Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ sinh học của tác giả Nguyễn Đức Diện có tiêu đề "Vi khuẩn Lam (Cyanobacteria) trong một số loại hình đất trồng ở tỉnh Nghệ An và vai trò của chúng đối với trồng trọt", thuộc chuyên ngành Thực vật học (mã số: 9.11), được thực hiện tại Trường Đại học Vinh dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Võ Hành và PGS. Nông Văn Hải, hoàn thành vào tháng 10 năm 2018.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Vi khuẩn Lam (VKL) là nhóm vi sinh vật quang tự dưỡng thải oxy, có khả năng cố định khí cacbonic và một số loài có khả năng cố định nitơ phân tử tự do, hình thành các thảm vi sinh vật trên bề mặt đất trồng, đặc biệt là đất lúa nước. VKL bài tiết chất nhầy giúp giữ ẩm, cải tạo tính chất lý hóa, độ pH, bổ sung chất hữu cơ tăng độ phì và hạn chế xói mòn đất, đồng thời tiết ra các chất có hoạt tính sinh học kích thích sự sinh trưởng của thực vật bậc cao. Trong bối cảnh việc lạm dụng phân bón hóa học và chế phẩm nông nghiệp thiếu kiểm soát đang làm suy giảm chất lượng đất và môi trường, việc nghiên cứu khu hệ VKL bản địa và khai thác các chủng cố định đạm để cải tạo đất là yêu cầu cấp thiết.

Trước thời điểm luận án thực hiện, các nghiên cứu về VKL đất tại Việt Nam phân bố rải rác ở một số khu vực (đồng bằng sông Cửu Long, đồng bằng sông Hồng, Tây Nguyên, một số huyện thuộc Đà Nẵng và Hà Tĩnh), riêng tại tỉnh Nghệ An chưa có công trình nào điều tra toàn diện và có hệ thống về thành phần loài VKL trong các loại hình đất trồng cũng như đánh giá tiềm năng ứng dụng của các chủng bản địa đối với cây trồng.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định các mục tiêu nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Nghiên cứu sự đa dạng thành phần loài và phân bố của VKL trong các loại hình đất trồng tại tỉnh Nghệ An.
  2. Phân lập một số chủng VKL bản địa và thăm dò khả năng cố định nitơ của chúng thông qua phân tích gen chức năng nifD.
  3. Đánh giá vai trò và ảnh hưởng của dịch huyền phù / dịch chiết VKL bản địa (Nostoc calcicola HN91a) đối với một số chỉ tiêu sinh lý, sinh trưởng, năng suất của giống lúa Tám thơm và hệ thống enzyme chống oxy hóa ở lá cây đậu tương Nam Đàn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các loài vi khuẩn Lam (Cyanobacteria) phân bố trong các loại hình đất trồng trọt; các chủng VKL phân lập được; đoạn gen nifD mã hóa tiểu đơn vị dinitrogenase; giống lúa Tám thơm và giống đậu tương Nam Đàn.
  • Phạm vi không gian: Thu mẫu tại 30 điểm thuộc 10 huyện trên địa bàn tỉnh Nghệ An, đại diện cho 2 loại hình đất trồng chính:
    • Đất trồng lúa nước (vùng đồng bằng ven biển phía Đông): 5 huyện gồm Hưng Nguyên (HN1, HN2, HN3), Nghi Lộc (NL1, NL2, NL3), Diễn Châu (DC1, DC2, DC3), Yên Thành (YT1, YT2, YT3) và Quỳnh Lưu (QL1, QL2, QL3).
    • Đất trồng cây ăn trái, cây công nghiệp (vùng đồi núi phía Tây): 5 huyện gồm Thanh Chương (TC1, TC2, TC3), Anh Sơn (AS1, AS2, AS3), Tân Kỳ (TK1, TK2, TK3), Quỳ Hợp (QH1, QH2, QH3) và Nghĩa Đàn (ND1, ND2, ND3).
  • Phạm vi thời gian và dung lượng mẫu: Quá trình thu mẫu thực địa được thực hiện qua 4 đợt từ tháng 8/2013 đến tháng 2/2016. Tổng số mẫu thu thập và phân tích là 180 mẫu đất (phân tích chỉ tiêu nông hóa) và 180 mẫu tảo đất.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Lịch sử nghiên cứu phân loại vi khuẩn Lam và hệ thống Komárek và cộng sự (2014)

