MỞ ĐẦU Bệnh thực vật đang là một trong những nguyên nhân chủ yếu gây thiệt hại năng suất cây trồng và đe dọa đến tình hình an ninh lương thực toàn cầu. Theo nghiên cứu của Savary và cs. (2019), các tác nhân khác nhau như côn trùng, vi sinh vật và động vật hàng năm gây thiệt hại từ 20-40% năng suất cây trồng. Trong số các tác nhân gây bệnh thực vật, nấm là một tác nhân chính gây ra các thiệt hại lớn trong sản xuất nông nghiệp.
Theo thống kê của Tổ chức Nông Lương Liên Hiệp Quốc (Food and Agriculture Organization of the United Nations; FAO), 70-80% vi sinh vật gây bệnh thực vật là nấm. Trong số đó, Botrytis cinerea và Fusarium oxysporum là hai đối tượng gây bệnh quan trọng trên nhiều đối tượng cây trồng khác nhau, trong đó có cà chua - cây rau màu quan trọng với sản lượng hàng năm hơn 180 triệu tấn. cinerea gây chết non 70% số cây cà chua và gây ra thối quả trong và sau thu hoạch, với ước tính thiệt hại từ 10 đến 100 tỷ USD mỗi năm. oxysporum gây bệnh héo Fusarium và đang là vấn đề thời sự khi gây ra những thiệt hại lớn cho nền sản xuất nông nghiệp đối với nhiều loại cây trồng khác nhau.
Để hạn chế tác hại của bệnh thực vật, nhiều loại thuốc bảo vệ thực vật đã được sử dụng phổ biến trong sản xuất nông nghiệp. Ước tính từ năm 2000, lượng thuốc bảo vệ thực vật sử dụng hàng năm trên toàn thế giới là 3,08 triệu tấn và con số này đã lên tới 4,19 triệu tấn trong năm 2019. Chi phí cho thuốc bảo vệ thực vật trên toàn thế giới năm 2019 ước tính khoảng 84,5 tỷ USD, và với mức độ tăng trưởng 4,2% năm, dự kiến sẽ tăng lên 130 tỷ USD vào năm 2023. Tuy nhiên thực tế cho thấy việc sử dụng các loại thuốc này gây ra những tác hại to lớn đối với môi trường sống cũng như sức khoẻ con người.
Theo xu hướng phát triển kinh tế xanh, bền vững trên toàn cầu, thuốc bảo vệ thực vật sinh học là giải pháp phù hợp để phát triển nền nông nghiệp hữu cơ an toàn. Thị trường thuốc bảo vệ thực vật sinh học trên thế giới năm 2020 ước tính 4,3 tỷ USD và dự kiến tăng lên 8,5 tỷ USD năm 2025 với tốc độ tăng trưởng 14,7%. Chitosan và các sản phẩm chito-oligosaccharide (COS) là loại thuốc bảo vệ thực vật sinh học đã được ứng dụng hiệu quả cho phát triển nông nghiệp hữu cơ, giúp kiểm soát hữu hiệu các bệnh thực vật do nấm gây ra, an toàn và thân thiện với môi trường. 1 Chitosan và COS đã được Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn phê duyệt cấp phép lưu hành.
Các nghiên cứu và thực tế cho thấy chitosan và COS có khả năng kiểm soát nấm gây bệnh thực vật thuộc các chi Fusarium, Rhizopus, Phythophthora, Botrytis, Alternaria…vv. Hiệu quả chống nấm của COS và chitosan phụ thuộc vào mức độ polymer hoá (degree of polymeration; DP) và mức độ deacetyl hoá (degree of deacetylation; DDA). Chitosan và COS được điều chế từ chitin, một polymer sẵn có nhiều thứ hai trong tự nhiên và là thành phần cấu tạo chính của vỏ ngoài các động vật giáp xác như tôm, cua, …vv. Trong khi đó, Việt Nam luôn nằm trong số các quốc gia hàng đầu về nuôi trồng thủy sản và xuất khẩu tôm, do đó đã tạo ra một lượng phế phẩm vô cùng lớn.
