Tổng quan luận án

Đất phèn (acid sulfate soils) tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) có đặc tính chua nghiêm trọng với độ pH thấp, dẫn đến việc giải phóng độc chất nhôm ($Al^{3+}$) và sắt ($Fe^{2+}, Fe^{3+}$), đồng thời làm cố kết lân thành các dạng khó tan ($Fe\text{-}PO_4, Al\text{-}PO_4$). Mặc dù đất phèn có hàm lượng chất hữu cơ và đạm tổng số tương đối cao, khả năng khoáng hóa và giải phóng dưỡng chất hữu dụng cho cây trồng bị hạn chế. Tình trạng biến đổi khí hậu cùng với việc gia tăng xâm nhập mặn và xì phèn đe dọa làm suy giảm hệ vi sinh vật bản địa có ích. Xuất phát từ thực trạng đó, luận án tiến sĩ với đề tài “Phân lập, tuyển chọn và định danh vi khuẩn liên kết với thực vật (plant associated bacteria) ở lúa, khoai trồng trên đất phèn vùng đồng bằng sông Cửu Long” do nghiên cứu sinh Lý Ngọc Thanh Xuân thực hiện thuộc đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu sử dụng hợp lý đất phèn đồng bằng sông Cửu Long thích ứng với biến đổi khí hậu” (Mã số: BĐKH57).

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể:

  1. Phân lập và tuyển chọn các chủng vi khuẩn cố định đạm, hòa tan lân hiện diện trong đất vùng rễ và nội sinh trong cây lúa, khoai lang trên đất phèn.
  2. Xác định và tuyển chọn các chủng vi khuẩn cố định đạm, hòa tan lân có ảnh hưởng đến sinh trưởng, năng suất của lúa và khoai lang trồng trên đất phèn trong điều kiện nhà lưới và ngoài đồng ruộng.
  3. Đề xuất 2–3 chủng vi khuẩn triển vọng phục vụ cho việc ổn định năng suất của lúa và khoai lang trồng trên đất phèn.

Hệ thống nội dung nghiên cứu gồm 6 phần:

  • Nội dung 1: Khảo sát và thu thập mẫu đất, mẫu thực vật của cây lúa và khoai lang trên đất phèn ở 4 vùng sinh thái tại ĐBSCL.
  • Nội dung 2: Phân lập và tuyển chọn vi khuẩn liên kết với thực vật có khả năng cố định đạm, hòa tan lân; mô tả đặc điểm hình thái khuẩn lạc và tế bào; xác định hoạt tính in vitro.
  • Nội dung 3: Nhận diện, định danh các chủng vi khuẩn tuyển chọn bằng phương pháp sinh học phân tử (giải trình tự gen 16S rDNA).
  • Nội dung 4: Tuyển chọn các chủng vi khuẩn trước khi thử nghiệm thông qua kiểm tra hoạt tính cố định đạm và hòa tan lân ($Fe\text{-}PO_4, Al\text{-}PO_4$) ở điều kiện chua $pH = 4$.
  • Nội dung 5: Đánh giá hiệu quả của các chủng vi khuẩn tuyển chọn đối với cây lúa trong điều kiện nhà lưới và ngoài đồng ruộng.
  • Nội dung 6: Đánh giá hiệu quả của các chủng vi khuẩn tuyển chọn đối với cây khoai lang trong điều kiện nhà lưới và ngoài đồng ruộng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng: Các chủng vi khuẩn vùng rễ (rhizobacteria) và vi khuẩn nội sinh (endophytic bacteria) liên kết với cây lúa (Oryza sativa) và khoai lang (Ipomoea batatas).
  • Phạm vi không gian: 4 vùng sinh thái đất phèn chính tại ĐBSCL, bao gồm Tứ giác Long Xuyên (TGLX), Đồng Tháp Mười (ĐTM), Trũng sông Hậu (TSH) và Bán đảo Cà Mau (BĐCM).
  • Phạm vi thời gian: Các thí nghiệm và khảo sát thực địa được triển khai trong giai đoạn từ năm 2014 đến năm 2017.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến vi khuẩn liên kết thực vật (Plant Associated Bacteria - PAB) và thổ nhưỡng học đất phèn:

  1. Vi khuẩn liên kết với thực vật và cơ chế kích thích tăng trưởng: Tác giả điểm lại các nghiên cứu của Saharan và Nehra (2011), Compant và ctv. (2010), Jha và ctv. (2013), Hartmann và ctv. (2009), Schulz và Boyle (2005), Cao Ngọc Điệp (2016) về phân loại vi khuẩn vùng rễ, vi khuẩn bám mặt rễ (rhizoplane) và vi khuẩn nội sinh (endorhizosphere). Các cơ chế tác động bao gồm cố định đạm sinh học, hòa tan phosphate, sinh tổng hợp phytohormone (IAA, ACC deaminase) và sản xuất siderophore nhằm cạnh tranh ion sắt (Raymond và ctv., 2003; Tian và ctv., 2009; Loper và Henkels, 1999).
  2. Quá trình cố định đạm sinh học: Dẫn chứng cơ chế phức hệ enzyme nitrogenase chuyển đổi $N_2$ thành $NH_3$ tiêu tốn 16 ATP trên mỗi mol $N_2$ cố định với sự tham gia của gen nifH, nifD, nifK (Kneip và ctv., 2007; Hardy và Holsten, 1972; Gibson, 1995; Nguyễn Lân Dũng và ctv., 2000). Luận án liệt kê các loài vi khuẩn cố định đạm trên cây lúa đã được công bố: Burkholderia vietnamiensis (Gillis và ctv., 1995; Van và ctv., 2000; Ngô Thanh Phong và Cao Ngọc Điệp, 2013), Pseudomonas stutzeri A15 (You và ctv., 1995), Stenotrophomonas maltophilia (Ryan và ctv., 2009), Klebsiella pneumoniae (Ladha và ctv., 1983), Azospirillum lipoferum (Cao Ngọc Điệp và ctv., 2007), Pantoea agglomerans (Yang và ctv., 1999) và Herbaspirillum seropedicae (Gyaneshwar và ctv., 2002).
  3. Cơ chế hòa tan phosphate: Luận án dẫn liệu các nghiên cứu của Goldstein (1994), Richardson và ctv. (2009, 2011), Kumar và Pathak (2000), Bunemann (2008), Tarafdar và ctv. (2003), Ramachandran và ctv. (2007), Kaymak và ctv. (2008), Algawadi và Gaur (1988) về các nhóm vi sinh vật hòa tan lân (PSM) thuộc các chi Rhizobium, Bacillus, Pseudomonas, Aspergillus, Penicillium thông qua cơ chế tiết acid hữu cơ (gluconate, oxalate, malate, citrate) và enzyme phosphatase ngoại bào.
  4. Đặc điểm thổ nhưỡng đất phèn: Hệ thống phân loại đất phèn thế giới và Việt Nam của FAO/UNESCO (1988), USDA Soil Taxonomy (1990), Moorman và Thái Công Tụng (1961), Tôn Thất Chiểu và ctv. (1991), Lê Huy Bá (1981, 2003), Ngô Ngọc Hưng (2009), Breemen và Pons (1978), Dương Thanh Nhã và ctv. (2010), Vũ Cao Thái (1994). Tác giả phân tích các trở ngại về độc chất $Al^{3+}$ trao đổi, sắt hoạt động, tầng sinh phèn (pyrite - $FeS_2$), tầng phèn (jarosite - $KFe_3(SO_4)_2(OH)_6$) và tầng phèn lặn (perdysic).
  5. Khả năng sống sót của vi sinh vật trong đất chua phèn: Các ghi nhận của Bryan (1923), Mulder và ctv. (1966), Osa-Afiana và Alexander (1982), Asea và ctv. (1988), Giller và ctv. (1998), Raboin và ctv. (2014) về tác động tiêu cực của pH thấp và độc chất hòa tan lên mật số vi khuẩn du nhập.

Khoảng trống nghiên cứu được lựa chọn: Phần lớn các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào phân lập vi khuẩn trên đất phù sa hoặc phân tích tính chất hóa lý thuần túy của đất phèn. Chưa có công trình khảo sát có hệ thống về mức độ đa dạng loài vi khuẩn liên kết (cả vùng rễ lẫn nội sinh) trên cả hai đối tượng cây lương thực quan trọng (lúa và khoai lang) trên 4 tiểu vùng sinh thái đất phèn ĐBSCL, cũng như việc tuyển chọn các dòng vi khuẩn bản địa có khả năng cố định đạm và hòa tan lân hoạt động hiệu quả ở điều kiện $pH = 4$ để ứng dụng thực tế ngoài đồng nhằm giảm lượng phân đạm hóa học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án áp dụng khung phân tích thực nghiệm sinh học - nông nghiệp kết hợp giữa phương pháp vi sinh vật học cổ điển, sinh học phân tử hiện đại và thí nghiệm nông học đồng ruộng.