Phân loại học VKL đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ các hệ thống hình thái cổ điển của Linnaeus (1737, 1753), Haeckel (1866), Chatton (1937), Copeland (1956), Whittaker (1969), Margulis (1978) đến quan điểm ba lãnh giới của Woese (1990) xếp VKL vào lãnh giới Vi khuẩn (Bacteria). Về phân loại chuyên biệt VKL, các hệ thống được xây dựng từ Thuret (1875), Kirchner (1900), Geitler (1932: 1 lớp Cyanophyceae gồm 4 bộ), Desikachary (1959: 5 bộ), Golerbackh (1977: 10 bộ thuộc 3 lớp), Stanier và Cohen-Bazire (1977: 27 chi thuộc 6 phân nhóm dựa trên nuôi cấy), Rippka và cộng sự (1979: 5 nhóm gồm 22 chi), cho đến các công trình của Komárek và Anagnostidis (1999, 2005) và Komárek (2013).

Hệ thống phân loại của Komárek và cộng sự (2014) đã kết hợp các đặc điểm hình thái và dữ liệu phát sinh chủng loại phân tử, chia ngành Cyanobacteria thành 8 bộ: Gloeobacterales, Synechococcales, Spirulinales, Chroococcales, Pleurocapsales, Chroococcidiopsidales, Oscillatoriales và Nostocales.

Tình hình nghiên cứu VKL đất trên thế giới và ở Việt Nam

  • Trên thế giới: Bristol-Roach (1920) đặt nền móng nghiên cứu tảo đất về định tính, định lượng và vai trò sinh thái. Trường phái Liên Xô (cũ) đẩy mạnh nghiên cứu phân bố và sinh lý VKL đất. Watanabe (1959) khảo sát 851 mẫu đất Nam Á và Đông Á, xác định 46 loài cố định nitơ thuộc các chi Tolypothrix, Nostoc, Cylindrospermum, Calothrix, Anabaena, Plectonema, Anabaenopsis, Schizothrix. Gregorio (1963) công bố 162 loài và 3 dạng tại Philippines. Zhang và cộng sự (2011) ghi nhận 51 loài ở sa mạc Gurbantunggut (Trung Quốc). Shariatmadari và cộng sự (2013) phát hiện 49 taxon có tế bào dị hình ở 7 tỉnh trồng lúa tại Iran. Vijayan và cộng sự (2015) ghi nhận 64 taxon tại Kuttanad (Ấn Độ). Lin và cộng sự (2013) phát hiện 21 taxon tại Đài Loan.
  • Ở Việt Nam: Các nghiên cứu ban đầu được thực hiện bởi Cao Ngọc Phương (1964: 23 taxon ở Sài Gòn và Đà Lạt), Phùng Thị Nguyệt Hồng và cộng sự (1992: 94 taxon ở đồng bằng sông Cửu Long, mô tả loài mới Tolypothrix hatienensis), Dương Đức Tiến (1977, 2000: thống kê 117 loài VKL đất), Trần Văn Nhị và cộng sự (1984: 40 taxon VKL cố định đạm), Đoàn Đức Lân và cộng sự (1994: 15 loài ở Thái Thụy, Thái Bình), Nguyễn Thị Minh Lan và cộng sự (2000, 2001: 50 loài ở ngoại thành Hà Nội), Nguyễn Quốc Hùng (2001: 80 loài), Đỗ Thị Trường và Võ Hành (1999: 45 taxon ở Hòa Vang, Đà Nẵng), Nguyễn Lê Ái Vĩnh và Võ Hành (2001: 69 taxon ở Thạch Hà, Hà Tĩnh), Võ Hành và cộng sự (2012: 63 loài và 17 dưới loài ở Bắc Trung Bộ), Lê Thị Thúy Hà và cộng sự (2016: 82 taxon ở Cẩm Xuyên, Hà Tĩnh), Hồ Sỹ Hạnh (2010: 129 taxon tại Đắk Lắk). Các nghiên cứu sinh lý, sinh hóa và thử nghiệm lây nhiễm thực hiện bởi Đặng Đình Kim (1993), Trần Đăng Kế (1993), Trần Văn Tựa (1993), Trần Văn Nhị (1998), Nguyễn Đình San và cộng sự (2007).

