Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Khủng hoảng năng lượng và sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch đặt ra yêu cầu cấp bách về việc tìm kiếm các nguồn năng lượng tái tạo, trong đó có nhiên liệu sinh học từ thực vật. Tại Việt Nam, việc nghiên cứu phát triển cây trồng làm nguyên liệu sản xuất cồn sinh học đang được chú trọng. Cây cao lương ngọt (Sorghum bicolor) sở hữu tiềm năng sinh khối lớn (đạt 200 - 300 tấn/ha/năm), hàm lượng đường trong thân cao, khả năng chịu hạn tốt và nhu cầu nước cũng như phân bón chỉ bằng một nửa so với ngô và mía, rất thích hợp canh tác trên đất khô cằn và đồi núi trung du miền núi phía Bắc. Trong khuôn khổ đề tài Nghị định thư ký kết với Nhật Bản mang tên "Nghiên cứu phát triển cao lương ngọt cao sản cho vùng trung du miền núi phía Bắc làm nguyên liệu sản xuất xăng sinh học", Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên đã khảo nghiệm một số giống nhập nội.
Tuy nhiên, trong quá trình canh tác thực nghiệm, cây cao lương ngọt bị nhiều đối tượng sâu bệnh hại tấn công nghiêm trọng, đặc biệt là bệnh thối rễ. Bệnh xuất hiện ngay từ giai đoạn cây con, làm chết cây hàng loạt, giảm mật độ quần thể, cây sống sót sinh trưởng kém và dễ bị đổ ngã do tổn thương rễ, dẫn đến sụt giảm năng suất tới 40% ở một số ruộng. Do cao lương ngọt là cây trồng mới tại Việt Nam và các nghiên cứu về sâu bệnh hại còn rất hạn chế, đề tài "Điều tra diễn biến và xác định tác nhân gây bệnh thối rễ trên một số giống cao lương ngọt có triển vọng nhập nội từ Nhật Bản trồng tại Thái Nguyên" được thực hiện nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng biện pháp phòng trừ.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài gồm:
- Điều tra thành phần các loài bệnh hại trên cây cao lương ngọt.
- Điều tra diễn biến phát sinh, phát triển của bệnh thối rễ trên cao lương ngọt.
- Xác định nguyên nhân và tác nhân vi sinh vật gây bệnh thối rễ trên cây cao lương ngọt.
Nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể:
- Nhận dạng và phân loại các loại bệnh hại xuất hiện trên cây cao lương.
- Đánh giá thành phần và mức độ phổ biến của từng loại bệnh hại.
- Xác định quy luật diễn biến của bệnh thối rễ qua các kỳ điều tra ngoài đồng ruộng.
- Phân lập, giám định đặc điểm sinh học và lây bệnh nhân tạo để xác định chính xác tác nhân gây bệnh thối rễ.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Bệnh thối rễ và tập đoàn vi sinh vật gây bệnh trên 06 giống cao lương ngọt triển vọng nhập nội gồm: EN6 (Earthnote, Nhật Bản), EN8 (Earthnote, Nhật Bản), FS902 (Snow Brand Seed, Nhật Bản), NL3 (Đại học Nagoya, Nhật Bản), KCS105 (Kaneko Seeds, Nhật Bản), Sugar grase (Advanta, Úc).
- Phạm vi không gian: Thực hiện tại 02 địa điểm thuộc tỉnh Thái Nguyên: Khu thí nghiệm gần nhà lưới - Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên và ruộng sản xuất tại xã Hợp Thành, huyện Phú Lương.
