Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Cây rau họ hoa thập tự (Brassicaceae) như cải bắp, su hào, súp lơ là nhóm cây trồng có giá trị kinh tế và dinh dưỡng cao, cung cấp vitamin, khoáng chất, chất xơ và protein thiết yếu cho con người. Tuy nhiên, các loài rau này rất mẫn cảm với sâu hại, đặc biệt trong điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa và tập quán thâm canh gối vụ liên tục quanh năm tại Việt Nam. Hai đối tượng dịch hại nguy hiểm hàng đầu là sâu tơ (Plutella xylostella Linnaeus) và sâu khoang (Spodoptera litura Fabricius). Sâu tơ có khả năng kháng hầu hết các nhóm thuốc bảo vệ thực vật hóa học (như Pyrethroid, Carbamate, Lân hữu cơ) trên đồng ruộng, gây thất thu năng suất nghiêm trọng và làm suy giảm chất lượng thương phẩm. Trong khi đó, việc lạm dụng thuốc hóa học trừ sâu khoang và sâu tơ làm suy giảm quần thể thiên địch, gây bộc phát dịch hại, tăng chi phí sản xuất và để lại dư lượng độc hại trên nông sản. Trước xu thế phát triển nông nghiệp hữu cơ, việc sử dụng các tác nhân sinh học như vi khuẩn Bacillus thuringiensis (Bt) và nấm ký sinh côn trùng (Metarhizium anisopliae, Beauveria bassiana) là giải pháp thay thế cấp thiết.

Khóa luận xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể như sau:

  1. Xác định đặc điểm hình thái, sinh học và sinh thái học của loài sâu tơ (Plutella xylostella L.) hại trên cây rau bắp cải ở các mức nhiệt độ khác nhau.
  2. Đánh giá hiệu lực sinh học của một số chủng vi khuẩn Bacillus thuringiensis, các chủng nấm ký sinh Metarhizium anisopliae, Beauveria bassiana và một số loại thuốc bảo vệ thực vật thương phẩm đối với sâu tơ và sâu khoang trong điều kiện phòng thí nghiệm.
  3. Đề xuất cơ sở khoa học cho việc ứng dụng các chế phẩm sinh học trong quản lý tổng hợp sâu tơ và sâu khoang nhằm bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Sâu tơ (Plutella xylostella L.) và sâu khoang (Spodoptera litura Fabricius); cây ký chủ là cải bắp giống F1 KA Cross; các chủng vi sinh vật (5 chủng vi khuẩn Bacillus thuringiensis, 6 chủng nấm Metarhizium anisopliae, 1 chủng nấm Beauveria bassiana) và 3 loại thuốc trừ sâu thương phẩm.
  • Phạm vi không gian: Phòng thí nghiệm Bộ môn Côn trùng, Khoa Nông học, Học viện Nông nghiệp Việt Nam (Gia Lâm, Hà Nội).
  • Phạm vi thời gian: Từ ngày 05/11/2021 đến ngày 25/05/2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khóa luận dựa trên cơ sở lý thuyết về sinh thái học côn trùng, mối quan hệ giữa biến đổi nhiệt độ môi trường đối với tốc độ phát dục và sinh sản của côn trùng cánh vảy (Lepidoptera), cùng cơ chế bệnh học côn trùng của các vi sinh vật đối kháng:

  • Cơ chế tác động của vi khuẩn Bacillus thuringiensis: Sản sinh nội độc tố tinh thể protein (Delta-endotoxin) hòa tan trong môi trường kiềm ruột giữa sâu non, phá vỡ màng tế bào biểu mô ruột làm sâu ngừng ăn và chết; cùng ngoại độc tố hòa tan (Beta-endotoxin) ức chế quá trình biến thái.
  • Cơ chế tác động của nấm ký sinh côn trùng (Metarhizium anisopliae, Beauveria bassiana): Bào tử nấm bám dính vào biểu bì sâu hại, nảy mầm hình thành ống mầm đâm xuyên qua lớp cutin, sinh sôi trong xoang cơ thể, tiết độc tố phá hủy mô và mọc sợi nấm bao phủ xác côn trùng.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm bao gồm:

  • Phương pháp sinh thái học và nuôi cá thể: Nuôi cá thể sâu tơ từ pha trứng, sâu non (tuổi 1 đến tuổi 4), nhộng đến trưởng thành trong hộp nuôi chuyên dụng ở 3 ngưỡng nhiệt độ định ôn: 22,5°C (nhiệt độ phòng thí nghiệm), 25°C và 30°C, ẩm độ không khí duy trì từ 70% – 80%, chế độ chiếu sáng 16 giờ sáng : 8 giờ tối. Theo dõi thời gian phát dục từng pha, tỷ lệ chết, nhịp điệu sinh sản, sức đẻ trứng và tỷ lệ giới tính (n = 11 – 35 cá thể/nghiệm thức).
  • Phương pháp đo đạc trắc lượng hình thái: Sử dụng kính hiển vi quang học và kính lúp có trắc vi thị kính để đo chiều dài, chiều rộng cơ thể, sải cánh trưởng thành và kích thước mảnh đầu sâu non qua các tuổi (n = 30 cá thể).
  • Phương pháp xác định sức tiêu thụ thức ăn: Áp dụng phương pháp của Ratna và cộng sự, cân khối lượng lá bắp cải tiêu thụ hàng ngày của sâu non các tuổi sau khi đã hiệu chỉnh lượng nước bốc hơi tự nhiên qua công thức đối chứng.
  • Phương pháp thử độc tính sinh học (Bio-assay): Phương pháp nhúng đĩa lá bắp cải (đường kính 3 – 4 cm) trong 30 giây vào dung dịch huyền phù bào tử nấm hoặc dịch vi khuẩn, để ráo tự nhiên rồi thả sâu non tuổi 2 – 3 (đối với sâu tơ) hoặc tuổi 3 (đối với sâu khoang). Thí nghiệm bố trí 3 lần lặp lại (10 cá thể/lần lặp lại), công thức đối chứng nhúng nước cất.
  • Xử lý số liệu: Tỷ lệ chết của sâu được hiệu đính bằng công thức Abbott; phân tích phương sai (ANOVA), kiểm định sự sai khác ý nghĩa bằng phần mềm thống kê SPSS và Microsoft Excel.

Nội dung chính theo từng phần của khóa luận

Phần 1: Mở đầu

Trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ vai trò của cây rau họ thập tự, tác hại của sâu tơ và sâu khoang, thực trạng kháng thuốc bảo vệ thực vật hóa học trên đồng ruộng và xu hướng phát triển chế phẩm sinh học. Xác định rõ mục đích, yêu cầu nghiên cứu và giới hạn thực hiện tại Gia Lâm, Hà Nội giai đoạn 2021 – 2022.

Phần 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Tổng thuật các công trình nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam:

  • Nghiên cứu ngoài nước: Nguồn gốc sâu tơ từ vùng Địa Trung Hải/Thổ Nhĩ Kỳ, phân bố toàn cầu; các dẫn liệu của Harcourt (1957, 1986), Talekar & Yang (1993), Koshihara (1985) về ngưỡng nhiệt độ phát dục; nghiên cứu của Bhure và Murasing (2019, 2020) về trắc lượng hình thái; các nghiên cứu sử dụng Beauveria bassiana, Metarhizium anisopliae của Muhammad (2021), Poornesha & Ramanujam (2020) và vi khuẩn Bt của Eswaraprya (2010). Nghiên cứu về tính kháng thuốc của sâu khoang Spodoptera litura với Emamectin benzoate, Spinosad (Zaka, 2014; Ahmad, 2013).
  • Nghiên cứu trong nước: Các kết quả nghiên cứu của Lê Văn Trịnh (1999) về 16 lứa sâu tơ/năm ở vùng Đồng bằng sông Hồng; nghiên cứu tính kháng thuốc của Nguyễn Thị Me; các đánh giá hiệu lực nấm ký sinh của Nguyễn Thị Lộc, Võ Thị Bích Chi (2007), Nguyễn Văn Giang (2010) và độc tố vi khuẩn Bt của Ngô Đình Bính (2007), Nguyễn Mạnh Chinh (2010); khảo nghiệm thuốc trên sâu khoang của Đặng Thị Dung, Phan Thị Thanh Huyền (2010) và Ngô Thị Hoàng Liên (2011).