Khung lý thuyết phân loại thổ nhưỡng:

  • Sử dụng tiêu chuẩn phân loại của Soil Taxonomy (USDA, 1990) để xác định tầng sulfidic (chứa pyrite, khi oxy hóa cho $pH \le 3,5$) và tầng sulfuric (chứa jarosite, $pH < 3,5$) thuộc các bộ phụ và nhóm phụ Sulfaquents, Sulfic Tropaquents, Typic Sulfaquepts, Hydraquentic Sulfaquepts, Salorthidic Sulfaquepts, cũng như hệ thống phân loại FAO/UNESCO (Thionic Fluvisols, Proto-Thionic Gleysols, Orthi-Thionic Fluvisols).

Phương pháp thực nghiệm vi sinh và sinh học phân tử:

  • Thu mẫu: Mẫu đất vùng rễ, rễ và thân cây lúa, khoai lang thu thập tại TGLX, ĐTM, TSH và BĐCM theo tọa độ khảo sát của bản đồ sinh thái Võ Tòng Xuân và Matsui (1998).
  • Phân lập: Sử dụng các môi trường dinh dưỡng chọn lọc không đạm (đánh giá cố định đạm) và môi trường chứa lân khó tan ($Ca_3(PO_4)_2$, $Fe\text{-}PO_4$, $Al\text{-}PO_4$).
  • Mô tả hình thái: Ghi nhận màu sắc khuẩn lạc (trắng đục, trắng trong, vàng nhạt, vàng đậm), hình dạng (tròn, bìa nguyên), hình thái tế bào (hình que, hình cầu) và nhuộm Gram.
  • Khảo sát hoạt tính: Đánh giá khả năng tổng hợp $NH_4^+$ và hòa tan lân sau các mốc thời gian ủ (2–8 ngày sau ủ - NSU đối với đạm; 5–20 NSU đối với lân) ở môi trường chuẩn và môi trường dịch thể có $pH = 4$.
  • Định danh phân tử: Tách chiết DNA tổng số, thực hiện phản ứng PCR khuếch đại đoạn gen 16S rDNA bằng cặp mồi phổ biến:
    • Mồi xuôi 8F: 5’-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3’ (Turner và Blackman, 1999).
    • Mồi ngược 1492R.
    • Giải trình tự sản phẩm PCR, so sánh mức độ tương đồng chuỗi nucleotide trên ngân hàng gen NCBI bằng công cụ BLAST, xây dựng cây phả hệ phát sinh loài bằng thuật toán Neighbor-Joining với giá trị lặp lại bootstrap 1000.

Phương pháp bố trí thí nghiệm nông học:

  • Thí nghiệm nhà lưới: Đánh giá ảnh hưởng của các chủng vi khuẩn đơn lẻ và phối hợp với các mức phân bón đạm ($N$), lân ($P_2O_5$) lên các chỉ tiêu sinh trưởng và thành phần năng suất của lúa và khoai lang trồng trong chậu đất phèn.
  • Thí nghiệm ngoài đồng:
    • Trên cây lúa: Bố trí tại các vùng đất phèn Hòn Đất (Kiên Giang), Long Mỹ (Hậu Giang) và Hồng Dân (Bạc Liêu) trong vụ Hè Thu 2015 và vụ Thu Đông 2015. Các mức đạm thử nghiệm: đối chứng không bón đạm ($0N$), $60\text{ kg N ha}^{-1}$ kết hợp chủng vi khuẩn, và đối chứng chuẩn $90\text{N}-60\text{P}_2\text{O}_5-30\text{K}_2\text{O}$.
    • Trên cây khoai lang (giống khoai lang tím Nhật): Bố trí tại vùng đất phèn ĐBSCL vào vụ Xuân Hè 2016 và vụ Hè Thu 2016. Thử nghiệm kết hợp vi khuẩn với các mức đạm ($0N, 60\text{ kg N ha}^{-1}, 90\text{ kg N ha}^{-1}$) và các mức lân.
  • Xử lý số liệu: Phân tích phương sai (ANOVA) và kiểm tra sự khác biệt giữa các nghiệm thức bằng phần mềm thống kê chuyên ngành.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương 1 thiết lập cơ sở khoa học và bối cảnh thực tiễn của đề tài. Tác giả chỉ rõ đất phèn ĐBSCL có tổng diện tích lớn nhưng việc khai thác gặp nhiều trở ngại do độ chua, cố kết lân và ngộ độc kim loại. Chương này trình bày chi tiết mục tiêu tổng quát, 6 nội dung nghiên cứu thành phần, đối tượng nghiên cứu (vi khuẩn liên kết cây lúa và khoai lang), phạm vi tại 4 vùng đất phèn, cùng với tóm lược các đóng góp mới và ý nghĩa khoa học - thực tiễn của công trình.

