Luận án nghiên cứu khu hệ vi sinh vật vùng rễ cây nghệ vàng Curcuma longa L. nhằm nâng cao năng suất và chất lượng củ nghệ

1 MỞ ĐẦU Curcumin là một hoạt chất có giá trị trong củ của cây nghệ vàng Curcuma longa L., một loài thực vật phân bố chủ yếu ở các nước thuộc khu vực Nam Á và Đông Nam Á, trong đó có Việt Nam. Curcurmin và các chất curcuminoids có hoạt tính sinh dược học phong phú, bao gồm hoạt tính diệt tế bào ung thư, kháng sinh, chống oxi hóa, chống đông máu, kháng virus, v. Trong những năm vừa qua, trước nhu cầu lớn về curcumin để phục vụ công nghiệp dược nhằm tạo ra các loại thuốc điều trị bệnh hiệu quả, lượng nghệ trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng đang đứng trước thực trạng không đáp ứng đủ nguyên liệu cho sản xuất. Vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách cải tiến kỹ thuật canh tác và bảo quản sau thu hoạch cây nghệ, kết hợp sử dụng công nghệ sinh học để làm tăng phẩm chất và hàm lượng chất chính của đối tượng nghiên cứu.

Trong bối cảnh cần phát triển nền nông nghiệp bền vững và duy trì cân bằng sinh thái thì việc canh tác sử dụng quá nhiều phân bón hóa học cần phải hạn chế, đồng thời cần chú trọng hơn đến chế phẩm sinh học có thành phần chính là các vi sinh vật hữu hiệu. Trong đó, giải pháp cần được cân nhắc là cải tiến năng suất mùa vụ và tăng hàm lượng curcumin trong củ nghệ bằng con đường công nghệ sinh học. Ngày nay, qua nhiều nghiên cứu đã và đang thực hiện, vai trò của các vi sinh vật vùng rễ trong việc thúc đẩy quá trình sinh tổng hợp các chất trao đổi thứ cấp trong thực vật đã được xác định và chứng minh. Vì vậy, chúng tôi thực hiện đề tài luận án “Nghiên cứu khu hệ vi sinh vật vùng rễ cây nghệ vàng Curcuma longa L.

nhằm định hướng tăng năng suất và chất lượng củ nghệ” với định hướng khai thác nguồn vi sinh vật này nhằm nâng cao hàm lượng hoạt chất có giá trị từ cây trồng một cách hiệu quả. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của đề tài luận án nhằm nghiên cứu và khai thác nguồn vi sinh vật vùng rễ, đặc biệt là các nhóm vi khuẩn và nấm vùng rễ hữu hiệu của cây nghệ vàng C. longa, để tạo cơ sở xây dựng hệ thống quản lý dinh dưỡng tổng hợp thích hợp cho cây nghệ trồng tại Việt Nam, giúp nâng cao năng suất và hàm lượng hoạt chất curcuminoid trong củ nghệ một cách an toàn và bền vững. 2 Nội dung nghiên cứu Để thực hiện được mục tiêu trên, các nội dung nghiên cứu chính của luận án bao gồm: (i) Nghiên cứu mối liên hệ giữa chế độ bón phân đạm hóa học và năng suất của cây nghệ; (ii) Phân lập và nghiên cứu hoạt tính một số nhóm vi sinh vật vùng rễ cây nghệ vàng; (iii) Nghiên cứu đa dạng khu hệ vi sinh vật vùng rễ và mối liên hệ với chế độ bón phân đạm hóa học cho năng suất cao; và (iii) Nghiên cứu tạo chế phẩm và hiệu quả tập nhiễm một số vi sinh vật trong chế phẩm vào rễ cây nghệ vàng.

