Phân lập vi khuẩn phân giải silic trong đất và ứng dụng trong canh tác lúa ở đồng bằng sông cửu long

41 3.3.6 Nội dung nghiên cứu 6: Đánh giá hiệu quả của năm dòng vi khuẩn phân giải Si tuyển chọn lên khả năng chống chịu mặn, sinh trưởng và năng suất lúa trồng trên nền đất nhiễm mặn ở đ

TRẦN VÕ HẢI ĐƯỜNG

PHÂN LẬP VI KHUẨN PHÂN GIẢI SILIC TRONG ĐẤT

VÀ ỨNG DỤNG TRONG CANH TÁC LÚA

Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC

2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

TRẦN VÕ HẢI ĐƯỜNG

PHÂN LẬP VI KHUẨN PHÂN GIẢI SILIC TRONG ĐẤT

VÀ ỨNG DỤNG TRONG CANH TÁC LÚA

Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Pgs Ts NGUYỄN KHỞI NGHĨA

Ts NGUYỄN THỊ NGỌC TRÚC

2021

i

Pgs Ts Nguyễn Khởi Nghĩa – người Thầy đã tận tâm chỉ dạy, hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm quý báu và hỗ trợ tất cả các điều kiện cần thiết giúp tôi hoàn thành luận án

Ts Nguyễn Thị Ngọc Trúc đã giúp đỡ, hỗ trợ cho tôi có đủ điều kiện cần thiết cho việc học tập nghiên cứu sinh

Ban Giám hiệu Trường Đại học Cần Thơ, Ban lãnh đạo Viện Nghiên cứu

và Phát triển Công nghệ Sinh học, Bộ môn Khoa học đất, Khoa Nông nghiệp, Khoa Sau Đại học và các Phòng Ban khác của Trường Đại học Cần Thơ đã hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành luận án

Ban Giám hiệu Trường Cao đẳng Kinh tế – Kỹ thuật Bạc Liêu, Ban lãnh đạo Khoa Nông nghiệp – Thủy sản, Phòng Tổ chức – Hành chính, Phòng Đào tạo, các Phòng, Ban, Trung tâm khác, Quý Thầy Cô, Anh, Chị, Em đồng nghiệp của Trường Cao đẳng Kinh tế – Kỹ thuật Bạc Liêu đã hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành luận án

Pgs Ts Nguyễn Minh Chơn và Ts Trương Thị Bích Vân đã kiểm tra, đôn đốc các thủ tục, hồ sơ nghiên cứu sinh, giúp cho tôi có được các điều kiện cần thiết cho báo cáo luận án

Pgs Ts Trần Nhân Dũng, Pgs Ts Nguyễn Minh Chơn và Pgs Ts Trương Trọng Ngôn đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ cho tôi có đủ được các điều kiện cần thiết cho việc tham gia và học tập làm nghiên cứu sinh tại Viện Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ sinh học

Ts Trần Thị Ngọc Sơn – người Cô rất tận tâm và chu đáo chỉ dạy, giúp

đỡ cho tôi kiến thức trong nghiên cứu, làm việc cũng như các điều kiện cần thiết giúp tôi hoàn thành luận án

Tất cả Quý Thầy Cô cùng các Anh Chị và các Em công tác tại Viện Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ Sinh học, Trường Đại học Cần Thơ đã tận tình chỉ dạy kiến thức, cách thực hiện nghiên cứu khoa học và cách làm việc giúp cho tôi có được những nền tảng cơ bản cho việc thực hiện đề tài nghiên cứu

Gửi lời cảm ơn chân thành đến các anh chị em là nghiên cứu sinh của Viện NC & PT Công nghệ Sinh học, Trường Đại học Cần Thơ (đặc biệt là chị

Lê Thị Xã) đã động viên, chia sẻ, hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện luận án

ii

Dương Minh Viễn, Cô Ts Đỗ Thị Xuân và Cô Ts Châu Thị Anh Thy đã đưa

ra các ý kiến góp ý rất quý báu về phương pháp và nội dung nghiên cứu cũng như động viên tôi rất nhiệt tình để tôi thực hiện tốt luận án tiến sĩ này

Chị Nguyễn Thị Thu Hà, em Nguyễn Thị Kiều Oanh, em Võ Thị Ngọc Cẩm, anh Nguyễn Vũ Bằng, chị Đặng Thị Yến Nhung, Nguyễn Hoàng Kim Nương, Lâm Tử Lăng, em Nguyễn Hữu Thiện, Nguyễn Thị Kiều Anh, Đỗ Thành Luân, Lâm Tuấn Kiệt, Cao Thị Mỹ Tiên, Nguyễn Phúc Tuyên là cán bộ Phòng thí nghiệm sinh học đất, Bộ môn Khoa học đất, Khoa nông nghiệp, Trường đại học Cần Thơ đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong thực hiện các thao tác kỹ thuật trong phòng thí nghiệm và cách trình bày báo cáo nghiên cứu khoa học

Gửi lời cảm ơn chân thành đến anh Nguyễn Hồng Giang, em Trần Anh Đức, anh Trần Huỳnh Khanh, chị Võ Thị Thu Trân, chị Đoàn Thị Trúc Linh, chị Lê Thị Thanh Chi, em Huỳnh Mạch Trà My là cán bộ nghiên cứu thuộc Bộ môn Khoa học đất, Khoa nông nghiệp, Trường đại học Cần Thơ đã tận tình giúp

đỡ trong các công việc liên quan đến phân tích mẫu trong phòng thí nghiệm và thủ tục giấy tờ và thanh toán

Em Đào Thị The (Học viên cao học lớp Công nghệ Sinh học K24, Trường Đại học Cần Thơ), em Võ Việt Hải và Lâm Thanh Tâm (Sinh viên lớp Khoa học đất K41 A2) đã tận tình, chung tay, chia sẻ và giúp đỡ tôi hoàn thành luận

án tốt nghiệp này

Bạn Ngô Thị Phương Thảo (Học viên cao học lớp Công nghệ Sinh học K20, Trường Đại học Cần Thơ) cùng các em học viên và sinh viên thuộc các lớp Nông nghiệp Sạch K39, Khoa học đất K40, K41 A1, K41 A2, Bảo vệ thực vật K41 gồm: Khúc Thành Lộc, Phan Hoàng Phúc, Nguyễn Phước Duy, Nguyễn Quốc Tịnh, Nguyễn Bá Điền, Thạch Hoài Hận, Hồ Minh Thuấn, Nguyễn Ngọc Hải, Nguyễn Hữu Thiện, Nguyễn Thị Như Ngọc, Huỳnh Như, Bạch Thị Ngọc Tuyền, Lâm Quang Phương Mai, Sơn Thị Búp Pha, Đỗ Thành Luân, Dương Trúc Mai, Trần Thị Thúy Cầm, Thị Hạnh Nguyên, Giang Yến Anh, Đoàn Vũ Luận, Nguyễn Thị Thúy Kiều, Huỳnh Hiếu Hạnh, Nguyễn Hoàng Nhi và Trần Thiện Chiến đã tận tình giúp đỡ trong quá trình thu mẫu, xử lý mẫu, phân tích

và thu chỉ tiêu trong phòng thí nghiệm cũng như thí nghiệm nhà lưới và ngoài đồng cho luận án tiến sĩ này

Xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô, các anh chị cùng các em công tác tại Bộ môn Khoa học đất, Khoa Nông nghiệp, Trường Đại học Cần Thơ đã động viên, giúp đỡ trực tiếp và gián tiếp để tôi hoàn thành luận án tiến sĩ này

Vợ (Hồ Tú Quyên) và Con tôi (Trần Đường Minh) là những người luôn đồng hành, sát cánh cùng tôi và đã hỗ trợ tôi hết mình về tinh thần và tài chính trong những lúc khó khăn trong thời gian thực hiện luận án để giúp tôi vững tin thực hiện thành công luận án tiến sĩ này

Xin thành thật cảm ơn!

Trần Võ Hải Đường

iv

trồng giúp cây cứng chắc, chống đổ ngã, tăng cường sự tiếp nhận ánh sáng ở lá, kháng lại một số bệnh do nấm và vi khuẩn, chống lại sự tấn công của côn trùng, giúp cây trồng chịu mặn, chống lại ngộ độc kim loại nặng và dư thừa N, P ở trong mô thực vật Nghiên cứu được thực hiện nhằm mục tiêu phân lập một số dòng vi khuẩn phân giải khoáng Si từ nhiều hệ sinh thái khác nhau như hệ vi khuẩn đường ruột trùn đất, hệ vi khuẩn trong phân trùn đất và hệ vi khuẩn trong đất canh tác chuyên canh lúa, mía và tre ở một số tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) để tăng cường khả năng chống chịu mặn của cây lúa trên nền đất nhiễm mặn Kết quả cho thấy tổng cộng 387 dòng vi khuẩn có khả năng phân giải khoáng Si được phân lập Trong đó, 10 dòng vi khuẩn được định danh

như loài Microbacterium neimengense MCM_15, Klebsiella aerogenes LCT_01, Bacillus megaterium LCT_03, Ochrobactrum ciceri TCM_39, Staphylococcus arlettae TCM_40, Citrobacter freundii RTTV_12, Micrococcus luteus RTTV_13, Agromyces ulmi PTTV_16, Rhodococcus equi PTTV_27 và Olivibacter jilunii PTST_30 với độ tương đồng từ 99-100% thể

hiện khả năng phân giải khoáng Si cao nhất Mặt khác, 5 dòng vi khuẩn tuyển chọn gồm MCM_15, LCT_01, TCM_39, RTTV_12 và PTST_30 phát triển mật

số và phân giải Si tốt trong môi trường có pH từ 5-7, nhiệt độ 35oC và chịu được

độ mặn lên đến 0,5% NaCl Bên cạnh khả năng phân giải Si, năm dòng vi khuẩn này còn có khả năng cố định đạm, hòa tan lân và tổng hợp IAA Mặt khác, chúng còn có khả năng giúp cây lúa gia tăng khả năng chống chịu mặn, sinh trưởng

và sinh khối lúa khi được trồng ở điều kiện mặn trong phòng thí nghiệm Bên cạnh đó, thí nghiệm ở điều kiện nhà lưới và ngoài đồng cho thấy 5 dòng vi khuẩn này giúp cây lúa gia tăng khả năng chống chịu mặn, kích thích sinh trưởng và năng suất lúa Đặc biệt, nghiệm thức bón hỗn hợp 5 dòng vi khuẩn phân giải Si này cho hiệu quả cao nhất trong việc kích thích sinh trưởng và năng suất lúa và giúp tiết kiệm được 25% lượng phân bón NPK khuyến cáo nhưng vẫn cho năng suất cao hơn so với nghiệm thức đối chứng dương

Từ khóa: canh tác lúa, đất nhiễm mặn, Silic, vi khuẩn đất, vi khuẩn phân giải

Silic

v

benefits for plants in enhancement of the strength of plants to resist to the falling, light reception of leaf, bacterial and fungal caused pathogen resistance, insect attack resistance, salinity resistance, heavy metal toxicity resistance and avoiding the over uptake of N and P in plant tissue The objective of this study aimed at isolating silicate solubizing bacteria from different habitats including earthworm’s intestine, earthworm’s feces, rice soil, sugarcane soil, and bamboo soil from some selected provinces in the Mekong Delta to enhance the salinity resistance of rice and stimulate the growth and yield of rice under the salinity impact The results showed that 387 bacterial strains in total were obtained with

a function in silicate mineral solubilization Among them, 10 strains identified

as Microbacterium neimengense MCM_15, Klebsiella aerogenes LCT_01, Bacillus megaterium LCT_03, Ochrobactrum ciceri TCM_39, Staphylococcus arlettae TCM_40, Citrobacter freundii RTTV_12, Micrococcus luteus RTTV_13, Agromyces ulmi PTTV_16, Rhodococcus equi PTTV_27, and Olivibacter jilunii PTST_30 with a variation in similarity between 99-100% had

the highest capability in silicate mineral solubilization In addition, these five selective bacteria including MCM_15, LCT_01, TCM_39, RTTV_12, and PTST_30 showed their best growth and silicate mineral solubilizing capacity under the following inoculation conditions pH 5-7, temperature 35oC, and salinity up to 0.5% NaCl Beside that, these five bacteria also had good capacity

in nitrogen fixation, phosphorus solubilization, and IAA synthesis Moreover, they were also able to enhance the salinity resistance capacity, growth, and biomass of rice when cultivated under the laboratory salinity conditions The greenhouse and field experiment indicated that these five isolates helped to enhance the resistance capacity of rice toward salinity, growth and yield promotion of rice Especially, the treatment inoculated with a mixture of these five bacterial isolates obtained the highest efficacy on rice growth and yield stimulation, and saved 25% of recommended NPK dose, but remained rice yield higher than as compared with the positive control treatment

Keywords: rice cultivation, salt-affected soil, silicon, silicate solubilizing

bacteria, soil bacteria

vi

vii

MỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM TẠ i

TÓM TẮT iv

ABSTRACT v

LỜI CAM ĐOAN Error! Bookmark not defined MỤC LỤC vi

DANH SÁCH BẢNG x

DANH SÁCH HÌNH xii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xv

CHƯƠNG I 1

GIỚI THIỆU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Thời gian và địa điểm nghiên cứu 3

1.5 Nội dung nghiên cứu 3

1.6 Đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 4

CHƯƠNG II 6

LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 6

2.1 Si trong đất 6

2.2 Vai trò của Si đối với cây lúa 6

2.3 Vai trò của Si trong việc bảo vệ cây trồng dưới điều kiện đất nhiễm mặn 7

2.4 Một số phương pháp đo Si hòa tan trong đất 9

2.5 Vi khuẩn phân giải Si 12

2.5.1 Nhóm vi khuẩn phân giải Si 12

2.5.2 Đặc điểm sự phân giải Si của vi khuẩn 13

2.5.3 Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình phân giải Si của vi khuẩn 13

