, Calothrix, Tolypothix [45]

Một số loài VKL trong đất có khả năng tiết các chất nhầy tạo nên một lớp màng, ngăn cản sự thoát hơi nước cho đất, làm đất luôn có độ ẩm, cải tạo pH của đất và các tính chất lý học của đất Trong phức hệ trao đổi ion canxi đã thay thế

có ion natri; hàm lượng lân và đạm trong đất được tăng lên, các loài thuộc chi

Nostoc và Plectonema đóng vai trò chủ đạo trong vấn đề này [45]

Có thể nói VKL là nguồn phân bón sinh học có giá trị cao chính vì vậy đã

có nhiều công trình nghiên cứu vai trò của VKL lên sinh trưởng của cây trồng

Ở nhiều nước trên thế giới đã tiến hành lây nhiễm VKLCĐN trên đất trồng như: tại bang Bihr (Ấn Độ), hàng năm VKL cố định được 14 kg N/ha và ở tây Bengar, giá trị này có thể đạt tới 15- 49 kg N/ha [43] Roger và Kulasooriya (1980) đã tiến hành thực nghiệm trên đất lúa và cho biết khả năng cố định nitơ của VKL trên đất lúa ở Banglades là 10-30 kg N/ha và có thể đạt tới 80 kg/ha/năm (dẫn theo [43])

Ngoài khả năng cố định nitơ, VKL còn tiết vào môi trường các chất có hoạt tính sinh học cao, ảnh hưởng tích cực đến sinh trưởng và phát triển của cây trồng Các chất mà VKL tiết ra môi trường có thể là hormone, vitamin, axit amin, polypeptit,… [50] Nhiều kết quả thí nghiệm khi ngâm hạt lúa trong dịch vẩn VKL đã kích thích sự nẩy mầm, sinh trưởng của rễ, tăng trọng lượng hạt và hàm lượng protein của lúa [11] Tại Viện lúa Taskent, người ta đã gieo các hạt lúa được xử lý bằng dịch vẩn VKLCĐN cho thấy, năng suất vượt trội hơn so với đối chứng 13,8 tạ/ha

Hiện nay, khi sự ô nhiễm môi trường đang trở thành mối hiểm hoạ đối với

sự sống trên Trái đất, VKL còn được sử dụng như một tác nhân hữu hiệu trong biện pháp sinh học để xử lý các nguồn nước thải, góp phần làm giảm các chất độc hại và làm tăng ôxi hoà tan Ngoài vai trò làm sạch môi trường nước mặt,

1.2.3 Vai trò của vi khuẩn lam trong cơ chế tự bảo vệ của cây trồng

Theo những nghiên cứu đã và đang được thực hiện trên thế giới, do có vai trò tăng cường các phản ứng tự bảo vệ của thực vật trước những điều kiện bất lợi nên dịch chiết hoặc dịch huyền phù vi tảo (trong đó chủ yếu là VKL) được xem như là những chất kích kháng (elicitors) đối với cây trồng [36] Tuy nhiên,

cơ chế hoạt động còn chưa được làm sáng tỏ đã hạn chế đáng kể việc khai thác vai trò này trong công tác tự bảo vệ thực vật Trong hoạt động đáp trả của thực vật, các chất kích kháng sẽ kích hoạt hàng loạt các phản ứng ngăn ngừa hoặc phong tỏa sự xâm nhập của mầm bệnh, của hoạt động chích hút nhựa cây của sâu hại Hoạt động như những phân tử tín hiệu, các chất kích kháng có khả năng thu nhận các tín hiệu từ các yếu tố tác động, dẫn truyền các tín hiệu đó đến nhân tế bào, kích hoạt sự biểu hiện của các gen và/hoặc các enzym điểu khiển các phản ứng bảo vệ Tác động của các chất kích kháng được thể hiện trung gian qua hoạt động của các con đường tín hiệu, trong đó, hooc-môn thực vật (salicylic acid-SA, jasmonic acid-JA và etilen-ET, v.v ), các sản phẩm ôxi hoạt hóa (hydrogen peroxide-H2O2) hay nitơ hoạt hóa (nitrogen oxide-NO) đã thể hiện những vai trò quan trọng trong việc khởi động, kích hoạt các phản ứng bảo

vệ [37]

Những nghiên cứu về hiệu quả kích kháng cho thấy sử dụng các chất có nguồn gốc sinh học nói chúng, dịch VKL nói riêng, để tăng cường sức đề kháng cho cây trồng là biện pháp có triển vọng trong công tác bảo vệ thực vật Xử lý hạt bằng chất kích kháng có tác dụng kích thích hạt nẩy mầm và giúp cây mọc khoẻ hơn Xử lý cho cây trong giai đoạn sinh trưởng phát triển không những tăng cường sức đề kháng nội sinh mà còn giảm bớt việc sử dụng thuốc đặc trị sâu bệnh nguồn gốc hóa học Hơn thế nữa, các chất kích kháng có tính thân thiện với môi trường bởi chúng không phải là thuốc bảo vệ thực vật và được sử dụng với nồng độ rất thấp nên không có nguy cơ ô nhiễm môi trường Có thể nói

