Vi khuẩn Bacillus và tiềm năng ứng dụng trong nông nghiệp

I. Đặt vấn đề

Hiện nay, dịch bệnh hại cây trồng và động vật thủy sản ảnh hưởng nghiệm trọng đến năng suất, sản lượng và chất lượng nông sản. Các tác nhân gây bệnh bao gồm các loại nấm, vi khuẩn, vi rút, tuyến trùng, động vật nguyên sinh (Chakraborty & cs., 2011). Để ngăn chặn dịch bệnh, nhiều biện pháp đã được sử dụng như dùng thuốc hóa học, biện pháp luân canh, sử dụng các loại cây trồng có khả năng kháng bệnh. Việc lạm dụng thuốc hóa học trong phòng trị bệnh làm mất sự đa dạng sinh học, ảnh hưởng sức khỏe con người, ô nhiễm môi trường và gây ra hiện tượng kháng thuốc ở sâu bệnh, làm giảm hiệu quả diệt trừ (Ab Rahman & cs., 2018; Khan & cs., 2022). Do đó, việc sử dụng tác nhân sinh học như các loài xạ khuẩn Streptomyces, vi khuẩn Bacillus càng ngày được quan tâm.

Vi khuẩn Bacillus là vi khuẩn gram dương, có tế bào hình que, thẳng hoặc gần thẳng, kích thước 0,3-2,2x1,2-1,7 µm. Bacillus được ứng nhiều trong kiểm soát bệnh hại trên cây trồng và vật nuôi do chúng có khả năng tạo ra một lượng lớn các chất kháng khuẩn, kháng nấm. Ngoài ra, vi khuẩn Bacillus như B. velezensis, B. subtilis, B. macerans B. circulans, B. azotofixans, B. coagulans  còn có khả năng kích thích sinh trưởng thực vật do có khả năng phân giải được lân, kali khó tan, sinh siderophore và sinh tổng hợp phytohormone (Goswami & cs., 2016),

II. Bacillus là tác nhân sinh học kiểm soát sâu, bệnh hại trên cây trồng

Bacillus có tiềm năng ứng dụng trong kiểm soát các tác nhân gây bệnh ở cây trồng. Nhiều loài Bacillus có khả năng đối kháng với vi khuẩn và nấm gây bệnh trên cây trồng do chúng có khả năng sinh tổng hợp các chất có hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm như kháng sinh và bacteriocins. Bacitracin, kanosamine, fengycin surfactins, zwittermicin A, kurstakin, gramicidin, và iturins là các chất kháng sinh từ vi khuẩn Bacillus.  Các chất kháng khuẩn, kháng nấm sinh tổng hợp bởi Bacillus được trình bày ở Bảng 1.

Theo nghiên cứu của Nguyễn Bá Thọ & cs. (2020), 21 chủng Bacillus phân lập từ đất rừng nguyên sinh và đất vườn ở tỉnh Đắk Nông có khả năng đối kháng với nấm Colletotrichum CC1.5 gây bệnh khô cành và khô quả ở cây cà phê. Trong đó, B. subtilis  DR2B1 có khả năng đối kháng tốt với Colletotrichum CC1.5 với đường kính vòng kháng nấm đạt 24,67 mm sau 6 ngày nuôi cấy trên môi trường PDA. B. safensis có khả năng kháng lại các tác nhân gây bệnh trên cây trồng như Phytophthora capsici gây bệnh bạc lá trên cây bí, Botrytis cinerea (bệnh mốc xám ở cà chua).

Bảng 1. Các chất kháng khuẩn, kháng nấm được sinh tổng hợp bởi Bacillus

Bacillus còn có khả năng sinh  enzyme thủy phân như chitinase và beta 1,3-glucanase. Các enzyme này phân giải thành phần cấu tạo nên thành tế bào của nấm mốc, ức chế các loại nấm mốc gây hại trên cây trồng như Rhizoctonia, Colletotrichum, Fusarium, và Pythium. Các loài Bacillus có khả năng đối kháng nấm gây bệnh trên cây trồng được trình bày ở Bảng 2. Trong các loài Bacillus, B. thuringiensis sinh tinh thể độc, có hiệu quả phòng trừ đối với nhiều loại sâu bệnh hại cây trồng.

Bảng 2. Các loài Bacillus đối kháng với vi khuẩn và nấm gây bệnh trên cây trồng

III. Bacillus có khả năng kích thích sinh trưởng thực vật

Khả năng kích thích sinh trưởng thực vật ở các loài Bacillus đã được nghiên cứu từ đầu những năm 1960.. Các loài Bacillus như Bacillus azotofixans, B. subtilis, B. circulans, B. velezensis, B. coagulans, B. macerans là các vi khuẩn vùng rễ kích thích sinh trưởng ở thực vật (Saxena & cs., 2019). Bacillus kích thích sinh trưởng ở thực vật thông qua cơ chế trực tiếp (cố định đạm, phân giải lân và kali khó tan, sản xuất các phytohormone); cơ chế gián tiếp (sinh tổng hợp enzyme ngoại bào, sinh tổng hợp siderophore, cạnh tranh nguồn dinh dưỡng với các tác nhân gây bệnh).