2.6 Sự hấp thu, vận chuyển và tích lũy Si ở thực vật 14

2.7 Một số đặc tính nông học và nhu cầu dinh dưỡng của cây lúa 16

2.7.1 Một số đặc tính nông học của cây lúa 16

2.7.2 Nhu cầu dinh dưỡng của cây lúa 17

2.8 Canh tác lúa ở Đồng bằng sông Cửu Long dưới điều kiện xâm nhập mặn 20

2.9 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng vi khuẩn phân giải Si trên cây trồng trong và ngoài nước 22

2.9.1 Ngoài nước 22

2.9.2 Trong nước 24

CHƯƠNG III 27

PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27

viii

3.1 Thời gian và địa điểm 27

3.1.1 Thời gian nghiên cứu 27

3.1.2 Địa điểm nghiên cứu 27

3.2 Phương tiện nghiên cứu 27

3.2.1 Vật liệu thí nghiệm 27

3.2.2 Các trang thiết bị hóa chất 28

3.2.3 Các môi trường được sử dụng trong đề tài 29

3.3 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 31

3.3.1 Nội dung nghiên cứu 1: Phân lập và tuyển chọn một số dòng vi khuẩn có khả năng phân giải Si từ các mẫu đất, ruột và phân trùn đất ở một số tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long 31

3.3.2 Nội dung nghiên cứu 2: Khảo sát mối quan hệ di truyền của 10 dòng vi khuẩn phân giải Si cao 34

3.3.3 Nội dung nghiên cứu 3: Khảo sát khả năng cố định đạm, hòa tan lân, tổng hợp IAA và một số acid hữu cơ của 5 dòng vi khuẩn tuyển chọn 35

3.3.4 Nội dung nghiên cứu 4: Đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố môi trường lên mật số và khả năng phân giải Si của 5 dòng vi khuẩn tuyển chọn 39

3.3.5 Nội dung nghiên cứu 5: Đánh giá hiệu quả của 5 dòng vi khuẩn phân giải Si tuyển chọn lên khả năng chịu mặn của cây lúa trong điều kiện phòng thí nghiệm 41

3.3.6 Nội dung nghiên cứu 6: Đánh giá hiệu quả của năm dòng vi khuẩn phân giải Si tuyển chọn lên khả năng chống chịu mặn, sinh trưởng và năng suất lúa trồng trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện nhà lưới và ngoài đồng 44

3.3.7 Phân tích số liệu 52

CHƯƠNG IV 53

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 53

4.1 Nội dung nghiên cứu 1: Phân lập và tuyển chọn một số dòng vi khuẩn có khả năng phân giải Si từ các mẫu đất chuyên canh lúa, mía, tre, ruột và phân trùn đất ở một số tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long 53

4.1.1 Kết quả phân lập 53

4.1.2 Đặc điểm hình thái khuẩn lạc, hình thái tế bào và sinh hóa của 54 dòng vi khuẩn tuyển chọn cho khả năng phân giải Si cao 54

4.1.3 Khả năng phân giải khoáng Si trong môi trường lỏng của các dòng vi khuẩn phân giải Si phân lập 58

4.2 Nội dung nghiên cứu 2: Đánh giá mối quan hệ di truyền của 10 dòng vi khuẩn phân giải Si cao 60

4.2.1 Định danh 10 dòng vi khuẩn có tiềm năng ứng dụng cao nhất 60

ix

4.2.2 Đánh giá mối quan hệ di truyền của 10 dòng vi khuẩn phân

giải Si cao 61

4.3 Khả năng cố định đạm, hòa tan lân, tổng hợp IAA và một số acid hữu cơ của 5 dòng vi khuẩn tuyển chọn 63

4.3.1 Khả năng số định đạm 63

4.3.2 Khả năng hòa tan 3 dạng lân khó tan 64

4.3.3 Khả năng tổng hợp IAA 67

4.3.4 Khả năng tổng hợp một số acid hữu cơ 69

4.4 Nội dung nghiên cứu 4: Ảnh hưởng của một số yếu tố môi trường lên mật số và khả năng phân giải Si của 5 dòng vi khuẩn phân giải Si tốt nhất 71

4.4.1 Ảnh hưởng của pH môi trường 71

4.4.2 Ảnh hưởng của nồng độ muối NaCl 74

4.4.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ 78

4.5 Nội dung nghiên cứu 5: Hiệu quả của năm dòng vi khuẩn phân giải Si tuyển chọn lên khả năng chịu mặn của cây lúa trong điều kiện phòng thí nghiệm 82

4.5.1 Chiều dài thân lúa 82

4.5.2 Chiều dài rễ 84

4.5.3 Sinh khối thân 85

4.5.4 Hàm lượng Si trong thân cây lúa 88

4.5.5 Hàm lượng proline trong thân lúa 89

4.5.6 Tỷ lệ K+/Na+ trong sinh khối khô 91

4.5.7 Mật số vi khuẩn phân giải Si trong môi trường lỏng 92

4.5.8 Phân tích tương quan và hồi quy 94

4.6 Nội dung nghiên cứu 6: Đánh giá hiệu quả của 5 dòng vi khuẩn phân giải Si tuyển chọn lên tăng cường khả năng chống chịu mặn, sinh trưởng và năng suất lúa trồng trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện nhà lưới và ngoài đồng 96

4.6.1 Thí nghiệm nhà lưới 96

4.6.2 Thí nghiệm ngoài đồng 125

CHƯƠNG V 143

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 143

5.1 Kết luận 143

5.2 Kiến nghị 143

TÀI LIỆU THAM KHẢO 143

PHỤ LỤC 164

x

DANH SÁCH BẢNG

Trang

Bảng 2.1: Một số phương pháp xác định Si hòa tan trong đất 11

Bảng 3.1: Địa điểm và số lượng mẫu vật được thu thập 27

Bảng 3.2: Danh sách tên và nguồn gốc các hóa chất được sử dụng 28

Bảng 3.3: Thành phần phản ứng PCR với tổng thể tích 50 µL 35

Bảng 3.4: Sơ đồ bố trí thí nghiệm trong nhà lưới 45

Bảng 3.5: Lịch bón phân hóa học ở các nghiệm thức thí nghiệm lúa 46

Bảng 3.6: Sơ đồ bố trí thí nghiệm ngoài đổng tại ấp Long Hải, thị trấn Phước Long, huyện Phước Long, tỉnh Bạc Liêu (9/2018-1/2019) 51

Bảng 3.7: Lịch bón phân cho thí nghiệm ngoài đồng tại ấp Long Hải, thị trấn Phước Long, huyện Phước Long, tỉnh Bạc Liêu (9/2018-1/2019) 51

Bảng 4.1: Một số đặc điểm hình thái khuẩn lạc của 54 dòng vi khuẩn phân giải khoáng Si cao nhất trong tổng số 387 dòng vi khuẩn phân lập 56

Bảng 4.2: Một số đặc điểm hình thái tế bào của 54 dòng vi khuẩn phân giải khoáng Si cao nhất trong tổng số 387 dòng vi khuẩn phân lập 56

Bảng 4.3: Khả năng phân giải khoáng Si của 25 dòng vi khuẩn tiêu biểu nhất trong tổng số 387 dòng vi khuẩn phân lập trong môi trường dịch đất lỏng 59

Bảng 4.4: Định danh 10 dòng vi khuẩn phân giải khoáng Si tốt nhất theo độ tương đồng đoạn gen vùng 16S rRNA 61

Bảng 4.5: Tối ưu hóa hàm lượng Si hòa tan 80

Bảng 4.6: Mật số vi khuẩn phân giải Si trong môi trường lỏng được bố trí trong ống nghiệm chứa dung dịch dinh dưỡng Hoagland chứa 0,3% NaCl 93

Bảng 4.7: Tương quan giữa hàm lượng Si trong thân cây lúa và một số chỉ tiêu sinh trưởng 94

Bảng 4.8: Chiều cao cây lúa của các nghiệm thức thí nghiệm trồng trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện nhà lưới ở vụ 1 (6/2018 – 9/2018) 97

Bảng 4.9: Chiều cao cây lúa của các nghiệm thức thí nghiệm trồng trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện nhà lưới ở vụ 2 (10/2018 – 01/2019) 98

Bảng 4.10: Hàm lượng chlorophyll trong lá lúa của các nghiệm thức thí nghiệm trồng trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện nhà lưới ở vụ 1 (6/2018 – 9/2018) 99

Bảng 4.11: Hàm lượng chlorophyll trong lá lúa của các nghiệm thức thí nghiệm trồng trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện nhà lưới ở vụ 2 (10/2018 – 01/2019) 101

xi

Bảng 4.12: Độ cứng lóng thân cây lúa của các nghiệm thức thí nghiệm

trồng trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện nhà lưới ở vụ 1 ở thời điểm thu hoạch (6/2018 – 9/2018) 102

Bảng 4.13: Độ cứng lóng thân cây lúa của các nghiệm thức thí nghiệm

trồng trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện nhà lưới ở vụ 2 ở thời điểm thu hoạch (10/2018 – 01/2019) 103

Bảng 4.14: Mật số vi khuẩn phân giải Si của các nghiệm thức thí

nghiệm trong nhà lưới ở vụ 1 (6/2018 – 9/2018) 117

Bảng 4.15: Mật số vi khuẩn phân giải Si của các nghiệm thức thí

nghiệm trong nhà lưới ở vụ 2 (10/2018 – 01/2019) 119

Bảng 4.16: Hàm lượng Si hòa tan trong đất của các nghiệm thức thí

nghiệm trong nhà lưới ở vụ 1 (6/2018 – 9/2018) 121

Bảng 4.17: Hàm lượng Si hòa tan trong đất của các nghiệm thức thí

nghiệm trong nhà lưới ở vụ 2 (10/2018 – 01/2019) 122

Bảng 4.18: Tương quan giữa hàm lượng Si hòa tan trong đất và một số

chỉ tiêu sinh trưởng, thành phần năng suất và năng suất 124

Bảng 4.19: Chiều cao cây lúa của các nghiệm thức thí nghiệm ngoài

đồng trên nền đất nhiễm mặn ở ngoài đồng trong mô hình lúa-tôm tại huyện Phước Long, tỉnh Bạc Liêu (9/2018-01/2019) 126

nhiễm mặn ở ngoài đồng trong mô hình lúa-tôm tại huyện Phước Long, tỉnh Bạc Liêu (9/2018-01/2019) 128

Bảng 4.21: Hàm lượng chlorophyll trong lá lúa ở các thời điểm thu mẫu

của các nghiệm thức thí nghiệm trên nền đất nhiễm mặn ở ngoài đồng trong mô hình lúa-tôm tại huyện Phước Long, tỉnh Bạc Liêu (9/2018-01/2019) 130

Bảng 4.22: Độ cứng lóng thân cây lúa (lóng 1, lóng 2 và lóng 3) của

các nghiệm thức thí nghiệm trồng trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện ngoài đồng trong mô hình canh tác lúa-tôm tại huyện Phước Long, tỉnh Bạc Liêu (9/2018-01/2019) 132

Bảng 4.23: Mật số vi khuẩn phân giải Si trong đất của các nghiệm thức

thí nghiệm trồng trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện ngoài đồng trong mô hình canh tác lúa-tôm tại huyện Phước Long, tỉnh Bạc Liêu (9/2018-01/2019) 138

Bảng 4.24: Hàm lượng Si hòa tan trong đất của các nghiệm thức thí

nghiệm trồng trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện ngoài đồng trong

mô hình canh tác lúa-tôm tại huyện Phước Long, tỉnh Bạc Liêu (9/2018-01/2019) 139

Bảng 4.25: Tương quan giữa hàm lượng Si hòa tan trong đất và một số

chỉ tiêu sinh trưởng, thành phần năng suất và năng suất 141

xii

DANH SÁCH HÌNH

Trang Hình 2.1: Con đường vận chuyển Si và phân bố Si trong mô lúa qua sự

hấp thu (Nguồn: Ma, 2009) 15

Hình 4.1: Vi khuẩn phân giải Si tạo vòng phân giải khoáng Si trong

suốt xung quanh khuẩn lạc 53

Hình 4.2: Hình dạng, màu sắc, độ nổi và dạng bìa khuẩn lạc của vi

khuẩn phân giải Si 55

Hình 4.3: Hình dạng tế bào của 5 dòng vi khuẩn phân giải Si tuyển

chọn 57

Hình 4.4: Phản ứng khả năng tổng hợp enzyme catalase của vi khuẩn 57 Hình 4.5: Mối quan hệ di truyền giữa các dòng vi khuẩn phân giải Si

