Vai trò của vi sinh vật đất trong nông nghiệp

Đất là nền tảng cơ sở cho sản xuất cây trồng nông nghiệp, là nơi phát triển của tất cả các loài thực vật để sản xuất lương thực. Đất có phì nhiêu, màu mỡ thì cây trồng mới phát triển tốt và cho năng suất cao. Đất là nơi cư trú của nhiều loài vi sinh vật bao gồm cả vi sinh vật có lợi và gây bệnh cho cây trồng. Trong nhiều trường hợp vi sinh vật đóng vai trò là tác nhân gây bệnh vì thế người ta thường nghĩ đến tác động tiêu cực của vi sinh vật vì. Tuy nhiên, theo quan điểm của các nhà khoa học nông nghiệp, tính chất vật lý, hóa học và sinh học của đất phụ thuộc vào số lượng, chất lượng vật chất hữu cơ của đất, pH, độ mặn, độ thoáng khí, quần thể vi sinh vật trong đất vv. Vi sinh vật rất có lợi cho sự phát triển của cây trồng. Vi khuẩn đất thực hiện nhiều hoạt động có ích đối với đất và cây trồng như chuyển hóa chất hữu cơ và cố định nitơ, phân giải phosphate và kali khó tan trong đất, tổng hợp các phytohormone làm tăng sự sẵn có của các chất dinh dưỡng cho cây trồng. Vi sinh vật tổng hợp các hoạt chất kháng lại các tác nhận gây bệnh nên chúng được sử dụng nhiều trong kiểm soát sinh học, hạn chế sử dụng thuốc trừ sâu, bảo vệ thực vật dẫn đến giảm ô nhiễm môi trường. Do đó, rất cần nghiên cứu đánh giá vai trò của vi sinh vật đất để khai thác và ứng dụng những tiềm năng hữu ích của chúng trong sản xuất nông nghiệp.

Vai trò kích thích tăng trưởng cây trồng của vi sinh vật

Tương tác có lợi giữa vi sinh vật và cây trồng đã được khai thác để cải thiện sinh trưởng của cây trồng, tăng năng suất, chất lượng sản phẩm. Các vi sinh vật hữu ích hay vi sinh vật kích thích tăng trường thực vật (Plant growth promoting rhizobacteria/PGPR) được sử dụng với mục đích cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng dưới dạng phân bón sinh học (biofertilizer) hay tăng cường tính khả dụng sinh học của các thành phần như sắt và phosphate. Bên cạnh đó, các vi sinh vật còn tổng hợp các phytohormone như auxin, cytokinins, gibberellic acid (GA₃), điều hòa nồng độ ethylene, ức chế tác nhân gây bệnh hại cây trồng (He et al., 2019) giúp cây trồng vượt qua các stress sinh học và phi sinh học.

Phân bón sinh học (biofertlizer)

Dân số toàn cầu tăng nhanh nên áp lực sản xuất nông nghiệp cũng tăng để đáp ứng nhu cầu về lương thực, thực phẩm, các nguyên liệu thô cho sản xuất. Nhu cầu sản phẩm nông nghiệp tăng tới 70% trong 30 năm tới (Muhammad Danish Toor và Muhammad Adnan, 2020) vì thế phân bón và thuốc bảo vệ thực vật nguồn gốc hóa học đã được sử dụng rộng rãi, đôi khi vượt quá khuyến cáo để tăng năng suất cây trồng. Tuy nhiên, các họat động này đã và đang làm suy giảm, thoái hóa đất và giảm sự đa dạng sinh học của vi sinh vật trong đất. Trước thực trạng này, người sản xuất nông nghiệp đã lựa chọn các kỹ thuật canh tác, sản xuất bền vững. Tính chất vật lý, hóa học và sinh học của đất phụ thuộc vào số lượng, chất lượng vật chất hữu cơ của đất, pH, độ mặn, độ thoáng khí, quần thể vi sinh vật trong đất vv. Vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong quá trình cải thiện chất lượng đất, dinh dưỡng cho cây trồng.

Cố định nitơ

Nitơ đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất thực phẩm và thúc đẩy tăng trưởng thực vật, rất cần thiết cho sự tổng hợp của các enzyme của tế bào, chất diệp lục, protein, RNA và DNA. Mối quan hệ cộng sinh giữa cây họ đậu và vi khuẩn cố định N₂ đã cung cấp nguồn nitơ dễ hấp thụ cho cây trồng (Hình 1). Vi khuẩn cố định N₂ không chỉ tăng cường hấp thụ P của cây họ đậu mà còn cải thiện thành phần dinh dưỡng trong cây họ đậu. Theo Matse và cs. (2020), việc bổ sung riêng rẽ hai loài Rhizobium và bổ sung đồng thời cả hai chủng này đã cải thiện đáng kể hàm lượng N, P và K trong rễ và chồi của cỏ ba lá trắng so với đối chứng không được cấy các chủng này. Sahai và Chandra (2011) cho thấy sự hấp thu và hàm lượng nitơ và phospho cao hơn trong cả chồi và hạt khi cây họ đậu được cấy chủng Mesorhizobium cicero, trái ngược với đối chứng không được cấy. Đặc biệt, việc phát hiện ra nhóm vi sinh vật diazotrph nội sinh cung cấp nguồn N cho các cây trồng khác các loại cây họ đậu đã mở ra hướng mới trong khai thác mối tương tác thực vật – vi sinh vật để khai thác nguồn dinh dưỡng N, ví dụ, cây mía ở Brazil chứa vi khuẩn nội sinh cố định N được trồng trong nhiều năm với lượng phân bón thấp và không có triệu chứng thiếu N (Boddey và cs., 2003). Các loài thực vật khác, không phải họ đậu cũng được chứng minh là có lợi khi kết hợp với các vi sinh vật diazothroph nội sinh, chẳng hạn như lúa mì (Triticum aestivum; Iniguez và cs., 2004) và lúa (Oryza sativa; James và cs., 2002).