Chương 2: Tổng quan tài liệu

Chương 2 tổng hợp kiến thức nền tảng chia làm hai mảng nội dung lớn:

  1. Nguyên lý và ứng dụng của vi khuẩn liên kết với thực vật: Trình bày chi tiết cơ chế vi sinh vật vùng rễ, vi khuẩn nội sinh, con đường cố định đạm sinh học xúc tác bởi enzyme nitrogenase, cơ chế hòa tan phosphate hữu cơ và vô cơ, sinh tổng hợp siderophore và các chất kích thích sinh trưởng. Chương này cũng điểm lại các tiến bộ sinh học phân tử như giải trình tự gen 16S rRNA, nghiên cứu gen chức năng (kỹ thuật IVET, DFI, microarrays, bất hoạt gen qua PCR-mediated inactivation, STM) và sinh thái vi sinh vật (DGGE, RAPD, ARDRA, T-RFLP, FISH, SIP).
  2. Đặc điểm thổ nhưỡng các vùng sinh thái đất phèn ĐBSCL: Cung cấp đặc trưng địa hình, thủy văn, cơ chế hình thành đất phèn Holocene, quá trình oxy hóa pyrite tạo jarosite tại 4 vùng: TGLX, ĐTM, BĐCM và TSH.

Bảng số liệu hóa học tầng A của đất phèn ở 4 vùng sinh thái ĐBSCL được tác giả kế thừa và trình bày lại:

Chỉ tiêu Thống kê Tứ giác Long Xuyên (n=30) Đồng Tháp Mười (n=9) Bán đảo Cà Mau (n=21) Trũng sông Hậu (n=19)
$\text{pH}_{\text{H}_2\text{O}}\ (1:2,5)$ Trung bình $\pm$ ĐLC $3,95 \pm 0,70$ $3,84 \pm 0,32$ $4,13 \pm 0,53$ $4,05 \pm 0,49$
Khoảng biến thiên 2,95 – 5,40 3,51 – 4,30 3,30 – 5,33 2,80 – 4,90
$\text{Al}^{3+}\ (\text{cmol kg}^{-1})$ Trung bình $\pm$ ĐLC $5,38 \pm 5,22$ $9,63 \pm 4,38$ $2,96 \pm 3,17$ $4,70 \pm 3,27$
Khoảng biến thiên 0,01 – 14,50 2,00 – 14,30 0,03 – 9,62 0,43 – 10,30
$\text{Fe tự do}\ (%\text{Fe}_2\text{O}_3)$ Trung bình $\pm$ ĐLC $1,75 \pm 0,84$ $0,84 \pm 0,77$ $0,85 \pm 0,62$ $0,90 \pm 1,47$
Khoảng biến thiên 0,41 – 3,65 0,01 – 2,11 0,14 – 2,89 0,07 – 5,00
$\text{SO}_4^{2-}\ \text{hòa tan}\ (%)$ Trung bình $\pm$ ĐLC $0,41 \pm 0,26$ $0,45 \pm 0,43$ $0,22 \pm 0,19$ $0,17 \pm 0,14$
Khoảng biến thiên 0,06 – 1,27 0,10 – 1,54 0,03 – 0,96 0,04 – 0,54
$\text{C hữu cơ}\ (%\text{C})$ Trung bình $\pm$ ĐLC $6,82 \pm 3,90$ $4,90 \pm 1,11$ $4,11 \pm 1,71$ $5,11 \pm 2,95$
Khoảng biến thiên 1,70 – 16,40 3,51 – 6,32 2,10 – 8,07 2,40 – 14,20
$\text{N tổng số}\ (%\text{N})$ Trung bình $\pm$ ĐLC $0,27 \pm 0,15$ $0,26 \pm 0,10$ $0,26 \pm 0,07$ $0,25 \pm 0,09$
Khoảng biến thiên 0,04 – 0,79 0,09 – 0,37 0,11 – 0,33 0,09 – 0,49
$\text{P tổng số}\ (%\text{P}_2\text{O}_5)$ Trung bình $\pm$ ĐLC $0,06 \pm 0,03$ $0,03 \pm 0,01$ $0,11 \pm 0,06$ $0,06 \pm 0,05$
Khoảng biến thiên 0,03 – 0,15 0,02 – 0,06 0,02 – 0,20 0,02 – 0,17
$\text{EC}\ (\text{mS cm}^{-1})$ Trung bình $\pm$ ĐLC $1,57 \pm 1,24$ $0,97 \pm 0,47$ $2,62 \pm 2,33$ $0,88 \pm 0,60$
Khoảng biến thiên 0,24 – 6,20 0,37 – 2,05 0,25 – 10,00 0,25 – 2,57
$\text{K}^+\ (\text{cmol kg}^{-1})$ Trung bình $\pm$ ĐLC $0,36 \pm 0,22$ $0,19 \pm 0,11$ $1,02 \pm 0,66$ $0,28 \pm 0,14$
$\text{Na}^+\ (\text{cmol kg}^{-1})$ Trung bình $\pm$ ĐLC $2,41 \pm 1,77$ $1,53 \pm 1,09$ $4,11 \pm 3,31$ $2,05 \pm 1,41$
$\text{Ca}^{2+}\ (\text{cmol kg}^{-1})$ Trung bình $\pm$ ĐLC $2,91 \pm 3,15$ $1,03 \pm 1,42$ $2,43 \pm 2,09$ $3,31 \pm 1,95$
$\text{Mg}^{2+}\ (\text{cmol kg}^{-1})$ Trung bình $\pm$ ĐLC $3,01 \pm \text{KĐ}$ $2,81 \pm \text{KĐ}$ $3,17 \pm \text{KĐ}$ $2,66 \pm \text{KĐ}$
$\text{Độ bão hòa base}\ (%\text{BS})$ Trung bình $\pm$ ĐLC $34,7 \pm 13,8$ $22,4 \pm 11,2$ $32,5 \pm 17,1$ $29,1 \pm 19,1$