dựa trên trình tự gen 16S rRNA 63

Hình 4.6: Hàm lượng đạm cố định trong môi trường nuôi cấy lỏng bởi

Hình 4.10: Hàm lượng IAA tổng hợp trong môi trường nuôi cấy lỏng

bởi 5 dòng vi khuẩn tuyển chọn (n=3) 68

Hình 4.11: Mật số vi khuẩn tổng hợp IAA trong môi trường nuôi cấy

lỏng (n=3) 69

Hình 4.12: Diễn biến hàm lượng acid hữu cơ trong môi trường nuôi

cấy lỏng được tổng hợp bởi 5 dòng vi khuẩn tuyển chọn (n=3) 70

Hình 4.13: Hàm lượng Si hòa tan trong môi trường nuôi cấy lỏng với

các mức pH khác nhau của 5 dòng vi khuẩn thử nghiệm (n=3) 72

Hình 4.14: Mật số 5 dòng vi khuẩn phân giải Si trong môi trường nuôi

cấy lỏng có các mức pH khác nhau (n=3) 73

Hình 4.15: Hàm lượng Si hòa tan trong môi trường nuôi cấy lỏng bổ

sung nồng độ NaCl khác nhau bởi 5 dòng vi khuẩn phân giải Si

(n=3) 75

Hình 4.16: Mật số 5 dòng vi khuẩn phân giải Si trong môi trường nuôi

cấy lỏng chứa các nồng độ NaCl khác nhau (n=3) 77

Hình 4.17: Hàm lượng Si hòa tan bởi 5 dòng vi khuẩn ở các mức nhiệt

độ khác nhau trong môi trường nuôi cấy lỏng (n=3) 79

Hình 4.18: Mô hình bề mặt đáp ứng biểu diễn sự phụ thuộc của hàm

lượng Si hòa tan (mg.L-1) với nhiệt độ (oC) và thời gian (ngày) 80

Hình 4.19: Mật số 5 dòng vi khuẩn phân giải Si trong môi trường nuôi

cấy lỏng ở các mức nhiệt độ nuôi cấy khác nhau (n=3) 81

xiii

Hình 4.20: Chiều dài thân và rễ lúa của các nghiệm thức được bố trí

trong ống nghiệm chứa dung dịch dinh dưỡng Hoagland chứa 0,3% NaCl 82

Hình 4.21: Chiều dài thân lúa của các nghiệm thức được bố trí trong

ống nghiệm chứa dung dịch dinh dưỡng Hoagland chứa 0,3% NaCl 83

Hình 4.22: Chiều dài rễ lúa của các nghiệm thức được bố trí trong ống

nghiệm chứa dung dịch dinh dưỡng Hoagland chứa 0,3% NaCl 84

Hình 4.23: Sinh khối thân lúa của các nghiệm thức được bố trí trong

ống nghiệm chứa dung dịch dinh dưỡng Hoagland chứa 0,3% NaCl 86

Hình 4.24: Sinh khối rễ lúa của các nghiệm thức được bố trí trong ống

nghiệm chứa dung dịch dinh dưỡng Hoagland chứa 0,3% NaCl 87

Hình 4.25: Hàm lượng Si trong thân cây lúa của các nghiệm thức được

bố trí trong ống nghiệm chứa dung dịch dinh dưỡng Hoagland chứa 0,3% NaCl 89

Hình 4.26: Hàm lượng proline trong thân lúa của các nghiệm thức được

bố trí trong ống nghiệm chứa dung dịch dinh dưỡng Hoagland chứa 0,3% NaCl 90

bố trí trong ống nghiệm chứa dung dịch dinh dưỡng Hoagland chứa 0,3% NaCl 91

Hình 4.28: Chiều cao cây lúa giai đoạn 45 ngày của các nghiệm thức

thí nghiệm trồng trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện nhà lưới trong vụ 1 (6/2018 – 9/2018) 96

Hình 4.29: Chiều cao cây lúa giai đoạn 90 ngày của các nghiệm thức

thí nghiệm trồng trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện nhà lưới trong vụ 2 (10/2018 – 01/2019) 97

Hình 4.30: Chiều dài bông lúa ở thời điểm thu hoạch của các nghiệm

thức thí nghiệm trồng trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện nhà lưới

ở vụ 1 (6/2018 – 9/2018) 104

Hình 4.31: Chiều dài bông lúa ở thời điểm thu hoạch của các nghiệm

thức thí nghiệm trồng trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện nhà lưới trong vụ 2 (10/2018 – 01/2019) 105

Hình 4.32: Chiều dài bông lúa ở thời điểm thu hoạch của các nghiệm

thức thí nghiệm trồng trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện nhà lưới

ở vụ 2 (10/2018 – 01/2019) 106

Hình 4.33: Tỷ lệ hạt chắc trên bông ở thời điểm thu hoạch của các

nghiệm thức thí nghiệm trồng trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện nhà lưới ở vụ 1 (6/2018 – 9/2018) 107

xiv

Hình 4.34: Tỷ lệ hạt chắc trên bông ở thời điểm thu hoạch của các

nghiệm thức thí nghiệm trồng trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện nhà lưới ở vụ 2 (11/2018 – 01/2019) 108

Hình 4.35: Sinh khối khô trên chậu của các nghiệm thức thí nghiệm

trồng trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện nhà lưới ở vụ 1 (6/2018 – 9/2018) 109

Hình 4.36: Sinh khối khô trên chậu của các nghiệm thức thí nghiệm

trồng trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện nhà lưới ở vụ 2 (10/2018-01/2019) 110

Hình 4.37: Hàm lượng Si trong thân cây lúa vào thời điểm thu hoạch

của các nghiệm thức thí nghiệm trồng trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện nhà lưới ở vụ 1 (6/2018 – 9/2018) 111

Hình 4.38: Hàm lượng Si trong thân cây lúa vào thời điểm thu hoạch

của các nghiệm thức thí nghiệm trồng trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện nhà lưới ở vụ 2 (10/2018 – 01/2019) 112

nghiệm trồng trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện nhà lưới ở vụ 1

(6/2018 – 9/2018) 113

nghiệm trồng trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện nhà lưới ở vụ 2 (10/2018 – 01/2019) 113

Hình 4.41: Năng suất hạt chắc/chậu ở ẩm độ 14% của các nghiệm thức

thí nghiệm trồng trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện nhà lưới ở

vụ 1 (6/2018 – 9/2018) 115

Hình 4.42: Năng suất hạt chắc/chậu ở ẩm độ 14% của các nghiệm thức

thí nghiệm trồng trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện nhà lưới ở

vụ 2 (10/2018-01/2019) 116

Hình 4.43: Hàm lượng Si trong thân của các nghiệm thức thí nghiệm

trồng trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện ngoài đồng trong mô hình canh tác lúa-tôm tại huyện Phước Long, tỉnh Bạc Liêu (9/2018-01/2019) 133

nghiệm trồng trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện ngoài đồng trong

mô hình canh tác lúa-tôm tại huyện Phước Long, tỉnh Bạc Liêu (9/2018-01/2019) 135

Hình 4.45: Năng suất lúa thực tế của các nghiệm thức thí nghiệm trồng

trên nền đất nhiễm mặn ở điều kiện ngoài đồng trong mô hình canh tác lúa-tôm tại huyện Phước Long, tỉnh Bạc Liêu (9/2018-01/2019) 136

xv

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BLAST : Basic Local Alignment Search Tool

CCI : Chỉ số hàm lượng chlorophyll

cDNA : Complementary Deoxiribonucleic Acid

CEC : Cation Exchange Capacity

ĐBSCL : Đồng bằng sông Cửu Long

DNA : Deoxiribonucleic Acid

EDTA : Ethylene Diamine Tetraacetic Acid

HPLC : High Performance Liquid Chromatography NSHCTC : Năng suất hạt chắc trên chậu

SiTD : Hàm lượng Si trong đất

SiTT : Hàm lượng Si trong thân cây lúa

SSB : Mật số vi khuẩn phân giải Si

1

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU

1.1 Đặt vấn đề

Silic (Si) có số nguyên tử bằng 14, khối lượng nguyên tử 28 và là á kim, hóa trị IV Si là nguyên tố có hàm lượng đứng hàng thứ hai trong vỏ trái đất,

chiếm 27,7% tổng khối lượng trái đất (Datnoff et al., 2001) Trong đất Si tồn tại

trong các khoáng quartz, feldspar, mica, amphibole, pyroxene, olivine và khoáng sét (chủ yếu ở dạng SiO2 chiếm 1-45% khối lượng khô của đất) (Sposito, 1989)

Si có ảnh hưởng tích cực lên sự hấp thu và vận chuyển của nhiều yếu tố đa, vi lượng cũng như sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng (Ma and Yamaji, 2008; Vijayapriya and Muthukkaruppan, 2010), giúp giảm những ảnh hưởng bất lợi của kim loại nặng, mặn, hạn, mất cân bằng dinh dưỡng, nhiệt độ và pH cao hay thấp (Adatia and Besford, 1986; Ma, 2004; Ma and Yamaji, 2006) lên cây trồng bằng cách gia tăng hàm lượng các enzyme oxy hóa-khử, ổn định cấu trúc và chức năng của màng tế bào (Ma, 2004) và giúp kích kháng chống lại côn trùng và bệnh hại cây trồng (Vijayapriya and Muthukkaruppan, 2010) Trong điều kiện mặn, Si giúp cải thiện một số đặc tính có lợi cho cây lúa bao gồm: gia tăng hàm lượng

chlorophyll ở lá lúa (Yeo et al., 1990; Bonilla and Tsuchiya, 1998), duy trì tính thấm của màng tế bào do đó giảm điện tích rò rỉ qua màng tế bào (Lutts et al., 1996; Kaya et al., 2006; Liang et al., 1996), giúp gia tăng hàm lượng nước tương đối cho cây lúa (Tuna et al., 2008), giảm hàm lượng ion Na+ và gia tăng hàm lượng ion K+ trong sinh khối khô cây lúa (Matoh et al., 1986; Ahmad et al., 1992),

giảm hàm lượng hydrogen peroxide (H2O2) (Zhu et al., 2004) đồng thời gia tăng

hàm lượng các enzyme oxi hóa-khử như guaiacol peroxidase (GPX), glutathione

reductase (GR) và superoxide dismutase (SOD) (Liang et al., 2003; Zhu et al., 2004) cũng như giảm hàm lượng proline trong thân lúa (Tuna et al., 2008; Soylemezoglu et al., 2009; Lee et al., 2010)

Si trong đất rất dồi dào tuy nhiên hầu hết tồn tại dưới dạng không hòa tan

do đó cây trồng không thể hấp thu được (Rodrigues and Datnoff, 2005; Vasanthi

et al., 2012) Mặt khác, hàm lượng Si trong đất bị suy giảm do (i) sự di chuyển

trầm tích và xói mòn đất thường xuyên với cường độ cao, (ii) đa số cây trồng hấp thu Si tương đương với các nguyên tố đa lượng khác, tuy nhiên, Si không được

bổ sung mỗi vụ như N, P và K và (iii) Si bị mất đi do quá trình khử Si trong đất Đất ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới có hàm lượng Si hòa tan thấp và có thể

được gia tăng nhờ vào phân bón Si (Meena et al., 2014) Ngoài ra, hàm lượng Si

hữu dụng trong đất khu vực bố trí thí nghiệm lúa ở điều kiện ngoài đồng tại huyện Phước Long, tỉnh Bạc Liêu là 16,9 (g.kg-1 đất khô) được đánh giá ở mức thấp (Fox et al., 1967; Haysom and Chapman, 1975), do đó cần bổ sung thêm phân bón Si vào đất nhằm gia tăng lượng Si hữu dụng trong đất Bên cạnh đó, nhu cầu

2

của cây lúa đối với Si rất cao và hàm lượng Si trong thân lúa dao động từ 5-15% (SiO2) khối lượng khô (Epstein, 1994; Epstein, 1999) Sau mỗi vụ canh tác cây lúa hấp thu khoảng 230-470 kg Si.ha-1 và phần lớn khoáng Si được hấp thu trong sinh khối cây lúa, tuy nhiên phần sinh khối này cũng được lấy đi ra khỏi đồng

ruộng (Ma and Yamaji, 2008; Meena et al., 2014) Hơn nữa, Si bất động trong

đất có thể chuyển thành dạng hòa tan dưới tác động của sự phong hóa, hoạt động

sinh học của rễ cây, vi sinh vật và động vật đất (Goudie, 1996; Vasanthi et al.,

2012) Trong đó, vi khuẩn phân giải Si đóng vai trò quan trọng và hiệu quả cao trong việc phân giải Si bất động trong đất vì vậy giúp gia tăng độ phì nhiêu đất

và gia tăng khả năng bảo vệ cây trồng dưới điều kiện bất lợi của môi trường

(Vasanthi et al., 2012) Cơ chế phóng thích Si từ khoáng Si được giải thích là do

vi khuẩn tiết ra acid hữu cơ như acid citric, acid oxalic, acid keto, acid hydroxyl

carboxylic, acid tartaric, acid gluconic, acid acetic (Sheng et al., 2003; Sheng, 2005; Sheng et al., 2008), acid 2-keto-gluconic, alkalis và polysaccharide (Joseph

et al., 2015)giúp phân cắt cầu nối liên kết cộng hóa trị giữa Si và các nguyên tố khác trong khoáng Si (Vijayapriya and Muthukkaruppan, 2012)

Mặt khác, hầu hết các nghiên cứu trong và ngoài nước tập trung vào vai trò của vi khuẩn phân giải Si lên sinh trưởng và năng suất cây trồng trong điều kiện bình thường, trong khi các nghiên cứu về bổ sung kết hợp giữa khoáng Si và vi khuẩn phân giải Si vào đất giúp phân giải khoáng Si nhằm gia tăng khả năng chống chịu mặn cũng như sinh trưởng và năng suất cây trồng trên nền đất nhiễm mặn còn rất hạn chế Bên cạnh đó, lúa là cây trồng chủ lực ở vùng Đồng bằng sông Cửu Long, tuy nhiên, hiện tại việc canh tác lúa ở khu vực này đang phải đối mặt với những hậu quả do tác động của biến đổi khí hậu gây ra, dẫn đến một

lượng lớn diện tích trồng lúa bị nhiễm mặn Do đó, nghiên cứu “Phân lập vi

khuẩn phân giải silic trong đất và ứng dụng trong canh tác lúa ở Đồng bằng sông Cửu Long” được thực hiện

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện nhằm mục tiêu phân lập, tuyển chọn các dòng

vi khuẩn phân giải Si từ các nguồn mẫu vật khác nhau nhằm ứng dụng cho việc gia tăng khả năng chống chịu mặn cũng như sinh trưởng và năng suất của cây lúa khi được canh tác trên nền đất nhiễm mặn

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là các dòng vi khuẩn phân giải Si trong đất chuyên canh lúa, mía, tre lâu năm cũng như phân trùn và ruột trùn đất có khả năng phân giải Si

