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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CƠNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ
-----------------------------

Hồng Kim Chi

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC

Hà Nội – 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CƠNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ
----------------------------Hồng Kim Chi

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
Chuyên ngành: Vi sinh vật học

Mã số: 9 42 01 07

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS. TS. Lê Mai Hương
2. TS. Trần Thị Như Hằng

Hà Nội – 2020


MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC.......................................................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN..........................................................................................................................v
LỜI CẢM ƠN...............................................................................................................................vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT..............................................................vii
DANH MỤC CÁC BẢNG...........................................................................................................ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ....................................................................................xi
MỞ ĐẦU........................................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN........................................................................................................3
1.1

Một số vấn đề liên quan đến phân bón và năng suất cây trồng..............................3

1.1.1

Phân bón hóa học, phân bón hữu cơ hay phân bón sinh học?.........................3

1.1.2

Quản lý dinh dưỡng tổng hợp............................................................................. 5

1.1.3

Một số nhóm VSV hữu hiệu trong sản xuất phân sinh học.............................. 6

1.2

Cây nghệ vàng Cucuma longa L. và hợp chất curcumin trong củ nghệ................9

1.2.1

Hợp chất curcumin trong củ nghệ vàng...........................................................10

1.2.1.1 Thành phần hóa học của củ nghệ vàng........................................................... 10
1.2.1.2 Hoạt tính sinh y dược học của hoạt chất curcumin trong củ nghệ vàng.........11
1.2.2

Một số khía cạnh liên quan đến năng suất nghệ vàng.................................... 12

1.2.2.1 Khía cạnh sinh học.......................................................................................... 12
1.2.2.2 Khía cạnh nơng nghiệp....................................................................................14
1.2.2.3 Chất lượng đất trồng, phân bón và năng suất nghệ vàng................................15
1.3

Vi sinh vật vùng rễ cộng sinh với cây nghệ vàng.....................................................16

1.3.1

Vi sinh vật vùng rễ thực vật...............................................................................16

1.3.2

Một số nhóm VSVVR liên quan đến năng suất cây nghệ vàng.......................19

1.3.2.1 Vi khuẩn rễ kích thích sinh trưởng trên cây nghệ vàng...................................20
1.3.2.2 Nấm rễ cộng sinh trên cây nghệ vàng.............................................................21
1.3.3
Mối liên hệ giữa khu hệ vi sinh vật cộng sinh và hàm lượng curcumin trong
cây nghệ vàng...................................................................................................................22
1.3.3.1 Sự tổng hợp curcuminoid trong cây nghệ vàng.............................................. 22
1.3.3.2 Vi sinh vật và sự tạo thành curcumin trong cây nghệ..................................... 23
1.4

Bước phát triển trong công nghệ nghiên cứu khu hệ VSV vùng rễ......................24

1.4.1

Một số phương pháp nghiên cứu khu hệ VSV đất...........................................24

1.4.2

Metagenomics trong nghiên cứu khu hệ VSV vùng rễ.................................... 25
i


CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................... 27
2.1Nguyên vật liệu ......................................................................................................... 27
2.1.1

Giống nghệ ......................................................................................................... 27

2.1.1.1 Đặc điểm sinh học ........................................................................................... 27
2.1.1.2 Mùa vụ và chế độ chăm sóc ............................................................................ 27
2.1.2

Hóa chất, trình tự mồi, mơi trường và bộ chủng VSV.....................................27

2.2Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 30
2.2.1

Thu mẫu và xác định các chỉ số lý hóa của mẫu đất ....................................... 30

2.2.1.1 Thu mẫu .......................................................................................................... 30
2.2.1.2 Xác định các chỉ số lý hóa của đất .................................................................. 30
•

Thành phần cơ giới ............................................................................................. 30

•

pH ....................................................................................................................... 30

•

Hàm lượng N tổng số ......................................................................................... 30

•

Hàm lượng P tổng số .......................................................................................... 30

•

Hàm lượng K tổng số ......................................................................................... 30

•

Hàm lượng N dễ tiêu .......................................................................................... 31

•

Hàm lượng P dễ tiêu ........................................................................................... 31

•

Hàm lượng K dễ tiêu .......................................................................................... 31

2.2.2

Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng phân bón N đến năng suất nghệ .....31

2.2.2.2

Bố trí thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng phân bón N đến năng

suất
32
2.2.2.3 Xác định các chỉ tiêu nghiên cứu .................................................................... 33
•

