Chương 1 TỎNG QUAN 1. Tổng quan về nam rễ cộng sinh Mycorrhiza 1. Khái niệm về nắm rễ cộng sinh Mycorrhiza Nam rễ cộng sinh là một hiện tượng cộng sinh thực vật phô biến trong tự nhiên, là hình thức cộng sinh giữa thực vật và nam. Thuật ngữ Mycorrhiza được Frank - nhà bệnh cây lâm nghiệp người Đức đưa ra dé chỉ mối quan hệ giữa nam đặc biệt giữa nắm cộng sinh và rễ cây.
Nam mycorrhiza cộng sinh với rễ thực vật nhằm hỗ trợ và cung cấp dinh đưỡng, sự giúp đỡ qua lại đó giúp cả hai cùng phát triển. Đây là sự kết hợp nam - thực vật được biết nhiều nhất và đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển của thực vật cũng như nhiều hệ sinh thái, có khoảng 80% trong số các loài thực vật sống trên Trái Đất tham gia vào việc hình thành cộng sinh nắm rễ (Brundrett và Tedersoo, 2018). Năm 2005, Hội nghị Quốc tế về Mycorrhiza lần thứ 17 được tô chức tai Lisboa - Bồ Đào Nha đã quyết định lay tên “Arbuscular Mycorrhiza Fungi” dé chỉ loại hình cộng sinh này. Do vậy, trong các tài liệu mới được công bồ, thuật ngữ “Arbuscular Mycorrhiza Fungi” (viết tat là AMF) đã được thống nhất sử dung thay cho thuật ngữ “Vesicular - Arbuscular Mycorrhiza” vào năm 2008.
Phân loại nam rễ cộng sinh Frank Martin là người tiên phong trong việc nghiên cứu mycorrhiza dẫn đến sự công nhận về 2 nhóm cộng sinh của mycorrhiza là ectomycorrhizas và endomycorhizas (Smith va Read, 2008). Ectomycorrhizas Nam rễ ngoại cộng sinh được đặc trưng bởi sợi nam bao quanh rễ dinh dưỡng, kéo dài giữa các vách tế bào mà không xuyên qua mô tế bào hình thành của một lớp bao phủ và mạng lưới Hartig. Nắm rễ ngoại cộng sinh thường có hình dạng và màu sắc nhất định (có thế nhìn thấy bằng mắt thường). Mặt cắt ngang của rễ chứa Ectomycorrhiza.
Endomycorhizas Endomycorhizas có nhiều biến đổi hơn ectomycorrhizas ở các loài cây thân thảo và cây rừng. Endomycorhizas được phân loại thêm như là arbuscular mycorrhizas, ericoid mycorrhizas, arbutoid mycorrhizas, monotropoid mycorrhizas, ectendo mycorrhizas va orchid mycorrhizas. Mỗi loại này được đặc trưng bởi su xâm nhiễm và sự khác biệt trong quá trình phát triển của những sợi nấm vào các tế bao rễ. Arbuscular mycorrhizas (AM) có kiểu cộng sinh tạo bụi trong tế bào rễ.
AM là dạng cộng sinh phô biến nhất trong tat cả các loại nam mycorrhiza (Harley, 1987) với khoảng 72 - 80% (Brundrett và Tedersoo, 2018) của tất cả các loài thực vật. Đặc điểm nhận biết của AM là sự phát triển của sợi nắm liên bào, sợi nam nội bao và bụi trong các tế bào rễ (một số loài cũng phát triển thành túi trong và giữa các tế bảo rễ) ngoài ra còn có sự sản sinh các bao tử trên các sợi nam trong và ngoài tế bao. Ericoid mycorrhizas là dạng nam rễ cộng sinh với các cây thuộc bộ Đỗ Quyên (Ericales). Ericoid mycorrhizas được đặc trưng bởi các cuộn nam hình thành trong các tế bảo biểu bì của rễ.
