Trong các bài viết của KMVE, người đọc có thể nhận thấy chúng tôi thường nhắc tới Bacillus. Tại sao Bacillus có vai trò quan trọng trong nông nghiệp? Bài viết này sẽ làm rõ các đặc điểm ưu việt của lợi khuẩn này.

Bacillus là một trong những chi vi khuẩn chiếm ưu thế được tìm thấy trong đất và cũng là chi phổ biến nhất trong vùng rễ cây trồng. Hoạt động thúc đẩy tăng trưởng thực vật của một số loài này đã được biết đến từ nhiều năm, có nhiều nghiên cứu sâu rộng về các cơ chế liên quan. Các loài của chi Bacillus được biết đến là có nhiều đặc điểm có lợi cho cây trồng thông qua việc hấp thu chất dinh dưỡng, cải thiện tốc độ sinh trưởng bằng cách sản xuất phytohormone, bảo vệ cây trồng khỏi mầm bệnh và các tác nhân gây stress phi sinh học khác.

Khả năng cố định đạm (Nitơ) của Bacillus

Vai trò của Nitơ với cây trồng

Nitơ đóng vai trò quan trọng nhất đối với cây trồng, đây là một thành phần chính để hình thành các amino acid, protein, DNA và RNA- các phân tử quan trọng trong sự phát triển và hoạt động của cây. Ngoài ra, nitơ là một trong các yếu tố dinh dưỡng cần thiết để thúc đẩy sự phát triển của cây, giúp cây xây dựng mô tế bào mới, tạo ra lá, thân, cành, và củ. Nitơ còn có liên quan đến quá trình quang hợp, giúp cây tổng hợp năng lượng từ ánh sáng mặt trời và CO₂, từ đó giúp tổng hợp các chất hữu cơ cần thiết cho sự sống của cây. Việc cung cấp đủ lượng nitơ cho cây trồng có thể tăng cường sản lượng và chất lượng nông sản.

Một số loài vi khuẩn thuộc các chi Bacillus, Acetobacter, Azospirillum, Azotobacter, Flavobacter, Pseudomonas, Rhizobium được liên kết với vùng rễ thực vật và có thể phát huy tác dụng có lợi đối với sự sinh trưởng và phát triển của thực vật [1].

Tác động của Bacillus tới khả năng cố định đạm

Bacillus là một trong những loại vi khuẩn có thể tạo ra nguồn nitơ cho cây trồng thông qua quá trình sinh học. Một số loài Bacillus có khả năng tiết ra enzyme nitrogenase, cho phép chúng chuyển đổi khí nitơ (N₂) từ không khí thành dạng ammonium (NH4⁺), một dạng nitơ có sẵn mà cây trồng có thể sử dụng. Các loài Bacillus có khả năng cố định nitơ trong khí quyển bao gồm B. licheniformis, B. circlens, B. firmus, B. pumilus, B. megaterium, B. subterraneous, B. aquimaris, B. vietnamensis và B. aerophilus.

Bacillus có thể sống trong rễ cây trồng hoặc trong đất xung quanh chúng, cung cấp nguồn nitơ cho cây trồng gần đó. Việc này có thể giúp tăng cường sự phát triển và tăng năng suất của cây trồng [2]. Để tận dụng lợi ích của Bacillus trong việc cung cấp nguồn nitơ cho cây trồng, người canh tác có thể sử dụng chế phẩm vi sinh hay phân bón hữu cơ chứa các loài Bacillus có khả năng này.

Khả năng phân giải phospho của Bacillus

Vai trò của Phospho với cây trồng

Phospho (P) là một trong ba nguyên tố dinh dưỡng chính cần thiết cho cây trồng, cùng với nitơ (N) và kali (K). Phospho đóng vai trò rất quan trọng trong sự phát triển của cây như cung cấp năng lượng, hỗ trợ quá trình trao đổi chất, truyền tín hiệu và phát triển cấu trúc cây. Việc cung cấp đủ phospho rất quan trọng để đảm bảo sự sinh trưởng và năng suất của cây trồng[3]. Thiếu phospho có thể gây ra hiện tượng suy yếu cây, giảm sản lượng và chất lượng của cây trồng.