Nghiên cứu được giới hạn trên các dòng vi khuẩn phân giải Si được phân lập từ 96 mẫu gồm đất, phân trùn và ruột trùn đất tại 5 tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long gồm Cà Mau, Sóc Trăng, Hậu Giang, Cần Thơ và Trà Vinh Dựa trên các

3

nghiên cứu trước đây cho thấy cây lúa, mía và tre có nhu cầu về Si rất cao cho sinh trưởng và phát triển, bên cạnh đó, trong đường ruột của trùn và phân trùn chứa hệ vi khuẩn có khả năng phân giải tốt các khoáng chất trong đất, do đó tiềm năng phân lập được các dòng vi khuẩn phân giải Si từ các nguồn mẫu vật này rất cao

1.4 Thời gian và địa điểm nghiên cứu

Các công việc gồm thu mẫu, phân lập, tuyển chọn và nhận diện các dòng vi khuẩn có khả năng phân giải Si được thực hiện từ tháng 8/2016 đến tháng 6/2017 Ngoài ra, thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố môi trường lên khả năng phân giải Si và mật số vi khuẩn phân giải Si của năm dòng vi khuẩn tuyển chọn được tiến hành từ tháng 7/2017 đến tháng 2/2018 Nội dung đánh giá khả năng kích thích sinh trưởng cây lúa trong điều kiện mặn trong phòng thí nghiệm của 5 dòng vi khuẩn phân giải Si tuyển chọn được thực hiện từ tháng 3/2018 đến tháng 5/2018 Thí nghiệm đánh giá hiệu quả của 5 dòng vi khuẩn tuyển chọn lên khả năng chống chịu mặn, sinh trưởng và năng suất lúa trồng trên nền đất nhiễm mặn

ở điều kiện nhà lưới và ngoài đồng được thực hiện từ tháng 6/2018 đến tháng 01/2019

Các nội dung nghiên cứu về phân lập, tuyển chọn vi khuẩn phân giải Si và khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố môi trường lên khả năng phân giải Si và mật

số vi khuẩn cũng như đánh giá hiệu quả của năm dòng vi khuẩn tuyển chọn lên khả năng kích thích sinh trưởng và tăng cường khả năng chống chịu mặn của cây lúa trong điều kiện phòng thí nghiệm và nhà lưới được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Sinh học Đất, Bộ môn Khoa học Đất, Khoa Nông nghiệp và Viện Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ sinh học, Trường Đại học Cần Thơ Nội dung đánh giá hiệu quả của 5 dòng vi khuẩn phân giải Si lên việc gia tăng khả năng chống chịu mặn, sinh trưởng và năng suất lúa trồng trên nền đất nhiễm mặn trong mô hình canh tác lúa-tôm được thực hiện tại ấp Long Hải, thị trấn Phước Long, huyện Phước Long, tỉnh Bạc Liêu

1.5 Nội dung nghiên cứu

- Phân lập và tuyển chọn một số dòng vi khuẩn có khả năng phân giải Si từ các mẫu đất canh tác lúa, mía, tre lâu năm, ruột và phân trùn đất ở một số tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) gồm Cà Mau, Sóc Trăng, Hậu Giang, Cần Thơ và Trà Vinh

- Đánh giá mối quan hệ di truyền của 10 dòng vi khuẩn phân giải Si hiệu quả

- Đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố môi trường lên mật số và khả năng phân giải Si của 5 dòng vi khuẩn phân giải Si hiệu quả

- Đánh giá hiệu quả của 5 dòng vi khuẩn phân giải Si tuyển chọn lên khả năng chống chịu mặn của cây lúa trong điều kiện phòng thí nghiệm

4

- Đánh giá hiệu quả của 5 dòng vi khuẩn phân giải Si tuyển chọn lên khả năng chống chịu mặn, kích thích sinh trưởng và tăng năng suất lúa trong điều kiện nhà lưới và ngoài đồng

1.6 Đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Các nghiên cứu trước đây cho thấy Si là nguyên tố có lợi cho cây trồng và

có vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ cây trồng gia tăng khả năng chống chịu với các điều kiện bất lợi của môi trường như mặn, hạn, ngộ độc kim loại nặng, hạn chế sự tấn công của nấm bệnh và côn trùng chích hút Ngoài ra, việc bổ sung các nguồn vật liệu hữu cơ hoặc vô cơ chứa Si kết hợp vi khuẩn phân giải Si vào đất canh tác nông nghiệp giúp gia tăng sinh trưởng và năng suất lúa Tuy nhiên, nghiên cứu về kết hợp bổ sung phân bón Si dạng khoáng và vi khuẩn phân giải

Si cho canh tác lúa trên nền đất nhiễm mặn nhằm gia tăng khả năng chống chịu mặn của cây lúa còn rất hạn chế không chỉ ở Việt Nam mà còn trên thế giới Do

đó, hướng nghiên cứu của đề tài nhằm phân lập, tuyển chọn các dòng vi khuẩn phân giải Si từ các nguồn mẫu vật khác nhau giúp đa dạng nguồn vi khuẩn phân giải Si thu thập Đồng thời, ứng dụng các dòng vi khuẩn phân giải Si hiệu quả trong nghiên cứu này còn có ý nghĩa quan trọng trong việc giúp cây lúa gia tăng khả năng chống chịu mặn, sinh trưởng và năng suất khi trồng trên nền đất nhiễm mặn, từ đó góp phần giải quyết vấn đề xâm nhập mặn đang ảnh hưởng nghiêm trọng ở một số tỉnh ĐBSCL hiện nay Đây là một đóng góp mới có ý nghĩa thiết thực trong lĩnh vực nông nghiệp và môi trường

Về ý nghĩa lý luận, luận án đã khái quát được một số đặc tính có lợi như phân giải Si, cố định đạm, hòa tan lân và tổng hợp IAA của 5 dòng vi khuẩn phân lập từ đất chuyên canh lúa, mía, tre lâu năm, cũng như phân trùn và ruột trùn đất, góp phần bổ sung vào cơ sở dữ liệu về lĩnh vực vi sinh nông nghiệp của vùng ĐBSCL Kết quả đạt được của đề tài là bộ sưu tập gồm 387 dòng vi khuẩn có khả năng phân giải Si in vitro Trong đó, 10 dòng vi khuẩn được định như loài

Microbacterium neimengense MCM_15, Klebsiella aerogenes LCT_01, Bacillus megaterium LCT_03, Ochrobactrum ciceri TCM_39, Staphylococcus arlettae TCM_40, Citrobacter freundii RTTV_12, Micrococcus luteus RTTV_13, Agromyces ulmi PTTV_16, Rhodococcus equi PTTV_27 và Olivibacter jilunii

PTST_30 với độ tương đồng 99-100% thể hiện khả năng phân giải khoáng Si cao nhất Mặt khác, 5 dòng vi khuẩn được tuyển chọn gồm MCM_15, LCT_01, TCM_39, RTTV_12 và PTST_30 phát triển mật số và phân giải Si tốt trong dãy

pH môi trường từ 5-7, nhiệt độ 35oC và chịu được độ mặn lên đến 0,5% NaCl Bên cạnh khả năng phân giải Si, 5 dòng vi khuẩn phân giải Si tuyển chọn còn có khả năng cố định đạm, hòa tan lân và tổng hợp IAA Mặt khác, chúng còn thể hiện sự kích thích gia tăng khả năng chống chịu mặn, tăng sinh trưởng và năng

Si hòa tan trong đất, hàm lượng Si trong thân, hàm lượng chlorophyll trong lá lúa, độ cứng lóng thân và đặc biệt là năng suất lúa của nghiệm thức chủng tổ hợp

5 dòng vi khuẩn phân giải Si + 100% NPK + 100 kg CaSiO3.ha-1 cao hơn và khác biệt ý nghĩa thống kê so với nghiệm thức bón 100% NPK khuyến cáo Do đó, 5 dòng vi khuẩn phân giải Si trong nghiên cứu này có tiềm năng rất cao trong việc ứng dụng để sản xuất chế phẩm vi sinh giúp gia tăng sinh trưởng và năng suất cây lúa khi được trồng trên nền đất nhiễm mặn ở khu vực ĐBSCL

6

CHƯƠNG II LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU

2.1 Si trong đất

Si là nguyên tố có số nguyên tử bằng 14, khối lượng nguyên tử 28 và là á kim, hóa trị IV Si là nguyên tố có hàm lượng đứng hàng thứ hai được tìm thấy trong vỏ trái đất sau oxygen và trong đất Si tồn tại chủ yếu ở dạng SiO2 chiếm 1-45% khối lượng khô của đất Đất cát có hàm lượng Si khoảng 450 g.kg-1, nhiều hơn so với đất sét (khoảng 275 g.kg-1) Mặc dù, Si trong đất chiếm tỷ lệ cao nhưng chỉ một phần nhỏ được hòa tan và hữu dụng cho cây trồng hấp thu (Sposito, 1989) Trong dung dịch đất, Si được tìm thấy ở dạng hữu dụng acid monosilicic (H4SiO4) có nồng độ dao động từ 0,1 đến 0,6 mM (Epstein, 1994), có thể lên đến 0,8 mM ở điều kiện bão hòa khi pH dưới 9 (Lindsay, 1979; Ma and Takahashi, 2002) Ở mức pH 6, với nồng độ acid monosilicic 1,0 mM H4SiO4 sẽ được phân

rã thành 0,999 mM H4SiO4 và 0,001 mM H3SiO4-, tuy nhiên ở pH 10, với nồng

độ acid monosilicic 1,0 mM H4SiO4 sẽ phân rã thành 0,404 mM H4SiO4 và 0,596

mM H3SiO4- (Lindsay, 1979) Si trong đất có thể được bổ sung ở dạng potassium silicate (K2SiO3), magnesium silicate (MgSiO3) và calcium silicate (CaSiO3) bằng cách bón trực tiếp vào đất hoặc phun qua lá Ngoài ra, tái sử dụng vỏ trấu

và rơm rạ có thể thay thế cho nguồn phân bón Si đắt tiền trong hệ thống quản lý dinh dưỡng khép kín Mặt khác, tăng cường hoạt động sinh học trong đất kết hợp với bổ sung phân hữu cơ có thể cải thiện hàm lượng Si hòa tan trong đất

(Thilagam et al., 2014)

2.2 Vai trò của Si đối với cây lúa

Si có vai trò quan trọng tham gia vào thành phần cấu tạo tế bào của cây trồng mặc dù Si không được biết đến như là nguyên tố thiết yếu tương tự các nguyên tố khác mà cây trồng cần đến với số lượng nhiều như N, P và K (Epstein, 1972; Marschner, 1986; Asher, 1991) Các nhà sinh lý thực vật cho rằng một nguyên tố đóng vai trò thiết yếu đối với cây trồng khi chúng phải đáp ứng một trong hai tiêu chuẩn sau: (1) Nếu thiếu nguyên tố này cây trồng không thể hoàn thành được chu kỳ sống và không đơn thuần là giúp cây trồng vượt qua một số điều kiện bất lợi về mặt hóa học hay vi sinh vật mà còn là chất dinh dưỡng cho cây trồng hấp thu và (2) là thành phần thiết yếu trong tế bào thực vật hoặc là

thành phần tham gia vào quá trình trao đổi chất (Epstein, 1972)

Si tham gia vào hợp phần cấu tạo tế bào thực vật giúp cho vách tế bào thực vật trở nên rắn chắc (Epstein and Bloom, 2005) đồng thời mang đến nhiều lợi ích cho cây trồng (Van Soest, 2006) Si không tồn tại ở dạng tự do trong cây trồng,

cụ thể acid monosilicic được hấp thu từ đất, sau đó chuyển thành dạng gel silica (SiO2.nH2O) tồn tại bền vững trong cây trồng (Gao et al., 2005; Ma and Yamaji,

2006) Mặt khác, Si có hiệu quả lên sinh trưởng và năng suất cây trồng, giúp cây

7

cứng cáp, chống đổ ngã, tăng cường sự tiếp nhận ánh sáng ở lá, kháng lại một số

bệnh do nấm và vi khuẩn (Fawe et al., 2001; Voogt and Sonneveld, 2001), chống

lại sự tấn công của côn trùng (Coors, 1987), giúp cây trồng chịu được nhiệt độ

thấp (Epstein, 1999), mặn (Hamayun et al., 2010; Lee et al., 2010), chống lại ngộ độc kim loại nặng (Voogt and Sonneveld, 2001; Liang et al., 2005), trong đó có

Al (Cocker et al., 1998; Kidd et al., 2001), hạn chế tác hại do dư thừa N và P

trong mô thực vật (Bollard and Butler, 1966; Epstein and Bloom, 2005) Si không chỉ đem lại hiệu quả cao thông qua việc hấp thu bởi cây trồng từ rễ mà còn mang lại hiệu quả kháng bệnh thông qua việc phun Si lên bề mặt lá cây (Richmond and Sussman, 2003)

