Bài giảng Sinh thái vi sinh vật: Chương 4 - TS. Nguyễn Xuân Cảnh

Bài giảng Sinh thái vi sinh vật: Chương 4 Tương tác giữa vi sinh vật và thực vật, cung cấp cho người học những kiến thức như: Các mối quan hệ cộng sinh liên quan đến vi khuẩn lam; Các mối tương tác trong vùng rễ; Nấm cộng sinh; Vi khuẩn cố định nitơ và thực vật bậc cao; Vi khuẩn kích thích sinh trưởng ở thực vật; Các bề mặt lá và vi sinh vật; Các hoạt động bất lợi của vi sinh vật với thực vật; Kiểm soát sinh học sâu bệnh.

Chương 4 Tương tác giữa vi sinh vật và thực vật

• Các mối quan hệ cộng sinh liên quan đến vi khuẩn lam

• Các mối tương tác trong vùng rễ

• Nấm cộng sinh

• Vi khuẩn cố định ni tơ và thực vật bậc cao

• Vi khuẩn kích thích sinh trưởng ở thực vật

• Các bề mặt lá và vi sinh vật

• Các hoạt động bất lợi của vi sinh vật với thực vật

• Kiểm soát sinh học sâu bệnh

Giới thiệu chung

Các mối quan hệ cộng sinh với vi khuẩn lam

Ascidians (hải tiêu) Hải tiêu Synechocystis, Prochoron

Azolla (bèo hoa dâu) Dương xỉ thủy sinh (bèo hoa dâu) Anabaena

Cycads (cây mè) Một nhóm thực vật có hạt cổ - nơi có vi

khuẩn lam cư trú

Anabaena, Calothrix, Nostoc

Diatoms (tảo cát) Tế bào đơn, sinh vật phù du với thành tế bào

silica

Calothrix, Cyanothece, Epithemia

Dinoflagellates (tảo đỏ) Chứa vi khuẩn lam trong các cấu trúc chuyên

biệt hoặc trong tế bào chất của tảo đỏ

Rhopalodia, Richelia, Synechococcus

Gunnera (thực vật hạt

kín)

Cây hạt kín thân thảo nhiệt đới Nostoc

Hornworts (rong nước) Thực vật cổ xưa Chlorogloeopsis, Nostoc

Lichen (địa y) Nấm và sinh vật quang hợp hình thành tản

thực vật

Fischerella, Gloeocapsa, Gloeothece, Hyella, Nostoc, Scytonema, Synechocystis

Liveworts (rêu tản) Cây nguyên thủy có mạch không hạt với các

lá được sắp xếp ở hai bên

Chlorogloeopsis, Nostoc

Marine sponges (bọt

biển)

Thực vật nguyên thủy đa bào không có các

cơ quan; sinh sản hữu tính và vô tính

Aphanocapsa, Oscillatoria, Phormidium, Synechocystis

Mosses (rêu) Thực vật có rễ chùm, không có hoa hoặc hạt

và lá che thân mỏng

Anabaena, Oscillatoria, Phormidium

Geosiphon (nấm) Một loại nấm không có vách ngăn ở trong

đất có vi khuẩn lam trong tế bào chuyên biệt

Nostoc

Sự tương tác trong vùng rễ

- Khi đề cập tới vùng rễ là nói về đất còn lại trên rễ sau khi cây được lấy ra khỏi đất

và lắc nhẹ (Lorenz Hiltner, 1904)

- Các sinh vật ở vùng rễ được gọi chung là hệ vi thực vật vùng rễ (microflora) phát

triển trong một quần xã phức hợp (Yanagita, 1990)

- Hệ vi thực vật của mỗi loại cây trồng có những đặc điểm đặc trưng riêng

- Ở vùng rễ, vi khuẩn đất gram âm nhiều hơn vi khuẩn gram dương, và vi khuẩn

- Các tế bào rễ chết, chất nhầy, và axit hữu cơ được tiết ra từ rễ (axit citric và axit malic)

là nguồn cacbon cho vi khuẩn và nấm vùng rễ

- Việc giải phóng các axit hữu cơ và tiết chất nhầy từ rễ cây được gọi là rhizodeposition