Các nam ericoid mycorrhizas tạo thành các mang lưới sợi nắm xung quanh bên ngoài rễ tóc, từ đó nắm xâm nhập vào các thành tế bao vỏ rễ dé hình thành các cuộn nội bảo có thể nằm trọn trong những tế bảo riêng biệt. Theo Scagel (2005), việc lây nhiễm nam Ericoid mycorrhizas làm tăng khả năng sinh trưởng của cây trồng, và tăng khả năng hấp thu chất dinh dưỡng hoặc tăng hiệu quả sử dụng chất dinh dưỡng ở một số giống cây. Arbutoid mycorrhizas và Monotropoid mycorrhizas là dang nam rễ có cả ngoại cộng sinh và nội cộng sinh nhưng chỉ xuất hiện giới hạn trong các chi thuộc họ Đỗ Quyên (Ericaceae). Hai loại nay có sự khác biệt với Ericoid mycorrhizas do có một mạng lưới Hartig cũng như các sợ nam nội bào và có liên quan đến đối tượng nam khác (Peterson va ctv 2004).
Monotropoid mycorrhizas khác biệt với Arbutoid mycorrhizas trong các tế bào biểu bì bị xâm nhập bởi một sợi đơn tạo thành hình dạng cái “cọc” xung quanh mà các tế bào chủ xây dựng thành và màng tế bao. Mặt khác, Arbutoid mycorrhizas thì phát triển một hệ sợi phức tạp trong tế bào biểu bì. Sự xâm nhiễm của mycorrhiza vào rễ lan chủ yếu qua lông hút. Ở một số loài xâm nhiễm trực tiếp qua lớp biểu bì.
Các loại nắm hình thành cau trúc sợi xoắn lớn (pelotons) và xâm nhiễm từ tế bào này sang tế bào khác (Sathiyadash và ctv, 2012). Ectendomycorrhizas là dạng nắm rễ nội - ngoại cộng sinh, mang đặc trưng của 2 loại nội cộng sinh và ngoại cộng sinh về hình thái cũng như sinh lý. Theo Yu và ctv (2001) Ectendomycorrhiza thường chỉ giới han ở những loài Penus và Larix spp. Sự cộng sinh này đặc trưng bởi sự kết hợp độc đáo của một lớp phủ nam, mạng lưới Hartig và các sợi nam trong tế bào.
Ectendomycorrhizas có vai trò quan trọng trong quá trình tái tạo các tế bào bị tổn thương. Đặc điểm, cấu trúc và chức năng của nấm rễ cộng sinh Arbuscular Mycorrhiza 1. Sợi nắm Năm 2004, Peterson và ctv nhận định sự hình thành nam nội cộng sinh AM liên quan đến hàng loạt các bước từ sự tiếp xúc với rễ đến sự hình thành vòi bám, xâm nhập vào tế bào biểu bì, sự phát triển của sợi nam nội bao và bụi, trong một số trường hợp hình thành cấu trúc túi. Quá trình xâm nhiễm của nắm AM trên rễ cây.
(Nguồn: Peterson và ctv, 2004) Sự cộng sinh bắt đầu từ sự nảy mầm của bào tử khi gặp điều kiện thuận lợi, bảo tử hình thành ống mam và phát triển thành sợi nam ngoại bao. Các sợi nam nay cảm ứng được sự hiện diện của rễ cây và phát triển hướng đến rễ. DE phát triển tất cả các cấu trúc bên trong, các sợi nắm phải tiếp xúc với bề mặt của tế bao biểu bì rễ hoặc lông hút rồi hình thành một cấu trúc đặc biệt gọi là vòi bám, sau đó xâm nhập vào lớp biểu bì trước khi đến tế bào rễ. Tại những vị trí mà sợi nắm tiếp xúc với bề mặt rễ, nơi mà các vòi bám hình thành vào xâm nhập vào rễ gọi là điểm xâm nhiễm.
Soi nam khi tiếp xúc với bề mặt rễ có thể hình thành nhiều điểm xâm nhiễm. Theo Peterson và ctv (2004), các sợi nắm bám trên bề mặt rễ hoặc lông hút có thé bắt nguồn từ những bào tử nảy mầm hoặc những sợi nam mọc ra từ rễ cây chủ dé lại trong đất khi thực vật chết. Các sợi nam tồn tại trong các mảnh rễ đã mục nát trong đất là nguồn gốc quan trọng cho sự xâm nhiễm vào rễ mới. Bằng cách chống chịu lại sự lạnh giá hoặc hạn hán của đất, các sợi nam có thé tồn tại trong đất cho đến khi gặp điều kiện thuận lợi dé phát triển.