- Phạm vi thời gian: Vụ xuân năm 2014 (từ tháng 3 đến tháng 5 năm 2014).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khóa luận dựa trên lý thuyết bệnh học thực vật và các tiêu chuẩn phân loại bệnh hại cây hòa thảo của Hiệp hội Bệnh thực vật Hoa Kỳ (APS) cùng các tài liệu điều tra dịch hại của Viện Bảo vệ thực vật. APS ghi nhận 44 loại bệnh hại cao lương trên thế giới (gồm 3 bệnh do vi khuẩn, 26 do nấm, 12 do tuyến trùng, 3 do virus và 1 do phytoplasma), trong khi tại Việt Nam, điều tra năm 1967 - 1968 của Viện Bảo vệ thực vật mới ghi nhận 12 loại bệnh nấm và chưa từng công bố bệnh thối rễ trên cao lương.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và điều tra nông học bao gồm:
- Phương pháp điều tra đồng ruộng: Thực hiện theo "Phương pháp điều tra cơ bản dịch hại nông nghiệp và thiên địch của chúng" (Viện Bảo vệ thực vật, 1997). Điều tra định kỳ 7 ngày/lần tại các điểm cố định theo phương pháp 5 điểm chéo góc, mỗi điểm theo dõi 50 cây.
- Chỉ tiêu tính toán và thang đo:
- Tỷ lệ bệnh: $\text{TLB } (%) = \left(\frac{A}{B}\right) \times 100$ (với $A$ là số cây có triệu chứng bệnh, $B$ là tổng số cây điều tra).
- Chỉ số bệnh: $\text{CSB } (%) = \left[\frac{\sum (n_i \times v_i)}{K \times n}\right] \times 100$ (với $n_i$ là số cây ở cấp bệnh $i$, $v_i$ là trị số cấp bệnh tương ứng, $K=4$ là cấp bệnh cao nhất, $n$ là tổng số cây điều tra).
- Thang phân cấp bệnh thối rễ (Hwang và Chang, 1989): Cấp 0 (không bị bệnh); Cấp 1 (1 - 10% diện tích rễ biến màu); Cấp 2 (11 - 25% diện tích rễ biến màu); Cấp 3 (26 - 50% diện tích rễ biến màu); Cấp 4 (> 50% diện tích rễ biến màu).
- Đánh giá mức độ phổ biến:
+ (< 10% cây bị bệnh); ++ (11 - 25%); +++ (26 - 50%); ++++ (> 50%).
- Phân lập và nuôi cấy vi sinh vật: Sử dụng các môi trường dinh dưỡng chuyên dụng gồm CMA (Corn Meal Agar), PDA (Potato Dextrose Agar), OMA (Oat Meal Agar), RBA (Rose Bengal Agar), NA (Nutrient Agar), CDA (Czapek-Dox Agar), YMA (Yeast Malt Agar), TTC, WA (Water Agar) và PDA-pepton. Vi khuẩn được kiểm tra sinh hóa (Gram, Catalase, Oxidase) và đo mật độ quang học ở bước sóng 405 nm bằng máy quang phổ kế.
- Quy trình lây bệnh nhân tạo (Kiểm chứng giả thuyết Koch): Hạt cao lương gieo trong đất cát khử trùng. Cây con 10 ngày tuổi được xử lý lây nhiễm dung dịch huyền phù nấm hoặc vi khuẩn nồng độ $5 \times 10^6$ bào tử/ml (hoặc dịch vi khuẩn tương ứng) với quy mô 50 cây/công thức thí nghiệm và 50 cây đối chứng (xử lý nước cất vô trùng), nhắc lại 3 lần trong nhà lưới. Theo dõi triệu chứng ở các mốc 5, 10, 15, 20, 25, 30 ngày sau lây nhiễm và tiến hành tái phân lập mầm bệnh.
Nội dung chính theo từng chương
Phần 1: Mở đầu
Trình bày tính cấp thiết của việc phát triển cao lương ngọt làm nguyên liệu sản xuất ethanol sinh học tại vùng trung du miền núi phía Bắc trong bối cảnh giá nhiên liệu tăng cao. Nêu rõ tác hại kinh tế nghiêm trọng của bệnh thối rễ (giảm tới 40% năng suất), xác định mục đích, yêu cầu, ý nghĩa học tập và ý nghĩa thực tiễn của đề tài trong việc bảo vệ mùa màng.
