Đặt vấn đề Ở Việt Nam, ngô (bắp) (Zea mays L.) là cây lương thực quan trọng và là nguồn nguyên liệu cho công nghiệp sản xuất thức ăn chăn nuôi gia súc, gia cầm. Việc sản xuất ngô đã tăng mạnh kể từ năm 1990 và dần trở thành một định hướng phát triển kinh tế khá ổn định đối với nông dân nhiều địa phương trong cả nước (Thanh Ha et al., 2004, Nguyễn Đức Cường, 2010). Năm 2014, tổng sản lượng ngô của cả nước ước đạt 5. Tuy vậy, mỗi năm nước ta vẫn phải bỏ ra khoảng nửa tỉ USD để nhập khẩu ngô hạt mới đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ (Nguyễn Đức Cường, 2010).
Thách thức lớn đối với Việt Nam là làm thế nào để cung cấp đủ ngô cho một thị trường ngày một mở rộng nhưng vẫn đảm bảo gìn giữ môi trường và các nguồn tài nguyên thiên nhiên (Thanh Ha et al. Trong các giống ngô lai ở nước ta hiện nay có nhiều giống ngô ngắn ngày (60 – 98 ngày/vụ), thích hợp trồng thâm canh và có thể trồng ở mật độ dày (khoảng 53. Khi canh tác lâu dài các giống ngô này, đất trồng sẽ bị khai thác quá mức và dễ bị suy kiệt. Bên cạnh đó, diện tích đất canh tác bình quân đầu người ở Việt Nam trong nửa sau thế kỷ XX đã giảm trung bình 1,1 – 1,4% mỗi năm (Phạm Văn Toản và Trương Hợp Tác, 2004).
Như vậy, việc tăng sản lượng cây trồng ngày nay không chỉ dựa vào sự tăng diện tích đất canh tác mà chủ yếu là do tăng năng suất cây trồng, trong đó việc tăng cường phân bón cho cây là một yếu tố quan trọng. Có thể nói “không có phân bón hóa học thì không thể có nền nông nghiệp thâm canh với năng suất cao”. Thế nhưng bón phân không cân đối, không hợp lý sẽ gây tình trạng vừa thừa vừa thiếu, gây hiện tượng chai cứng, giảm độ phì, và thay đổi tính chất vật lý, hóa học và sinh học của đất trồng, đồng thời còn gây ảnh hưởng xấu đến môi trường và sức khỏe con người (Phạm Văn Toản và Trương Hợp Tác, 2004). Chính vì vậy, nhiều quốc gia gần đây đã quan tâm đặc biệt đến chiến lược nông nghiệp sinh thái, thân thiện và bền vững.
Người ta đã phát hiện được nhiều loài vi khuẩn liên hiệp thực vật (Plant Associated Bacteria - PAB), bao gồm các vi khuẩn vùng rễ và vi khuẩn nội sinh, có khả năng cải thiện sự tăng trưởng của thực vật theo nhiều cách. Chúng có thể so sánh với các loại phân bón tổng hợp, thuốc trừ sâu và thuốc trừ cỏ nhưng lại có thể hỗ trợ cho việc duy trì tính bền vững trong năng suất cây trồng và sự an toàn của môi trường (Singh, 2013). Sự thúc đẩy tăng trưởng thực vật có thể trực tiếp thông qua cố định đạm sinh học (Biological Nitrogen Fixation - BNF), hòa tan phosphate, sản xuất 1 phytohormone, sản xuất siderophore, ức chế sinh tổng hợp ethylene nhằm đáp ứng với các stress vô sinh và hữu sinh, hay gián tiếp thông qua sự kiểm soát sinh học giúp bảo vệ cây khỏi sự ức chế tăng trưởng do mầm bệnh hoặc côn trùng (Bhattacharya và Jha, 2012; Jha et al. Trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay, xu hướng phân lập, tuyển chọn và ứng dụng các loại vi khuẩn có ích này như là nguồn phân bón sinh học đã và đang đạt được các kết quả khả quan.