Khả năng phân giải phospho của Bacillus

Một số loài Bacillus có thể tạo điều kiện thuận lợi cho sự hấp thu phospho của rễ thông qua việc tiết các acid hữu cơ có trọng lượng phân tử thấp như formic acid, acetic acid, lactic acid, glycolic acid, fumaric acid và succinic acid giúp acid hóa môi trường để hỗ trợ quá trình chuyển đổi phospho không hoà tan trong đất thành dạng hoà tan. Nhiều loài của vi khuẩn Bacillus như B. subtilis, B. circulans, B. cereus, B. fusiformis, B. pumilus, B. megaterium, B. mycoides, B. coagulans, B. chitinolyticus,... đã được báo cáo là vi khuẩn phân giải phospho. Ngoài ra, B.subtilis và B.licheniformis là những loài tiềm năng trong việc sản xuất enzyme phytase có vai trò phân hủy hợp chất phytate trong đất giải phóng phospho là dạng dễ hấp thu cho cây trồng, giúp cho cây phát triển tốt hơn [4].

Khả năng phân giải kali của Bacillus

Kali là chất dinh dưỡng thực vật quan trọng thứ ba sau nitơ và phospho, đóng vai trò chính trong sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng. Lượng kali có sẵn trong đất rất lớn, tuy nhiên hơn 98% trong số đó ở dạng thực vật không thể sử dụng được. Vi khuẩn hòa tan kali có thể biến dạng kali phức tạp thành dạng dễ hấp thu thông qua việc sản xuất các acid hữu cơ [4]. Quá trình hòa tan kali đã được tìm thấy ở nhiều loài Bacillus khác nhau như B. velezensis, B. megaterium, B. subtilis, B. mucilaginosus [5].

Bacillus sản xuất Siderophores

Siderophores là các hợp chất hóa học đặc biệt được các vi khuẩn sản xuất để tăng khả năng hấp thụ các ion kim loại như sắt (Fe²⁺ và Fe³⁺) từ môi trường xung quanh. Các loại siderophores khác nhau có cấu trúc hóa học đa dạng và khả năng đặc biệt trong việc chọn lọc và kết hợp với sắt.

Ngoài ra, các vi khuẩn sản xuất siderophore có thể ức chế sự phát triển của mầm bệnh trong vùng rễ. Với tất cả các chức năng này, vi khuẩn sản xuất siderophore giúp thực vật phát triển thông qua cơ chế tăng hấp thu sắt, xử lý kim loại và kiểm soát mầm bệnh [6]. Một số các loài Bacillus như B.licheniformis, B. pumilus, B. anthracis, B. thuringiensis, B.cereus, B. velezensis, B. atrophaeus, B. mojavensis và B. halodenitrificans tạo ra các siderophores trọng lượng phân tử thấp như enterobactin, pyochelin, alcaligin và rhizoferin có khả năng tạo phức với sắt có thể được cây trồng hấp thụ dễ dàng [7].

Bacillus sản xuất Phytohormone

Phytohormone là gì? Vai trò của Phytohormone

Phytohormone, còn được gọi là hormone thực vật hay chất điều hòa sinh trưởng thực vật (PGR). Phytohormone được sản xuất ở mức độ thấp nhưng đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh các khía cạnh khác nhau của sự sinh trưởng, phát triển và phản ứng của thực vật với các kích thích môi trường.

Hormone thực vật liên quan đến khả năng chịu stress, trạng thái ngủ của hạt, sự hình thành hoa, sự phát triển của chồi bên, sự tăng sinh và biệt hóa tế bào, ức chế sự lão hóa sớm của lá và thúc đẩy khả năng chống chịu kim loại nặng. Ngoài ra, chúng cũng có chức năng như các phân tử truyền tín hiệu cho phép thực vật phản ứng với các stress phi sinh học và sinh học [8]. Các loài như B. amyloliquefaciens, B. megaterium, B. licheniformis, B. pumilus và B. subtilis cư trú trong vùng rễ và ảnh hưởng tích cực đến sự phát triển của thực vật. Một số phytohormone được biết là do Bacillus spp. sản xuất, bao gồm indole acetic acid (IAA), cytokinins (CK), gibberellins (GA) và abscisic acid (ABA).

Bacillus sản xuất Phytohormone như thế nào?