Phần 2: Tổng quan nghiên cứu
Tổng thuật các nghiên cứu bệnh hại cao lương trong nước và quốc tế. Hệ thống hóa danh mục 44 bệnh hại theo APS, phân tích chi tiết triệu chứng, dịch tễ và biện pháp quản lý các bệnh nguy hiểm: đốm lá vi khuẩn (Pseudomonas syringae pv. syringae), đốm vạch (Burkholderia andropogonis), thán thư (Colletotrichum graminicola), thối than (Macrophomina phaseolina), sương mai (Peronosclerospora sorghi), đốm lá lớn (Exserohilum turcicum), than đen (Sporisorium spp.), thối rễ do Pythium, Fusarium và Periconia circinata. Phần nghiên cứu trong nước điểm lại 12 loài nấm bệnh được phát hiện năm 1967 - 1968 và các khảo nghiệm giống cao lương ngọt tại Hà Nội, Cần Thơ, Hải Dương, Thái Nguyên.
Phần 3: Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu
Mô tả chi tiết 06 giống cao lương ngọt thí nghiệm (EN6, EN8, FS902, NL3, KCS105, Sugar grase), địa điểm thực hiện (Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên và xã Hợp Thành, Phú Lương). Trình bày hệ thống phương pháp điều tra dịch hại nông nghiệp, phương pháp lấy mẫu bằng túi giấy tránh hoại sinh, các công thức toán học tính TLB, CSB, quy trình giám định hình thái, kỹ thuật nuôi cấy trên các môi trường chọn lọc và phương pháp lây bệnh nhân tạo trong nhà lưới để xác minh tác nhân gây bệnh theo nguyên tắc Koch.
Phần 4: Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Chương này tập trung toàn bộ các số liệu thực nghiệm thu được trong vụ xuân năm 2014, gồm 3 nội dung chính:
1. Thành phần bệnh hại cao lương ngọt tại Thái Nguyên
Khóa luận đã phát hiện 18 loại bệnh hại xuất hiện trên các bộ phận của cây cao lương ngọt, bao gồm 14 loại bệnh do nấm, 3 loại bệnh do vi khuẩn và 1 loại do virus.
| STT |
Tên bệnh thông thường |
Tên khoa học của tác nhân |
Bộ phận bị hại |
Mức độ gây hại |
| 1 |
Đốm lá |
Leptosphaeria septovariata Saccas |
Lá |
+ |
| 2 |
Đốm vân |
Leptosphaeria grisea Paserini |
Lá |
+ |
| 3 |
Sẹo đen |
Phyllachora sorghi Hoehn. |
Lá |
+ |
| 4 |
Rỉ sắt |
Puccinia purpurea Cooke |
Lá |
+ |
| 5 |
Đốm nâu tím |
Curvularia lunata (Wakker) Boedijn |
Lá |
+ |
| 6 |
Cháy sọc đỏ |
Curvularia sp. |
Lá |
+ |
| 7 |
Đốm đen |
Alternaria tennuis Nees |
Lá |
+ |
| 8 |
Đốm tím |
Cercospora sorghi Ellis et Everhart |
Lá |
+ |
| 9 |
Thán thư |
Colletotrichum graminicola (Ces.) Wils. |
Lá, bẹ |
++ |
| 10 |
Đốm trắng viền đỏ |
Pestalozzia andropogonis Rostr. |
Lá |
+ |
| 11 |
Đốm trắng |
Phyllosticta sorghi Sacc. |
Lá |
+ |
| 12 |
Cháy lá |
Septoria sorghi Padiwck |
Lá |
+ |
| 13 |
Đốm lá |
Bipolaris cookei (Sacc.) Shoemaker |
Lá |
++ |
| 14 |
Thối rễ |
Pythium graminicola, Fusarium moniliforme |
Rễ |
++ |
| 15 |
Thối rễ |
Erwinia sp. |
Rễ |
++ |
| 16 |
Đốm vạch vi khuẩn |
Pseudomonas andropogonis Stapp |
Lá |
++ |
| 17 |
Thối nõn |
Vi khuẩn (chưa xác định được loài) |
Nõn |
++ |
| 18 |
Khảm ngô |
Maize Mosaic Virus |
Cây |
+ |
2. Diễn biến bệnh thối rễ hại cao lương ngọt
Bệnh thối rễ xuất hiện rất sớm, từ 7 ngày sau trồng (giai đoạn cây con), tăng dần và đạt đỉnh ở 21 ngày sau trồng, sau đó có xu hướng giảm nhẹ do bộ rễ cây già hóa và điều kiện thời tiết thay đổi.