Trong bối cảnh nêu trên, hướng nghiên cứu “Phân lập, tuyển chọn và nhận diện vi khuẩn cố định đạm, hòa tan lân trong đất vùng rễ và vi khuẩn nội sinh cây ngô (bắp) (Zea mays L.) trồng trên đất xám vùng Đông Nam Bộ” đã được thực hiện nhằm phát hiện nguồn vi khuẩn bản địa có khả năng bổ sung hai nguyên tố dinh dưỡng quan trọng cho cây ngô là N và P. Đông Nam Bộ vốn là một vùng ngô lớn trong bảy vùng sinh thái nông nghiệp của cả nước. Năng suất ngô đạt 59,5 tạ/ha, xấp xỉ Đồng bằng sông Cửu Long (59,6 tạ/ha) và bằng 139,9% so với năng suất trung bình của cả nước (44,1 tạ/ha) (Tổng cục Thống kê Việt Nam, 2014). Ở Đông Nam Bộ, đất xám (acrisols) có diện tích 744.652 ha, chiếm gần 32% tổng diện tích tự nhiên của vùng.
Đất xám là một trong 4 loại đất trồng ngô chủ yếu nhưng do nghèo dinh dưỡng nên cần phải chú ý đầu tư phân bón để có thể đạt năng suất cao. Tuy nhiên, theo Nguyễn Đức Khiển (2002), chỉ có 40 – 50% lượng phân đạm và không quá 30% lượng phân lân bón vào đất được cây trồng hấp thụ. Trong khi đó, nguồn đạm trong khí quyển dưới dạng N2 có thể xem là vô tận và trữ lượng lân có nguồn gốc từ phân bón hóa học tồn tại trong đất nông nghiệp dưới dạng cố kết được cho là rất lớn. Do vậy, các vi khuẩn có khả năng hòa tan lân và cố định đạm sinh học đóng một vai trò quan trọng trong chu trình tuần hoàn vật chất cũng như trong nông nghiệp sinh thái và phát triển bền vững.
Hướng nghiên cứu này đã lựa chọn đất xám và cây ngô trồng trên đất xám làm nguồn phân lập, dò tìm và sưu tập các dòng vi khuẩn có các đặc tính quý với giả thuyết đặt ra là: trong một loại môi trường đất nghèo dinh dưỡng như vậy, để tồn tại một cách thích nghi, có thể các thực vật ở đây đã có mối quan hệ gắn bó với các vi khuẩn có khả năng chuyển hóa tốt các chất dinh dưỡng. Các dòng vi khuẩn này, một khi được phát hiện, có thể được ứng dụng trong sản xuất phân bón vi sinh hay phân bón vi sinh chức năng chuyên dùng cho cây ngô trồng trên đất xám vùng Đông Nam Bộ. Ngoài việc bổ sung các chất dinh dưỡng cho cây, chúng còn có khả năng cung cấp các đặc tính thúc đẩy tăng trưởng thực vật khác, từ đó góp phần làm giảm lượng phân bón hóa học và thuốc trừ sâu, giảm chi phí canh tác và mở ra triển vọng sản xuất ngô bền vững, an toàn sinh học và thân thiện với môi trường. Mục tiêu nghiên cứu Phân lập, nhận diện và tuyển chọn được các dòng vi khuẩn cố định đạm và hòa tan lân từ đất vùng rễ và nội sinh trong cây ngô trồng trên đất xám Đông Nam Bộ mà các dòng này có khả năng ứng dụng như các chế phẩm phân bón vi sinh cho cây ngô.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là các dòng vi khuẩn đất vùng rễ và vi khuẩn nội sinh cây ngô có khả năng cố định đạm và hòa tan lân. Nghiên cứu được giới hạn trên đối tượng là các dòng vi khuẩn phân lập được từ 116 mẫu đất vùng rễ và các mẫu thân và mẫu rễ của 116 cây ngô trồng trên đất xám vùng Đông Nam Bộ được thu thập tại 30 địa điểm khác nhau của 17 huyện thuộc 6 tỉnh/thành trong thời gian từ tháng 2 đến tháng 7 năm 2013. Thời gian và địa điểm nghiên cứu Việc thu mẫu và tiến hành phân lập, tuyển chọn và nhận diện các dòng vi khuẩn có đặc tính tốt được tiến hành từ tháng 2/2013 đến tháng 8/2014. Việc đánh giá hiệu quả kích thích tăng trưởng thực vật của các dòng tuyển chọn trên cây ngô trồng trong chậu tiến hành từ tháng 1/2015 đến tháng 4/2015 và thí nghiệm ngoài đồng được tiến hành từ tháng 5/2015 đến tháng 7/2015.