Indole acetic acid (IAA) là một phân tử tín hiệu mạnh quan trọng trong tương tác giữa thực vật và vi khuẩn, trực tiếp cải thiện sự phát triển của thực vật bằng cách nâng cao nguồn auxin thực vật dẫn đến sự kéo dài tế bào, phát triển mô mạch và đỉnh. Các loài Bacillus sản xuất IAA thúc đẩy sự tăng trưởng và bảo vệ thực vật khỏi mầm bệnh bằng cách tăng cường cơ chế bảo vệ của thực vật.

Trong số các con đường tổng hợp IAA khác nhau đã được xác định, tryptophan đã được xem là tiền chất chính. Các loài Bacillus có thể chuyển hóa tryptophan, một loại amino acid có trong mô thực vật, hình thành IAA thông qua các con đường enzyme khác nhau. Một trong những enzyme chủ chốt tham gia vào quá trình chuyển hóa này là tryptophan decarboxylase.

Ngoài ra, một số loài Bacillus có thể sản xuất indole, tiền chất của quá trình tổng hợp IAA. Indole có thể được chuyển hóa thành IAA thông qua các phản ứng sinh hóa khác nhau [9].

Cytokinin giúp thúc đẩy sự phân chia tế bào và phát triển của các búp hoa, nụ hoa, và các phần khác của cây. Nó cũng có thể ảnh hưởng đến quá trình củng cố mô và chống lại stress môi trường. B. cereus, B. megaterium và B. subtilis là các loài sản xuất nhiều loại cytokinin bao gồm zeatin, zeatin riboside, zeatin glycoside, izopentyl adenine và izopentyl adenosine.

Một nhóm phytohormone khác được sản xuất và tiết ra bởi Bacillus spp. là gibberellin tham gia thúc đẩy sự phát triển của cây bằng cách làm kéo dài thân, lá, rễ, kích thích phát triển hạt, giúp cây vượt qua điều kiện môi trường khắc nghiệt, tạo điều kiện cho sự nảy mầm và thúc đẩy quá trình ra hoa. Việc sản xuất acid gibberellic bởi Bacillus spp. có thể liên quan đến sự gia tăng tổng hợp các chất biến dưỡng như amino acid, đa lượng và vi lượng, fructose và carotenoids, do đó làm tăng chất lượng của cây trồng [10].

Cây trồng chống chịu stress nhờ Bacillus

Sự giảm sút về năng suất và những thay đổi về tốc độ tăng trưởng của cây trồng là do các stress phi sinh học và sinh học gây ra. Các tác nhân stress môi trường có thể kể đến như sự tăng nhiệt độ, hạn hán, lũ lụt, nóng lạnh, bức xạ UV (stress phi sinh học) và các bệnh cây do vi sinh vật gây ra (stress sinh học).

Hiện nay, nhiều phương án đã được đề xuất để chống lại những tác động tiêu cực từ môi trường, ví dụ như, tăng cường biểu hiện các gene mã hóa các enzyme liên quan đến việc vận chuyển các ion và loại bỏ các gốc tự do (ROS) là phổ biến nhất trong những năm qua. Tuy nhiên việc áp dụng phương pháp này bị hạn chế do tác động đến sự phát triển của thực vật.

Một chiến lược khác là sử dụng phân bón hóa học và thuốc trừ sâu nhưng các hóa chất này gây hại cho môi trường và tồn dư trong chuỗi nông sản thực phẩm [11]. Do đó, các giải pháp và chiến lược không gây hại, thân thiện với môi trường, bền vững và lấy cảm hứng từ thiên nhiên là rất cần thiết. Một số nghiên cứu đã chứng minh rằng Bacillus spp. có thể tiết ra một số hợp chất sinh học [stimulants] kích hoạt các cơ chế bảo vệ thực vật chống lại cả stress phi sinh học và stress sinh học.

Stress sinh học

Sử dụng các vi khuẩn có lợi là một phương pháp tuyệt vời để hạn chế tác động bất lợi của vi khuẩn gây bệnh đối với sức khỏe và năng suất cây trồng. Rất nhiều những nghiên cứu đã được thực hiện nhằm xác định các vi sinh vật có thể ức chế các mầm bệnh thực vật, đặc biệt là những tác nhân gây ra các bệnh truyền qua đất và ảnh hưởng đến năng suất cây trồng.

Nhiều chủng Bacillus có khả năng kiểm soát mầm bệnh và do đó có thể được sử dụng để bảo vệ cây trồng. Một số cơ chế, cả trực tiếp và gián tiếp, chịu trách nhiệm về khả năng kiểm soát tác nhân gây bệnh bao gồm việc sản xuất một loạt các hợp chất kháng sinh (lipopeptide), khả năng hình thành nội bào tử, khả năng hình thành màng sinh học trên bề mặt rễ và khả năng tạo ra sức đề kháng và kích thích sự phát triển của cây [12].