Tiến hành theo dõi các chỉ tiêu sinh trưởng: ...................................................... 33

•

Xác định hệ số khối lượng khơ/khối lượng tươi (%) .......................................... 33

•

Xác định hàm lượng các chất curcuminoid ........................................................ 33

2.2.3

Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng phân bón N đến đa dạng khu hệ

VSVVR cây nghệ .............................................................................................................. 35
2.2.3.1 Tách DNA tổng số từ các mẫu đất vùng rễ cây nghệ ..................................... 35
2.2.3.2 Giải trình tự metagenome amplicons .............................................................. 35
2.2.3.3 Phân tích tin sinh học ...................................................................................... 36
•

Tiền xử lý............................................................................................................ 36

•

Xác định vị trí phân loại ..................................................................................... 37

•

Phân tích đa dạng và hiển thị hóa ....................................................................... 37

2.2.4

Phân lập vi khuẩn PGPR và xác định hoạt tính kích thích sinh trưởng ........40

2.2.4.1 Phân lập vi khuẩn vùng rễ có khả năng hịa tan phosphate vơ cơ .................. 40
ii


2.2.4.2 Xác định khả năng sinh IAA và kháng nấm gây bệnh ở thực vật ................... 40
2.2.4.3 Xác định đặc tính sinh lý, sinh hóa của các PGPR ......................................... 41
2.2.4.4 Xác định tên phân loại dựa trên trình tự đoạn gene 16S rDNA ...................... 41
2.2.5

Phân lập nấm AM và nghiên cứu đặc tính sinh học ....................................... 42

2.2.5.1 Phân lập bào tử nấm AM từ mẫu đất vùng rễ nghệ ........................................ 42
2.2.5.2 Khảo sát đa dạng nấm AM in situ dựa trên trình tự vùng gen 18S rRNA ......42
2.2.5.3 Xác định tên phân loại nấm AM bằng kỹ thuật Nested PCR.......................... 43
2.2.5.4 Xác định đặc điểm hình thái của bào tử nấm AM .......................................... 43
2.2.6

Nghiên cứu tạo và thử nghiệm chế phẩm vi sinh vật vùng rễ cho cây nghệ ..44

2.2.6.1 Tạo chế phẩm VSV vùng rễ cho cây nghệ ...................................................... 44
•

Xác định khả năng gây độc của chủng VSV ...................................................... 44

•

Nhân ni nấm AM ............................................................................................ 44

•

Nhân sinh khối, tạo hỗn hợp vi khuẩn ................................................................ 45

•

Thu hồi bào tử, tạo hỗn hợp bào tử nấm rễ......................................................... 45

•

Phối trộn, tạo chế phẩm ...................................................................................... 45

2.2.6.2 Thử nghiệm hiệu quả của chế phẩm VSV vùng rễ cho cây nghệ ................... 45
•

Bố trí thí nghiệm ................................................................................................. 45

•

Xác định các chỉ tiêu sinh trưởng và năng suất .................................................. 46

•

Xác định khả năng tập nhiễm của các chủng VSV trong chế phẩm ................... 46

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN......................................................................... 47
3.1

Khảo sát ảnh hưởng của chế độ bón phân đạm hóa học đến năng suất cây nghệ
47
3.1.1 Xác định chất lượng nghệ giống thích hợp ...................................................... 47
3.1.2

Điều kiện thổ nhưỡng khu vực thí nghiệm ...................................................... 49

3.1.2.1 Đặc điểm khí hậu ............................................................................................ 49
3.1.2.2 Khảo sát các chỉ số môi trường của đất trồng nghệ ........................................ 50
3.1.3

Xác định năng suất nghệ theo chế độ bón phân N .......................................... 51

3.1.4

Xác định năng suất curcumin theo chế độ bón phân N .................................. 51

3.2Khảo sát một số nhóm vi sinh vật hữu hiệu trong vùng rễ cây nghệ ..................54
3.2.1

Khảo sát vi khuẩn rễ kích thích sinh trưởng (PGPR) trong vùng rễ cây nghệ

54
3.2.1.1 Phân lập và tuyển chọn vi khuẩn PGPR ......................................................... 54
3.2.1.2 Đặc điểm hình thái, sinh lý, sinh hóa và phân loại học của các chủng vi khuẩn
lựa chọn 57
3.2.2