Phần 3: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chi tiết hóa quy trình trồng cây bắp cải giống KA Cross; kỹ thuật nhân nuôi tập đoàn sâu tơ và sâu khoang trong phòng thí nghiệm; bố trí thí nghiệm cá thể khảo sát đặc điểm sinh học ở các mức nhiệt độ 22,5°C, 25°C, 30°C; danh mục các chủng vi sinh vật đối kháng (vi khuẩn Bt1, Bt2, Bt5, Bt7, Bt8 do Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN cung cấp; nấm M. anisopliae gồm NV001, NV002, NV005, TN0024, WBLG, TDBL; nấm B. bassiana PAM21) và 3 loại thuốc BVTV (Delfin®WG 1,0%, Clever 150SC 0,1%, Dupont Prevathon 5SC 0,125%); quy trình thử nghiệm sinh học đĩa lá và công thức tính hiệu lực Abbott.

Phần 4: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương này chia làm hai nội dung trọng tâm:

1. Đặc điểm hình thái, sinh học và sinh thái học của sâu tơ trên bắp cải

Khóa luận đã xác lập chi tiết số liệu kích thước các pha phát dục của sâu tơ nuôi ở nhiệt độ phòng thí nghiệm (22,5°C):

Pha phát dục Chiều dài (mm) Chiều rộng / Sải cánh (mm) Bề ngang mảnh đầu (mm)
Trứng 0,49 ± 0,01 0,31 ± 0,02 -
Sâu non tuổi 1 1,39 ± 0,01 0,17 ± 0,01 0,14 ± 0,001
Sâu non tuổi 2 2,50 ± 0,04 0,30 ± 0,05 0,24 ± 0,02
Sâu non tuổi 3 3,91 ± 0,52 0,47 ± 0,03 0,42 ± 0,03
Sâu non tuổi 4 5,34 ± 0,38 0,96 ± 0,16 0,55 ± 0,02
Nhộng 5,30 ± 0,13 1,06 ± 0,07 -
Trưởng thành cái 5,30 ± 0,09 14,26 ± 0,25 (sải cánh) -
Trưởng thành đực 5,10 ± 0,13 13,54 ± 0,35 (sải cánh) -

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thời gian phát dục và các chỉ tiêu sinh thái:

  • Vòng đời cá thể cái rút ngắn rõ rệt khi nhiệt độ tăng: đạt 18,78 ± 0,30 ngày ở 22,5°C; 16,48 ± 0,14 ngày ở 25°C và 14,28 ± 0,18 ngày ở 30°C. Đối với cá thể đực, thời gian từ trứng đến vũ hóa lần lượt là 17,94 ngày (22,5°C), 14,18 ngày (25°C) và 9,28 ngày (30°C).
  • Tỷ lệ chết tích lũy các pha trước trưởng thành ở 22,5°C là 39,10%; ở 30°C là 30,78% và thấp nhất ở 25°C với 24,67%. Sâu non tuổi 4 và pha nhộng có tỷ lệ chết bằng 0% ở tất cả các mức nhiệt độ.
  • Sức tiêu thụ thức ăn tăng mạnh qua các tuổi sâu: Sâu non tuổi 4 tiêu thụ lượng thức ăn lớn nhất (25,1 mg ở 22,5°C và 24,8 mg ở 30°C). Tổng lượng lá bắp cải sâu non tiêu thụ trong cả giai đoạn ở 22,5°C (42,0 ± 2,2 mg) cao hơn có ý nghĩa so với ở 30°C (38,7 ± 2,2 mg).
  • Khối lượng nhộng không bị ảnh hưởng đáng kể bởi nhiệt độ nuôi: Nhộng cái (5,38 – 5,49 mg) luôn nặng hơn nhộng đực (4,75 – 4,79 mg). Tỷ lệ giới tính đực/cái dao động từ 1/0,79 đến 1/0,92.
  • Sức sinh sản: Tổng số trứng đẻ trung bình của một trưởng thành cái cao nhất ở 22,5°C (67,45 ± 4,30 quả/cái), tiếp theo là 25°C (64,36 ± 2,95 quả/cái) và thấp nhất ở 30°C (61,18 ± 3,51 quả/cái). Trưởng thành cái đẻ trứng rộ nhất vào ngày thứ 3 và thứ 4 sau khi vũ hóa; tuổi thọ trưởng thành cái kéo dài từ 7,64 đến 8,73 ngày.