Hình 1. (A) Tổng quan về lợi ích của cây họ đậu cố định đạm sinh học trong sản xuất nông nghiệp. (B) Sơ đồ thể hiện ứng dụng của rhizobia và cơ chế cố định đạm cộng sinh ở cây họ đậu. Nguồn: Raza và cs. (2020).

Phospho là chất dinh dưỡng đa lượng quan trọng thứ hai sau nitơ, cần thiết cho quá trình trao đổi chất, sinh trưởng và phát triển của cây trồng. Mặc dù trong đất phospho tồn tại ở cả dạng hữu cơ và vô cơ, nhưng nó hầu như không có sẵn cho sự hấp thu của cây trồng do đã tạo phức với các ion kim loại trong đất (Hình 2). Việc sử dụng phân bón hóa học để đáp ứng nhu cầu về phospho, cải thiện năng suất cây trồng đã dẫn đến sự suy giảm sức sản xuất của đất, cũng như sự mất cân bằng trong hệ vi sinh vật đất. Do đó, cần có chiến lược thay thế dần dần phân bón hóa học, để tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường và tăng cường sử dụng nguồn phospho sinh học. Một chiến lược như vậy là ứng dụng của vi sinh vật phân giải phospho có khả năng hòa tan phosphate khó tan trong đất bằng các cơ chế khác nhau các cơ chế như bài tiết acid hữu cơ, sản xuất enzyme và bài tiết siderophores có thể chelate các ion kim loại và tạo thành các phức hợp, làm cho phosphate luôn tồn tại ở trạng thái sẵn sàng cho sự hấp thu của thực vật. Những vi khuẩn này không chỉ hòa tan phosphate mà còn thúc đẩy tăng trưởng thực vật và năng suất cây trồng bằng cách sản xuất các hormone tăng trưởng thực vật như auxin, gibberellin và cytokinin, kháng sinh chống lại mầm bệnh, 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid deaminase (Puri và cs. 2020) giúp tăng cường sự phát triển của cây trồng khi gặp các điều kiện không thuận lợi, cải thiện sức đề kháng của thực vật đối với độc tính kim loại nặng.

Hình 2. Các dạng phospho trong đất. Nguồn: Rawat và cs., 2020

Các chủng vi sinh vật phân giải phosphate khó tan trong đất rất đa dạng. Các loài vi khuẩn thuộc các chi Pseudomonas, Enterobacter, Bacillus, Serratia và Pantoea, Rhizobium, Arthrobacter, Burkholderia, và Rahnella aquatilis HX2 (Zhang và cs. 2019), Leclercia adecarboxylata, và vi nấm như Penicillium brevicompactum, Aspergillus niger (Rojas và cs. 2018; Whitelaw 1999), và Acremonium, Hymenella là những chủng vi sinh vật tiềm năng phân giải phosphate khó tan (Rawat và cs., 2020).

Vi sinh vật phân giải phosphate khó tan trong đất thúc đẩy tăng trưởng thực vật và kiểm soát bệnh cây gây ra bởi mầm bệnh thông qua các cơ chế khác nhau như cạnh tranh xâm lấn rễ, tổng hợp các enzyme phân giải và giải độc các yếu tố gây độc lực của mầm bệnh, tăng cường sức đề kháng tổng thể chống lại mầm bệnh thực vật. Nhiều chi vi khuẩn phân giải phosphate khó tan trong đất như Bacillus, Streptomyces, Pseudomonas, Serratia tiết vào môi trường xung quanh các hợp chất trao đổi chất có khả năng kháng nấm như viscosinamide, peptaibols, daucans, gliovirin, terpenoids, polyketides, pyrrolnitrin và phenazines làm giảm khả năng gây bệnh của các tác nhận gây bệnh hại cây trồng ((Myo et al. 2019).