Stress sinh học thường liên quan đến việc sản xuất các gốc oxy hóa hoạt động [ROS] dẫn đến stress oxy hóa và gây độc cho tế bào. Việc bổ sung Bacillus vào thực vật đã cho thấy khả năng sản xuất các enzyme bảo vệ chống oxy hóa như superoxide dismutase và peroxidase, giúp loại bỏ ROS.

Hơn nữa, Bacillus spp. còn tiết ra một số loại enzyme khác như protease, chitinase và glucanase và các chất chuyển hóa thứ cấp góp phần ức chế mầm bệnh. Đặc biệt, Bacillus spp. tiết ra các kháng sinh lipopeptide dạng vòng như iturin và surfactin có vai trò kháng nấm và tạo tính kháng hệ thống [Induced Systematic Resistant- ISR], là khả năng phòng vệ của thực vật được tăng cường sau khi được kích thích phù hợp để chống lại hàng loạt các mầm bệnh như nấm, vi khuẩn, tuyến trùng, virus và côn trùng gây hại [13].

Stress phi sinh học

Biến đổi khí hậu toàn cầu gia tăng tác động stress phi sinh học đến cây trồng. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, tổn thất do các tác nhân gây stress phi sinh học đã gia tăng ở mức báo động trong những năm gần đây, đe dọa nghiêm trọng đến an ninh lương thực. Những stress này thường dẫn đến sự tích tụ các gốc oxy hóa hoạt động (ROS) làm giảm hiệu suất quang hợp, cuối cùng dẫn đến giảm sự phát triển của cây và năng suất cây trồng [14].

Stress muối

Khi độ mặn của đất tăng lên, cây trồng chịu áp lực thẩm thấu dẫn đến giảm khả năng hấp thụ nước của rễ và tăng tốc độ mất nước từ lá. Sự mất cân bằng dinh dưỡng trong thời kỳ stress muối gây ra phản ứng phòng vệ, nhưng trong điều kiện đất nhiễm mặn nghiêm trọng cây không thể tự giải độc. Các tác động xấu khác của stress muối cũng được thấy ở việc giảm hoạt động chống oxy hóa của các enzyme làm giảm hiệu suất quang hợp.

Cơ chế bền vững và thân thiện với môi trường để đối phó với stress muối là bổ sung vi sinh vật, trong đó Bacillus có vai trò rất quan trọng. Các nghiên cứu về tương tác giữa Bacillus và thực vật cho thấy một số cơ chế được sử dụng để chống chịu mặn ở cây trồng là cân bằng nội môi ion Na⁺, tổng hợp chất thẩm thấu của thực vật (proline, glycine betaine, đường và polyol), kích hoạt các enzyme chống oxy hóa (SOD, CAT, GPX và APX), tổng hợp polyamine và điều hòa acid abscisic.

Stress nhiệt

Khi nhiệt độ tăng, lượng nước mất đi do thoát hơi nước tăng lên, quá trình thoát hơi nước kéo dài, cây sẽ bị héo và cuối cùng là chết. Nhiệt độ tăng nhanh làm suy yếu quá trình hình thành nốt sần ở thực vật, quá trình cố định N₂ bị ảnh hưởng và dẫn đến cây sinh trưởng kém hơn. Bacillus một lần nữa đóng vai trò quan trọng trong việc giảm stress nhiệt ở cây trồng bằng cách tăng cường sản xuất các chất cân bằng áp suất thẩm thấu giúp bảo vệ cây trồng khỏi stress nhiệt. Ngoài ra, chúng tiết ra một số loại polysaccharides tạo thành màng sinh học xung quanh các nốt sần ở rễ, làm tăng khả năng giữ nước lên gấp nhiều lần.

Sự điều hòa stress nhiệt ở thực vật là một quá trình phức tạp và các loài Bacillus phát triển trong điều kiện stress nhiệt đóng vai trò rất lớn vì chúng có khả năng tiết ra protein, lipopolysaccharide (LPS) và exopolysaccharides (EPS) để chống lại với vấn đề tăng nhiệt độ [15]. Ngoài ra, Bacillus còn sản xuất enzyme ACC deaminase đóng vai trò thiết yếu trong việc bảo vệ cây trồng khỏi các stress như hạn hán, mặn, nhiệt độ cao, nhiễm độc kim loại và các chất gây ô nhiễm hữu cơ bằng cách làm giảm hoạt động của stress ethylene.