2. Đánh giá hiệu lực của thuốc bảo vệ thực vật, các chủng nấm và vi khuẩn

  • Hiệu lực của vi khuẩn Bacillus thuringiensis đối với sâu non sâu tơ (nồng độ $2 \times 10^8$ vi khuẩn/ml): Sau 120 giờ xử lý, hai chủng BT7 và BT8 đạt hiệu lực cao nhất với 93,33%; các chủng BT1 và BT5 đạt 90,00%; chủng BT2 đạt 86,66%.
  • Hiệu lực của nấm ký sinh đối với sâu tơ: Nồng độ $2 \times 10^8$ bào tử/ml cho hiệu lực diệt sâu vượt trội so với nồng độ $1 \times 10^8$ bào tử/ml. Sau 168 giờ xử lý ở nồng độ $2 \times 10^8$ bào tử/ml, chủng nấm Metarhizium anisopliae TN0024 đạt hiệu lực cao nhất là 83,33%.
  • Hiệu lực của nấm ký sinh đối với sâu non sâu khoang tuổi 2, 3 (nồng độ $2 \times 10^8$ bào tử/ml): Sau 168 giờ xử lý, chủng nấm M. anisopliae TN0024 thể hiện hiệu lực cao nhất đạt 62,20%.
  • So sánh hiệu lực trên sâu khoang sau 120 giờ: Chủng vi khuẩn BT7 đạt hiệu lực 96,67%, cao hơn cả thuốc hóa học Dupont Prevathon 5SC (93,33%), Clever 150SC (90,00%) và thuốc sinh học Delfin®WG (83,33%).

Phần 5: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết toàn bộ các chỉ số sinh học - sinh thái của sâu tơ thu được qua thí nghiệm; khẳng định tiềm năng phòng trừ sâu tơ và sâu khoang của chủng vi khuẩn BT7, BT8 và chủng nấm TN0024; kiến nghị tiếp tục nghiên cứu khảo nghiệm các chủng vi sinh vật triển vọng này trên quy mô đồng ruộng.


Kết quả và đóng góp khoa học

Kết quả chính kèm số liệu thực nghiệm

  1. Về sinh thái học sâu tơ: Nhiệt độ có tương quan nghịch với thời gian phát dục. Vòng đời sâu tơ ở 22,5°C kéo dài 18,78 ngày, ở 25°C là 16,48 ngày và ở 30°C là 14,28 ngày. Ngưỡng nhiệt độ 25°C là tối thích cho sự sống sót của sâu tơ với tỷ lệ chết thấp nhất (24,67%).
  2. Về sức phá hại và sinh sản: Một sâu non sâu tơ tiêu thụ từ 38,7 mg đến 42,0 mg lá bắp cải, trong đó sâu non tuổi 4 ăn nhiều nhất (chiếm gần 60% tổng lượng thức ăn). Mỗi trưởng thành cái đẻ trung bình từ 61,18 đến 67,45 quả trứng, đẻ tập trung cao điểm vào ngày thứ 3 – 4.
  3. Về hiệu lực sinh học phòng trừ:
    • Chủng vi khuẩn Bacillus thuringiensis BT7 và BT8 đạt hiệu lực diệt sâu tơ 93,33% sau 120 giờ.
    • Chủng nấm Metarhizium anisopliae TN0024 ở nồng độ $2 \times 10^8$ bào tử/ml đạt hiệu lực diệt sâu tơ 83,33% và diệt sâu khoang 62,20% sau 168 giờ.
    • Chủng vi khuẩn BT7 kiểm soát sâu khoang đạt hiệu lực 96,67% sau 120 giờ, tương đương và vượt một số loại thuốc trừ sâu thương phẩm (Dupont Prevathon 5SC đạt 93,33%, Clever 150SC đạt 90,00%, Delfin®WG đạt 83,33%).