| Ngày điều tra (2014) |
Điểm điều tra: Phú Lương |
|
Điểm điều tra: ĐH Nông Lâm |
|
|
TLB (%) |
CSB (%) |
TLB (%) |
CSB (%) |
| 23/3 - 24/3 (7 ngày sau trồng) |
6,8 |
2,1 |
5,6 |
2,0 |
| 30/3 - 31/3 (14 ngày sau trồng) |
10,0 |
3,4 |
7,4 |
2,9 |
| 06/4 - 07/4 (21 ngày sau trồng) |
14,0 |
5,1 |
11,6 |
4,5 |
| 13/4 - 14/4 (28 ngày sau trồng) |
14,0 |
4,7 |
11,4 |
4,0 |
| 20/4 - 21/4 (35 ngày sau trồng) |
13,6 |
4,2 |
11,4 |
3,7 |
| 27/4 - 28/4 (42 ngày sau trồng) |
12,4 |
3,5 |
10,9 |
3,4 |
3. Triệu chứng và tác nhân gây bệnh thối rễ
Từ các mẫu bệnh ngoài đồng, tác giả phân loại được 3 dạng triệu chứng tương ứng với 3 nhóm tác nhân sinh học:
- Dạng 1 (Pythium graminicola): Vết bệnh màu đen tối, đốm nâu đỏ hoặc đen trên rễ, rễ chết chuyển màu nâu. Nấm thuộc lớp Oomycetes, sợi nấm không vách ngăn, sinh sản vô tính bằng bọc bào tử động giải phóng du động bào tử qua bọc giả. Nhiệt độ tối ưu trên môi trường CMA là 28 - 30°C (tốc độ mọc 37 mm/ngày ở 30°C), ngưỡng nhiệt độ phát triển từ 5 - 37°C, ngừng sinh trưởng ở 40°C. Thí nghiệm lây bệnh nhân tạo gây bệnh sau 5 ngày và đạt tỷ lệ nhiễm 86% sau 30 ngày (đối chứng 0%).
- Dạng 2 (Fusarium moniliforme): Rễ mới có vết bệnh kích thước đa dạng, rễ già bị phân hủy làm cây còi cọc và dễ bật gốc. Bào tử nhỏ đơn bào hoặc 2 tế bào (kích thước 2,5 - 6 $\times$ 5 - 12,5 $\mu$m); bào tử lớn hình lưỡi liềm có 3 - 5 vách ngăn (kích thước 4 - 6,5 $\times$ 24 - 45 $\mu$m). Sinh trưởng mạnh nhất trên PDA (đường kính tản nấm đạt $74,95 \pm 0,35$ mm sau 7 ngày ở 25°C) và YMA ($73,80 \pm 0,15$ mm). Tốc độ mọc tăng theo nhiệt độ từ 24°C (10,8 mm/ngày) đến 30°C (18,0 mm/ngày, đường kính 90 mm sau 5 ngày). Lây bệnh nhân tạo gây tỷ lệ bệnh 62% sau 30 ngày.
- Dạng 3 (Erwinia sp.): Vết bệnh màu đen tối không định hình, dạng thối ướt kèm mùi hôi. Vi khuẩn thuộc họ Enterobacteriaceae, trực khuẩn Gram âm, không lông roi, kỵ khí tùy tiện, phản ứng catalase (-), oxidase (+). Khuẩn lạc trên TTC có màu vàng nhạt với tâm màu hồng nhạt; trên PDA-pepton có màu vàng nhạt hoặc màu kem. Nhiệt độ sinh trưởng tối thích 27 - 32°C, nhiệt độ gây chết là 50°C. Trên môi trường lỏng PDA-pepton (đo quang 405 nm), pha tiềm tàng kéo dài 4 - 6 giờ, tăng trưởng cực đại sau 13 - 14 giờ trước khi sang pha cân bằng.