Khảo sát nấm AM trong vùng rễ cây nghệ....................................................... 62

iii


3.2.2.1
3.2.2.2

Phân lập và khảo sát số lượng bào tử nấm AM từ mẫu đất vùng rễ cây nghệ 62
Đặc điểm hình thái và phân loại học của một số chủng nấm AM trong đất

vùng rễ cây nghệ ............................................................................................................ 65
3.3Nghiên cứu tác động của chế độ bón phân N đến đa dạng khu hệ vi sinh vật
vùng rễ nghệ ........................................................................................................................ 68
3.3.1
Kết quả tách DNA tổng số từ các mẫu đất nghệ .............................................. 69
3.3.2

Kết quả giải trình tự metagenome amplicons ................................................... 69

3.3.3

Đánh giá đa dạng khu hệ vi khuẩn đất vùng rễ cây nghệ liên quan đến chế độ

bón phân N ....................................................................................................................... 71
3.3.3.1 Phân tích các chỉ số đa dạng của khu hệ vi khuẩn vùng rễ cây nghệ ............. 71
3.3.3.2 Thành phần phân loài của các quần xã vi khuẩn vùng rễ cây nghệ ................ 74
3.3.4

Đánh giá đa dạng khu hệ nấm đất vùng rễ cây nghệ liên quan đến chế độ bón

phân N 77

3.3.4.1 Phân tích các chỉ số đa dạng của khu hệ nấm vùng rễ .................................... 77
3.3.4.2 Thành phần phân loài của các quần xã nấm vùng rễ cây nghệ ....................... 80
3.3.5

Luận giải về tác động của chế độ bón phân N đến đa dạng khu hệ vi sinh vật

vùng rễ cây nghệ............................................................................................................... 82
3.3.5.1 Chế độ bón phân N có tác động tới khu hệ VSVVR cây nghệ hay khơng? ...82
3.3.5.2
3.3.6

Cơ chế tác động của lượng phân bón N tới khu hệ VSVVR .......................... 83
Khác biệt trong thành phần một số nhóm vi sinh vật hữu hiệu trong vùng rễ

cây nghệ ............................................................................................................................ 84
3.3.6.1 Vi khuẩn thuộc họ Bacilliaceae ...................................................................... 84
3.3.6.2 Nấm thuộc ngành Glomeromycota ................................................................. 85
3.4

Bước đầu nghiên cứu tạo chế phẩm sinh học làm tăng năng suất của cây nghệ 87

3.4.1
3.4.2

Thử nghiệm tính an tồn của chủng VSV ....................................................... 87
Tạo chế phẩm sinh học từ các chủng VSVVR hữu hiệu ................................. 89

3.4.3

Thử nghiệm tác động của chế phẩm VSV ........................................................ 90

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................................ 93
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ................................... 95
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................... 96

iv


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan:
Đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học
của GS. TS. Lê Mai Hương và TS. Trần Thị Như Hằng.
Các số liệu và kết quả thu được trong luận án là hồn tồn trung thực và
chưa từng được cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tác giả luận án

Hoàng Kim Chi

v


LỜI CẢM ƠN
Luận án này được hoàn thành tại Học viện Khoa học và Công nghệ – Viện Hàn
lâm Khoa học và Cơng nghệ Việt Nam.
Với sự kính trọng, lịng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất, tôi xin bày tỏ lòng
biết ơn tới GS. TS. Lê Mai Hương và TS. Trần Thị Như Hằng là những người thầy đã
hướng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ của Ban lãnh đạo Học viện

Khoa học và Công nghệ, Viện Hóa học các hợp chất thiên nhiên và Viện Cơng nghệ
Sinh học đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi hồn thành luận án.
Tơi cũng xin bày tỏ lịng biết ơn tới tập thể cán bộ Phòng Sinh học thực nghiệm,
Viện Hóa học các hợp chất thiên nhiên đã giúp đỡ tơi nhiệt tình trong suốt thời gian
thực hiện luận án.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới TS. Eiko Kuramae, TS. Trần Hồ Quang, TS.
Phạm Hoàng Nam, TS. Hồ Bích Hải, TS. Tjalf de Boer, và GS. Bram Brouwer cho sự
giúp đỡ trong q trình tơi thực hiện luận án này.
Tôi xin cảm ơn các đề tài nghiên cứu mã số ĐTĐLCN.14/14 của Bộ Khoa học và
Công nghệ, đề tài VAST 0205/17-18 của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ, và đề tài
“Nghiên cứu sản xuất và ứng dụng chế phẩm vi sinh vật phân hủy phốt pho hữu cơ (OP)
góp phần giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường và tăng năng suất cây trồng” của Bộ Nông
nghiệp và Phát triển Nông thôn đã tài trợ cho các nghiên cứu trong luận án này.

Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè gần xa đã cổ vũ, động viên
tơi hồn thành tốt luận án này.
Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến gia đình tơi,
những người đã khơng ngại khó khăn và vất vả, ln giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi
thực hiện tốt luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng năm 2020
Tác giả luận án

Hoàng Kim Chi
vi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
Diễn giải

ACE
Abundance-based coverage estimator (Chỉ số ước đoán dựa
trên sự đa dạng)
AM
Arbuscular mycorhiza ((Nấm) rễ cộng sinh)
AMF
Arbuscular mycorhizal fungi (Nấm rễ cộng sinh)
AOB
ammonia-oxidizing bacteria (vi khuẩn oxy hóa ammonia)
BDMC
bis-demethoxy-curcumin
C
Carbon (các bon)
c
class (đơn vị phân loại: lớp)
CoA
Coenzyme A
cs.
Cộng sự
Cur
Curcumin
CUS
curcuminoid synthase (enzyme)
DGGE
Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (Điện di gel biến tính
gradient)
DMC
demethoxy-curcumin
DSE
Dark Septate Endophytes (VSV nội sinh có vách ngăn tối màu)

FISH
Fluorescent insitu hybridization (Lai huỳnh quang tại chỗ)
FYM
Farmyard Manure (Phân chuồng)
GC%
guanine-cytosine content (thành phần GC, %)
H
Hydrogen (Hydro)
HSD
Honest Significant Difference (Khác biệt có ý nghĩa thật)
IAA
Indole-3-acetic acid
K
Potassium (Kali)
k
kingdom (đơn vị phân loại: giới)
LTR
long terminal region (vùng đuôi dài trong phiên mã),
N
Nitrogen (nitơ)
NF
Nitrogen-fixer (Vi khuẩn cố định đạm)
NGS
Next-generation sequencing (Giải trình tự thế hệ mới)
NF-κB
nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells
O
Oxygen (Oxy)
OTU
Operational taxonomic unit (Đơn vị phân loại)

P
Phosphorus (phốt pho)
p
phylum (đơn vị phân loại: ngành)
PAL
phenylalanine ammonia-lyase (enzyme)
PCA
Principal Component Analysis (Phân tích thành phần chính)
vii


PCoA
PCR
PGPR
PKS
PSB
PSF
Pvc
RT-PCR
TMĐ
(S)TT
T-RFLP
VSV
VSVVR
XPM

Principal Coordinate Analysis (Phân tích tọa độ chính)
Polymerase chain reaction (Phản ứng chuỗi polymerase)
Plant growth-promoting rhizobacteria (Vi khuẩn rễ kích thích
sinh trưởng)

P and K solubilizers (VSV hịa tan lân và kali)
Phosphate solublizing bacteria (vi khuẩn hòa tan phosphate)
Phosphate solublizing fungi (nấm hịa tan phosphate)
Phosphate vơ cơ
Reverse transcription polymerase chain reaction (Phản ứng sao
chép chuỗi polymerase ngược)
Tĩnh mạch đuôi
(Số) thứ tự
Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism (Đa hình
chiều dài đoạn cắt giới hạn)
Vi sinh vật
Vi sinh vật vùng rễ
Xoang phúc mạc

viii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. 1. Các thành phần cơ bản trong củ nghệ vàng C. longa [31]..........................10
Bảng 2. 1. Trình tự một số đoạn mồi sử dụng.............................................................. 29
Bảng 3. 1. Một số đặc điểm sinh trưởng và khối lượng củ nghệ theo thời gian...........48
Bảng 3. 2. Kết quả phân tích các chỉ số mơi trường của mẫu đất trồng nghệ tại vùng
chuyên canh............................................................................................... 50
Bảng 3. 3. Năng suất củ nghệ tươi sau thu hoạch và hệ số khối lượng khô/tươi của củ
nghệ tại mỗi chế độ canh tác...................................................................... 51
Bảng 3. 4. Hàm lượng các chất curcuminoid trong nguyên liệu mẫu khô (%) và trong
nguyên liệu mẫu tươi (%)........................................................................... 52
Bảng 3. 5. Năng suất curcumin của các chế độ canh tác nghệ.....................................52
Bảng 3. 6. Khả năng hòa tan phosphate, phát triển trên môi trường không chứa đạm và
sinh tổng hợp IAA của các chủng vi khuẩn................................................ 55