Những đóng góp mới của luận án Luận án đã đóng góp một số điểm mới như sau:  Dữ liệu đầu tiên về ảnh hưởng của các chế độ bón phân đạm hóa học đến năng suất cây nghệ vàng tại Việt Nam.  Dữ liệu đầu tiên về tác động của các chế độ bón phân đạm hóa học đến khu hệ vi sinh vật vùng rễ cây nghệ tại Việt Nam bằng phương pháp metagenome. Đây cũng là một trong những nghiên cứu đầu tiên ở quy mô khu hệ vi sinh vật vùng rễ cây thuốc.  Dữ liệu đầu tiên về vi khuẩn vùng rễ kích thích sinh trưởng (PGPR) và nấm rễ nội sinh (AM) từ vùng rễ cây nghệ tại Việt Nam, và một số chủng vi sinh vật bản địa hữu hiệu có tiềm năng ứng dụng tạo chế phẩm sinh học cho cây nghệ.

 Thử nghiệm tạo chế phẩm sinh học đầu tiên cho cây nghệ tại Việt Nam, qua đó khẳng định tiềm năng ứng dụng các vi sinh vật vùng rễ này trong tạo chế phẩm hiệu quả và an toàn, không chỉ cho cây nghệ mà còn cho nhiều loại cây trồng có giá trị kinh tế khác.1 Một số vấn đề liên quan đến phân bón và năng suất cây trồng Để chuyên canh cây trồng cần phải đảm bảo cung cấp đầy đủ các thành phần dinh dưỡng vào đất, bao gồm các yếu tố dinh dưỡng đa lượng và vi lượng. Chính vì vậy, các nguồn N, P và K nói chung được coi là yếu tố quan trọng bậc nhất trong canh tác nông nghiệp hiện đại. Tuy nhiên, việc lạm dụng quá nhiều phân bón lại có tác dụng xấu đến môi trường và sức khỏe con người và đang trở thành một vấn nạn toàn cầu. Có thể nói, việc sử dụng phân bón hóa học trong nông nghiệp hiện đại đang đặt ra một bài toán lớn cho các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách.

Bài toán đó có thể tóm lại trong hai câu hỏi lớn, đó là: (A) Có nên tiếp tục sử dụng phân bón hay không? và (B) Làm thế nào để sử dụng hợp lý phân bón hóa học nhằm giảm thiểu tác động tới môi trường? Sau đây là một số luận cứ để chúng ta đi tìm câu trả lời cho những câu hỏi lớn đó.1 Phân bón hóa học, phân bón hữu cơ hay phân bón sinh học? Trong đất tự nhiên luôn có sẵn một lượng nhất định các chất dinh dưỡng cần thiết cho thực vật phát triển, nhưng phần lớn ở dạng không có sẵn cho cây và chỉ một phần nhỏ được giải phóng mỗi năm thông qua hoạt động sinh học hoặc các quá trình hóa học. Sự chuyển hóa dinh dưỡng tự nhiên này quá chậm để bù đắp cho phần dinh dưỡng mất đi do sản xuất nông nghiệp, do đó, phân bón được tạo ra để bổ sung các chất dinh dưỡng cho đất trồng. Dựa trên quy trình sản xuất, phân bón có thể được phân loại thành ba nhóm: Phân bón hóa học; Phân bón hữu cơ và Phân bón sinh học. Việc sử dụng phân bón hóa học, phân bón hữu cơ hoặc phân bón sinh học có những ưu điểm và nhược điểm trong cung cấp dinh dưỡng, tăng trưởng cây trồng và bối cảnh chất lượng môi trường.

Những ưu và nhược điểm này cần được cân nhắc để đạt được hiệu suất tối ưu theo từng loại phân bón và thực hiện quản lý dinh dưỡng cân bằng cho sự phát triển của cây trồng. 4 Ưu điểm của việc sử dụng phân bón hóa học gồm có: (i) Dinh dưỡng có thể hòa tan nhanh và sẵn sàng đáp ứng cho cây trồng, do đó hiệu quả thường trực tiếp và nhanh chóng; (ii) Giá thành của phân bón hóa học luôn thấp hơn hơn so với phân bón hữu cơ, do đó phổ biến hơn và dễ dàng hơn cho người sử dụng; (ii) Phân bón hóa học có hàm lượng dinh dưỡng cao nhất, với chỉ một lượng nhỏ là đủ cho tăng trưởng cây trồng. Tuy nhiên, nhược điểm của việc sử dụng phân bón hóa học không hề nhỏ. Một là, việc sử dụng quá mức có thể dẫn đến các tác động tiêu cực như rửa trôi, ô nhiễm tài nguyên nước, phá hủy vi sinh vật (VSV) và côn trùng có lợi, dễ bị sinh vật gây bệnh tấn công, gây axit hóa hoặc kiềm hóa đất và giảm độ phì nhiêu của đất, do đó gây ra thiệt hại không thể khắc phục cho toàn bộ hệ sinh thái [3].