Phần 5: Kết luận và đề nghị
Tổng kết các phát hiện về thành phần bệnh hại, quy luật phát sinh và khẳng định vai trò của 3 tác nhân gây bệnh thối rễ cao lương ngọt. Đề xuất các biện pháp canh tác (chọn đất thoát nước, xử lý giống và đất trước khi gieo, tránh gieo trồng vào đợt mưa dầm) và định hướng nghiên cứu chuyên sâu tiếp theo.
Kết quả và đóng góp
Khóa luận đã ghi nhận các kết quả thực nghiệm định lượng cụ thể:
- Xác định được 18 loại bệnh hại trên cao lương ngọt vụ xuân 2014 tại Thái Nguyên, trong đó nhóm bệnh có mức độ gây hại đáng kể (
++) gồm thán thư, đốm lá Bipolaris cookei, đốm vạch vi khuẩn, thối nõn vi khuẩn và thối rễ.
- Xác lập đường cong dịch tễ bệnh thối rễ: bệnh phát sinh từ 7 ngày sau trồng, đạt đỉnh gây hại cao nhất ở 21 ngày sau trồng (tại Phú Lương TLB đạt 14,0%, CSB đạt 5,1%; tại Đại học Nông Lâm TLB đạt 11,6%, CSB đạt 4,5%) trước khi giảm dần.
- Giám định và chứng minh thành công tác nhân gây bệnh thối rễ bằng quy trình lây bệnh nhân tạo và tái phân lập theo giả thuyết Koch:
- Nấm Pythium graminicola gây tỷ lệ bệnh 86% sau 30 ngày lây nhiễm.
- Nấm Fusarium moniliforme gây tỷ lệ bệnh 62% sau 30 ngày lây nhiễm.
- Vi khuẩn Erwinia sp. gây triệu chứng thối ướt có mùi hôi.
- Đề xuất các giải pháp kỹ thuật canh tác: không gieo trồng cây con trong điều kiện mưa dầm kéo dài, bố trí ruộng có khả năng thoát nước tốt, tiến hành xử lý hạt giống và khử trùng đất trước khi gieo nhằm hạn chế nguồn nấm và vi khuẩn xâm nhập qua vết thương cơ giới.
- Đóng góp khoa học: Đây là công trình thực nghiệm đầu tiên tại Việt Nam điều tra toàn diện thành phần bệnh hại và phân lập, định danh chính xác các tác nhân vi sinh vật gây bệnh thối rễ (P. graminicola, F. moniliforme, Erwinia sp.) trên các giống cao lương ngọt nhập nội từ Nhật Bản.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Khóa luận tồn tại một số hạn chế gắn liền với phạm vi nghiên cứu được tác giả đề cập:
- Thời gian điều tra chỉ giới hạn trong một vụ xuân năm 2014 và tại 02 địa điểm thuộc tỉnh Thái Nguyên, chưa theo dõi biến động bệnh hại qua các vụ hè thu hoặc thu đông và trên các vùng sinh thái khác.
- Đối với tác nhân vi khuẩn gây thối rễ, nghiên cứu mới định danh đến mức độ chi (Erwinia sp.), chưa xác định được tên loài cụ thể; tương tự, bệnh thối nõn vi khuẩn và một loài nấm phân lập từ triệu chứng thối rễ vẫn chưa định danh được tên khoa học.
- Chưa tiến hành thử nghiệm hiệu lực của các hoạt chất thuốc bảo vệ thực vật sinh học hoặc hóa học cụ thể trong việc xử lý hạt và phòng trừ bệnh ngoài đồng ruộng.
Giá trị tham khảo
Khóa luận là nguồn tài liệu chuyên khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và giảng viên thuộc các chuyên ngành Nông học, Khoa học cây trồng, Bảo vệ thực vật và Công nghệ sinh học nông nghiệp.
Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao gồm:
- Quy trình phân lập, làm thuần và nuôi cấy nấm Pythium, Fusarium và vi khuẩn Erwinia trên các hệ môi trường dinh dưỡng chuyên biệt (CMA, PDA, OMA, TTC, PDA-pepton).