Bảng 3. 7. Thử nghiệm hoạt tính kháng nấm bệnh thực vật của các chủng vi khuẩn dựa
trên đường kính vịng vơ khuẩn (D-d, mm)................................................ 56
Bảng 3. 8. Đặc điểm hình thái khuẩn lạc và hiển vi của các chủng vi khuẩn lựa chọn.
58
Bảng 3. 9. Đặc điểm sinh lý, sinh hóa của các chủng vi khuẩn lựa chọn.....................59
Bảng 3. 10. Kết quả tìm kiếm các đoạn trình tự tương đồng trên ngân hàng gene với
đoạn 16S rDNA của các chủng vi khuẩn lựa chọn.....................................60
Bảng 3. 11. Số lượng loài nấm AM trong các mẫu đất vùng rễ cây nghệ dựa trên trình
tự đoạn gene SSU 18S rRNA..................................................................... 64
Bảng 3. 12. Đặc điểm hình thái của các nhóm nấm AM phân lập được tử các mẫu đất
vùng rễ cây nghệ........................................................................................ 65
Bảng 3. 13. Kết quả tìm kiếm các đoạn trình tự tương đồng trên ngân hàng gene với
đoạn 18S rDNA của các chủng nấm AM lựa chọn.....................................66
Bảng 3. 14. Nồng độ và hàm lượng của các mẫu DNA tổng số xác định bằng máy đo
Nanodrop và Qubit..................................................................................... 70
Bảng 3. 15. Kết quả giải trình tự metagenome amplicons 16S và ITS của các mẫu
DNA tổng số từ vùng rễ nghệ..................................................................... 70
Bảng 3. 16. Kết quả phân tích phân loại học dữ liệu giải trình tự metagenome 16S và
các chỉ số đa dạng...................................................................................... 72
ix


Bảng 3. 17. Kết quả phân tích phân loại học dữ liệu giải trình tự metagenome ITS và
các chỉ số đa dạng. ....................................................................................... 78
Bảng 3. 18. Kết quả thử nghiệm độ an toàn của chủng vi khuẩn PGP-V21. ................ 88
Bảng 3. 19. Kết quả xác định các chỉ số ảnh hưởng của chế phẩm sinh học trên cây
nghệ thử nghiệm. .......................................................................................... 90
Bảng 3. 20. Hiệu quả tập nhiễm của các bào tử AMF trong chế phẩm trên cây nghệ thử
nghiệm. ......................................................................................................... 90

x


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1. 1. Sự tham gia của các vi sinh vật trong chuyển hóa P giữa dạng cố định trong
đất và dạng dễ hấp thu cho thực vật (dựa trên tài liệu của Richardson &
Simpson [31])............................................................................................... 8
Hình 1. 2. (A) Cấu trúc hóa học của các chất curcuminoid: curcumin (Cur), DMC và
BDMC; các thành phần tinh dầu nghệ: ar-turmerone (ar), α-turmerone và βturmerone (α/β). (B) Sắc ký đồ HPLC của các curcuminoids tổng (I),
curcumin (II), DMC (III) và BDMC (III) [46]........................................... 11
Hình 1. 3. Vùng rễ trong tương quan giữa đất và rễ thực vật (Dựa theo tài liệu của
Reinhold-Hurek & cs. [72])....................................................................... 17
Hình 1. 4. Tác động của các chất tiết từ rễ thực vật đối với hoạt động của khu hệ VSVVR

ở mức độ loài và mức độ quần xã (Dựa theo tài liệu của Huang & cs. [82])
...................................................................................................................... 18