Các nghiên cứu phân lập, tuyển chọn và nhận diện các dòng vi khuẩn được tiến hành tại các phòng thí nghiệm Vi sinh vật và Sinh hóa thuộc trường Đại học Sài Gòn và các phòng thí nghiệm Vi sinh vật đất, Vi sinh vật môi trường và Sinh học phân tử của Viện Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ Sinh học thuộc Trường Đại học Cần Thơ. Một số phân tích chuyên sâu được thực hiện bởi các cơ quan chuyên trách. Các nghiên cứu nhằm đánh giá hiệu quả kích thích tăng trưởng thực vật của các dòng tuyển chọn trên cây ngô trồng trong chậu và ngoài đồng được tiến hành tại vạt đất rộng khoảng 1.750 m2 trong tổng diện tích đất khoảng 3 ha thường trồng hoa màu của gia đình ông Nguyễn Văn Đẹp ở ấp 3, xã Phước Vĩnh An, huyện Củ Chi, Thành phố Hồ Chí Minh. Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu bao gồm các nội dung: - Xác định các chỉ tiêu dinh dưỡng của đất xám tại nơi thu mẫu và tìm hiểu mối quan hệ giữa các chỉ tiêu này với mật số vi khuẩn cố định đạm/hòa tan lân.
- Phân lập, làm thuần các dòng vi khuẩn đất vùng rễ và vi khuẩn nội sinh cây ngô có cả hai đặc tính cố định đạm và hòa tan lân trên các loại môi trường: 3 Burk’s/LGI/NFb không đạm (chọn lọc vi khuẩn cố định đạm) và NBRIP (chọn lọc vi khuẩn hòa tan orthophosphate). - Đánh giá hoạt tính cố định đạm và hòa tan lân in vitro của các dòng vi khuẩn thông qua các thí nghiệm định lượng. - Nhận diện, định danh và tìm hiểu quan hệ phát sinh của các dòng có các đặc tính tốt bằng phương pháp Sinh học phân tử và công cụ Tin sinh học kết hợp với một số mô tả hình thái tế bào và khuẩn lạc đã có. - Khảo sát thêm một số đặc tính thúc đẩy tăng trưởng thực vật của các dòng vi khuẩn có hoạt tính cố định đạm và hòa tan lân tốt, bao gồm khả năng tổng hợp IAA và siderophore nhằm chuẩn bị cho công tác đánh giá hiệu quả in vivo trên cây ngô.
- Tuyển chọn một số dòng tốt nhất để đánh giá hiệu quả kích thích tăng trưởng thực vật trên cây ngô con (1 tháng tuổi) trồng trong chậu đất, tiến đến chọn lọc để thu gọn nghiệm thức và đánh giá hiệu quả trên năng suất của cây ngô lai trồng trong chậu (1 vụ) và trồng ngoài đồng (1 vụ). Đóng góp mới và ý nghĩa của luận án Theo các tài liệu đã tham khảo, các nghiên cứu trong nước hiện nay hoặc chỉ phân lập và tuyển chọn ‘vi khuẩn nội sinh’, hoặc chỉ phân lập và tuyển chọn ‘vi khuẩn đất vùng rễ’. Trong khi đó, Jha et al. (2013) xếp cả hai đối tượng này vào chung nhóm ‘vi khuẩn liên hiệp thực vật’ và de Santi Ferrara et al.
(2012) cho rằng cơ chế thúc đẩy tăng trưởng thực vật bởi cả hai nhóm này là tương tự nhau. Do vậy, việc kết hợp dò tìm, xác định đặc tính và nhận diện cùng lúc 2 đối tượng ‘vi khuẩn đất vùng rễ’ và ‘vi khuẩn nội sinh’ dựa trên giả thuyết về sự gần gũi trong nguồn gốc và quan hệ tương tác của chúng với cây chủ chính là một điểm mới của luận án.