Mặc dù, tất cả các cây trồng đều chứa Si trong tế bào thực vật nhưng Si vẫn được cho là nguyên tố không quan trọng với cây trồng vì không có bằng chứng nào cho thấy Si có liên quan đến quá trình trao đổi chất của cây trồng và không được thừa nhận như là nguyên tố dinh dưỡng thiết yếu cho cây trồng Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu đã chứng minh vai trò của Si lên việc kiểm soát côn trùng và mầm bệnh gây hại, đặc biệt là sự tích lũy Si ở trong cây lúa và mía Ngoài ra, Si tương tác với các nguyên tố dinh dưỡng khác như: N, P và K giúp tăng cường hiệu quả hấp thu và sử dụng của các nguyên tố này Như vậy, rõ ràng Si là nguyên

tố thật sự quan trọng và rất cần thiết đối với cây lúa Cây lúa hấp thu Si với lượng 150-300 kg.ha-1 ở dạng acid monosilicic (H4SiO4), sau đó, được vận chuyển đến thân qua tiến trình thoát hơi nước, khi đó acid monosilicic được tập trung và cuối cùng hình thành gel silica (SiO2.nH2O) là sản phẩm cuối cùng nằm ở mô cây trồng (Yoshida, 1975; Bazilevich, 1993) Hiệu quả của Si đối với cây lúa được thể hiện ở các khía cạnh như sau: giúp cho cây lúa vượt qua được nhiều điều kiện bất lợi sinh học và phi sinh học của môi trường (Mitani and Ma, 2005), giúp cho lớp cuticle dày lên, ngăn chặn được sự xâm nhiễm của mầm bệnh do vi sinh vật

gây ra, trong đó có bệnh đạo ôn do nấm gây ra trên cây lúa (Datnoff et al., 1997),

giảm sự tấn công của sâu đục thân hại lúa do Si giúp gia tăng độ dày của lớp biểu

bì dẫn đến côn trùng không dễ dàng chích hút, giúp giảm số hạt lép, làm tăng năng suất lúa và giảm sự thoát hơi nước qua lá giúp tăng cường hiệu quả sử dụng nước cho cây trồng, cải thiện khả năng chống chịu của cây lúa trong điều kiện khô hạn Ngoài ra, Si còn giúp rễ cây trồng hạn chế hấp thu một số kim loại nặng như: Mn, Fe và Al Đặc biệt, Si còn giúp cây trồng hạn chế tác động của các yếu

tố bất lợi của môi trường như: mặn, hạn, mất cân bằng dinh dưỡng, nhiệt độ và

pH cao hay thấp (Ma, 2004)

Si giúp cho cây trồng chống chịu được các điều kiện bất lợi của môi trường như: khô hạn, nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp, tia UV, mất cân bằng dinh dưỡng, ngộ độc kim loại và nhiễm mặn (Ma and Takahashi, 2002; Ma, 2004) Đặc biệt, điều

8

kiện bất lợi do mặn gây ra dẫn đến việc giảm năng suất cây trồng chủ yếu ở khu vực khô hạn và bán khô hạn, đồng thời yếu tố bất lợi này có thể được ngăn chặn

bằng cách tăng lượng Si hấp thu bởi cây trồng (Tahir et al., 2006) Mặt khác, Si

còn giúp tăng cường hoạt động enzyme oxi hóa-khử như superoxide dismutase (SOD; EC 1.15.1.1), guaiacol peroxidase (GPX; EC 1.11.1.7), ascorbate peroxidase (APX; EC 1.11.1.11), dehydroascorbate reductase (DHAR; EC 1.8.5.1) và glutathione reductase (GR; EC 1.6.4.2) ở cây trồng dưới điều kiện mặn (Ma, 2003; Liang, 1999) nhằm giảm sự tổn hại tế bào do quá trình oxi hóa

ở điều kiện mặn gây ra, cụ thể giảm mức độ rò rỉ điện tích, sự oxi hóa lipid và hàm lượng H2O2 trong tế bào thực vật (Gossett et al., 1994; Shalata and Tal, 1998; Meneguzzo et al., 1999; Sahebi et al., 2014) Ngoài ra, Si được cây trồng hấp thu

làm tăng hoạt động của enzyme pyrophosphatase (EC 3.6.1.1) và ATPase ở không bào Đây là hai enzyme giúp giảm hấp thu Na+ và tăng cường hấp thu K+bởi màng tế bào Sự phân cắt và vận chuyển ion Na+ và Cl- đến không bào kết hợp với việc tăng tỷ lệ K+/Na+ ở tế bào rễ và lá giúp giảm ngộ độc Na+

Mặt khác, hiệu quả của Si trong việc giảm thiểu ảnh hưởng của mặn đối với

cây trồng đã được chứng minh trên lúa mì (Triticum sp.) (Ma, 2004; Ahmad et al., 1992), lúa (Oryza sativa) (Ma, 2004; Gong et al., 2006), lúa mạch (Hordeum vulgare L.) (Liang et al., 2003; Liang et al., 2005; Ma, 2004; Liang et al., 2006),

cà chua (Solanum lycopersicum) (Al-aghabary et al., 2004; Romero-Aranda et al., 2006), dưa leo (Cucumis sativus) (Yildirim et al., 2008) và bắp (Moussa, 2006; Kaya et al., 2006) Cụ thể, sinh khối lúa ở nghiệm thức bổ sung Si trong điều kiện mặn được cải thiện đáng kể so với nghiệm thức đối chứng (Matoh et al., 1986), khả năng chống chịu mặn của lúa mì (Ahmad et al., 1992) và cây lúa

trồng trong dung dịch dinh dưỡng bổ sung Si gia tăng và khác biệt có ý nghĩa

thống kê so với nghiệm thức đối chứng (Liang et al., 1996) Hơn nữa, Si giúp

giảm nồng độ Na+ ở thân lúa mạch (Liang, 1999) và lúa (Yeo et al.,1999) Si gián

tiếp giúp giảm quá trình oxi hóa làm tổn thương tế bào của dưa leo dưới điều kiện mặn thông qua việc gia tăng hoạt động của enzyme guaiacol peroxidase, ascorbate peroxidase, superoxide dismutase, dehydroascorbate reductase và

glutathione reductase (Zhu et al., 2004) Sự tổn hại tế bào do quá trình oxi hóa ở

cà chua được giảm đáng kể khi tăng hàm lượng Si hòa tan trong đất cho cây trồng (Richmond and Sussman, 2003) Hoạt động của enzyme catalase và superoxide dismutase được tăng cường nên kích thích hàm lượng protein trong lá cà chua gia tăng đồng thời giảm hàm lượng H2O2 (Al-aghabary et al., 2004) Ngoài ra,

Si ở màng tế bào rễ có thể làm tăng sự hấp thu và vận chuyển ion K+ và giảm sự hấp thu và vận chuyển ion Na+ từ rễ đến thân lúa mạch trong điều kiện mặn (Liang

et al., 2006) Mặt khác, nồng độ ion Na+ ở mô cải dầu dưới điều kiện mặn giảm rất đáng kể khi Si được bổ sung vào trong đất Sự tích lũy Si ở lớp tế bào nội bì

9

và vách tế bào thực vật giúp giảm sự tích lũy Na+ ở rễ và thân thông qua việc giảm bớt sự vận chuyển Na+ qua vách tế bào (Saqib et al., 2008; Tuna et al., 2008; Savvas et al., 2009; Hashemi et al., 2010; Ashraf et al., 2010)

Một số chỉ tiêu dùng để đánh giá khả năng chống chịu mặn của cây lúa khi

có bổ sung Si bao gồm: (1) Hàm lượng chlorophyll bởi hàm lượng chlorophyll ở cây lúa giảm trong điều kiện môi trường mặn, trong khi đó, nếu có bổ sung Si vào môi trường này giúp gia tăng, hoàn trả lại lượng chlorophyll cho cây lúa (Yeo

et al., 1990; Bonilla and Tsuchiya, 1998); (2) Phần trăm điện tích rò rỉ bởi vì môi

trường mặn làm hư hỏng tính thấm của màng tế bào, do đó phần trăm điện tích

rò rỉ nhiều hơn so với môi trường bình thường, tuy nhiên, khi bổ sung Si vào môi

trường mặn giúp duy trì được tính thấm của màng tế bào (Lutts et al., 1996; Liang

et al., 1996; Kaya et al., 2006); (3) Hàm lượng nước tương đối vì hàm lượng

nước tương đối ở cây lúa thấp trong điều kiện môi trường mặn, tuy nhiên, khi Si được bổ sung vào môi trường, giúp gia tăng lượng nước tương đối cho cây lúa

(Tuna et al., 2008.); (4) Hàm lượng Si và các ion Na+ và K+ trong sinh khối khô bởi vì nồng độ của Na+ ở cây lúa trong điều kiện mặn cao hơn so với điều kiện bình thường, tuy nhiên khi có bổ sung Si vào môi trường này thì nồng độ Na+

giảm xuống Ngược lại, nồng độ K+ ở cây lúa giảm trong môi trường mặn và tăng

khi có bổ sung Si vào môi trường này (Matoh et al., 1986; Ahmad et al., 1992);

(5) Hàm lượng hydrogen peroxide (H2O2) vì hàm lượng hydrogen peroxide ở cây lúa gia tăng trong điều kiện mặn, tuy nhiên khi bổ sung Si vào môi trường này thì hàm lượng H2O2 giảm xuống (Zhu et al., 2004); (6) Hàm lượng các enzyme

oxi hóa-khử guaiacol peroxidase (GPX), glutathione reductase (GR) và superoxide dismutase (SOD) vì trong môi trường mặn có bổ sung Si hàm lượng các enzyme oxi hóa-khử này ở cây trồng gia tăng, nhằm giúp bảo vệ chức năng

và cấu trúc nguyên vẹn của tế bào (Liang et al., 2003; Zhu et al., 2004) và (7)

Hàm lượng proline trong lá lúa vì trong điều kiện bất lợi mặn hàm lượng proline trong thân cây trồng gia tăng, tuy nhiên, khi Si được bổ sung vào môi trường,

hàm lượng proline trong thân cây trồng giảm xuống (Tuna et al., 2008; Soylemezoglu et al., 2009; Lee et al., 2010)

2.4 Một số phương pháp đo Si hòa tan trong đất

Hàm lượng Si tổng số trong đất thường ít liên quan với hàm lượng Si hòa tan trong đất Dạng Si hòa tan trong đất có vai trò quan trọng cho sự tăng trưởng của cây trồng Acid monosilic tồn tại trong dung dịch đất ở dạng monomer trong điều kiện acid yếu và trung tính Tuy nhiên, sự tổng hợp thành polymer xuất hiện nhanh chóng khi nồng độ monomer trong dung dịch lớn, pH trong đất tăng và sự

có mặt của oxide và hydroxide của nhôm và sắt Bảng 2.1 cho thấy sự đa dạng của các phương pháp được sử dụng rộng rãi hiện nay dùng để xác định hàm lượng

Si hòa tan cho cây trồng trong đất Hàm lượng Si khác nhau phụ thuộc vào dung

10

môi dùng để trích được sử dụng Lượng Si có khả năng ly trích trong đất còn phụ thuộc vào hàm lượng Al và Fe trong đất, ngoài ra còn phụ thuộc vào tỷ lệ trích của dung môi trích và đất, nhiệt độ và pH của dung dịch trích cũng đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất trích Si Si trong dung dịch đất dưới dạng H4SiO4 được

đo theo phương pháp silicomolybdate blue colour (Iler, 1979)

Bên cạnh đó, hàm lượng Si hòa tan trong đất có thể được xác định bằng cách trích với nước Đây là một phương pháp thường được áp dụng để đánh giá

Si hòa tan trong đất, nhưng đây không phải là một phương pháp có tính chính xác cao do lực liên kết của ion yếu dẫn đến việc phân cắt bởi ánh sáng dễ dàng (Lindsay, 1979) Si hòa tan ở pH < 8 giúp cho acid monosilicic không bị biến tính, sự thay đổi lực liên kết của các ion không làm thay đổi hiệu suất trích Si ở các loại đất khác nhau Ở khía cạnh này, Elgawhary và Lindsay (1972) đề nghị

sử dụng 0,02 M CaCl2 như là dung môi dùng để trích Si giúp cân bằng sức mạnh ion và thuận lợi trong việc kết tủa Si

Một nghiên cứu nhằm đánh giá và so sánh các phương pháp trích Si từ nhiều loại đất cho thấy mặc dù có sự khác biệt trong các phương pháp phân tích nhưng kết quả chứng minh được có mối tương quan giữa Si tổng số và Si hòa tan trong đất (Berthelsen, 2000) Những mẫu đất và cây được lựa chọn từ 200 địa điểm, đại diện cho tất cả những nhóm đất chính trồng chuyên canh mía ở phía Bắc Queensland, Úc Lượng Si hòa tan trong đất được trích với hai dung dịch trích 0,01 M CaCl2 và 0,005M H2SO4 Kết quả cho thấy hàm lượng Si hòa tan cho cây trồng trong đất có thể được xác định thông qua phương pháp trích với 0,01 M CaCl2, tuy nhiên, với phương pháp trích Si trong đất bằng 0,005M H2SO4 không

thể dùng để xác định hàm lượng Si hòa tan cho cây trồng (Berthelsen et al., 2001)

Các hóa chất dùng để trích Si có mối liên hệ với các đặc tính khác của đất Dung dịch muối (0,01 M CaCl2) dùng để trích Si hòa tan trong dung dịch đất, trong khi trích Si bằng hỗn hợp NH4OAc và acetic acid cho thấy Si hòa tan trong dung dịch đất cũng giống như nhiều polymer đơn giản khác chịu sự chi phối lớn của pH, CEC và tỷ lệ phân giải Si:Al trong dung dịch đất Tuy nhiên, hàm lượng sét, sắt

và nhôm được xem là những nhân tố quyết định đến khả năng ly trích Si trong đất Thêm vào đó, khi sử dụng dung môi phosphate acetate, citric acid và 0,005M

H2SO4 để trích Si hòa tan trong dịch đất cho thấy Si được hấp phụ mạnh trên nhôm và hydroxide (Berthelsen, 2000)

(thiếu-Haysom and Chapman, 1975

để đánh giá hàm lượng Si hòa tan trong đất cho cây trồng hấp thu để đạt năng

suất tối đa (Korndorfer et al., 2001; Ma and Takahashi, 2002) Tuy nhiên, theo

nghiên cứu của Ma và Takahashi (2002) cho thấy sau một thời gian dài bổ sung khoáng Si, phương pháp trích với acetate buffer có thể dùng để đánh giá hàm lượng Si hòa tan thực sự cho cây trồng Tuy nhiên, khi dùng các dung môi trích mạnh hơn để trích Si trong đất có thể dẫn đến việc hòa tan nguồn Si không hữu

dụng từ nguồn phân bón chứa lượng Si hòa tan thấp (Savant et al., 1997)