- Ngoài rhizodeposition, các tế bào chết trên bề mặt rễ tạo ra các axit hữu cơ, protein,

axit nucleic và phức hợp cacbon hydrat cho sự phát triển của vi sinh vật

Rượu Axit hữu cơ Hợp chất hữu cơ

nhỏ

Hợp chất hữu cơ lớn Ethanol Axit isobutylic Axit amin Polysaccharide

Một số hợp chất được tiết ra từ rễ cây

- pH của vùng rễ thường có tính axit do quá trình tạo protein và giá trị pH nhỏ

hơn tới 2 đơn vị so với trong đất

- Các vi sinh vật trên bề mặt rễ cây được gọi là rhizoplane và chúng chỉ chiếm

10-30% bề mặt rễ

- Các vi sinh vật không được mang theo khi rễ cây dài ra

Nấm cộng sinh (Mycorrhizae)

- Thực vật trong mối quan hệ nấm rễ cộng sinh thường có khả năng phát triển

trong đất có lượng chất dinh dưỡng thấp với tỷ lệ tăng trưởng và khả năng

kháng bệnh tốt hơn các cây không có nấm cộng sinh

- Một lợi ích đáng kể mà cây trồng có được trong mối quan hệ nấm rễ trong và

nấm rễ ngoài đó là sự tăng cường khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng từ đất

- Vùng hấp thụ chất dinh dưỡng nhờ lông hút chỉ khoảng vài milimet, trong khi

ectomycorrhizae (nấm rễ ngoại cộng sinh) có thể hấp thụ dinh dưỡng trong

khoảng 20 cm hoặc hơn tính từ rễ, còn endomycorrhizae chỉ hấp thụ dinh dưỡng

trong vùng 8 cm tính từ rễ

Trạng thái cộng sinh Loài nấm Thực vật

Ectomycorrhizae (nấm

rễ ngoài)

Boletus elegans Boletus scaber Lactarius deliciosus Pisolithus tinctorus Russula emetica

Larix sp (thông) Birches (cây bulô) Pinus pinea Pinus taeda Pinus pinaster

Endomycorrhizae (nấm

rễ trong)

Gigaspora margarita Cotton

Ericoid mycorrhizae

(nấm thạch nam)

Pezizella ericae Heather (cây thạch

nam)

Orchid mycorrhizae

(nấm rễ ở phong lan)

Armillaria mellea Rhizoctonia solani

Orchid (phong lan)