Hình 1. 5. Cấu trúc hóa học của Coenzyme A (CoA). Cấu trúc và thành phần của CoA
bao gồm các cơ chất: pantothenate, pantetheine và nhóm adenosine
phosphate................................................................................................... 23
Hình 1. 6. Phương pháp metagenomics trong nghiên cứu khu hệ VSV đất vùng rễ (dựa
theo tài liệu của Jansson & Hofmockel [129])........................................... 26
Hình 2. 1. Bố trí thí nghiệm trồng nghệ theo RCBD................................................... 32
Hình 2. 2. Quy trình tách chiết và phân tích hàm lượng curcuminoid trong mẫu nghệ.
34
Hình 2. 3. Sơ đồ các bước giải trình tự thế hệ mới metagenome amplicons................35
Hình 2. 4. Quy trình phân tích đa dạng khu hệ VSV sử dụng cơng cụ Qiime2 [119]. . 36
Hình 3. 1. Biểu đồ liên hệ giữa khối lượng củ nghệ giống và năng suất củ nghệ tươi sau

thu hoạch.................................................................................................... 48

Hình 3. 2. Năng suất và hàm lượng curcuminoid tổng trong củ nghệ của các chế độ canh

tác nghệ...................................................................................................... 53
Hình 3.3. Cây phân loại của các chủng PGP-V5, PGP-V20, PGP-V21 và một số chủng
vi sinh vật đã biết dựa trên trình tự đoạn gene 16S rRNA đã công bố (Phương
pháp maximum likelihood, 1000 bootstrap replicates)...............................61
Hình 3. 4. Số lượng bào tử nấm AM trong các mẫu đất vùng rễ cây nghệ ở các thời điểm

theo dõi...................................................................................................... 63
xi


Hình 3. 5. Cây phân loại của các chủng AM-N1, AM-N2 và AM-N3 và một số chủng
vi sinh vật đã biết dựa trên trình tự đoạn gene 18S rRNA đã cơng bố (Phương

pháp maximum likelihood, 1000 bootstrap replicates)...............................67
Hình 3. 6. Rarefaction của các OTU vi khuẩn quan sát được thuộc nhóm H và L......73
Hình 3. 7. Phân tích tọa độ chính (PCoA) cho các quần xã vi khuẩn thuộc nhóm H
(N150, N350) (màu đỏ) và nhóm L (N0, N500) (màu xanh)......................73
Hình 3. 8. Thành phần phân loại ở mức độ ngành của khu hệ vi khuẩn vùng rễ cây nghệ

tại các chế độ bón phân N khác nhau......................................................... 75
Hình 3. 9. Thành phần phân loại ở mức độ lớp của khu hệ vi khuẩn vùng rễ cây nghệ tại

các chế độ bón phân N khác nhau.............................................................. 76
Hình 3. 10. Phân tích thành phần chính (PCA) cho các khu hệ vi nấm thuộc nhóm H
(N150, N350) và nhóm L (N0, N500)........................................................ 78
Hình 3. 11. Đường cong rarefaction của nhóm H và nhóm L dựa trên độ sâu trình tự
(sequencing depth) của các OTU quan sát được......................................... 79
Hình 3. 12. Thành phần phân loại trung bình ở mức độ ngành (phylum) của khu hệ nấm

vùng rễ cây nghệ tại các chế độ bón phân N khác nhau (N0, N150, N350,
N500)......................................................................................................... 80
Hình 3. 13. Thành phần phân loại trung bình ở mức độ lớp (class) thuộc ngành
Ascomycota (hình trái) và Basidiomycota (hình phải) của nấm vùng rễ cây
nghệ tại các chế độ bón phân N khác nhau (N0, N150, N350, N500)........80
Hình 3. 14. Phân bố trung bình các OTU thuộc họ vi khuẩn Bacilliaceae trong mẫu đất
vùng rễ cây nghệ thuộc các chế độ bón phân N0, N150, N350 và N500. ... 84
Hình 3. 15. Phân bố trung bình các OTU của nấm thuộc ngành Glomeromycota trong
mẫu đất vùng rễ cây nghệ thuộc các chế độ bón phân N0, N150, N350 và
N500........................................................................................................... 86
Hình 3. 16. Sự tập nhiễm của bào tử AM trong rễ cây nghệ tại lơ CP dưới dạng vesicle
(hình trái) và arbuscule (hình phải)............................................................ 91

xii


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 Đơng 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 đơng
máu, kháng virus, v.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 tơi 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 tồn, khơng chỉ cho cây nghệ mà cịn cho nhiều loại cây trồng có
giá trị kinh tế khác.