Tổng hợp danh lục VKL theo hệ thống Komárek và cs. (2014) và vị trí của luận án

Tác giả luận án đã tiến hành hệ thống hóa các công bố về VKL ở Việt Nam trước năm 2010 theo hệ thống Komárek và cộng sự (2014):

  • Trong đất trồng: Đã ghi nhận 172 loài và dưới loài thuộc 50 chi, 21 họ, 5 bộ (Nostocales chiếm 43,60%, Oscillatoriales chiếm 29,07%, Synechococcales chiếm 16,30%, Chroococcales chiếm 9,88%, Spirulinales chiếm 1,15%). Trong đó có 42 loài dạng sợi không có tế bào dị hình được điều chỉnh chi, 6 loài có tế bào dị hình được gộp taxon và 8 loài chuyển chi.
  • Trong đất trồng và thủy vực nước ngọt kết hợp: Thống kê được 393 loài thuộc 85 chi, 32 họ, 6 bộ (Nostocales chiếm 35,88%, Oscillatoriales chiếm 29,26%, Synechococcales chiếm 17,56%, Chroococcales chiếm 13,49%, Spirulinales chiếm 3,31%, Pleurocapsales chiếm 0,50%).

Khoảng trống mà luận án lựa chọn giải quyết là cập nhật phân loại hiện đại cho khu hệ VKL đất tại Nghệ An, đánh giá mối tương quan giữa sự phân bố loài với điều kiện nông hóa thổ nhưỡng, phân tích gen nifD của các chủng phân lập và đo lường định lượng hiệu ứng của chủng bản địa lên lúa và cây họ đậu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Đặc điểm sinh học và cấu trúc: VKL là sinh vật nhân sơ có thành tế bào peptidoglycan tương tự vi khuẩn Gram âm, có sắc tố quang hợp (diệp lục a, phycocyanin, phycoerythrin), có thể hình thành bao nhầy, không bào khí, sợi phân nhánh thực/giả, tảo đoạn (hormogonia), bào tử nghỉ (akinete) và tế bào dị hình (heterocyst). Tế bào dị hình là vị trí chuyên biệt cho quá trình cố định N2 trong điều kiện hiếu khí.
  • Cơ chế cố định đạm và gen chức năng nifD: Quá trình khử N2 thành NH4+ được xúc tác bởi phức hợp enzyme nitrogenase gồm dinitrogenase (chứa cofactor Mo-Fe, do nifD và nifK mã hóa) và dinitrogen reductase (chứa cofactor Fe, do nifH mã hóa). Đoạn gen nifD có tính bảo thủ cao, được sử dụng làm chỉ thị phân tử đặc hiệu để phát hiện và xác nhận khả năng cố định nitơ của các chủng VKL phân lập dựa trên thiết kế mồi của Roselers và cộng sự (2007) và Henson và cộng sự (2002).
  • Hệ thống chống oxy hóa ở thực vật: Khi chịu tác động bất lợi hoặc cảm ứng bởi các hợp chất sinh học, thực vật sản sinh các gốc oxy hóa hoạt tính (ROS) như superoxide ($O_2^{\bullet-}$) và hydrogen peroxide ($H_2O_2$). Các enzyme chống oxy hóa như superoxide dismutase (SOD) và catalase (CAT) tham gia khử độc ROS, duy trì cân bằng nội bào.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Thu thập mẫu:
    • Mẫu đất phân tích nông hóa lấy ở tầng 0–20 cm theo phương pháp đường chéo tại mỗi điểm, trộn đều lấy 500 g.
    • Mẫu vi khuẩn Lam lấy ở tầng mặt 0–5 cm tương ứng.
  • Phân tích chỉ tiêu nông hóa thổ nhưỡng:
    • Độ ẩm xác định tại hiện trường bằng máy Water Test Model 94.
    • Cacbon hữu cơ tổng số (mùn %) phân tích theo phương pháp Walkley-Black.
    • Độ chua trao đổi ($mgdl\ H^+/100g\ đất$) xác định theo phương pháp Iric.
    • Nitơ tổng số (%) theo phương pháp Kjeldahl.
    • Photpho tổng số (%) theo phương pháp so màu xanh molipđen.
    • Nitơ dễ tiêu ($mg\ NH_4^+/100g\ đất$) theo phương pháp Chiurin-Cononova.
    • Kali dễ tiêu ($mg\ K_2O/100g\ đất$) theo phương pháp Matlova trên quang kế ngọn lửa.
    • Photpho dễ tiêu ($mg\ P_2O_5/100g\ đất$) theo phương pháp Bray.
    • Địa điểm phân tích: Viện Thổ nhưỡng Nông hóa (Hà Nội) và Trung tâm Thực hành - Thí nghiệm Trường Đại học Vinh.
  • Phân lập, nuôi cấy và định loại hình thái:
    • Mẫu đất được nuôi giữ ẩm trong đĩa Petri vô trùng với nước cất và môi trường BG-11 lỏng, chiếu sáng 1000–1200 lux (chu kỳ 12 giờ sáng / 12 giờ tối) ở nhiệt độ 25–30°C.
    • Định loại hình thái cấu trúc tản, trichom, bao nhầy, tế bào tận cùng, tế bào dị hình, bào tử nghỉ theo khóa phân loại của Komárek và cộng sự.
  • Phân tích sinh học phân tử:
    • Tách chiết DNA tổng số từ sinh khối VKL nuôi cấy thuần khiết.
    • Khuếch đại đoạn gen nifD bằng phản ứng PCR với cặp mồi chuyên biệt nifD552-F và nifD861-R.
    • Điện di sản phẩm PCR trên gel agarose, giải trình tự nucleotide và so sánh độ tương đồng (BLAST) với dữ liệu Ngân hàng Gen (GenBank).
  • Khảo nghiệm sinh học trên cây trồng:
    • Thí nghiệm trên lúa Tám thơm: Xử lý dịch huyền phù chủng Nostoc calcicola HN91a ở các nồng độ/công thức khác nhau; đo đạc kích thước lá đòng trước trổ bông, hàm lượng diệp lục lá, cường độ quang hợp ở giai đoạn đẻ nhánh rộ và các yếu tố cấu thành năng suất (số bông/khóm, số hạt chắc/bông, tỷ lệ lép, khối lượng 1000 hạt, năng suất thực thu).
    • Thí nghiệm trên đậu tương Nam Đàn: Xử lý dịch chiết Nostoc calcicola HN91a; xác định hàm lượng $O_2^{\bullet-}$, $H_2O_2$, hoạt độ enzyme SOD và CAT trong lá ở các mốc thời gian.
  • Xử lý số liệu: Phân tích tương quan trực tiếp (Canonical Correspondence Analysis - CCA) để xác định mối liên hệ giữa các taxon VKL và các yếu tố nông hóa; tính toán thống kê mô tả.