- Ericoid mycorrhizae: Trong các loài thực vật thuộc họ Đỗ quyên (thạch

nam), mối quan hệ nấm cộng sinh được gọi là mối quan hệ cộng sinh nấm

thạch nam Nấm cộng sinh được tìm thấy trong các sợi lông hút bao gồm chỉ

vài lớp tế bào Nấm xâm nhập vào tế bào biểu bì và hình thành các cuộn sợi

nấm bên trong tế bào chủ Nấm thạch nam thường là nấm túi hoặc nấm đảm, và

sự hiện diện của chúng kích thích sự phát triển của thực vật và thúc đẩy khả

năng đậu quả của cây

- Orchid mycorrhizae: Mối quan hệ nấm rễ cộng sinh ở phong lan là một biến

thể của nấm rễ trong Đó là sự cộng sinh phức tạp giữa nấm và rễ của cây

phong lan với vai trò thúc đẩy sự nảy mầm của phong lan Không giống như

các mối quan hệ nấm rễ cộng sinh khác thực vật cung cấp đường cho nấm, còn

trong mối quan hệ nấm rễ ở phong lan thì nấm cung cấp cacbon hydrat cho cây

Vi khuẩn cố định Ni tơ và thực vật bậc cao

Vi khuẩn cộng sinh Thực vật chủ

Sự hình thành nốt rễ ở cây họ đậu

Bradyrhizobium japonicum

Mesorhizobium cicero

Rhizobium leguminosarum bv phaseoli

Rhizobium leguminosarum bv trifoli

Rhizobium leguminosarum bv viciae

Sinorhizobium meliloti

Đậu tương Đậu gà Đậu

Cỏ ba lá Đậu hà lan

Cỏ linh lăng

Hình thành nốt sần trên thân cây

Azorhizobium caulinodan

Methylobacterium nodulans

Cây họ đậu thủy sinh ở vùng nhiệt đới

Cỏ ba lá

Hình thành nốt sần trên rễ cây thân gỗ

Frankia spp

25 giống cây hai lá mầm

Các mối quan hệ ở rễ: Legume Nodules

- Vào cuối những năm 1600, Marcelo Malpighi đã thống kê những cây

họ đậu có các nốt sần xuất hiện ở rễ

- Năm 1888, Martinus Beijerinck đã phân lập được các vi khuẩn từ các

nốt sần ở rễ cây họ đậu và khám phá ra khả năng cố định nitơ của các

chủng vi khuẩn này khi sống cộng sinh với thực vật

- Những vi khuẩn phát triển trên rễ cây họ đậu thông qua mối quan hệ

cộng sinh được gọi là rhizobia

- Sự hình thành nốt rễ đòi hỏi vi khuẩn có thể cạnh tranh với các vi sinh

vật ở vùng rễ cũng như việc hình thành mối quan hệ cộng sinh với rễ -

- Một đặc điểm quan trọng của vi khuẩn sống cộng sinh ở vùng rễ đó là

nguồn dinh dưỡng sắt, Michael O’Connel đã nghiên cứu về khả năng

tạo siderophore (đại thực bào mang sắt – thể mang sắt) của rhizobia

Mô hình đại diện cho một số bước liên quan tới quá trình hình thành nốt cố

định nitơ

1 Rễ cây họ đậu tiết ra các hóa chất được biết đến là flavonoid, và các phân tử

tín hiệu này khiến cho các rhizobia phát triển ở vùng rễ cây

2 Các flavonoid cũng có thể làm cho quá trình phiên mã gen nod trong bộ gen

của rhizobium diễn ra, từ đó tạo ra các oligosaccharide lipochitin được gọi là

các yếu tố Nod

3 Rễ cây có khả năng nhận biết các cấu trúc hóa học của nhân tố Nod, và những

phân tử oligosaccharide lipochitin được hấp thụ bởi các thụ thể kinase ở các

cây họ đậu Các nhân tố Nod kích hoạt lông rễ, và điều này cũng chính là điểm

đặc trưng trong mối quan hệ giữa vi khuẩn và cây họ đậu

4 Vi khuẩn cộng sinh gắn vào lông rễ và xâm nhập vào rễ thông qua quá trình

lây nhiễm ở rễ

5 Các vi khuẩn tạo ra nang lipopolysaccharide cho phép các rhizobia tấn công hệ

thống phòng thủ thực vật và xâm nhập vào rễ thông qua khu vực bị lây nhiễm

6 Hooc môn thực vật được tiết ra bởi vi khuẩn nhằm kích thích sự phân chia tế

bào rễ, và rễ cây sẽ nhanh chóng tạo ra một nốt sần

7 Vi khuẩn nốt sần điều chỉnh nồng độ nitơ và lượng oxy thấp trong các nốt sần

Các mối quan hệ ở rễ: Actinorhizal Nodules

- Đã phát hiện ít nhất 25 giống thực vật thuộc 8 họ thực vật tương tác

với vi khuẩn được gọi là Frankia để tạo ra nốt sần ở rễ con

- Vi khuẩn Frankia được phân bố rộng rãi trong đất và phát triển trong

sự sắp xếp đa bào điển hình của xạ khuẩn

- Sự tương tác giữa Frankia và rễ cây tạo ra nốt sần actinirhizae thông

qua một quá trình tương tự như sự phát triển nốt cây họ đậu

- Sự phân loại các chủng Frankia vẫn chưa được thực hiện vì các xạ

khuẩn này rất khó phát triển trong phòng thí nghiệm Tuy nhiên, nghiên

cứu lai tạo DNA cho thấy một số xạ khuẩn đã biết thuộc các loài

Frankia

- Ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới, các loài cây họ đậu thủy sinh có

các nốt sần cố định nitơ ở trên thân của chúng

- Các nốt sần được tạo ra trên phần thân cây bị chìm trong nước hoặc

phần thân ở ngay mặt nước

- Các hệ thống nghiên cứu tốt nhất về mối quan hệ giữa cây họ đậu

Sesbania rostrata và Aesschynomene indica với chủng Bradyrhizobium

BTAi1 được thực hiện

- Những vi khuẩn này có chứa bacteriochlorophyll a và thực hiện quá

trình quang hợp hạn chế không sinh ra khí oxy ( Fleischman và Kramer,

1998)