Sản lượng tôm hàng năm xuất khẩu ước tính đạt 800-900 nghìn tấn và tạo ra lượng phế phẩm vỏ đầu tôm lớn chứa chitin (15% trọng lượng). Sử dụng nguồn phế phẩm này để sản xuất thuốc bảo vệ sinh học (COS và chitosan) sẽ không chỉ làm giảm hiện tượng ô nhiễm môi trường do lượng chất thải từ đầu vỏ tôm gây ra mà còn tạo ra sản phẩm có giá trị để phát triển nền nông nghiệp hữu cơ an toàn. Mặc dù vậy, các nghiên cứu về hiệu quả COS và chitosan được sản xuất ra để ứng dụng cho việc kiểm soát các bệnh cây trồng vẫn còn nhiều hạn chế. Cho đến nay, chưa có nhiều công trình nghiên cứu đồng bộ ở mức độ in vitro, in vivo và phân tử về vai trò kiểm soát nấm gây bệnh thực vật và khả năng kích kháng của COS đối với cây trồng.
Đặc biệt, những nghiên cứu về tính kháng của COS trên mô hình thực vật vẫn còn hạn chế. Các nghiên cứu gây nhiễm mới chỉ trên các bộ phận bị tách ra từ cây như lá, hoa của dâu tây, nho hoặc mô hình cây Arabidopsis. Do đó, đề tài “Nghiên cứu hoạt tính kháng một số nấm gây bệnh thực vật và vai trò kích kháng của chito-oligosaccharide trên mô hình cây cà chua (Solanum lycopersicum)” được thực hiện nhằm làm sáng tỏ vai trò của COS trong kiểm soát nấm bệnh B. oxysporum, và vai trò kích kháng thực vật trên mô hình cây cà chua.
Kết quả đề tài sẽ là luận cứ khoa học và thực nghiệm giúp cho phát triển chế phẩm COS có chất lượng và hoạt tính cao trong việc kiểm soát hai loài nấm bệnh thực vật phổ biến là nấm gây bệnh thối xám (B. cinerea) và nấm gây bệnh héo cây (F. 2 Mục tiêu nghiên cứu Điều chế COS bằng phương pháp thuỷ phân chitosan sử dụng enzyme chitinase từ nguồn vi sinh vật bản địa; đánh giá hoạt tính kháng nấm gây bệnh thực vật B. oxysporum và tính kích kháng thực vật trên mô hình cây cà chua của mẫu COS được tạo ra.
Nội dung nghiên cứu - Điều chế COS bằng phương pháp thuỷ phân sử dụng chitinase từ nguồn vi sinh vật bản địa tại Việt Nam và phân tích thành phần mẫu COS thu được. - Nghiên cứu hoạt tính kháng nấm in vitro của mẫu COS đối với hai đối tượng nấm gây bệnh thực vật B. - Nghiên cứu hoạt tính kháng nấm in vivo của mẫu COS trên lá cây cà chua. - Nghiên cứu tính kích kháng của mẫu COS trên mô hình cây cà chua thông qua đánh giá các chỉ thị phân tử từ thực vật và sự biểu hiện của các gene liên quan đến tính kháng bệnh.
Những đóng góp mới của luận án - Đã tạo ra hai loại COS có thành phần oligo khác nhau với DP từ 2-10 bằng phương pháp thuỷ phân sử dụng chitinase từ chủng xạ khuẩn Streptomyces macrosporeus VTCC 940003 (COSA) và nấm sợi Beauveria bassiana VN10-F1103 (COSB) có khả năng kháng hai đối tượng nấm gây bệnh thực vật B. oxysporum; trong đó, COSA có khả năng kháng nấm B. cinerea tốt hơn COSB. - Đã minh chứng được tính kích kháng của mẫu COS trên mô hình cây cà chua chống lại tác nhân nấm gây bệnh thực vật B.
NẤM GÂY BỆNH THỰC VẬT VÀ BIỆN PHÁP PHÒNG TRỪ 1. Thực trạng nấm gây bệnh thực vật Nấm là tác nhân chính gây bệnh trên thực vật, chiếm 70-80% tổng số tác nhân gây bệnh từ vi sinh vật [80]. Nấm gây bệnh trên thực vật không những gây ra thiệt hại lớn về sản lượng mà còn giảm chất lượng của các sản phẩm nông sản. Theo ước tính, nấm cùng với các tác nhân khác gây ra thiệt hại khoảng một phần ba sản lượng mùa vụ, làm ảnh hưởng nghiêm trọng đời sống của con người [125].