Brundrett và ctv (1996) cho rằng các sợi nam trong đất có chức năng hấp thu chất dinh dưỡng, lan truyền sự liên kết và hình thành bào tử; sợi nam trong dat san sinh ra các sợi nam khác bao gồm sợi nam lan truyền, sợi nam phân phối và sợi nam hap thu. Bụi vì chúng giống như những bụi nhỏ phân nhánh phức tạp trong tế bào rễ. Bụi được hình thành do sự phân chia nhiều lần và giảm dần về độ dày của sợi nam bắt đầu từ sợi nam đầu tiên (đường kính 5 - 10 pm) và kết thúc bởi sự gia tăng của những sợi nhánh (đường kính <1 pm). Bui cũng được xem là nơi cộng sinh chính giữa AM va cây chủ.
Theo Peterson va ctv (2004), tính chat phân nhánh của bụi và sự hiện điện của một màng bao phủ tất cả các sợi nhánh tạo ra diện tích bề mặt lớn, việc trao đổi trao đổi chất dinh dưỡng có thé xảy ra do cấu trúc này. Bui chỉ tồn tại trong khoảng vài ngày (Harley và ctv, 1987), sau đó hình thành bụi mới nên chất dinh dưỡng có thể được giải phóng vào tế bào rễ cây chủ khi bụi tiêu biến (Peterson và ctv, 2004). Túi Túi là chỗ phình to của sợi nấm trong tế bảo rễ, có thé hình thành từ đầu sợi nam hoặc từ các sợi nhánh, túi cũng có thé mọc bên trong tế bao hoặc giữa các gian bào và thường mọc dày đặc bên trong những đoạn rễ già. Túi có thường có vách dày, có dạng hình bầu dục hoặc gần giống hình chữ nhật (thường chỉ xuất hiện ở một số loài thuộc chi Acaulospora) và không thấy sự xuất hiện túi trong tế bao ở 2 chi nam Gigaspora và Scutellospora (Brundrett và ctv, 1996).
Túi của nam rễ cộng sinh AM trong rễ cây (Nguồn: Brundrett và ctv, 1996; A: túi của chi Glomus; B: túi của chi Acaulospora). Cấu trúc túi chứa một lượng lớn lipid (khoảng 58,2% khối lượng khô của túi) (Jabaji-Hare, 1984) và tế bào chất, chúng được hình thành bởi một số nam xuất hiện trong tế bào rễ. Một số loài nam hình thành cấu trúc giống như bao tử trong đất. Do đó túi là một cau trúc quan trọng và có thé hoạt động như một yếu té lan truyền giống.
Tế bào phụ trợ Hình 1. Tế bào phụ trợ (TBPT) của Gigaspora và Scutellospora. Chúng chứa một lượng lớn lipid và không bào. Tế bao phụ trợ chỉ xuất hiện ở hai chi nam là Scutellospora và Gigaspora (tế bào phụ trợ có gai) và không có chức năng lan truyền giống.
Bào tử Năm 1996, Brundrett và ctv mô tả bào tử được hình thành từ những chỗ phình lên của sợi nắm trong đất hoặc trong rễ (một số được hình thành từ túi bào tử). Bào tử thường có dang hình cau, hình elip, hình bầu dục, hay không có hình dạng xác định. Màu sắc của bào từ rất đa dạng, từ trong suốt, trắng đục, vàng, cam, nâu đỏ đến màu đen. Bào tử thường mọc đơn lẻ hoặc mọc thành chùm, có cuống hoặc không cuống.
Thành bào tử day, có cau gồm một hay nhiều lớp, điều này giúp chúng có thé tồn tại lâu trong đất đôi khí đến vài năm (Peterson và ctv, 2004). Kích thước bào tử cũng thay đôi từ rất nhỏ (20 - 50 ym) đến rat to (200 -1000 pm). sau đó cảm ứng được sự hiện diện của rễ và phát triển hướng đến rễ, cuối cùng là thiết lập mối quan hệ cộng sinh giữa sợi nắm và rễ cây. Bào tử có chức năng như một yếu tô lan truyền giống chứa các bào quan thông thường như ty thể, lưới nội chất, không bao (Peterson va ctv, 2004) và một lượng lớn lipid(khoảng 45,5% trọng lượng khô của bào tử) (Beilby, 1980).
Nhận diện nắm rễ nội cộng sinh Hiện nay việc nhận diện nam rễ nội cộng sinh dựa vào các đặc điểm hình thái khá phô biến ở Việt Nam. Các đặc điểm hình thái được nghiên cứu chủ yêu thuộc 3 họ chính là Acaulosporaceae, Gigasporaceae, Glomeraceae.