(Nguồn số liệu: Ngô Ngọc Hưng, 2009; trích dẫn tại Bảng 2.2 của luận án. ĐLC: Độ lệch chuẩn; KĐ: Không ghi rõ độ lệch chuẩn trong bảng)

Chương 3: Vật liệu và phương pháp

Chương 3 mô tả cụ thể quy trình kỹ thuật:

  • Địa điểm và vật liệu: Thu mẫu đất, thân và rễ lúa, khoai lang tại 4 vùng đất phèn ĐBSCL trong giai đoạn 2014–2017.
  • Thiết bị và môi trường: Các môi trường chuyên dụng phân lập vi khuẩn không đạm và môi trường chứa nguồn lân khó tan. Cặp mồi 8F và 1492R phục vụ phản ứng PCR.
  • Phương pháp triển khai 6 nội dung nghiên cứu: Phân lập $\rightarrow$ Khảo sát hình thái $\rightarrow$ Tuyển chọn in vitro khả năng tổng hợp đạm và hòa tan lân $\rightarrow$ Định danh gen 16S rDNA $\rightarrow$ Đánh giá hiệu quả trên cây lúa (nhà lưới và đồng ruộng Kiên Giang, Hậu Giang, Bạc Liêu vụ Hè Thu và Thu Đông 2015) $\rightarrow$ Đánh giá hiệu quả trên cây khoai lang (nhà lưới và đồng ruộng vụ Xuân Hè và Hè Thu 2016).
  • Xử lý thống kê: So sánh trung bình nghiệm thức và phân tích phương sai.

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Chương 4 là phần nội dung thực nghiệm chính của luận án, được chia thành các tiểu mục kết quả chi tiết:

  1. Kết quả phân lập và đặc điểm hình thái vi khuẩn:

    • Cây lúa: Phân lập được 431 chủng vi khuẩn liên kết (272 chủng từ đất vùng rễ và 159 chủng nội sinh). Khuẩn lạc có màu trắng đục, trắng trong, vàng nhạt, vàng đậm; dạng tròn, bìa nguyên; tế bào hầu hết dạng hình que, Gram âm.
    • Cây khoai lang: Phân lập được 424 chủng vi khuẩn liên kết (271 chủng từ đất vùng rễ và 153 chủng nội sinh). Khuẩn lạc có màu trắng đục, trắng trong, vàng nhạt, vàng đậm; dạng tròn, bìa nguyên; tế bào hình que Gram âm và một số lượng nhỏ tế bào hình cầu Gram dương.