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Khuyến cáo ứng dụng các chủng vi khuẩn Bacillus thuringiensis (đặc biệt là BT7, BT8) và chủng nấm ký sinh Metarhizium anisopliae TN0024 với mật độ $2 \times 10^8$ bào tử/ml để thay thế thuốc hóa học trong các chương trình quản lý dịch hại tổng hợp (IPM) trên rau họ hoa thập tự.
  • Cần áp dụng biện pháp phòng trừ sớm khi sâu non ở tuổi 1 – 2 để hạn chế sức tiêu thụ thức ăn bùng phát ở tuổi 4.
  • Đề nghị tiến hành các khảo nghiệm đồng ruộng và hoàn thiện quy trình công nghệ nhân sinh khối, sản xuất chế phẩm sinh học quy mô thương mại từ các chủng vi sinh vật phân lập hiệu quả cao.

Đóng góp khoa học

  • Cung cấp bộ dẫn liệu định lượng đầy đủ về kích thước trắc lượng mảnh đầu và các pha phát dục của sâu tơ trên giống bắp cải F1 KA Cross tại Hà Nội.
  • Bổ sung cơ sở dữ liệu thực nghiệm về phổ tác động diệt đồng thời cả sâu tơ và sâu khoang của các chủng nấm Metarhizium anisopliae và vi khuẩn Bacillus thuringiensis bản địa được phân lập tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo

Khóa luận chỉ ra các giới hạn nghiên cứu thực tế gồm:

  • Toàn bộ các thí nghiệm khảo sát đặc điểm sinh học và đánh giá hiệu lực của nấm, vi khuẩn mới được tiến hành trong điều kiện phòng thí nghiệm kiểm soát (in vitro), chưa đánh giá được đầy đủ tác động của các yếu tố ngoại cảnh thực tế (mưa, bức xạ mặt trời, rửa trôi, biến thiên ẩm độ ngoài đồng ruộng).
  • Thí nghiệm tập trung trên một giống ký chủ duy nhất là bắp cải F1 KA Cross, chưa mở rộng so sánh đặc tính sinh học sâu tơ trên các ký chủ hoa thập tự khác (như su hào, súp lơ, cải bẹ, cải bao).
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo: Triển khai thử nghiệm đồng ruộng diện rộng đối với chủng vi khuẩn BT7, BT8 và nấm TN0024; nghiên cứu công thức chất phụ gia, chất bám dính nhằm tăng tính bền vững và độ bám dính của bào tử nấm/vi khuẩn ngoài đồng ruộng.

Giá trị tham khảo

Khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn cao cho:

  • Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu viên các ngành Bảo vệ thực vật, Côn trùng học nông nghiệp, Nông học và Công nghệ sinh học nông nghiệp.
  • Cán bộ kỹ thuật tại các chi cục trồng trọt và bảo vệ thực vật, các trạm khuyến nông trong công tác dự tính dự báo diễn biến phát sinh của sâu tơ theo nhiệt độ môi trường.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Bảng dữ liệu trắc lượng hình thái chi tiết 4 tuổi sâu non; phương pháp định lượng sức tiêu thụ thức ăn hiệu chỉnh bốc hơi nước của côn trùng; quy trình thử nghiệm sinh học đĩa lá đánh giá hiệu lực nấm và vi khuẩn đối kháng.