Hai là, lượng phân bón N hóa học dư thừa có thể làm mềm mô thực vật, dẫn đến cây nhạy cảm hơn với bệnh tật và sâu bệnh. Ngoài ra, phân bón hóa học còn làm tăng cường sự phân hủy chất hữu cơ trong đất, dẫn đến suy thoái cấu trúc đất. Bên cạnh đó, khi phân bón bị rửa trôi và xâm nhập vào các tầng nước mặt và nước ngầm sẽ gây ra ô nhiễm, mất cân bằng sinh thái, phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính như N2O hay NO, hay gây bệnh thiếu máu ở người [3, 4]. Phân hữu cơ là những loại phân bón chứa các chất dinh dưỡng dưới dạng những hợp chất hữu cơ có nguồn gốc từ các sinh vật, được sử dụng cải tạo đất và bổ sung chất dinh dưỡng cho cây trồng.

Phân hữu cơ truyền thống bao gồm các loại phụ phẩm công nông nghiệp, hay các loại phân chuồng, phân xanh. Hiện nay phân hữu cơ được sản xuất công nghiệp với nhiều loại có nguồn gốc đa dạng, và phát triển theo hướng kết hợp với các chất khoáng hoặc vi sinh vật có lợi dưới dạng phân bón hữu cơ khoáng và hữu cơ vi sinh nhằm tăng cường hiệu quả chuyển hóa và hấp thu dinh dưỡng cho cây trồng. Mặc dù vậy, tốc độ giải phóng dinh dưỡng từ phân bón hữu cơ vào đất quá chậm và khó kiểm soát nên có thể ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng, đặc biệt là những cây trồng ngắn ngày. Ngoài ra, việc áp dụng lâu dài hoặc quá nhiều phân bón hữu cơ cũng có thể dẫn đến tích tụ muối, dinh dưỡng hoặc kim loại nặng và có thể ảnh hưởng xấu đến sự phát triển của thực vật, sinh vật đất, chất lượng nước và sức khỏe của con người và động vật [5].

Phân sinh học là loại phân bón có thành phần bao gồm các VSV sống ở dạng tế bào hoặc bào tử, có khả năng tập nhiễm vào hạt giống, bề mặt hoặc nội mô của thực vật, vùng rễ hoặc đất trồng, giúp thực vật dễ dàng hấp thu dinh dưỡng và tăng cường sinh trưởng. Các chủng VSV có hiệu quả cố định đạm, hòa tan phosphate hoặc giúp làm tăng 5 tốc quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng cho thực vật đồng hóa [6]. Phân sinh học giúp thực vật phát triển tốt hơn và cho năng suất cao hơn. Phân sinh học khác với phân bón hóa học và hữu cơ ở chỗ, chúng không trực tiếp cung cấp bất kỳ chất dinh dưỡng nào cho cây trồng, mà chỉ đóng vai trò gián tiếp, bởi chúng là chất mang của một số VSV đặc biệt giúp tăng cường chuyển hóa dinh dưỡng trong đất và tăng hấp thu dinh dưỡng cho thực vật, từ đó làm tăng cường sức sống cho cây và năng suất mùa vụ.

Tuy nhiên, phân bón sinh học đòi hỏi những đánh giá kỹ lưỡng liên quan đến điều kiện tác dụng cũng như mật độ và tính an toàn của các chủng VSV thành phần [7]. Đặc biệt, trước khi đưa một loại phân sinh học vào sử dụng, cần đánh giá kỹ những tác động về sinh thái học của chúng đối với khu hệ VSV trong đất để sử dụng một cách hợp lý và không tạo ra những nguy cơ tiềm ẩn trong môi trường.