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Trình bày tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu VKL đất trồng tại Nghệ An; xác định mục tiêu khoa học và thực tiễn; tóm lược các đóng góp mới và bố cục 130 trang của luận án (gồm 24 bảng, 21 hình, 172 tài liệu tham khảo và 4 phụ lục).

Chương 1. Tổng quan tài liệu

Chương này tổng kết cơ sở lý luận về phân loại học VKL từ cổ điển đến hiện đại, tập trung vào hệ thống 8 bộ của Komárek và cộng sự (2014); tổng kết vai trò sinh học của VKL trong chu trình cacbon, nitơ, cơ chế hoạt động của phức hợp enzyme nitrogenase do các gen nifH, nifD, nifK mã hóa; điểm luận các nghiên cứu ứng dụng VKL trong nông nghiệp trên thế giới và tại Việt Nam. Đồng thời, chương 1 công bố bảng tổng hợp danh lục 172 loài VKL đất và 393 loài VKL đất - nước ngọt ở Việt Nam được sắp xếp lại theo hệ thống phân loại mới. Cuối chương mô tả chi tiết điều kiện tự nhiên, địa hình (đồi núi chiếm hơn 80%), khí hậu, thủy văn của 21 đơn vị hành chính tỉnh Nghệ An.

Bộ Số họ (đất VN) Tỷ lệ % họ Số chi (đất VN) Tỷ lệ % chi Số loài (đất VN) Tỷ lệ % loài Số loài (đất + nước VN) Tỷ lệ % loài
Synechococcales 5 23,81 12 24,00 28 16,30 69 17,56
Spirulinales 1 4,76 1 2,00 2 1,15 13 3,31
Chroococcales 5 23,81 6 12,00 17 9,88 53 13,49
Pleurocapsales 0 0,00 0 0,00 0 0,00 2 0,50
Oscillatoriales 3 14,29 10 20,00 50 29,07 115 29,26
Nostocales 7 33,33 21 42,00 75 43,60 141 35,88
Tổng cộng 21 100 50 100 172 100 393 100

Chương 2. Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Trình bày chi tiết tọa độ địa lý 30 điểm thu mẫu thuộc 10 huyện; quy trình thu thập 180 mẫu đất và 180 mẫu tảo qua 4 đợt khảo sát; các phương pháp phân tích 8 chỉ tiêu nông hóa đất; quy trình nuôi cấy trong đĩa Petri với môi trường BG-11; kỹ thuật PCR nhân đoạn gen nifD với cặp mồi nifD552-F / nifD861-R; quy trình bố trí thí nghiệm ảnh hưởng dịch huyền phù lên giống lúa Tám thơm và dịch chiết lên enzyme chống oxy hóa ở giống đậu tương Nam Đàn; phương pháp phân tích CCA.

Chương 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương kết quả và thảo luận chiếm dung lượng 61 trang, bao gồm các phát hiện thực nghiệm chính:

  1. Đa dạng thành phần loài và cấu trúc taxon VKL trong đất trồng Nghệ An:
    • Xác định được 76 loài và dưới loài VKL thuộc 29 chi, 15 họ của 5 bộ.
    • Bộ Nostocales chiếm ưu thế lớn nhất về số lượng loài và tính đa dạng chi họ, tiếp theo là Oscillatoriales, Synechococcales, Chroococcales và Spirulinales.
    • Phân tích CCA chỉ ra sự phân hóa rõ nét về thành phần loài giữa đất trồng lúa nước (đồng bằng, giàu ẩm, đạm, lân hữu dụng) và đất trồng cây công nghiệp/cây ăn quả (miền núi, độ chua cao, hàm lượng hữu cơ biến động).
Phân loại taxon Đất trồng Nghệ An (Luận án) Đất trồng Việt Nam (Tổng hợp đến 2010)
Số bộ 5 5
Số họ 15 21
Số chi 29 50
Số loài và dưới loài 76 172

  1. Kết quả phân lập và phát hiện mới cho khu hệ VKL Việt Nam:

    • Luận án đã phân lập và nuôi cấy thuần khiết được 13 chủng VKL thuộc 13 loài từ các mẫu đất thu thập tại Nghệ An.
    • Bổ sung cho danh lục VKL Việt Nam 1 chi (Isocystis) và 7 loài:
      1. Chroococcus helveticus (chủng DT2-01)
      2. Jaaginema minimum (chủng DP3-01)
      3. Pseudanabaena dictyothalla (chủng QV3-11)
      4. Leptolyngbya carnea (chủng DP3-03)
      5. Geitlerinema acutissimum (chủng TT3-08)
      6. Westiellopsis prolifica (chủng DP1-01)
      7. Nostoc gelatinosum (chủng TT3-05)
    • Mô tả các chủng thuộc chi chưa xác định rõ tên loài (Mastigocladus sp. QL3-01, Isocystis sp. DP3-11).

  2. Phân tích gen cố định nitơ nifD ở các chủng có tế bào dị hình:

    • Phân lập thành công các chủng có tế bào dị hình và tiến hành khuếch đại, đọc trình tự đoạn gen nifD ở 5 chủng:
      1. Nostoc calcicola HN91a
      2. Nostoc linckia Cam-C1
      3. Nostoc gelatinosum TT3-05
      4. Nostoc paludosum ĐT3-02
      5. Nostoc ellipsosporum NH2X7
    • Kết quả điện di và phân tích BLAST trình tự nucleotit xác nhận đoạn gen nifD của các chủng này có mức độ tương đồng cao với các trình tự VKL cố định đạm chuẩn trên GenBank, chứng minh tiềm năng di truyền cố định nitơ phân tử của các chủng phân lập bản địa.