“kích kháng” là một hướng đi mới trong phòng trị sinh học đối với sâu, bệnh hại cây trồng ở nước ta

Bên cạnh vai trò là chất kích kháng, dịch chiết một số loài vi tảo có chứa nhiều hoạt chất trực tiếp tham gia các phản ứng đáp trả lại tác động bất lợi Dịch

vi tảo có hoạt tính chống oxy hóa cao, các hoạt chất trong dịch chiết VKL đa dạng về cấu trúc hóa học và hoạt tính sinh học, có ảnh hưởng trực tiếp đến nhiều quá trình chuyển hóa trong tế bào Những hoạt chất này được tổng hợp trong điều kiện stress và biểu hiện hiệu quả tác động ngay cả ở nồng độ rất thấp

[39, 41] Khi nghiên cứu hiệu quả tác động của dịch chiết VKL Spirulina maxima đối với việc tăng cường sức đề kháng của cây lúa mì (Triticum aestivum

L.), Abd El-Baky và cộng sự (2008) ghi nhận, dịch chiết vi tảo đã kích thích quá trình sinh tổng hợp các chất điều hòa sinh trưởng nhóm xitokinin (ví dụ: benzyl adenin ), một số chất chống ôxy hóa (ví dụ: ascorbic acid, flavonoid ), một số enzym chống ôxi hóa (ví dụ: superoxide dismutase-SOD, ascorbate peroxidase-APX, peroxidase-POX) [12]

Ở Việt Nam, nhiều nghiên cứu đã chứng minh, ngoài khả năng làm giàu đạm cho đất, VKL còn ảnh hưởng tích cực đến sinh trưởng và phát triển của cây trồng [11] Các chất có hoạt tính sinh học cao trong dịch huyền phù VKL đã kích thích sự nảy mầm của hạt, sinh trưởng của rễ, tăng trọng lượng và chất lượng hạt, góp phần tăng năng suất vượt trội hơn so với đối chứng Ở khu vực Bắc Trung bộ, nghiên cứu ảnh hưởng của VKL lên giống lúa, lạc ở Nghệ An và giống lúa Mộc tuyền, mía Thanh Hoá đã đem lại kết quả rất khả quan [4, 5, 6,

7, 8, 9] Những nghiên cứu nói trên tập trung vào vai trò của VKL trong việc thúc đẩy cây trồng sinh trưởng, phát triển tốt và cho năng suất cao Tuy nhiên,

ảnh hưởng của VKL đối với khả năng đề kháng của cây trồng trước tác động của các yếu tố môi trường bất lợi còn chưa được công trình nghiên cứu nào đề cập đến

1.3 Cây đậu tương và giá trị của cây đậu tương

1.3.1 Khái quát về cây đậu tương

Cây đậu tương Glycine max (L.) Merrill thuộc:

Ngành Hạt kín: Angiospermae (hay Ngành Ngọc lan: Magnoliophyta) Lớp Hai lá mầm: Dicotyledoneae (hay Lớp Ngọc lan: Magnoliopsida)

Phân lớp Hoa hồng: Rosidae

Bộ Đậu: Fabales

Họ Đậu: Fabaceae

Chi Glycine Glycine là một trong những chi lớn của họ Fabaceae, với 285 loài đã được biết đến Đáng chú ý trong chi Glycine Willd là có cây đậu tương được trồng trọt Glycine max (L.) Merr và cây đậu dại Glycine soja Sieb & Zucc có mối quan hệ họ hàng đặc biệt Glycine soja là tổ tiên hoang dại của Glycine max, và

chúng mọc hoang ở Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan, và Nga [42]

Cây đậu tương là cây thân thảo, có màu xanh hoặc tím nhạt Trên thân có nhiều lông tơ, chiều cao thân thường thay đổi từ 20-50 cm, có khi tới 150 cm Trên thân cây đậu tương chủ yếu là cành cấp 1 Lá đậu tương gồm có 3 loại lá: hai lá mầm; hai lá đơn mọc đối và các lá kép Lá kép (lá thật) có 3 lá chét Hình dạng lá chét khác nhau tùy giống : có thể hơi dài, hẹp, tròn hình quả trứng hoặc lưỡi mác Hoa đậu tương có màu trắng, tím hoặc tím nhạt Hoa thường mọc thành chùm, mỗi chùm thường từ 3-5 hoa, hoa lưỡng tính Công thức hoa K4-5C5

A5 G(1)(cờ) (9) 1 (10) Quả đậu tương: thường là quả giáp Mỗi quả có 1-4 hạt, thường

là 2 hạt; lúc chín quả thường có màu vàng tro hoặc xám đen Nhiều giống quả có lông tơ bao phủ Hạt đậu tương có nhiều hình dáng: tròn bầu dục, trò dài, tròn dẹt, và có nhiều màu sắc: vàng đậm, vàng nhạt, xanh đen, nâu Vỏ hạt nhẵn bóng hoặc xỉn mỡ [2]