Câu hỏi thường gặp

1. Nhiệt độ môi trường ảnh hưởng như thế nào đến vòng đời và tỷ lệ sống sót của sâu tơ?
Khi nhiệt độ tăng từ 22,5°C lên 30°C, vòng đời cá thể cái của sâu tơ rút ngắn từ 18,78 ngày xuống còn 14,28 ngày (đối với đực, thời gian từ trứng đến vũ hóa rút ngắn từ 17,94 ngày xuống 9,28 ngày). Tỷ lệ chết tích lũy của các pha trước trưởng thành thấp nhất ở mức nhiệt độ 25°C (24,67%), cho thấy 25°C là điều kiện nhiệt độ thuận lợi nhất cho sâu tơ sinh trưởng và duy trì quần thể.

2. Khả năng tiêu thụ thức ăn của sâu non sâu tơ biến động như thế nào qua các tuổi?
Sức ăn của sâu non tăng dần theo tuổi và đạt đỉnh cao nhất ở tuổi 4. Sâu non tuổi 1 chỉ tiêu thụ 1,6 – 1,8 mg lá bắp cải, trong khi sâu non tuổi 4 tiêu thụ tới 24,8 – 25,1 mg (chiếm khoảng 60% tổng lượng thức ăn cả pha sâu non). Tổng khối lượng thức ăn một cá thể sâu non tiêu thụ trong suốt giai đoạn phát dục là 42,0 mg ở 22,5°C và 38,7 mg ở 30°C.

3. Trong các chủng vi khuẩn Bacillus thuringiensis được thử nghiệm, chủng nào có hiệu lực trừ sâu tơ cao nhất?
Sau 120 giờ xử lý ở nồng độ $2 \times 10^8$ vi khuẩn/ml, hai chủng vi khuẩn BT7 và BT8 đạt hiệu lực diệt sâu non sâu tơ cao nhất (93,33%), tiếp đến là BT1 và BT5 (90,00%), thấp nhất là BT2 (86,66%).

4. Chủng nấm ký sinh nào có hiệu lực diệt sâu non sâu tơ và sâu khoang tốt nhất trong phòng thí nghiệm?
Chủng nấm Metarhizium anisopliae TN0024 ở nồng độ $2 \times 10^8$ bào tử/ml có hiệu lực cao nhất đối với cả hai loài sâu: đạt 83,33% đối với sâu tơ và 62,20% đối với sâu non sâu khoang tuổi 2, 3 sau 168 giờ xử lý.

5. Hiệu lực của vi khuẩn BT7 đối với sâu khoang so với các loại thuốc bảo vệ thực vật thương phẩm đạt mức nào?
Sau 120 giờ xử lý, chủng vi khuẩn BT7 đạt hiệu lực diệt sâu khoang là 96,67%, cao hơn cả thuốc trừ sâu hóa học Dupont Prevathon 5SC (93,33%), Clever 150SC (90,00%) và thuốc sinh học thương phẩm Delfin®WG (83,33%).


Kết luận

Khóa luận của tác giả Nguyễn Đình Quang đã xác lập hệ thống dữ liệu thực nghiệm toàn diện về đặc tính hình thái, vòng đời, sức tiêu thụ thức ăn và quy luật sinh sản của sâu tơ Plutella xylostella dưới ảnh hưởng của các ngưỡng nhiệt độ khác nhau trên cây bắp cải. Đồng thời, nghiên cứu đã sàng lọc và chứng minh thành công hiệu lực sinh học vượt trội của các chủng vi sinh vật bản địa gồm vi khuẩn Bacillus thuringiensis BT7, BT8 và nấm ký sinh Metarhizium anisopliae TN0024 đối với cả sâu tơ và sâu khoang. Các kết quả này cung cấp luận cứ khoa học thực tiễn vững chắc phục vụ việc phát triển chế phẩm sinh học và xây dựng quy trình quản lý dịch hại tổng hợp bền vững cho vùng chuyên canh rau họ thập tự.