  3. Kết quả khảo nghiệm ứng dụng chủng Nostoc calcicola HN91a:

    • Đối với giống lúa Tám thơm: Việc xử lý dịch huyền phù Nostoc calcicola HN91a làm tăng kích thước lá đòng giai đoạn trước trổ, tăng hàm lượng diệp lục và cường độ quang hợp ở giai đoạn đẻ nhánh rộ; cải thiện các yếu tố cấu thành năng suất (tăng số bông hữu hiệu, số hạt chắc/bông, khối lượng 1000 hạt và năng suất thực thu).
    • Đối với giống đậu tương Nam Đàn: Dịch chiết Nostoc calcicola HN91a có tác động điều hòa hàm lượng các gốc tự do $O_2^{\bullet-}$ và $H_2O_2$, đồng thời làm tăng hoạt độ của các enzyme chống oxy hóa then chốt gồm Superoxide Dismutase (SOD) và Catalase (CAT) trong lá đậu tương dưới điều kiện stress oxy hóa.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Áp dụng hệ thống phân loại học hiện đại của Komárek và cộng sự (2014) để tái cấu trúc và chuẩn hóa toàn bộ danh lục VKL đã công bố trong đất trồng (172 loài) và trong đất - nước ngọt (393 loài) tại Việt Nam trước năm 2010.
  2. Cung cấp bộ dẫn liệu khoa học đầu tiên có tính hệ thống về đa dạng sinh học VKL đất tại tỉnh Nghệ An với danh lục 76 loài và dưới loài thuộc 29 chi, 15 họ của 5 bộ.
  3. Bổ sung cho danh lục VKL Việt Nam 1 chi (Isocystis) và 7 loài (Chroococcus helveticus, Jaaginema minimum, Pseudanabaena dictyothalla, Leptolyngbya carnea, Geitlerinema acutissimum, Westiellopsis prolifica, Nostoc gelatinosum).
  4. Xác định đặc điểm trình tự gen chức năng nifD của 5 chủng VKL có tế bào dị hình bản địa thuộc chi Nostoc, bổ sung dữ liệu sinh học phân tử vào ngân hàng gen.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Thiết lập bộ sưu tập giống vi sinh vật gồm 13 chủng VKL thuần khiết được phân lập từ đất trồng tỉnh Nghệ An làm nguồn vật liệu sinh học cho nghiên cứu và giảng dạy.
  2. Chứng minh thực nghiệm vai trò kích thích sinh trưởng, tăng hiệu suất quang hợp và tăng năng suất lúa Tám thơm của dịch huyền phù chủng Nostoc calcicola HN91a.
  3. Xác định hiệu ứng kích hoạt và gia tăng hoạt tính hệ thống enzyme chống oxy hóa (SOD, CAT) ở lá cây đậu tương Nam Đàn của dịch chiết chủng Nostoc calcicola HN91a trong điều kiện stress.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện quy trình công nghệ nuôi cấy sinh khối lớn chủng Nostoc calcicola HN91a và các chủng cố định đạm bản địa khác nhằm định hướng sản xuất chế phẩm phân bón vi sinh sinh học cho cây lúa và cây màu.
  • Mở rộng phân tích giải trình tự toàn bộ cụm gen cố định đạm (nifHDK) và thử nghiệm đánh giá hiệu quả trên các loại cây trồng khác trên quy mô đồng ruộng nhiều vụ liên tiếp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Luận án mới chỉ tập trung phân lập thuần khiết được 13 chủng trong tổng số 76 loài ghi nhận; phân tích sinh học phân tử mới dừng lại ở đoạn gen nifD của 5 chủng có tế bào dị hình; các thử nghiệm sinh học mới được tiến hành trên 1 chủng đại diện (Nostoc calcicola HN91a) với 2 đối tượng cây trồng (lúa Tám thơm và đậu tương Nam Đàn) trong điều kiện thí nghiệm có kiểm soát.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng phân lập các loài còn lại; ứng dụng thêm các chỉ thị phân tử khác (16S rRNA, cụm gen nif hoàn chỉnh); nghiên cứu cơ chế tương tác ở mức độ phân tử giữa các hoạt chất sinh học do VKL tiết ra với thụ thể tế bào thực vật; khảo nghiệm diện rộng ngoài đồng ruộng qua nhiều chu kỳ canh tác.