  2. Tuyển chọn và định danh phân tử bằng 16S rDNA:

    • Trên cây lúa: Tuyển chọn được 29 chủng có khả năng tổng hợp $NH_4^+$ cao và hòa tan lân khó tan mạnh. Kết quả giải trình tự đoạn gen 16S rDNA và phân tích cây phát sinh loài xác định các chủng này thuộc 3 lớp/nhóm vi khuẩn: Bacilli, Gammaproteobacteria và Betaproteobacteria.
    • Trên cây khoai lang: Tuyển chọn được 12 chủng có hoạt tính cố định đạm và hòa tan lân cao. Kết quả phân tích trình tự 16S rDNA xếp các dòng này vào 2 nhóm: Bacilli và Gammaproteobacteria.

  3. Hiệu quả của các chủng vi khuẩn triển vọng trên cây lúa:

    • Các chủng triển vọng được chọn thử nghiệm gồm: Burkholderia vietnamiensis X1 (VK1), Burkholderia vietnamiensis X2 (VK2) và Burkholderia vietnamiensis X3 (VK3).
    • Thử nghiệm nhà lưới: Các chủng vi khuẩn kết hợp các mức phân bón đạm và lân làm tăng thành phần năng suất và năng suất lúa so với đối chứng không bổ sung vi khuẩn.
    • Thử nghiệm đồng ruộng (vụ Hè Thu 2015 và Thu Đông 2015): Nghiệm thức không bón đạm ($0N$) làm suy giảm năng suất lúa rõ rệt tại Long Mỹ (Hậu Giang), Hòn Đất (Kiên Giang) và Hồng Dân (Bạc Liêu). Tuy nhiên, nghiệm thức bón $60\text{ kg N ha}^{-1}$ kết hợp chủng Burkholderia vietnamiensis X1 đạt năng suất cao hơn đối chứng phân bón đầy đủ ($90\text{N}-60\text{P}_2\text{O}_5-30\text{K}_2\text{O}$) trên đất phèn Hòn Đất - Kiên Giang. Tương tự, chủng Burkholderia vietnamiensis X3 kết hợp $60\text{ kg N ha}^{-1}$ cho năng suất vượt trội so với đối chứng chuẩn tại Long Mỹ - Hậu Giang và Hồng Dân - Bạc Liêu.
    • Về phân lân: Các nghiệm thức không bón lân chưa thể hiện triệu chứng thiếu hụt lân rõ rệt trên 3 vùng đất phèn thí nghiệm, do đó chưa ghi nhận sự khác biệt có ý nghĩa thống kê về năng suất khi bổ sung vi khuẩn hòa tan lân trong các vụ thử nghiệm ngoài đồng.

  4. Hiệu quả của các chủng vi khuẩn triển vọng trên cây khoai lang:

    • Các chủng triển vọng được thử nghiệm gồm: Burkholderia acidipaludis X5 (VK5) và Bacillus sp. X6 (VK6).
    • Thử nghiệm nhà lưới: Chủng B. acidipaludis X5 thể hiện hoạt tính cố định đạm mạnh nhất, giúp gia tăng số củ và năng suất củ.
    • Thử nghiệm đồng ruộng (vụ Xuân Hè 2016 và Hè Thu 2016 trên giống khoai lang tím Nhật): Nghiệm thức bón $60\text{ kg N ha}^{-1}$ kết hợp chủng Burkholderia acidipaludis X5 cho số củ, chiều dài củ, đường kính củ và năng suất củ tương đương với nghiệm thức bón $90\text{ kg N ha}^{-1}$. Việc chủng vi khuẩn B. acidipaludis X5 giúp tiết kiệm được khoảng 30% lượng phân đạm hóa học cần bón cho khoai lang trên đất phèn.

Chương 5: Kết luận và đề xuất

Chương 5 đúc kết các kết quả định lượng của luận án và đưa ra đề xuất kỹ thuật:

  • Đã xây dựng được bộ sưu tập vi khuẩn liên kết thực vật bản địa thích nghi môi trường đất phèn ĐBSCL.
  • Xác định được 2 chủng vi khuẩn cho lúa (Burkholderia vietnamiensis X1 và X3) và 1 chủng cho khoai lang (Burkholderia acidipaludis X5) có khả năng thay thế 30% lượng phân bón đạm hóa học.
  • Đề xuất áp dụng các chủng vi khuẩn triển vọng này vào quy trình canh tác lúa và khoai lang trên các vùng đất phèn tại ĐBSCL nhằm phát triển nông nghiệp bền vững thích ứng biến đổi khí hậu.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt học thuật và thực tiễn được luận án tự nêu bao gồm:

  1. Về dẫn liệu khoa học và phân loại học:

    • Phân lập thành công 431 dòng vi khuẩn liên kết với cây lúa (272 dòng vùng rễ, 159 dòng nội sinh) và 424 dòng vi khuẩn liên kết với cây khoai lang (271 dòng vùng rễ, 153 dòng nội sinh) từ 4 vùng sinh thái đất phèn ĐBSCL.
    • Định danh ở mức độ loài dựa trên phân tích trình tự 16S rDNA cho 29 chủng vi khuẩn tiềm năng trên lúa (phân bố trong 3 nhóm Bacilli, Gammaproteobacteria, Betaproteobacteria) và 12 chủng vi khuẩn tiềm năng trên khoai lang (thuộc 2 nhóm Bacilli và Gammaproteobacteria).
    • Chứng minh tập đoàn vi khuẩn bản địa trong đất phèn ĐBSCL có khả năng tồn tại, cố định đạm và hòa tan các dạng phosphate khó tan ($Fe\text{-}PO_4, Al\text{-}PO_4$) ở điều kiện môi trường chua $pH = 4$.

  2. Về giá trị ứng dụng thực tiễn:

    • Xác định chủng Burkholderia vietnamiensis X1 phù hợp cho đất phèn Hòn Đất (Kiên Giang) và Burkholderia vietnamiensis X3 phù hợp cho đất phèn Long Mỹ (Hậu Giang) và Hồng Dân (Bạc Liêu), giúp cây lúa đạt năng suất cao khi chỉ sử dụng $60\text{ kg N ha}^{-1}$ (vượt mức đối chứng bón $90\text{ kg N ha}^{-1}$).
    • Xác định chủng vi khuẩn nội sinh/vùng rễ Burkholderia acidipaludis X5 có hoạt tính cố định đạm mạnh trên khoai lang tím Nhật, cho phép giảm 30% lượng phân đạm hóa học (tương đương giảm từ $90\text{ kg N ha}^{-1}$ xuống $60\text{ kg N ha}^{-1}$) trong khi vẫn duy trì các chỉ tiêu số củ, kích thước củ và năng suất tương đương.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Trong các thí nghiệm đồng ruộng trên cây lúa ở vụ Hè Thu và Thu Đông 2015, nghiệm thức không bón lân chưa thể hiện rõ sự suy giảm năng suất do đất tại các điểm thí nghiệm chưa biểu hiện sự thiếu hụt lân trong thời gian nghiên cứu. Do đó, hiệu quả thực tế ngoài đồng của các chủng vi khuẩn hòa tan lân đối với năng suất lúa chưa được thể hiện rõ ràng như trong điều kiện in vitro và nhà lưới.
  • Phạm vi nghiên cứu thực địa chỉ tập trung đánh giá trên cây lúa và cây khoai lang tím Nhật tại các điểm đại diện của 4 vùng đất phèn ĐBSCL trong khung thời gian 2014–2017.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Luận án đề xuất triển khai ứng dụng các chủng vi khuẩn triển vọng (Burkholderia vietnamiensis X1, X3 và Burkholderia acidipaludis X5) vào thực tế sản xuất trên diện rộng tại các vùng đất phèn ĐBSCL.
  • Cần tiếp tục theo dõi hiệu quả hòa tan lân của vi khuẩn trên các chân đất phèn có hàm lượng lân hữu dụng cực thấp qua nhiều vụ canh tác liên tục để đánh giá đầy đủ vai trò thay thế phân lân khoáng.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị ứng dụng và tham khảo đối với nhiều đối tượng:

  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học: Thuộc các chuyên ngành Khoa học đất, Nông học, Vi sinh vật học nông nghiệp và Công nghệ sinh học. Luận án cung cấp hệ thống phương pháp luận hoàn chỉnh từ phân lập, tuyển chọn hoạt tính sinh hóa in vitro ở $pH = 4$, quy trình tách chiết và giải trình tự gen 16S rDNA bằng cặp mồi 8F/1492R, đến kỹ thuật bố trí thí nghiệm vi sinh vật ngoài đồng ruộng.
  • Nhà nghiên cứu thổ nhưỡng ĐBSCL: Tham khảo bộ cơ sở dữ liệu chi tiết về tính chất lý hóa học tầng A của đất phèn ở 4 vùng sinh thái (TGLX, ĐTM, BĐCM, TSH) với các thông số về độc chất nhôm, sắt, sulfate, carbon hữu cơ và dung tích cation trao đổi.
  • Cán bộ khuyến nông và nhà hoạch định chính sách nông nghiệp: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng quy trình canh tác giảm phát thải, tiết kiệm phân bón vô cơ, hướng dẫn nông dân vùng đất phèn ĐBSCL sử dụng chế phẩm vi sinh bản địa thích ứng với biến đổi khí hậu.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án đã phân lập được bao nhiêu chủng vi khuẩn từ cây lúa và khoai lang trên đất phèn?