Tổng hợp phytohormone

Các chủng vi sinh vật tổng hợp nhiều phytohormone kích thích tăng trưởng cây trồng. Chủng vi khuẩn thuộc loài Bradyrhizobium japonicum tổng hợp năm loại phytohormone chính, gồm: auxins, cytokinins, gibberellic acid (GA3), abscisic acid và ethylene (Boiero et al., 2008). Các phytohormone này biểu hiện tác động khác nhau đến sự phát triển của thực vật khi được sử dụng riêng từng loại hay sử dụng kết hợp với nhau. Phytohormone IAA được tổng hợp bởi vi khuẩn thông qua con đường tổng hợp sinh học. Chủng vi khuẩn Gluconacetobacter diazotrophicus vừa tổng hợp IAA, gibberellins vừa có khả năng cố định N₂, Chủng Bacillus amyloliquefaciens tổng hợp và tiết vào môi trường xung quang một lượng đáng kể IAA, ảnh hưởng tích cực tới sinh trưởng của bèo tấm (Lemna minor). Vi khuẩn Pseudomonas putida tổng hợp nhiều IAA và tăng cường sinh trưởng của rễ cây cải dầu. Rễ của hạt cải dầu được xử lý bằng P. putida tự nhiên dài hơn so với rễ từ hạt được xử lý bằng đột biến thiếu IAA. Các chủng vi khuẩn như Pseudomonas spp., Burkholderia caryophylli, Achromobacter piechaudii có khả năng hạ nồng độ ethylene trong cây bằng cách tổng hợp enzyme 1‐aminocyclopropane‐1‐carboxylic acid (ACC)‐deaminase phân hủy tiền chất tổng hợp ethylene. Các vi sinh vật tổng hợp ACC-deaminase tăng cường sự phát triển của rễ cây, cải thiện khả năng chịu đựng stress do mặn và thiếu nước của cây trồng (Mayak và cs., 2004).

Kết luận

Đất là nền tảng cơ sở cho sản xuất cây trồng nông nghiệp, là nơi phát triển của tất cả các loài thực vật để sản xuất lương thực. Đất có phì nhiêu, màu mỡ thì cây trồng mới phát triển tốt và cho năng suất cao. Do dân số toàn cầu tăng nhanh nên cần phải đẩy mạnh sản xuất để đáp ứng nhu cầu về lương thực, thực phẩm, các nguyên liệu sản xuất, từ đó dẫn đến việc sử dụng quá mức phân bón cũng như thuốc bảo vệ thực vật nguồn gốc hóa học làm đất bị thoái hóa, giảm độ màu mỡ, giảm khả năng sản xuất, giảm đa dạng quần thể vi sinh vật trong đất. Một chiến lược mới trong phát triển nông nghiệp bền vững, thân thiện với môi trường, tiết kiệm chi phí đã được đề ra: đó là khai thác sử dụng các chủng vi sinh vật hữu ích trong đất. Các vi sinh vật này không chỉ tổng hợp N₂ từ không khí mà còn phân giải phosphate khó tan trong đất để cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng. Bên cạnh đó chúng còn tổng hợp nhiều loại phytohormones, chất trao đổi chất có khả năng kháng lại các mầm bệnh hại cây trồng góp phần hạn chế sử dụng phân bón và thuốc bảo vệ thực vật hóa học, hạn chế ô nhiễm môi trường, đảm bảo chất lượng sản phẩm từ đó đảm bảo sức khỏe cho người sản xuất và tiêu dùng. Đây là lựa chọn thích hợp để phát triển nền nông nghiệp bền vững.

Tài liệu tham khảo

1. He, Y., Pantigoso, H. A., Wu, Z., and Vivanco, J. M. (2019). Co-inoculation of Bacillus sp. and Pseudomonas putida at different development stages acts as a biostimulant to promote growth, yield and nutrient uptake of tomato. J. Appl. Microbiol. 127, 196–207. doi: 10.1111/jam.14273.

2. Matse, D. T., Huang, C., Huang, Y., and Yen, M. (2020). Effects of coinoculation of Rhizobium with plant growth promoting rhizobacteria on the nitrogen fixation and nutrient uptake of Trifolium repens in low phosphorus soil. J. Plant Nutr. 43, 739–752. doi: 10.1080/01904167.2019.1702205.

3. Myo EM, Liu B, Ma J, Shi L, Jiang M, Zhang K, Ge B (2019) Evaluation of Bacillus velezensis NKG-2 for bio-control activities against fungal diseases and potential plant growth promotion. Biol Control 134: 23–31. https://doi.org/10.1016/j.biocontrol.2019.03.017

4. Muhammad Danish Toor and Muhammad Adnan (2020), Role of Soil Microbes in Agriculture; A Review. Op Acc J Bio Sci & Res 4(2)-2020.

5. Puri A, Padda KP, Chanway CP (2020) In vitro and in vivo analyses of plant-growth-promoting potential of bacteria naturally associated with spruce trees growing on nutrient-poor soils. Appl Soil Ecol.

Raza, A., Zahra, N., Hafeez, M. B., Ahmad, M., Iqbal, S., Shaukat, K., et al. (2020). “Nitrogen fixation of legumes: biology and physiology,” in The Plant Family Fabaceae, eds M. Hasanuzzaman, S. Araújo, and S. Gill (Singapore: Springer), 43–74.