Bộ rễ đậu tương gồm có rễ chính và nhiều rễ phụ Rễ chính ăn sâu tới 150

cm, từ rễ chính, các rễ bên mọc sâu xuống còn phát triển ngang tới 40- 50 cm

Đặc điểm quan trọng của rễ là hình thành nốt sần với sự cộng sinh của vi khuẩn

Rhizobium japonicum Nốt sần có phẩm chất tốt là loại nốt sần to, màu hồng Số

lượng, trọng lượng và phẩm chất nốt sần có quan hệ chặt chẽ với sự sinh trưởng

và năng suất cây đậu tương

Tuỳ thuộc vào từng giống và điều kiện ngoại cảnh khác nhau mà các giai đoạn phát triển của đậu tương có thể kéo dài từ 80÷140 ngày, gồm nhiều giai đoạn khác nhau: nảy mầm, 05 giai đoạn sinh trưởng phát triển sinh dưỡng (Vegetative stages: V1, V2 V5), 05 giai đoạn sinh trưởng phát triển sinh sản (Reproductive stage: R1, R2, R5), già và chết [29]

1.3.2 Giá trị dinh dưỡng của đậu tương

Thành phần hạt đậu tương gồm có: gluxit 15÷25%, chất béo 15÷20%, protein từ 35÷45%, muối khoáng 6%, có các vitamin B1, B2, PP, A, D, E, có các loại men tiêu hóa như amylase, lipase và proteas, chất chống men trypsine, chất chống đông máu, chất sinh bướu giáp và chất phytoestrogen còn gọi là estrogen thực vật làm giảm cảm giác bốc lửa và những rối loạn ở tuổi mãn kinh

Đậu tương chứa từ 35÷45% protein nên đậu tương còn gọi là thịt thực vật, có đủ 8 loại acide amine cần thiết mà cơ thể không tổng hợp được nên là loại đạm tốt; casein đậu tương có nhiều thành phần như casein sữa bò và tốt hơn Trong các chất béo loại chất béo không no (tốt) chiếm tỷ lệ đến hơn 80%, ngoài

ra còn có phospholipide quan trọng là leucithin làm hạ cholesterol Vì vậy, đậu tương là thực phẩm có lợi cho sức khỏe, giảm nguy cơ bệnh mạch vành tim Đậu tương là thức ăn có đầy đủ chất đạm, chất béo, chất đường, chất khoáng, có nhiều vitamin, enzyme, lại dễ tiêu hóa; giúp tái tạo lại màng tế bào, màng các bào quan tế bào kế cả tế bào thần kinh; giúp tạo hình co, gân, xương, tạo năng lượng Đậu tương là thuốc bồi bổ cơ thể nhất là trẻ em, đặc biệt là trẻ

em còi xương, suy dinh dưỡng, những người mới ốm dậy, làm việc quá sức, làm

áp cao, bị suy gan, thấp khớp, bệnh gút và đái tháo đường; dùng rất tốt cho phụ

nữ tuổi mãn kinh, người có nguy cơ cao hoặc bị ung thư vú, ung thư tiền liệt tuyến, ung thư dạ dày [22]

1.3.3 Đậu tương Nam Đàn

Đậu tương Nam Đàn là một giống địa phương có hạt là nguồn nguyên liệu quan trọng để sản xuất tương Nam Đàn Tuy không phải là cao lương mỹ vị nhưng tương Nam Đàn vẫn được biết đến là thương hiệu mang nét đặc trưng riêng của xứ Nghệ

Trong quá trình canh tác, cây đậu tương Nam Đàn thường chịu tác động của một số loại sâu như: sâu xám thường cắn ngang thân cây, phá hại nặng vào thời kỳ cây con; ruồi đục thân phá hoại ở các bộ phận như lá hoặc thân; sâu đục quả phá hoại khi cây có quả non; rệp hại lá trong suốt quá trình sống, bọ xít xanh chích hút lá, quả làm lá sinh trưởng kém, quả lép, không chín được; một số bệnh do nấm như gỉ sắt, lở cổ rễ v.v…

Năm 2009, Sở Khoa học và Công nghệ Nghệ An phối hợp với Trạm Khuyến nông Khuyến ngư Nam Đàn thực hiện thành công đề tài khoa học "Nghiên cứu phục tráng giống đậu tương tại huyện Nam Đàn, Nghệ An" Kết quả của đề tài có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển nghề trồng đậu tương, qua đó thúc đẩy sự phát triển của các làng nghề sản xuất, góp phần đưa kinh tế địa phương phát triển bền vững

Tuy nhiên, cơ sở dữ liệu khoa học về khả năng chống chịu sâu bệnh của giống đậu tương Nam Đàn đang còn là mảng trống Nghiên cứu này được thực hiện nhằm cung cấp những dẫn liệu đầu tiên về hoạt động của cơ chế chống

stress ôxy hóa của giống cây trồng này dưới ảnh hưởng của dịch VKL Nostoc calcicola HN9-1a Từ đó có những cơ sở lý luận và thực tiễn trong việc sử dụng

VKL nhằm tăng sức đề kháng, chống chịu của cây đậu tương Nam Đàn