Tác giả đã phân lập được tổng cộng 431 chủng vi khuẩn liên kết với cây lúa (gồm 272 chủng từ đất vùng rễ và 159 chủng nội sinh) và 424 chủng vi khuẩn liên kết với cây khoai lang (gồm 271 chủng từ đất vùng rễ và 153 chủng nội sinh) trên 4 vùng đất phèn tại ĐBSCL.

2. Các chủng vi khuẩn tuyển chọn được định danh thuộc những nhóm phân loại nào?

Dựa vào kỹ thuật PCR khuếch đại gen 16S rDNA và so sánh trình tự trên GenBank:

  • 29 chủng vi khuẩn tiềm năng trên cây lúa thuộc 3 nhóm: Bacilli, Gammaproteobacteria và Betaproteobacteria.
  • 12 chủng vi khuẩn tiềm năng trên cây khoai lang thuộc 2 nhóm: Bacilli và Gammaproteobacteria.

3. Những chủng vi khuẩn cụ thể nào mang lại hiệu quả cao nhất trên cây lúa và khoai lang ngoài đồng ruộng?

  • Đối với cây lúa: Chủng Burkholderia vietnamiensis X1 đạt hiệu quả cao nhất trên đất phèn Hòn Đất (Kiên Giang), trong khi chủng Burkholderia vietnamiensis X3 đạt hiệu quả cao nhất trên đất phèn Long Mỹ (Hậu Giang) và Hồng Dân (Bạc Liêu).
  • Đối với cây khoai lang: Chủng Burkholderia acidipaludis X5 đạt hiệu quả cố định đạm cao nhất, giúp cải thiện số củ, kích thước củ và năng suất củ khoai lang tím Nhật.

4. Khả năng tiết kiệm phân bón hóa học của các chủng vi khuẩn triển vọng đạt mức bao nhiêu?

Trên cây lúa, việc kết hợp chủng vi khuẩn B. vietnamiensis X1 hoặc X3 với mức bón $60\text{ kg N ha}^{-1}$ cho năng suất vượt đối chứng bón $90\text{ kg N ha}^{-1}$. Trên cây khoai lang, việc chủng B. acidipaludis X5 kết hợp bón $60\text{ kg N ha}^{-1}$ cho năng suất tương đương mức bón $90\text{ kg N ha}^{-1}$, giúp tiết kiệm khoảng 30% lượng phân đạm hóa học.

5. Vì sao thí nghiệm phân bón lân kết hợp vi khuẩn ngoài đồng ruộng chưa cho thấy sự khác biệt về năng suất?

Do đất tại 3 vùng phèn bố trí thí nghiệm ngoài đồng chưa biểu hiện tình trạng thiếu hụt lân trong suốt thời gian thực hiện vụ Hè Thu và Thu Đông 2015. Vì vậy, nghiệm thức không bón lân chưa làm giảm năng suất lúa và chưa tạo ra sự chênh lệch có ý nghĩa thống kê giữa việc có bổ sung hay không bổ sung vi khuẩn hòa tan lân.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Lý Ngọc Thanh Xuân đã thực hiện thành công việc phân lập, tuyển chọn và định danh phân tử tập đoàn vi khuẩn liên kết vùng rễ và nội sinh trên cây lúa và khoai lang tại 4 vùng sinh thái đất phèn ĐBSCL. Kết quả nghiên cứu xác định được các chủng vi khuẩn bản địa triển vọng gồm Burkholderia vietnamiensis X1, B. vietnamiensis X3 và Burkholderia acidipaludis X5 có khả năng sinh trưởng tốt ở điều kiện chua $pH = 4$, đồng thời thể hiện hoạt tính cố định đạm và hòa tan lân. Các thử nghiệm đồng ruộng khẳng định việc ứng dụng các chủng vi khuẩn này cho phép duy trì năng suất cây trồng ổn định và tiết kiệm được 30% lượng phân đạm hóa học. Công trình cung cấp nguồn dữ liệu khoa học và tập đoàn vi sinh vật bản địa hữu ích phục vụ mục tiêu phát triển nông nghiệp bền vững trên vùng đất phèn ĐBSCL trong bối cảnh biến đổi khí hậu.