12

Hơn nữa, nghiên cứu của Pereira et al (2003) cho thấy có mối tương quan

thuận và rấtchặt giữa Si trong thân cây và lượng hữu dụng trong đất khi sử dụng phương pháp trích Si bằng sodium carbonate (Na2CO3) và ammonium acetate (NH4NO3) Mặt khác, phương pháp này đã được kiểm tra cho việc trích Si hòa tan trong đất với hiệu suất trích đạt trên 70%, do đó phương pháp này được lựa chọn để xác định hàm lượng Si hòa tan trong thí nghiệm của đề tài

2.5 Vi khuẩn phân giải Si

Cải thiện khả năng tăng trưởng và năng suất của cây trồng thông qua việc phóng thích dinh dưỡng bị cố định trong đất bằng cơ chế sinh học gồm việc kích thích nhóm vi sinh vật phân giải Si bản địa, hoặc chủng vi sinh vật có lợi bên ngoài hạt giống hoặc bổ sung phân bón sinh học vào đất được tiến hành ở nhiều

nơi trên thế giới (Chookietwattana and Maneewan, 2012; Kauchebagh et al.,

2012) Sự phân giải khoáng Si bởi vi khuẩn được xem như là nguồn cung cấp Si chính yếu cho nhiều cây trồng Trong đất chứa nguồn vi sinh vật rất phong phú

và đa dạng nhưng chỉ một phần nhỏ trong số đó có khả năng phân giải khoáng Si

(Lauwers and Heinen, 1974; Avakyan et al., 1986; Muralikannan, 1996;

Muralikannan and Anthomiraj, 1998)

2.5.1 Nhóm vi khuẩn phân giải Si

Vi khuẩn phân giải Si bao gồm một số chi như: (i) chi Bacillus như Bacillus caldolytyicus, Bacillus mucilaginosus var siliceous, Bacillus circulans, Bacillus spp giúp gia tăng hàm lượng chlorophyll trong lá, khối lượng ngàn hạt, số hạt chắc, năng suất và sinh khối lúa (Lauwers and Heinen, 1974; Avakyan et al., 1986; Sheng et al., 2003; Mikhailouskaya et al., 2005; Sheng, 2005; Osman, 2009; Thilagam et al., 2014; Joseph et al., 2015); (ii) chi Microbacterium như Microbacterium neimegense F_50, Microbacterium sp 2318, Microbacterium

sp ADAT-G, Microbacterium sp S2E29, Microbacterium sp Long_2…mang

một số đặc tính có lợi cho cây trồng như cộng sinh, cố định đạm ở cây bắp và

phân giải acenaphthane (Ghosal et al., 2011; Fagotti et al., 2012); (iii) chi Klebsiella như Klebsiella aerogenes B02, Klebsiella aerogenes KNUC5001, Klebsiella aerogenes RIBB-SCM30, Klebsiella aerogenes BAB6753, Klebsiella aerogenes VITMSJ1…có khả năng kiểm soát sinh học bệnh đốm xám do nấm

gây ra ở lá cây hồ tiêu, cộng sinh với vùng rễ giúp kích thích tăng trưởng cây họ đậu ở vùng đất khô hạn và phân giải sinh học thuốc nhuộm trong môi trường

(Ghim et al., 2012; Goyal et al., 2018; Loganathan et al., 2018); (iv) chi Ochrobactrum như Ochrobactrum intermedium SK, Ochrobactrum sp P2, Ochrobactrum sp NFY131, Ochrobactrum sp KD2009, Ochrobactrum intermedium, Ochrobactrum sp QY1 và Ochrobactrum sp Vr39 có các đặc tính

có lợi cho đất và cây trồng như cộng sinh ở vùng rễ, nốt sần cây họ đậu tham gia vào quá trình cố định đạm, phân giải pyrene, cố định Cr và giúp duy trì tính ổn

13

định cấu trúc của đất (Chatzipavlidis et al., 2010; Kumari and Singh, 2013; Mirza and Hakim, 2015; Hou et al., 2020); (v) chi Olivibacter gồm Olivibacter terrae Jip13, Olivibacter sp I2749, Olivibacter sp UBH15, Olivibacter sp XZL5, Olivibacter sp ZM_10…mang một số chức năng có lợi như phân giải hợp chất

hydrocarbon, polyhydrocarbon mạch vòng và kích thích tăng trưởng cây trồng

(Tauler et al., 2015; Wang, 2015; Huang et al., 2017; Ge and Zhang, 2019); và (vi) chi Citrobacter gồm Citrobacter freundii BM2, Citrobacter sp HSTU- Abk30, Citrobacter murliniae BAC041, Citrobacter freundii FS7, Citrobacter freundii ER1 và Citrobacter freundii HPG143 hiện diện nhiều trong bùn, đất của

ao hồ, nội sinh trong cây trồng và đường ruột của ấu trùng Holotrichia parallela,

đóng vai trò quan trọng trong việc kích thích tăng trưởng cây trồng, phân giải cellulose, phân giải một số hoạt chất thuốc trừ sâu, đồng thời là tác nhân có hoạt tính sinh học bề mặt giúp phân giải một số kim loại nặng trong nước thải (Huang

et al., 2012; Gomaa and El-Meihy, 2018; Haque et al., 2019)

2.5.2 Đặc điểm sự phân giải Si của vi khuẩn

Các acid hữu cơ đóng nhiều vai trò quan trọng trong đất bao gồm là thành phần giúp vi khuẩn thực hiện quá trình hóa ứng động, cây trồng hấp thu chất dinh

dưỡng, phân giải khoáng chất trong đất và khử độc kim loại (Jones et al., 2003)

Các dòng vi khuẩn phân giải khoáng Si sản xuất các acid hữu cơ như: acid citric, acid oxalic, acid keto, acid hydroxyl carboxylic, acid tartaric, acid 2-keto gluconic, acid maleic, acid succinic, acid fumaric, acid gluconic, alkalis và

polysaccharide (Sheng et al., 2003; Mikhailouskaya et al., 2005; Sheng, 2005; Joseph et al., 2015; Bist et al., 2020) Những hợp chất này là thành phần của sự

trao đổi chất, hình thành nên phức hợp với cation, biến đổi Si thành dạng hữu dụng cho cây trồng

2.5.3 Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình phân giải Si của vi khuẩn

Nghiên cứu về vi khuẩn phân giải Si trên thế giới và ở Việt Nam còn khá hạn chế Do đó, có rất ít các nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố môi trường lên sinh trưởng cũng như khả năng phân giải Si của vi khuẩn Nghiên cứu của

Osman (2009) về sự sinh trưởng của 2 dòng vi khuẩn phân giải Si Bacillus circulans và Bacillus mucilaginous dưới ảnh hưởng của các mức pH, nồng độ

muối NaCl và nhiệt độ môi trường khác nhau cho thấy cả hai dòng vi khuẩn này

có thể sinh trưởng được ở nồng độ muối NaCl 1% Mặt khác, dòng vi khuẩn

Bacillus mucilaginous có thể sinh trưởng được ở nồng độ NaCl lên đến 5% Mặt

khác, cả 2 dòng vi khuẩn này đều không thể sống sót trong điều kiện pH thấp (khoảng pH 4,0), trong khi đó chúng có thể sinh trưởng thuận lợi ở khoảng pH 7-

9 (Osman, 2009) Hơn nữa cả 2 dòng vi khuẩn Bacillus circulans và Bacillus mucilaginous có thể sinh trưởng được trong khoảng nhiệt độ 4-45oC, và hầu hết

2.6 Sự hấp thu, vận chuyển và tích lũy Si ở thực vật

Sự hấp thu Si là khác nhau giữa các loài và nhóm thực vật (Ma et al., 2001;

Richmond and Sussman, 2003) Các loài thực vật như mía, lúa và lúa mì có khả năng hấp thu một lượng lớn Si lần lượt khoảng 300-700, 150-300 và 50-150 kg.ha-1 (Snyder et al., 2006) Trong đất Si được hấp thu từ rễ dưới dạng acid

monosilicic (H4SiO4) và được vận chuyển trong mạch gỗ (Matichenkov and

Bocharnikova, 2004; Mitani et al., 2005; Mitani and Ma, 2005) (Hình 2.1) Sự

thoát hơi nước và sự tổng hợp Si là hai yếu tố chính quyết định khả năng vận chuyển acid monosilicic ở thân cây và việc tạo gel silica (Ma and Takahashi, 2002) Si được hình thành ở phần nội bì của rễ trong suốt giai đoạn tăng trưởng

và ở những phần khác như thân và hoa ở cây họ hòa thảo (Sangster et al., 2001)

Bên cạnh đó, thí nghiệm trên lúa cho thấy một lớp chứa Si (2,5 µm) được hình thành nhanh chóng dưới lớp cuticle Ngoài ra, sự hình thành Si ở tế bào của cây lúa không giới hạn bởi vì tế bào chứa Si có thể được tìm thấy bên trong lớp biểu

bì và mô mạch của bẹ lá, thân và vỏ trấu (Prychid et al., 2003), cụ thể hàm lượng

Si (SiO2) trong sinh khối thân lúa khô chiếm 5-10% (Epstein, 1994; 1999), trong

vỏ trấu khoảng 20-25% (Patel et al., 1987) Ở một nghiên cứu khác trên cỏ tháp bút (Equisetum sp.) cho thấy Si được tìm thấy ở trên bề mặt biểu bì của vách tế

bào và ở các vị trí khác nhau độ dày của lớp silica khác nhau như ở thân (silica dày khoảng 3-7 mm) và ở lá (silica dày khoảng 0,2-1 mm) (Perry and Fraser,

1991; Holzhuter et al., 2003) Nhìn chung, Si được hấp thu ở cây họ hòa thảo (Graminaceous) nhiều hơn so với những loài thuộc cây hai lá mầm như dưa leo, dưa hấu và đậu nành (Mitani and Ma, 2005; Jian et al., 2006)

Mitani và Ma (2005) thực hiện một nghiên cứu về sự vận chuyển của Si ở

3 loài thực vật khác nhau bao gồm lúa (Oryza sativa), cà chua (Solanumly copersicum) và dưa leo (Cucumis sativus) Kết quả cho thấy ba loài cây này có

tốc độ vận chuyển Si khác nhau tương ứng từ cao đến thấp, do đó có thể kết luận rằng tốc độ vận chuyển Si là khác nhau giữa các loài thực vật Ngoài ra, sự vận chuyển Si cần năng lượng, nhiệt độ thấp và chịu ảnh hưởng bởi hàm lượng Si bên ngoài, chất kìm hãm, ức chế sự vận chuyển Si (Mitani and Ma, 2005)

15

Hình 2.1: Con đường vận chuyển Si và phân bố Si trong mô lúa qua sự hấp thu

(Nguồn: Ma, 2009)

Ba gen Lsi1, Lsi2 và Lsi6 có vai trò trong việc hấp thu và vận chuyển Si

được tìm thấy ở lúa (Tamai and Ma, 2003; Ma et al., 2004 ; Ma et al., 2007 ; Yamaji et al., 2008) Gen Lsi1 được phân lập và phân tích chức năng ở cây lúa

(Ma and Yamaji, 2006), đồng thời được sử dụng làm nguồn vật liệu gây đột biến gen để vẽ bản đồ gen, giải thích cho việc vận chuyển Si trong dòng mạch gỗ của

cây lúa (Ma et al., 2004) Cả hai gen Lsi1 và Lsi2 được định vị ở màng tế bào ngoại bì và nội bì rễ (Ma and Yamaji, 2006; Ma et al., 2007) DNA bổ sung cho

gen Lsi1 là 1409 bp và mã hóa cho protein dài 298 amino acid Sự biểu hiện của gen Lsi1 và Lsi2 vẫn đang được tiếp tục phân tích ở lúa (Ma and Yamaji, 2006) Lsi6 tương tự như Lsi1 và Lsi2 bao gồm 5 exon và 4 intron với độ dài 894 bp Giống như Lsi1, Lsi6 mã hóa protein gồm 298 amino acid Lsi6 được biểu hiện

ở lá, thân và rễ, trong khi Lsi1, Lsi2 chỉ biểu hiện ở rễ Protein được dự đoán cho

cả hai gen Lsi1 và Lsi6 bao gồm 2 vùng APA (Asn-Pro-Ala) trái ngược nhau và

16

4 vùng xuyên màng (Jian et al., 2006; Yamaji et al., 2008) Ngược lại, Lsi2 hoạt động như một yếu tố vận chuyển Si (Ma and Yamaji, 2006; Yamaji et al., 2008; Mitani et al., 2008) Lsi1, Lsi2 giúp gia tăng sự hấp thu Si ở rễ (Ma et al., 2007), trong khi Lsi6 đóng vai trò vận chuyển Si ở thân (Yamaji et al., 2008) ZmLsi1

và ZmLsi6 được tìm thấy ở bắp có vai trò trong việc vận chuyển và hấp thu Si ở những phần khác nhau của rễ ZmLsi1 biểu hiện cao ở rễ bên và thấp ở chóp rễ,

ngược lại ZmLsi6 biểu hiện cao ở vỏ, bề mặt lá và chóp rễ (Mitani et al., 2009)

2.7 Một số đặc tính nông học và nhu cầu dinh dưỡng của cây lúa

2.7.1 Một số đặc tính nông học của cây lúa

2.7.1.1 Đặc tính thực vật của cây lúa

Lúa là cây hằng niên có số nhiễm sắc thể 2n = 24 Lúa có tên khoa học là

Oryza sativa, thuộc chi Oryza, họ Poaceae (họ hòa thảo), lớp một lá mầm, ngành hạt kín, giới thực vật Lúa có khoảng 20 loài, tuy nhiên chỉ có hai loài Oryza sativa L và Oryza glaberrima Steud được sử dụng cho canh tác (Chang, 1976)