- Những vi khuẩn tạo nốt sần ở thân cố định nitơ ở các mô bên ngoài,

trong khi đó vi khuẩn nốt sần ở rễ chỉ cố định nitơ khi phát triển trong

mối quan hệ cộng sinh

Vi khuẩn kích thích sinh trưởng thực vật

Vi khuẩn Hoạt động liên quan đến

thực vật

Hooc môn giống thực vật được sản xuất

Agrobacterium tumefaciens Bệnh nốt sần Auxin

Rhodococus fascians Lây nhiễm các mầm cây tạo

ra bệnh mọc chùm

Cytokinin

Pseudomonas amygdale Bệnh thối mục ở cây hạnh

nhân

Auxin

Pseudomonas syringae Bệnh do vi khuẩn gây ra trên

thực vật

Auxin

Bradyrhizobium sp Vi khuẩn cộng sinh cố định

nitơ

Auxin

Azotobacter vinelandii Vi khuẩn đất Auxin, gibberellin,

cytokinin

Azospirillum brasilense Auxin, gibberellin, axit

abscissic, cytokinin

Methylobacterium

mesophylicum

Vi khuẩn phát triển trên lá Cytokinin

Nhiều vi khuẩn Phát triển ở vùng rễ Ethylene

Vi khuẩn vùng rễ kích thích sinh trưởng

- Vi sinh vật tồn tại nhiều nhất trong đất là vi khuẩn, chúng có thể làm ảnh hưởng

tới sự phát triển của nấm rễ

- Các nhà khoa học nhận ra tầm quan trọng của vi khuẩn đất kích thích sinh trưởng

và gọi chúng là Plant-Growth-Promoting Rhizobacteria (PGPR) hoặc đơn giản

hơn là Growth-Promoting Bacteria (Garbaye 1994; Schippers et al 1987)

- Một số vi khuẩn được cho là có tham gia vào việc tạo mối quan hệ cộng sinh

nấm rễ, và chúng được gọi là Mycorrhization Helper Bacteria (MHB)

- Một số hoạt động khác được cho là những hoạt động của vi khuẩn làm giảm sự

phát triển của thực vật Ví dụ, việc sản xuất cyanide của vi khuẩn đất khi chúng

chuyển hóa glycine, serine, methionine, hoặc threonine Sự xuất hiện của cyanide

làm ức chế năng lượng ty thể của rễ, từ đó sự tăng trưởng thực vật và (hoặc) năng

suất cây trồng có thể bị ức chế 10-40% Với việc bổ sung vi khuẩn Pseudomonas

thì các siderophore tạo phức với sắt được tạo ra và sự sản xuất cyanide bị loại bỏ

Vi khuẩn sinh cyanide không thể phát triển trong đất thiếu sắt bởi vì chúng không

trưởng thực vật hơn là một loại vi khuẩn hoặc nấm

- Các loài Bacillus được biết đến vai trò kích thích sự hấp thu phospho từ các

hợp chất phospho hữu cơ khi cây Pinus caribaea có mối quan hệ cộng sinh với

nấm rễ ngoài Pisolithus tinctorius

- Một số loài vi khuẩn đất bao gồm Pseudomonas spp và Bacillus megaterium

tạo ra các hooc môn thực vật giống gibberellin thúc đẩy sự phát triển rễ cây và

kích thích sự hình thành mycorrhizae

- Sự hình thành nốt sần ở cây cỏ ba lá, Trifolium subterraneum, do sự nuôi cấy

rhizobium thích hợp, được tăng cường rất nhiều nếu có sự xuất hiện của

Pseudomonas putida và một loại nấm rễ trong

- Sự kích thích khả năng xâm nhập của nấm rễ trong tương tự xảy ra với

Trifolium subterraneum khi có Pseudomonas putida

- Vi khuẩn trong một môi trường thúc đẩy sự tăng trưởng thực vật nhưng trong

môi trường khác thì lại có hại cho sự phát triển của thực vật

- Một số vi khuẩn có vai trò kép được xác định là Pseudomonas fluorescens, P

putida, B subtilis, Klebsiella, Enterobacter, và Arthrobacter Rõ ràng, các

chủng vi khuẩn được phân lập cũng quan trọng giống như các loài vi khuẩn cụ

thể

Cộng sinh ở cây xương rồng

Một số vi khuẩn được tìm thấy dưới dạng nội ký sinh thực vật và chúng cũng có

tồn tại ở trong các hạt giống cây xương rồng Khi các hạt này rơi vào phân động

vật sẽ phát triển với việc tạo ra các axit hữu cơ và chuyển các hòn đá nhỏ thành

đất khoáng Những vi khuẩn nội sinh thực vật này tiếp tục phát triển ở trong rễ

cây xương rồng với việc tiết ra các axit hữu cơ liên tục và thực hiện quá trình cố

Các bề mặt là và vi sinh vật

- Thuật ngữ về phyllosphere (diện tích lá) đề cập đến diện tích của lá mà ở đó có

nhiều hình thái của sự sống Bề mặt lá là nơi mà các vi sinh vật (rêu, địa y, nấm,

vi khuẩn) có thể tồn tại trong suốt thời gian dài (Lindow và Leveau, 2002)