Tóm lại:

Ứng dụng Bacillus trong nông nghiệp giúp nâng cao tính bền vững của hệ sinh thái đất – thực vật – môi trường. Bacillus là một trong những vi khuẩn được khai thác thương mại nhiều nhất, tuy nhiên tiềm năng của nó cần được quan tâm và ứng dụng mạnh mẽ hơn để nâng cao hiệu quả cũng như cân bằng hệ sinh thái trong sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam.

Bài viết của KMVE team, vui lòng trích dẫn nguồn khi bạn sử dụng thông tin trong bài viết

Tài liệu tham khảo

[1] Nayak, S. K., Nayak, S., & Patra, J. K. (2020). Rhizobacteria and its biofilm for sustainable agriculture: a concise review. New and future developments in microbial biotechnology and bioengineering: microbial biofilms, 165-175.

[2] Di Benedetto, N. A., Corbo, M. R., Campaniello, D., Cataldi, M. P., Bevilacqua, A., Sinigaglia, M., & Flagella, Z. (2017). The role of plant growth promoting bacteria in improving nitrogen use efficiency for sustainable crop production: a focus on wheat. AIMS microbiology, 3(3), 413.

[3] Kalayu, G. (2019). Phosphate solubilizing microorganisms: promising approach as biofertilizers. International Journal of Agronomy, 2019, 1-7.

[4] Singh, N. P., Singh, R. K., Meena, V. S., & Meena, R. K. (2015). Can we use maize (Zea mays) rhizobacteria as plant growth promoter. Vegetos, 28(1), 86-99.

[5] Sindhu, S. S., Parmar, P., & Phour, M. (2013). Nutrient cycling: potassium solubilization by microorganisms and improvement of crop growth. In Geomicrobiology and biogeochemistry (pp. 175-198). Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg.

[6] Meena, V. S., Maurya, B. R., Meena, S. K., Meena, R. K., Kumar, A., Verma, J. P., & Singh, N. P. (2016). Can Bacillus species enhance nutrient availability in agricultural soils?. Bacilli and agrobiotechnology, 367-395.

[7] Miljaković, D., Marinković, J., & Balešević-Tubić, S. (2020). The significance of Bacillus spp. in disease suppression and growth promotion of field and vegetable crops. Microorganisms, 8(7), 1037.

[8] Saxena, A. K., Kumar, M., Chakdar, H., Anuroopa, N., & Bagyaraj, D. J. (2020). Bacillus species in soil as a natural resource for plant health and nutrition. Journal of applied microbiology, 128(6), 1583-1594.

[9] Wagi, S., & Ahmed, A. (2019). Bacillus spp.: potent microfactories of bacterial IAA. PeerJ, 7, e7258.

[10] Radhakrishnan, R., & Lee, I. J. (2016). Gibberellins producing Bacillus methylotrophicus KE2 supports plant growth and enhances nutritional metabolites and food values of lettuce. Plant Physiology and Biochemistry, 109, 181-189.

[11] Tsotetsi, T., Nephali, L., Malebe, M., & Tugizimana, F. (2022). Bacillus for plant growth promotion and stress resilience: What have we learned?. Plants, 11(19), 2482.

[12] Chausali, N., & Saxena, J. (2022). Role of Bacillus species in alleviating biotic stress in crops. In Bacilli in Agrobiotechnology: Plant Stress Tolerance, Bioremediation, and Bioprospecting (pp. 365-391). Cham: Springer International Publishing

[13] del Carmen Orozco-Mosqueda, M., Fadiji, A. E., Babalola, O. O., & Santoyo, G. (2023). Bacterial elicitors of the plant immune system: An overview and the way forward. Plant Stress, 100138.

[14] Tsotetsi, T., Nephali, L., Malebe, M., & Tugizimana, F. (2022). Bacillus for plant growth promotion and stress resilience: What have we learned?. Plants, 11(19), 2482.

[15 Singh, R. K., Masurkar, P., & Pandey, S. K. and Suman Kumar. Plant Growth Promoting Rhizobacteria for Sustainable Stress Management, 345.