- Giao thức thực nghiệm lây bệnh nhân tạo trong cát khử trùng để kiểm chứng nguyên tắc Koch trên cây con hòa thảo.
- Dữ liệu tham chiếu về diễn biến bệnh học phục vụ công tác quy hoạch vùng trồng và quản lý dịch hại khi nhập nội các giống cao lương ngọt phục vụ công nghiệp năng lượng sinh học tại Việt Nam.
Câu hỏi thường gặp
1. Khóa luận đã khảo nghiệm trên những giống cao lương ngọt nào và có nguồn gốc từ đâu?
Nghiên cứu khảo nghiệm 06 giống nhập nội gồm: EN6 và EN8 (Công ty Earthnote, Nhật Bản), FS902 (Công ty Snow Brand Seed, Nhật Bản), NL3 (Đại học Nagoya, Nhật Bản), KCS105 (Công ty Kaneko Seeds, Nhật Bản) và Sugar grase (Công ty Advanta, Úc).
2. Diễn biến bệnh thối rễ trên đồng ruộng đạt đỉnh điểm vào thời gian nào?
Bệnh xuất hiện từ 7 ngày sau trồng, tăng nhanh và đạt đỉnh điểm cao nhất ở thời điểm 21 ngày sau trồng (đầu tháng 4/2014) với tỷ lệ bệnh 14,0%, chỉ số bệnh 5,1% tại Phú Lương và tỷ lệ bệnh 11,6%, chỉ số bệnh 4,5% tại Đại học Nông Lâm Thái Nguyên, sau đó giảm dần.
3. Những tác nhân vi sinh vật cụ thể nào được chứng minh gây bệnh thối rễ trên cao lương ngọt?
Có 3 tác nhân chính được xác định: nấm Pythium graminicola (lớp Oomycetes), nấm Fusarium moniliforme (bộ Hypocreales) và vi khuẩn Erwinia sp. (họ Enterobacteriaceae). Ngoài ra còn 1 loài nấm phân lập được nhưng chưa định danh được tên khoa học.
4. Khả năng gây bệnh của nấm Pythium graminicola và Fusarium moniliforme trong lây bệnh nhân tạo khác nhau ra sao?
Khi lây bệnh nhân tạo bằng dịch bào tử nồng độ $5 \times 10^6$ bào tử/ml trên cây con 10 ngày tuổi, nấm Pythium graminicola gây tỷ lệ nhiễm bệnh 86% sau 30 ngày theo dõi, trong khi nấm Fusarium moniliforme gây tỷ lệ nhiễm bệnh là 62% (ở cả hai thí nghiệm, công thức đối chứng tưới nước cất đều có tỷ lệ bệnh 0%).
5. Đặc điểm sinh học và điều kiện nhiệt độ phát triển của nấm Pythium graminicola được ghi nhận như thế nào?
Nấm P. graminicola có sợi nấm không vách ngăn, sinh sản vô tính qua bọc bào tử động tạo du động bào tử. Trên môi trường CMA, nấm phát triển tối ưu ở 28 - 30°C (tốc độ mọc 37 mm/ngày ở 30°C), ngưỡng nhiệt độ tối thấp là 5°C, tối cao là 37°C và ngừng sinh trưởng hoàn toàn ở 40°C.
Kết luận
Khóa luận của tác giả Lừ Thị Trang đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu điều tra thành phần bệnh hại và làm sáng tỏ nguyên nhân gây bệnh thối rễ trên các giống cao lương ngọt nhập nội tại Thái Nguyên vụ xuân 2014. Nghiên cứu chỉ ra quy luật phát sinh gây hại đạt đỉnh ở 21 ngày sau trồng và chứng minh thực nghiệm vai trò gây bệnh của nấm Pythium graminicola, Fusarium moniliforme cùng vi khuẩn Erwinia sp. theo quy tắc Koch. Kết quả này cung cấp cơ sở thực tiễn quan trọng phục vụ công tác chọn tạo giống, canh tác an toàn và bảo vệ cây cao lương ngọt làm nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học tại vùng trung du miền núi phía Bắc.