2.7.1.2 Thời gian sinh trưởng

Phương pháp canh tác và liều lượng phân N là hai nhân tố chính ảnh hưởng

đến thời gian sinh trưởng của cây lúa (Jenning et al., 1979) Lúa được bón nhiều

phân N dẫn đến kéo dài thời gian sinh trưởng Những giống lúa có thời gian sinh trưởng quá dài có thể không có năng suất cao vì sự sinh trưởng dinh dưỡng quá dài có thể gây đổ ngã (Yoshida, 1981)

2.7.1.3 Chiều cao cây lúa

Chiều cao cây lúa được tính từ gốc đến chóp lá hoặc bông cao nhất Theo Yoshida (1981), chiều cao cây là một tính trạng liên quan chặt chẽ đến tính đổ ngã và chiều dài bông Thân rạ thấp và cứng cây là hai yếu tố quyết định chống lại sự đổ ngã Chiều cao cây lúa dao động 90-100 cm được coi là lý tưởng về

năng suất (Jenning et al., 1979)

2.7.1.4 Chồi hữu hiệu

Trong điều kiện đặc biệt, một cây lúa có thể cho ra 40 chồi (Yoshida, 1981)

Số chồi hình thành bông (chồi hữu hiệu) thấp hơn so với chồi tối đa và ổn định trong thời gian khoảng 10 ngày trước khi lúa đạt số chồi tối đa Những giống có nhiều nhánh có chồi hữu hiệu thấp Ngoài ra, khoảng cách trồng, ánh sáng, nguồn dinh dưỡng, điều kiện môi trường và kỹ thuật canh tác đều ảnh hưởng đến sự nảy chồi (Nguyễn Thành Phước, 2003)

2.7.1.5 Chiều dài bông

Chiều dài bông phần lớn do yếu tố di truyền quyết định nhưng vẫn chịu ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường, nhất là điều kiện dinh dưỡng trong giai đoạn hình thành bông (Yoshida, 1981)

17

2.7.1.6 Năng suất và các thành phần năng suất lúa

Năng suất là do các thành phần năng suất cấu thành và liên hệ chặt chẽ với nhau Các thành phần năng suất gồm số bông/đơn vị diện tích, số hạt/bông, phần trăm hạt chắc và khối lượng 1000 hạt (Võ Tòng Xuân, 1986) Năng suất lúa lý thuyết được tính bằng số bông trên đơn vị diện tích nhân với số hạt chắc trên bông và khối lượng 1000 hạt Trong đó số bông trên đơn vị diện tích là một chỉ tiêu quan trọng ảnh hưởng đến năng suất lúa Yếu tố này bị chi phối bởi đặc tính

di truyền, đồng thời cũng bị tác động bởi các yếu tố khác như mật độ cấy/sạ, môi trường đất, môi trường nước và mùa vụ (Trần Thanh Hoàng, 2005; Nguyễn Bích

Hà Vũ, 2006) và nắng hạn kéo dài trên 20 ngày trong giai đoạn đẻ nhánh làm giảm khả năng đẻ nhánh của lúa (Trần Thanh Hoàng, 2005) Số hạt chắc trên bông cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến năng suất lúa (Nguyễn Bích

Hà Vũ, 2006) Số hạt chắc trên bông phụ thuộc vào đặc tính của giống và được quyết định bởi số hạt trên bông và tỷ lệ hạt chắc Tuy nhiên, số hạt trên bông được quyết định trong giai đoạn sinh trưởng sinh dục và được xác định bởi sự phân hóa của các nhánh và những gié hoa (Yoshida, 1981) Đặc tính hạt chắc trên bông cũng bị ảnh hưởng rất lớn bởi điều kiện thời tiết Các giống có số hạt chắc trên bông cao sẽ có tiềm năng cho năng suất cao (Nguyễn Bích Hà Vũ, 2006) Ngoài ra, yếu tố tỷ lệ hạt chắc cũng được quyết định từ đầu thời kỳ phân hóa đòng đến khi lúa vào chắc nhưng quan trọng nhất là các thời kỳ phân bào giảm nhiễm, trổ bông, phơi màu, thụ phấn, thụ tinh và vào chắc hạt (Nguyễn Ngọc Đệ, 2008)

Tỷ lệ hạt chắc còn phụ thuộc vào số hoa trên bông, đặc tính sinh lý của cây lúa

và chịu ảnh hưởng lớn của điều kiện ngoại cảnh Tỷ lệ hạt chắc bị chi phối bởi các yếu tố như thời tiết, đất đai, phân đạm và sâu bệnh (Yoshida, 1981) Yếu tố sau cùng có tính chất quyết định năng suất lúa là khối lượng 1000 hạt Yếu tố khối lượng hạt được quyết định ngay thời kỳ phân hóa hoa đến khi lúa chín nhưng quan trọng nhất là thời kỳ giảm nhiễm tích cực và vào chắc rộ Khối lượng 1000 hạt tùy thuộc cỡ hạt và độ mẩy (no đầy) của hạt lúa Phần lớn các giống lúa có khối lượng 1000 hạt thường dao động khoảng 20-30 g (Nguyễn Ngọc Đệ, 2008) Khối lượng 1000 hạt chủ yếu do đặc tính di truyền của giống quyết định, ngoài

ra, điều kiện môi trường có ảnh hưởng một phần vào thời kỳ giảm nhiễm (18 ngày trước khi trổ) và chắc rộ (15-25 ngày sau khi trổ) (Trần Thanh Hoàng, 2005)

2.7.2 Nhu cầu dinh dưỡng của cây lúa

2.7.2.1 Đạm (N)

Đạm có nguồn gốc từ sự khoáng hóa chất hữu cơ trong đất, là nguồn N chính mà cây trồng có thể hấp thu, ngay cả khi bón N liều lượng cao cũng không

thay thế được N từ đất (Cassnam et al., 1994) Theo Manguiat et al., (1993), hàm

lượng N khoáng hóa tích lũy tương quan thuận với lượng N hấp thu và năng suất cây trồng Hiện nay, nhiều giải pháp giúp gia tăng khả năng khoáng hóa N được

18

áp dụng trên đất phù sa trồng lúa ở ĐBSCL, trong đó kỹ thuật tưới khô-ngập luân phiên giúp tăng khả năng khoáng hóa N ở dạng NH4+, NO3- và NO2- Chu kỳ khô-ngập xen kẽ này đã giúp gia tăng lượng đạm NO3- trong đất (Nguyễn Quốc

Khương và ctv., 2012) Trong đất cây hấp thu N ở hai dạng ammonium (NH4+) hoặc nitrate (NO3-) Cả hai dạng N này đều thích hợp cho các giai đoạn sinh trưởng và phát triển khác nhau của cây lúa Trên thực tế do quá trình chuyển hóa

N trong đất, các dạng đạm hữu cơ, đạm NH4+ đều có xu hướng chuyển hóa sang đạm NO3- thông qua quá trình nitrate hóa và quá trình này tùy thuộc vào điều kiện đất (Nguyễn Ngọc Đệ, 2008) Khi thiếu N cây lúa phát triển chậm, diệp lục

tố khó thành lập nên cấu trúc lá bị vàng úa, cây lúa bị còi cọc, lùn, lá hẹp, năng suất kém, số lá, số chồi, số nhánh ít và kích thước lá nhỏ Triệu chứng thiếu N thể hiện qua màu vàng ở các lá già trong khi các lá non vẫn còn xanh (do sự di chuyển đạm qua các bộ phận non của cây) và trên cuốn lá có đốm màu tím do sự tích tụ sắc tố anthocyanine (Taiz and Zeiger, 1998)

2.7.2.2 Lân (P)

Lân được cây hấp thu qua 3 dạng chính PO43-, HPO42- và H2PO4- Hàm lượng lân di động trong dung dịch đất phụ thuộc vào pH đất Ở khoảng pH 4-8 các ion chủ yếu có mặt trong dung dịch đất là H2PO4  và HPO42- Trong đất còn

có một số loại vi sinh vật có khả năng hòa tan được các muối phosphate khó tan

như Bacterium album và Bacterium mensentericus…Việc kết hợp luân canh cây

trồng cạn trên ruộng lúa nước tạo điều kiện thuận lợi cho chúng phát triển (Foehse

et al., 1991) Khi thiếu P, cây lúa lùn lại, nở bụi kém, lá thẳng hẹp và màu sậm

hơn bình thường hoặc ngã sang màu tím bầm, lúa trổ và chín muộn, hạt không no đầy và phẩm chất giảm Đối với năng suất hạt lúa, hiệu quả của phân P ở các giai đoạn đầu cao hơn các giai đoạn cuối, do P cần thiết cho sự nở bụi Tuy nhiên, nhu cầu tổng số về P của cây lúa ít hơn nhu cầu về N Thêm vào đó, hiện tượng thiếu P thường xảy ra ở đất phèn, do bị cố định bởi các ion sắt (Fe) và nhôm (Al) hiện diện nhiều trong điều kiện pH thấp (Nguyễn Ngọc Đệ, 2008)

2.7.2.3 Kali (K)

Kali được cây trồng hấp thu dưới dạng K+ và lượng phân bón K hàng năm hoàn trả lại cho đất rất ít Tỷ lệ K trong các bộ phận khác nhau của cây không đồng đều, K trong thân cao hơn trong hạt Tỷ lệ K trong cây chiếm khoảng 0,5-1% khối lượng khô trong giai đoạn chín và K tập trung chủ yếu trong rơm rạ (Mengel and Kirkby, 1987) Thiếu K cây lúa có chiều cao và số chồi gần như bình thường, lá vẫn xanh nhưng mềm rủ, yếu ớt, dễ đổ ngã, dễ nhiễm bệnh nhất

là bệnh đốm nâu (Helminthosporium oryzae) (Nguyễn Ngọc Đệ, 2008)

2.7.2.4 Silic (Si)

Si được nhận thấy như là yếu tố quan trọng cho tăng trưởng cây trồng, đặc biệt là cây họ hòa thảo Lúa là cây trồng hấp thu Si không giới hạn và có thể hấp

(Ma and Yamaji, 2008), cũng như gia tăng độ cứng lóng thân nhằm hạn chế sự

đổ ngã (Savant et al., 1997) Hàm lượng Si ở mức trung bình trong đất và trong

rơm rạ lần lượt khoảng 40 mg.kg-1 và 5% Sự thiếu hụt Si gây ảnh hưởng bất lợi cho cây trồng như sau: (i) lá mềm và rủ xuống gây đỗ ngã và cạnh tranh ánh sáng, (ii) giảm hiệu suất của tiến trình quang hợp, (iii) giảm số bông, số hạt chắc trên bông và giảm năng suất hạt và (iv) gia tăng tỉ lệ nhiễm bệnh và côn trùng gây hại

(Rao and Susmitha, 2017)

2.7.2.5 Canxi (Ca)

Cây lúa hấp thu Ca dưới dạng Ca2+ và cây trồng có thể phát triển bình thường và không xuất hiện triệu chứng thiếu Ca hoặc giảm tốc độ tăng trưởng

khi nồng độ Ca thấp (Ngô Ngọc Hưng và ctv., 2004) Nồng độ Ca hiện diện trong

đất thường cao hơn lượng cây cần hấp thu để đáp ứng cho sự sinh trưởng của cây trồng Ca được hấp thụ trên bề mặt hạt keo đất và trong dung dịch đất là dạng hữu dụng cho cây trồng (Jones, 2003) Nồng độ trung bình của Ca trong dung dịch đất ở vùng đất ôn đới từ 30-300 ppm (Larry, 2000) Khi thiếu Ca, trong cây

có biểu hiện tích lũy gluxit trong tế bào, cây không đồng hóa được đạm NO3- và

sự trao đổi chất của cây bị rối loạn (Ngô Ngọc Hưng và ctv., 2004)

2.7.2.6 Magie (Mg)

Mg là thành phần quan trọng của phân tử diệp lục quyết định hoạt động quang hợp của cây, là chất hoạt hóa của nhiều enzyme quan trọng đối với quá trình hô hấp và trao đổi chất trong cây, làm tăng hàm lượng tinh bột trong sản phẩm Ngoài ra, Mg còn giúp cây tăng trưởng nhanh, đẻ nhánh mạnh, hạn chế bệnh do nấm, giúp cây hấp thu được nhiều P và các dưỡng chất khác (Ngô Ngọc

Hưng và ctv., 2004)

2.7.2.7 Sắt (Fe)

Sắt là thành phần cấu tạo của chlorophyll (diệp lục tố) và một số phân hóa

tố trong cây Nồng độ Fe2+ trong lá dưới 70 ppm cây lúa có triệu chứng thiếu sắt Tuy nhiên, ở nồng độ Fe2+ cao trên 300 ppm cây lúa bị ngộ độc (Tadano and Yoshida, 1978)

20

2.7.2.9 Kẽm (Zn)

Kẽm là chất dinh dưỡng quan trọng cho cây lúa vì Zn tham gia vào các quá trình sinh hóa như giúp cây lúa sản sinh chlorophyll, duy trì tính nguyên vẹn của màng tế bào và là thành phần của hơn 300 loại enzyme có vai trò trong tổng hợp

carbohydrate, tổng hợp protein, điều tiết auxin và hình thành hạt phấn (Ur et al.,

2012) Vì vậy, sự thiếu hụt Zn ảnh hưởng lên nhiều mặt của cây lúa đặc biệt là

suy giảm năng suất lúa (Edward et al., 2015)