Khả năng cố định Nitơ

Một số loài vi khuẩn Bacillus có khả năng cố định nitơ từ không khí do sinh tổng hợp enzyme nitrogenase giúp chuyển hóa N2 thành NH3, được hấp thu bởi rễ cây trồng. Theo nghiên cứu của Kuan & cs. (2016), B. pumilus S1r1 và B. subtilis UPMB10 có khả năng cố định nitơ, giúp tăng trưởng ở cây ngô, giảm đáng kể lượng phân bón hóa học Từ đất vùng rễ ngô, Thái Thành Được & Nguyễn Hữu Hiệp (2022) cũng đã phân lập được 3 chủng vi khuẩn Bacillus là B. megaterium AAD2, B. megaterium TCD3 và B. circulans VMD1. Trong đó, chủng B. megaterium AAD2 có khả năng tổng hợp NH4+ trung bình sau 6 ngày nuôi cấy là 4,02 mg/l.

Khả năng phân giải lân và kali khó tan

Lân và kali là các nguyên tố cần thiết cho sự phát triển của cây trồng nhưng phần lớn lượng lân và kali trong đất tồn tại ở dạng khó tan. Bacillus, Pseudomonas, Agrobacterium, Flavobacterium có khả năng phân giải và chuyển hóa P và K thành dạng dễ tan, dễ hấp thu với cây trồng, giúp tăng năng suất cây trồng. Khả năng phân giải P và K ở vi khuẩn Bacillus là do chúng có khả năng sinh các axit hữu cơ. Saeid & cs. (2018) đã nghiên cứu khả năng phân giải P của các chủng Bacillus spp. (Bacillus cereus,, Bacillus subtilis). Các chủng này sinh tổng hợp 5 axit hữu cơ gồm axit axetic, axit gluconic, axit succinic, axit lacti và axit propionic.

Sinh tổng hợp phytohormone

Bacillus có khả năng kích thích sinh trưởng thực vật nhờ khả năng sinh tổng hợp các phytohormone như auxins (IAA- Indole 3 – acetic acid, IBA -Indole 3 – butyric acid), cytokinins, axit abscisic và gibberellins, IAA giúp tăng cường hấp thu chất dinh dưỡng bằng cách tạo ra rễ dài hơn và tăng số lượng lông hút ở rễ. Chủng B. tequilensis (SSB07) ở vùng rễ của cây cải thảo có khả năng sinh tổng hợp IAA (indole3-acetic acid), axit abscisic và gibberellins như GA5, GA1, GA19, GA53, GA8, GA24, GA3, giúp tăng trưởng cây con (Khan & cs., 2022). Theo nghiên cứu của Lateef & cs. (2015), B. safensis sinh tổng hợp IAA và có khả nâng phân giải lân khó tan. B. cereus LP1-R3 phân lập từ rễ cây đinh lăng có khả năng sinh tổng hợp IAA và cố định đạm (Lê Thị Mỹ Thu & cs., 2022).

Sinh tổng hợp siderophore

Siderophore là hợp chất có khối lượng phân tử thấp, được sinh ra bởi vi khuẩn khi chúng sống trong điều kiện thiếu sắt. Siderophore từ vi sinh vật hữu ích như vi khuẩn Bacillus có ái lực lớn với sắt nên có khả năng ức chế sự phát triển của nấm bệnh trên cây trồng. Nhiều loài Bacillus có khả năng sinh tổng hợp siderophore như B. licheniformis, B. anthracis, B. velezensis, B. thuringiensis, B. cereus, B. halodenitrificans, B. atrophaeus, B. mojavensis, B. pumilus và B. subtilis (Chaabouni & cs., 2012). Theo nghiên cứu của Yu & cs. (2012), B. subtilis sinh siderophore làm giảm tỷ lệ mắc bệnh héo rũ do Fusarium gây ra trên cây hồ tiêu, góp phần nâng cao năng suất của hồ tiêu. Một số loại siderophore do Bacillus sinh tổng hợp như bacillibactin, pyoverdine, pyochelin (Hình 1).

Hình 1. Một số loại siderophore sinh tổng hợp bởi vi khuẩn Bacillus

Bacillus giúp tăng cường hấp thu các chất dinh dưỡng, từ đó nâng cao năng suất cây trồng. Theo Meena & cs. (2016), các loài Bacillus spp. làm tăng năng suất của lúa mỳ, ngô, củ cải đường. Nghiên cứu của COlo  & cs. (2014) cho thấy chủng Bacillus subtilis có khả năng sinh IAA, làm tăng sản lượng của hành tây. Trong khi đó, B. safensis và P. megaterium làm tăng khối lượng hạt, khối lượng khô của rễ và thân lúa mỳ (Mukhtar & cs., 2017). Vai trò của Bacillus với các loại cây trồng được trình bày ở Bảng 3.