Trong quá khứ, nấm gây bệnh mốc sương Phytophthora infestans ở khoai tây đã gây ra nạn đói ở Ireland (1845-1852) và cái chết của hơn một triệu người, làm ảnh hưởng nghiêm trọng tình hình kinh tế không chỉ của Ireland mà còn của toàn châu Âu trong thời gian đó [100]. Năm 1970, bệnh gây chết héo trên chuối đã được xác định là do nấm F. cubense gây ra. Đến nay, những thiệt hại gây ra bởi F.
cubense đối với nền nông nghiệp trồng chuối vẫn đang được ghi nhận ở nhiều quốc gia khác nhau trên toàn thế giới [92]. Bên cạnh đó, nấm cũng có thể sản sinh ra các độc tố vào các sản phẩm sau thu hoạch gây hại cho con người và các loài động vật khi ăn phải. Ví dụ như bệnh nấm cựa gà trên các cây ngũ cốc do các loài thuộc chi Claviceps gây ra, tiêu biểu là C. Từ thời Trung cổ, các hợp chất độc do nấm gây ra được ghi lại trong nhiều tài liệu lịch sử.
Ở Pháp những năm 800-900 sau Công nguyên, nhiều người đã tử vong do ăn phải bánh mì nhiễm độc tố từ nấm. Sự bùng nổ của bệnh do ăn phải thực phẩm bị nhiễm nấm cũng được ghi nhận ở Ethiopia vào năm 1977-1978 và Ấn Độ vào năm 1975. Đến nay các dịch bệnh do nấm gây ra đối với cây trồng vẫn đang diễn ra trên toàn thế giới và gây ra thiệt hại lớn lên đến hàng trăm tỉ đô mỗi năm cho nền nông nghiệp [74]. Nấm gây bệnh trên thực vật tuy rất đa dạng nhưng theo cách thức sinh trưởng và tác động trên cây chúng được chia làm hai nhóm chính là nhóm hoại sinh (necrotroph) và nhóm ký sinh (biotroph) [80].
Trong đó, nấm hoại sinh tấn công vật chủ thông vết thương hoặc lỗ hở tự nhiên. Chúng tiết ra các enzyme phân giải thành tế bào và độc tố để giết chết tế bào, từ đó chúng sử dụng nguồn dinh dưỡng từ các tế bào 4 đã bị chết. Các loài nấm hoại sinh thường có phổ vật chủ rộng. Một số đại diện của nhóm hoại sinh như B.
oxysporum, Sclerotia sclerotium, Cochliobolus heterostrophus …vv. Nấm ký sinh thường tạo ra những tổn thương nhỏ ở vật chủ và ít khi tiết độc tố hay các enzyme phân giải. Chúng sử dụng dinh dưỡng từ các khoang gian bào của cây và tồn tại ký sinh lâu dài trên cây. Các loài nấm ký sinh thường có phổ vật chủ hẹp và đặc hiệu đối với một nhóm vật chủ nhất định.
Một số ví dụ của nấm ký sinh như Blumeria (Erysiphe) graminis, Uromyces fabae, Ustilago maydis, Cladosporium fulvum, Puccinia graminis [80]. Sự phát triển bệnh phụ thuộc vào đặc điểm mầm bệnh, cây vật chủ và điều kiện môi trường. Sự tương tác của ba yếu tố này tạo ra hiện tượng nhiễm bệnh [45]. Nếu thiếu một yếu tố, ví dụ như điều kiện không thuận lợi của nhiệt độ, độ ẩm thì tình trạng nhiễm bệnh sẽ khó hoặc không xảy ra.
Để quá trình nhiễm bệnh diễn ra, đầu tiên mầm bệnh phải có độc lực và tương thích với đối tượng vật chủ đó. Một số mầm bệnh có phạm vi vật chủ rộng như B. cinerea, trong khi một số mầm bệnh khác chỉ tấn công một số ít loài thực vật như Rhizoctonia solani. Một số mầm bệnh phát triển theo cách tạo ra các dạng loài có tính đặc hiệu loài formae specialis (f.) như trường hợp của F.
oxysporum với nhiều nhóm đặc hiệu loài khác nhau. Điều kiện thứ hai là vật chủ phải ở giai đoạn nhạy cảm bệnh, ví dụ một số bệnh chỉ gây nhiễm ở giai đoạn hạt, hoặc cây non.