2.7.2.10 Mangan (Mn)

Mn tham gia vào quá trình quang hợp, tổng hợp chlorophyll và là chất hoạt hóa cho hơn 35 loại enzyme Trong đất với hàm lượng O2 thấp tạo điều kiện thuận lợi cho lượng Mn hữu dụng cao, có thể dẫn đến hàm lượng Mn gây độc cho cây trồng, mặt khác hàm lượng Mn trong đất vùng rễ cao có thể gây ra sự đối kháng

với các nguyên tố dinh dưỡng khác như Fe, Ca, Mg và Zn (Fageria et al., 2008)

2.7.2.11 Boron (B)

B cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của cây lúa, là thành phần tham gia cấu tạo vách tế bào, quá trình phân cắt tế bào, ra hoa, kháng sâu bệnh và tổng

hợp đạm (Goldbach et al., 2007; Ahmad et al., 2009) Sự thiếu hụt B gây ra giảm

năng suất lúa, chất lượng hạt lúa và gia tăng sự nhạy cảm của cây lúa với sâu

bệnh hại (Goldbach et al., 2007)

2.8 Canh tác lúa ở Đồng bằng sông Cửu Long dưới điều kiện xâm nhập mặn 2.8.1 Khái quát về canh tác lúa ở Đồng bằng sông Cửu Long

ĐBSCL là vùng đất cuối cùng của Việt Nam có sông Mekong chảy qua trước khi đổ vào biển Đông Diện tích của ĐBSCL đạt khoảng 4 triệu ha, dân số khoảng 18 triệu người (Niên giám thống kê, 2018) Do vậy, ĐBSCL cho thấy tiềm năng lớn cho sản xuất nông nghiệp và thủy sản Hàng năm, khoảng tháng 7 đến tháng 12, một diện tích không nhỏ của ĐBSCL bị ngập lụt do nước từ sông Mekong chảy vào và sự gia tăng lượng mưa ở khu vực này Do ảnh hưởng của gió mùa nhiệt đới, vào mùa lũ lụt khoảng tháng 3 đến tháng 4, nước lũ dâng cao khoảng 25-30 lần so với mùa khô (Ojendal, 2000) Tuy nhiên, vào mùa khô từ tháng 12 đến tháng 5, sự rút nước đến mức thấp của sông Mekong kết hợp với mực nước ngầm thấp dẫn đến sự thiếu nước ngọt nghiêm trọng cho canh tác lúa

và gây ra sự xâm nhập mặn khoảng 50% diện tích ở vùng ĐBSCL (Tuan, 2004;

Reiner et al., 2004) Nước mặn từ biển Đông và vịnh Thái Lan chảy vào các sông

cái và mạng lưới các sông nhỏ trên diện rộng xung quanh khu vực bờ biển, và đạt cao nhất lúc thủy triều dâng Khu vực bị xâm nhập mặn được mở rộng khắp ĐBSCL gồm 2 khu vực chính: (1) vùng bờ biển phía Đông từ sông Vàm Cỏ đến sông Hậu với tổng diện tích bị ảnh hưởng bởi xâm nhập mặn khoảng 780.000 ha;

và (2) vùng bán đảo Cà Mau (thành phố Cần Thơ, tỉnh Hậu Giang, Sóc Trăng,

Bạc Liêu, Cà Mau và một phần tỉnh Kiên Giang) với 1,26 triệu ha (Tuan et al.,

21

2007), và đóng góp 1/3-1/2 diện tích canh tác của đồng bằng này Gió chướng (gió Đông Nam từ biển Đông) thổi mạnh vào khoảng tháng 12 đến tháng 1 gây ảnh hưởng nghiêm trọng lên cây lúa và sự cung cấp nước cho vụ Đông Xuân Hầu hết các tỉnh ở ĐBSCL đều bị ảnh hưởng bởi xâm nhập mặn Sự xâm nhập mặn xuất hiện khi không có đủ lượng nước chảy vào các nhánh sông ở hạ lưu mà thay vào đó nước mặn chảy vào vùng đất này Nước biển xâm nhập vào nhiều sông ngòi nhỏ ở ĐBSCL từ các con sông cái gồm sông Hậu và sông Tiền và các nhánh sông của bán đảo Cà Mau từ tháng 12 đến tháng 5, đặc biệt mạnh nhất vào tháng 2 đến tháng 4, nước mặn xâm nhập vào đất liền khoảng 20-40 km từ bờ biển (Trung, 2006)

2.8.2 Các biện pháp cải tạo đất mặn cho canh tác lúa ở Đồng bằng sông Cửu Long

Độ mặn của đất là một trong các yếu tố hạn chế chủ yếu trong sản xuất nông nghiệp, đặc biệt cho cây lúa Trong suốt giai đoạn bị xâm nhập mặn hàng năm,

từ tháng 3 đến tháng 5, rau cải và các cây trồng khác trở nên khan hiếm ở các khu vực bị ảnh hưởng Để hạn chế và giải quyết vấn đề xâm nhập mặn cho canh tác nông nghiệp ở ĐBSCL, các cống ngăn xâm nhập mặn và giữ nước ngọt cho tưới

tiêu được xây dựng (Tuan et al., 2007) Ngoài ra, biện pháp bổ sung calcium giúp

gia tăng sự tích lũy proline trong cây lúa, trong đó dạng CaSO4 có hiệu quả cao nhất Sử dụng calcium dạng CaSO4 và Ca(NO3)2 đã cải thiện chiều cao cây lúa khi so với tưới mặn không bón calcium Dạng Ca(NO3)2 bổ sung được ghi nhận

đã làm tăng phần trăm hạt chắc, khối lượng 1000 hạt và năng suất hạt trong điều

kiện bất lợi mặn (Nguyễn Văn Bo và ctv., 2011) Mặt khác, việc phun

Brassinosteriod, bón CaO hoặc phun KNO3 trước khi tưới mặn 1 ngày đã thúc đẩy sự tích lũy proline trong cây lúa ở giai đoạn 45 và 70 ngày sau khi sạ Ngoài

ra, phun KNO3 hoặc phun Brassinosteriod giúp duy trì tốt chiều cao cây lúa qua các thời điểm quan sát Sinh trưởng của cây lúa được cải thiện tốt thông qua việc duy trì hiệu quả số bông/m2, số hạt chắc/bông dẫn đến gia tăng năng suất lúa sau khi phun KNO3 hoặc bón CaO kết hợp phun Brassinosteriod Độ dẫn điện (ECe)

trong đất tăng cao vào giai đoạn 45 ngày sau khi sạ (Nguyễn Văn Bo và ctv.,

2014)

Bên cạnh đó, sử dụng phân hữu cơ kết hợp với vôi giúp gia tăng độ pH của đất, giảm độc chất nhôm, giảm phần trăm Na+ trao đổi trên phức hệ hấp thu, đồng thời gia tăng hàm lượng đạm và lân hữu dụng trong đất, tăng khả năng chống chịu mặn của cây lúa Từ đó giúp cây lúa sinh trưởng và phát triển tốt, tăng năng

suất trên đất phèn nhiễm mặn (Tất Anh Thư và ctv., 2016; Lê Văn Dũng và ctv.,

2018) Đồng thời, biện pháp bón phân K cũng giúp cải thiện độ mặn và giảm hàm lượng Na+ trao đổi trên keo đất (p<0,05), gia tăng năng suất lúa so với nghiệm thức đối chứng (p<0,05) trên nền đất mặn của mô hình lúa-tôm Tuy nhiên, hiệu

Azotobacterin và Silicabacterin đã làm tăng năng suất cây bông lên 34% Các

dòng vi khuẩn phân giải Si giúp phân giải Si thành dạng hữu dụng cho cây trồng,

do đó, khi chủng những dòng vi khuẩn phân giải Si tốt kết hợp với việc bón phân hữu cơ giúp tăng cường Si hòa tan trong đất cho cây lúa hấp thu Ngoài ra, khi kết hợp những dòng vi khuẩn này với việc bón tro than từ các nhà máy nhiệt điện

giúp cây lúa hấp thu Si và cải thiện năng suất lúa hiệu quả (Thilagam et al., 2014)

Ba dòng vi khuẩn khác có ký hiệu SSB2, SSB3 và SSB4 được phân lập từ đất vùng đồi núi của Pakistan thể hiện khả năng phân giải Si cao và đồng thời ức chế

vi khuẩn gây bệnh cháy lá lúa từ 69 đến 80% so với nghiệm thức đối chứng và

được sử dụng như phân bón sinh học trong canh tác lúa (Naureen et al., 2015) Mặt khác, nghiên cứu của Peera et al., (2016) cho thấy khi chủng dòng vi khuẩn

phân giải Si kết hợp bón tro than từ các nhà máy nhiệt điện giúp gia tăng hàm lượng Si trong hạt, ngoài ra, số hạt chắc trên bông và năng suất hạt có mối tương quan thuận với hàm lượng Si trong hạt Bên cạnh đó, việc kết hợp bón 25 tấn tro than/ha từ nhà máy nhiệt điện với chủng dòng vi khuẩn phân giải Si và bón phân chuồng cho năng suất lúa cao nhất (3710 kg.ha-1), cao hơn 16,3% so với nghiệm thức đối chứng

Nghiên cứu của Mahmood et al., (2016) cho thấy hiệu quả của phương pháp

kết hợp bón phân Si và chủng dòng vi khuẩn kích thích tăng trưởng vùng rễ bao gồm gia tăng chiều cao cây, diện tích lá, sinh khối khô, năng suất hạt và chỉ số chống chịu mặn của đậu xanh trong điều kiện mặn Ngoài ra, độ mở khí khổng giảm trong điều kiện mặn bởi vì 2 lý do (i) sự hư hại cấu trúc khí khổng và (ii) tỷ

lệ thoát hơi nước giảm do sức trương của tế bào trong điều kiện bất lợi về thẩm

thấu gây ra sự đóng khí khổng (Chedlia et al., 2007), tuy nhiên, khi sử dụng bón phân Si giúp cải thiện độ mở khí khổng và tỷ lệ thoát hơi nước (Farshidi et al., 2012; Mahmood et al., 2016) Tương tự, các nghiên cứu của Shi et al., (2013) và Abbas et al., (2015) đã chứng minh hiệu quả của Si lên gia tăng tỷ lệ quang hợp,

độ mở khí khổng, tỷ lệ thoát hơi nước và hiệu quả sử dụng nước ở cà chua và đậu bắp dưới điều kiện mặn so với nghiệm thức đối chứng Một số dòng vi khuẩn

mang lại sự gia tăng RWC trong lá dưới điều kiện mặn, điều này cho thấy hàm lượng nước hấp thu của cây trồng được gia tăng nhờ vào vi khuẩn phân giải Si

và phân bón Si (Mahmood et al., 2016) Mặt khác, sử dụng phân bón Si giúp cải thiện RWC ở lúa mì (Bybordi, 2014), lúa miến (Yin et al., 2013; Liu et al., 2014)

và cà chua (Li et al., 2015) trong điều kiện mặn Nghiên cứu của Nadeem et al (2010) và Ahmad et al (2013) cho thấy RWC gia tăng ở lúa mì và đậu xanh do

các dòng vi khuẩn phân giải Si trong điều kiện mặn bởi vì các dòng vi khuẩn này giúp giảm các tác hại của mặn gây ra lên hệ thống rễ cây trồng, đồng thời, giúp

hỗ trợ cho sự phát triển của rễ tốt hơn, vì vậy cây trồng có thể hấp thu được lượng

nước nhiều hơn trong điều kiện môi trường mặn (Marulanda et al., 2010)

Thêm vào đó, hiệu quả của phương pháp chủng kết hợp vi khuẩn phân giải

Si và bón phân Si giúp giảm sự rò rỉ điện tích, do đó giảm sự hư hại của màng tế

bào cây trồng so với nghiệm thức đối chứng (Mahmood et al., 2016) Phương

pháp này cũng giúp gia tăng hàm lượng chlorophyll và sắc tố carotenoid ở lá đậu

xanh (Mahmood et al., 2016), lúa mì (Tuna et al., 2008; Chen et al., 2014), cải dầu (Farshidi et al., 2012), đậu nành (Lee et al., 2010) và cà chua (Haghighi and

Pessarakli, 2013) trong điều kiện mặn Hơn nữa, Si cũng góp phần làm gia tăng hàm lượng chlorophyll ở lá dưa chuột, gia tăng sinh khối khô, tỷ lệ thân/rễ, giảm hàm lượng Na+ và gia tăng K+ ở lá dưa chuột, đồng thời gia tăng hàm lượng polyamines so với nghiệm thức đối chứng, do đó góp phần làm giảm tác hại của

mặn đến dưa chuột (Wang et al., 2015) Mặt khác, các chất thẩm thấu tích lũy ở

mô thực vật gia tăng trong điều kiện bất lợi về thẩm thấu nhằm điều chỉnh cơ chế cân bằng giúp thực vật có thể tồn tại trong điều kiện môi trường bất lợi (Ahanger

et al., 2014), do đó hàm lượng proline ở lá cây trồng cũng gia tăng khi được chủng với dòng vi khuẩn Pseudomonas extremorientalis TSAU20 và dòng vi khuẩn Bacillus subtilis để đáp ứng với điều kiện bất lợi qua cơ chế cân bằng nước

ở mô thực vật (Hashem et al., 2016; Egamberdieva et al., 2017) Điều kiện bất

lợi mặn còn dẫn đến gia tăng sự hư hại màng tế bào do sự oxi hóa màng lipid tế

bào (Ahmad et al., 2015), tuy nhiên, vi khuẩn vùng rễ có thể giúp giảm sự oxi

hóa màng lipid tế bào thông qua sự tăng cường hoạt động của các enzyme oxi hóa khử như superoxide dismutase (SOD), ascorbate peroxidase (APX) và catalase (CAT) giúp gia tăng cơ chế bảo vệ cây trồng trong điều kiện mặn bằng cách khử các tác nhân oxi hóa như H2O2 và (OH-) (Wu et al., 2014; Abd-Allah et al., 2015; Hashem et al., 2016), do đó gia tăng khả năng bền vững của màng tế