Bảng 3.  Vai trò của vi khuẩn Bacillus với các loại cây trồng khác nhau

IV. Kết luận

Bacillus là một chi được ứng dụng nhiều trong nông nghiệp để kiểm soát bệnh hại và kích thích sinh trưởng trên cây trồng. Sử dụng các chủng Bacillus để kiểm soát các loại nấm bệnh trên cây trồng là biện pháp hiệu quả và an toàn.  Nhiều loài Bacillus như B. subtilis, B. amyloliquefaciens, Bacillus thuringiensis và B. licheniformis được sử dụng ở dạng chế phẩm sinh học (phân bón sinh học, thuốc trừ sâu sinh học) giúp bảo vệ môi trường, góp phần phát triên nền nông nghiệp bền vững.

Trần Thị Hồng Hạnh, Khoa Công nghệ sinh học

Tài liệu tham khảo

1.   Ab Rahman S.F.S., Singh E., Pieterse C.M. & Schenk, P.M. (2018). Emerging microbial biocontrol strategies for plant pathogens. Plant Science.. 267:102–111.

2.   Chaabouni I., Guesmi A., Cherif A. (2012). Secondary Metabolites of Bacillus: Potentials in Biotechnology. In Bacillus thuringiensis Biotechnology; Springer: Amsterdam, The Netherlands.. 347–366.

3.   Chakraborty S., Newton A.C. (2011). Climate change, plant diseases and food security: An overview. Plant Pathology. 60: 2–14.

4.   Colo J.O.S.I.P., Hajnal-Jafari T., Đuric S., Stamenov D. & Hamidovi. S. (2014). Plant Growth Promotion Rhizobacteria in Onion Production. Polish Journal of Microbiology. 63(1): 83–88.

5.   Goswami D., Thakker J.N. & Dhandhukia P.C.(2016). Portraying mechanics of plant growth promoting rhizobacteria (PGPR): A review. Cogent Food & Agriculture.. 2: 112750.

6.   Khan A. R., Mustafa A., Hyder S., Valipour M., Rizvi Z. F., Gondal A. S., Yousuf Z., Iqbal R. & Daraz U. (2022). Bacillus spp. as bioagents: Uses and application for sustainable agriculture. Biology. 11: 1763-1784.

7.   Kuan K.B., Othman R., Abdul Rahim, K., Shamsuddin Z. H. (2016). Plant Growth-Promoting Rhizobacteria Inoculation to Enhance Vegetative Growth, Nitrogen Fixation and Nitrogen Remobilisation of Maize under Greenhouse Conditions. PLoS ONE. 11(3): 1-19.

8.   Lê Thị Mỹ Thu, Trần Ngọc Hữu, Nguyễn Hồng Huế, Trần Chí Nhân, Lý Ngọc Thanh Xuân, Trần Thanh Thảo, Lê Vĩnh Thúc & Nguyễn Quốc Khương (2022). Phân lập, tuyển chọn và định danh vi khuẩn nội sinh hòa tan lân và cố định đạm trên cây đinh lăng lá nhỏ (Polyscias fruticosa L. Harms). Tạp chí Khoa học Đại học Huế: Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, 131(3B): 83-97.

9.   Meena V.S., Bahadur I., Maurya B.R., Kumar A., Meena R.K., Meena S.K. & Verma J.P. (2016). Potassium-Solubilizing Microorganism in Evergreen Agriculture: An Overview. In Potassium Solubilizing Microorganisms for Sustainable Agriculture; Springer International Publishing: Midtown Manhattan, NY, USA, 1–20.

10. Mukhtar S., Shahid I., Mehnaz S. & Malik K.A. (2017). Assessment of two carrier materials for phosphate solubilizing biofertilizers and their effect on growth of wheat (Triticum aestivum L.). Microbiological Research. 205: 107–117.

11. Nguyễn Bá Thọ, Nguyễn Thị Liên & Võ Đình Quang (2020). Phân lập một số chủng Bacillus sp. đối kháng với nấm Colletotrichum sp. gây bệnh khô cành khô quả trên cây cà phê ở tỉnh Đắc Nông. Tạp chí Khoa học Công nghệ và Thực phẩm. 20(3): 94-102.

12. Saeid A., Prochownik E., Dobrowolska-Iwanek J. (2018). Phosphorus solubilization by Bacillus species. Molecules. 23: 2897.

13. Saxena A.K., Kumar M., Chakdar H., Anuroopa N. & Bagyaraj D..J. (2019). Bacillus species in soil as a natural resource for plant health and nutrition. Journal of Applied Microbiology. 128: 1583–1594.

14. Thái Thành Được & Nguyễn Hữu Hiệp (2022). Phân lập và nhận diện vi khuẩn cố định đạm từ đất vùng rễ cây bắp ở Đồng Bằng Sông Cửu Long. Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ, 58(2B): 160-171.

15. Yu X., Ai C., Xin L. & Zhou G.  (2011). The siderophore-producing bacterium, Bacillus subtilis CAS15, has a biocontrol effect on Fusarium wilt and promotes the growth of pepper. European Journal of Soil Biology. 47: 138–145.