3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 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. Trong đó,
đạm (ni-tơ, N), lân (phốt-pho, P) và ka-li (K) là các nguyên tố đa lượng quan trọng
nhất ảnh hưởng đến sinh trưởng, năng suất và chất lượng của cây trồng: N ảnh hưởng
trực tiếp đến quá trình tạo diệp lục cũng như tác động đến hiệu suất tổng hợp hữu cơ
của cây trồng [1], P là thành phần không thể thay thế trong cấu tạo vật chất di truyền
và gián tiếp giúp tăng cường hấp thụ các dinh dưỡng khác cho cây trồng, K đóng vai
trị là chất điều hịa tính thấm của thành tế bào thực vật và trung hòa các axit hữu cơ
liên quan đến hoạt động sinh lý của cây trồng [2]. 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 tồn cầu. Có thể nói, việc sử dụng
phân bón hóa học trong nơng nghiệp hiện đại đang đặt ra một bài toán lớn cho các nhà
khoa học và các nhà hoạch định chính sách. Bài tốn đó có thể tóm lại trong hai câu
hỏi lớn, đó là: (A) Có nên tiếp tục sử dụng phân bón hay khơng? 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.
1.1.1 Phân bón hóa học, phân bón hữu cơ hay phân bón sinh học?
Trong đất tự nhiên ln có sẵn một lượng nhất định các chất dinh dưỡng cần thiết
cho thực vật phát triển, nhưng phần lớn ở dạng khơng có sẵn cho cây và chỉ một phần nhỏ
được giải phóng mỗi năm thơng qua hoạt động sinh học hoặc các q 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 nơng 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 hịa 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 ln 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 khơng hề nhỏ. Một là, việc sử dụng q

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 cơn trùng có lợi, dễ bị sinh vật gây bệnh tấn cơng, gây axit hóa hoặc
kiềm hóa đất và giảm độ phì nhiêu của đất, do đó gây ra thiệt hại khơng thể khắc phục cho
tồn bộ hệ sinh thái [3]. Hai là, lượng phân bón N hóa học dư thừa có thể làm mềm mơ
thực vật, dẫn đến cây nhạy cảm hơn với bệnh tật và sâu bệnh. Ngồi ra, phân bón hóa học
cịn làm tăng cường sự phân hủy chất hữu cơ trong đất, dẫn đến suy thối 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 N 2O
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 cơng 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 sốt 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, hịa tan phosphate hoặc giúp làm tăng


5

tốc q 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.
1.1.2 Quản lý dinh dưỡng tổng hợp
Sử dụng kết hợp phân bón hóa học và hữu cơ để sản xuất cây trồng bền vững đã
được chứng minh là rất có lợi. Một số nhà nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả có lợi
của việc sử dụng kết hợp phân bón hóa học và hữu cơ để giảm thiểu sự thiếu hụt nhiều
chất dinh dưỡng thứ cấp và vi chất trong các lĩnh vực liên tục chỉ nhận được phân bón
N, P và K trong vài năm, mà khơng cần bất kỳ loại phân bón vi lượng hoặc hữu cơ
nào. Nghiên cứu năm 2005 trên cây húng (Ocimum basilicum L. cv. Vikas Sudha) cho
thấy, năng suất và hàm lượng tinh dầu trong cây húng ở các lơ bón phân hữu cơ kết
hợp với phân hóa học cao hơn hẳn so với các lơ chỉ bón một trong hai loại phân, ngồi
ra việc bón kết hợp hai loại phân trên còn giúp làm cải thiện các chỉ số dinh dưỡng như
hàm lượng C tổng số, N và P dễ tiêu trong đất [5].
Xét về hiệu suất sử dụng, phân bón hóa học và phân bón hữu cơ có hiệu quả sử
dụng thấp, có nghĩa là chỉ một phần các chất dinh dưỡng từ các loại phân này được
thực vật hấp thụ [8]. Ví dụ, phần lớn phân lân bị kết tủa sau khi bón vào đất, hay phân
đạm trong đất có thể bị mất qua quá trình lọc nitrat, dẫn đến ơ nhiễm nước ngầm [8, 9].
Phân bón sinh học giúp cải thiện hiệu quả chuyển hóa của phân bón hóa học. Chẳng
hạn, một số vi khuẩn có tác dụng tích cực nhất định đối với sự hấp thu N từ đất [10,
11, 12], hay việc tập nhiễm nấm rễ nội cộng sinh giúp hòa tan P và tăng hấp thu dinh

dưỡng của cây, cho năng suất cây trồng cao hơn [13, 14]. Như vậy, việc kết hợp giữa
các loại phân bón hóa học và hữu cơ với phân sinh học sẽ là giải pháp cho tương lai,
cho một nền nơng nghiệp có hiệu quả cao và bền vững.