Giá trị tham khảo

Bản luận án có giá trị tham khảo chuyên môn đối với các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Thực vật học, Vi sinh vật học, Sinh thái học: Tham khảo phương pháp định loại VKL theo hệ thống Komárek (2014), quy trình phân lập, kỹ thuật tách dòng và phân tích gen chức năng nifD, phương pháp phân tích sinh thái kết hợp CCA.
  • Giảng viên và nhà nghiên cứu sinh học: Sử dụng các số liệu hình thái hiển vi, khóa phân loại đã chuẩn hóa và dữ liệu phân bố loài làm giáo trình giảng dạy thực vật bậc thấp và vi sinh vật học đất.
  • Cán bộ kỹ thuật nông nghiệp và nhà quản lý môi trường nông thôn: Tham khảo các dẫn liệu nông hóa tương quan với vi sinh vật đất, làm cơ sở khoa học xây dựng các giải pháp phân bón sinh học vi sinh bản địa thay thế phân bón vô cơ, góp phần cải tạo đất và phát triển nông nghiệp bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án áp dụng hệ thống phân loại nào để định loại vi khuẩn Lam và hệ thống đó có bao nhiêu bộ?

Luận án áp dụng hệ thống phân loại hiện đại của Komárek và cộng sự (2014), phân chia ngành Cyanobacteria thành 8 bộ: Gloeobacterales, Synechococcales, Spirulinales, Chroococcales, Pleurocapsales, Chroococcidiopsidales, Oscillatoriales và Nostocales.

2. Có bao nhiêu taxon vi khuẩn Lam được ghi nhận tại các loại đất trồng ở Nghệ An?

Trong các loại đất trồng tại 10 huyện của tỉnh Nghệ An, luận án đã xác định được 76 loài và dưới loài VKL thuộc 29 chi, 15 họ của 5 bộ (Nostocales, Oscillatoriales, Synechococcales, Chroococcales, Spirulinales).

3. Những taxon nào được luận án phát hiện và bổ sung mới cho danh lục vi khuẩn Lam Việt Nam?

Luận án đã mô tả và bổ sung cho danh lục VKL Việt Nam 1 chi là Isocystis và 7 loài gồm: Chroococcus helveticus, Jaaginema minimum, Pseudanabaena dictyothalla, Leptolyngbya carnea, Geitlerinema acutissimum, Westiellopsis prolifica, Nostoc gelatinosum.

4. Luận án đã nghiên cứu gen cố định nitơ nào và trên những chủng vi khuẩn Lam cụ thể nào?

Luận án sử dụng cặp mồi nifD552-F / nifD861-R để khuếch đại và phân tích trình tự gen nifD (mã hóa tiểu đơn vị dinitrogenase) trên 5 chủng VKL có tế bào dị hình được phân lập gồm: Nostoc calcicola HN91a, Nostoc linckia Cam-C1, Nostoc gelatinosum TT3-05, Nostoc paludosum ĐT3-02 và Nostoc ellipsosporum NH2X7.

5. Chủng vi khuẩn Lam nào được chọn để thử nghiệm tác động trên cây trồng và ghi nhận kết quả gì?

Chủng Nostoc calcicola HN91a được lựa chọn để thử nghiệm. Dịch huyền phù của chủng này làm tăng kích thước lá đòng, hàm lượng diệp lục, cường độ quang hợp và năng suất giống lúa Tám thơm; dịch chiết của chủng giúp điều hòa các gốc tự do ($O_2^{\bullet-}, H_2O_2$) và làm tăng hoạt độ enzyme chống oxy hóa SOD, CAT ở lá giống đậu tương Nam Đàn.

Kết luận

Luận án của tác giả Nguyễn Đức Diện đã hoàn thành việc điều tra, đánh giá có hệ thống đa dạng sinh học khu hệ vi khuẩn Lam trong đất trồng tại 10 huyện của tỉnh Nghệ An theo khung phân loại Komárek và cộng sự (2014), ghi nhận 76 loài và bổ sung 1 chi cùng 7 loài mới cho danh lục Việt Nam. Công trình đã phân lập thuần khiết 13 chủng bản địa, xác nhận tiềm năng di truyền cố định đạm thông qua giải trình tự gen nifD ở 5 chủng có tế bào dị hình. Đồng thời, các kết quả thực nghiệm với chủng Nostoc calcicola HN91a đã chứng minh vai trò thúc đẩy quang hợp, cải thiện năng suất lúa Tám thơm và tăng cường hệ enzyme chống oxy hóa ở đậu tương Nam Đàn, cung cấp luận cứ khoa học cho định hướng phát triển phân bón sinh học vi sinh tại địa phương.