- Bề mặt lá là nơi mà nhiều vi sinh vật tồn tại, một nghiên cứu về

proteogenomics đã cho thấy các vi khuẩn phyllosphere chủ yếu là các thành viên

thuộc các chi Sphingomonas, Pseudomonas, và Methulobacterium

- Tồn tại trên các lá cây nón của nhiều nhóm phân loại đó là các vi khuẩn có sắc

tố màu tím – Methylobacterium mesophylicum Vi khuẩn này phát triển nhờ

methanol giải phóng từ thực vật biểu sinh và tiết ra hooc môn thực vật –

cytokinin

- Hiện tượng tạo cấu trúc hạt nhân giống như đá băng có thể xảy ra trên các lá

cây là do sự xuất hiện của các chủng như Pseudomonas, Erwinia, hay

Xanthomonas Những vi khuẩn này tăng trưởng trên lá cây mà không gây hại tới

cây trong thời tiết lạnh, chúng sẽ thúc đẩy sự hình thành các tinh thể băng Sự

đóng băng cục bộ trên lá dẫn tới việc giải phóng các dòng chảy từ các tế bào thực

Vi sinh vật gây bệnh Thực vật chủ

Vi khuẩn

Agrobacterium tumefaciens

Corynebacterium insidiosum

Corynebacterium michiganense

Erwinia amylophorus

Pseudomonas solanacearum

Pseudomonas syringae

Spiroplasma citri

Xanthomonas hyacinthia

Bệnh nốt sần Bệnh héo rũ cỏ linh lăng dại Bệnh làm thối cà chua Bệnh làm thối lê táo Bệnh héo rũ ở cây thuốc lá Bệnh làm thối quả hạch Bệnh trên cây cam quýt và bệnh khiến ngô còi cọc

Củ giống dạ lan hương bị nhiễm bệnh

Nấm

Ceratocystis ulmi

Claviceps purpurea

Cylindrocladium scoparium

Erysiphe graminis

Fusarium lycopersici

Fusarium solani

Heterobasidion annosum

Melamphsora lini

Phytophthora infestans

Plasmodiophora brassicae

Puccinia graminis

Ustalago avenae

Ustalago maydis

Venturia inaequalis

Verticillium dahliae

Bệnh làm chết cây du do nấm gây ra Ngộc độc nấm trên các cây ngủ cốc Bệnh thối rữa thân và rễ ở nhiều cây Bệnh nấm mốc sương trên cây lúa mì Thối cà chua

Thối rữa rễ cây đậu và các cây khác Thối rữa rễ của nhiều loài cây lá kim khác nhau Bệnh rỉ sét trên cây lanh

Thối cà chua Bệnh sùi gốc cây cải bắp Bệnh rỉ sét trên cây ngũ cốc Cây yến mạch

Bệnh than ở ngô Bệnh nấm vẩy trên cây táo Cây cotton và các cây khác

Tăng trưởng cao vọt

Bệnh sùi gốc

Bệnh làm quăn lá

Mụn cây

Mở rộng phần rễ

Lá cong, vênh

Sự tăng trưởng của các mô thực vật bị bao phủ bởi các sợi nấ

Hoại tử

Thối

Thối mục

Ngập nước

Bệnh đốm lá

Thối rễ

Bệnh nấm vẩy

Lá và cánh hóa chuyển sang màu nâu và chết Phần phía dưới bề mặt của thân bị nhiễm bệnh và khiến cho cây bị suy yếu

Khiến cho các cây giống con chết nhanh Tổn thương do các tế bào chết ở trên lá

Hệ thống rễ của cây bị phân hủy Tổn thương tăng lên, tạo các vùng lõm hoặc đóng vẩy trên quả, củ, hoặc lá

Hoạt động trên bề mặt hoặc trên toàn hệ thống

Nấm mốc sương

Bệnh gỉ sét

Thối

Xuất hiện các vùng màu trắng hoặc xám trên lá cây do các sợi nấm hoặc bào tử nấm gây ra Xuất hiện màu nâu đỏ trên lá hoặc thân là do các vùng tổn thương nhỏ

Lá hoặc chồi bị rụng sự sưng phồng biến mất, nguyên nhân có thể là do thay đổi ở gốc hoặc thân

Đặc điểm đặc trưng của các bệnh thực vật do nấm và vi khuẩn