6

‘Quản lý dinh dưỡng tổng hợp’ (Integrated Nutrient Management, INM) là hệ
thống canh tác ra đời từ cuối thế kỷ 20, và chỉ được chú trọng phát triển từ đầu những
năm 2000, nhằm hạn chế các tác dụng tiêu cực của phân bón hóa học [15]. INM giúp
giảm thiểu lượng phân bón hóa học nhưng làm tăng hiệu suất sử dụng dinh dưỡng
bằng các kết hợp giữa các loại phân bón nhân tạo (phân hóa học) và tự nhiên (phân
hữu cơ, phân sinh học) cho thực vật nhằm làm tăng năng suất một cách hiệu quả, thân
thiện môi trường và duy trì tính ổn định cao [15, 16]. Các kết quả nghiên cứu đã cho
thấy, khi áp dụng hệ thống INM thì năng suất thu hoạch sẽ tăng từ 8 đến 150% so với
các cách thức canh tác truyền thống, mặt khác duy trì chất lượng và tính ổn định của
đất trồng cho nhiều mùa vụ sau [17].
Những phân tích trên đây có thể coi là một số luận cứ chính cho câu hỏi (A) và (B)
đã nêu. Một là, phân bón có vai trị khơng thể thay thế đối với cây trồng và với vấn đề an
ninh lương thực toàn cầu cũng như nhu cầu khai thác hợp chất thiên nhiên phục vụ tiêu
dùng xã hội. Hai là, các loại phân nói chung và phân bón hóa học nói riêng nếu được sử
dụng với hàm lượng phù hợp và với cách thức thích hợp thì khơng chỉ giúp cây trồng phát
triển tốt và đem lại năng suất cao hơn, mà cịn có thể giúp cải tạo đất trồng và tránh tác
động tiêu cực tới mơi trường sinh thái. Chính vì vậy, để đạt được một hiệu suất nơng
nghiệp cao và bền vững, cần xây dựng và phát triển hệ thống INM một cách phù hợp với
mỗi địa phương và mỗi loại cây trồng, trong đó cần đặc biệt ưu tiên hai hướng là: (i) Xác
định chế độ bón phân hóa học hiệu quả theo hướng giảm thiểu, và (ii) tìm kiếm được
những nhóm VSV hữu hiệu nhằm ứng dụng cho sản xuất phân sinh học.

1.1.3 Một số nhóm VSV hữu hiệu trong sản xuất phân sinh học

Các VSV thường được sử dụng để tạo phân sinh học gồm các vi khuẩn cố định
đạm (N-fixer, NF), các VSV hòa tan P và K (P and K solubilizers, PKS), và các VSV
sinh chất kích thích sinh trưởng thực vật. Hầu hết các VSV có trong thành phần của
phân sinh học thường có mối quan hệ cộng sinh với rễ cây, chẳng hạn như Rhizobium
tương tác cộng sinh với rễ cây họ Đậu (Fabaceae), và các vi khuẩn sống bám trên bề
mặt rễ hoặc trong đất vùng rễ.
Vi khuẩn cố định đạm (NF)
Các NF có khả năng cố định nitơ tự do trong khí quyển và cộng sinh với thực vật
theo hướng giúp đáp ứng nhu cầu đạm của cây chủ. Về mặt sinh học, các NF thường có
chứa enzyme nitrogenase để xúc tác cho phản ứng cố định N từ khí quyển như sau:


7

Trước đây vi khuẩn NF được coi là đặc trưng cho sự cộng sinh với các cây họ
Đậu, chẳng hạn như các NF thuộc những chi phổ biến như Rhizobium, Mesorhizobium,
Bradyrhizobium, Azorhizobium, Allorhizobium và Sinorhizobium [18, 19], hoặc vi
khuẩn NF thuộc chi Cyanobacteria cộng sinh với một số loài thủy sinh [20], tuy nhiên
gần đây các nhà khoa học đã chứng minh NF còn tồn tại ở một số cây khơng thuộc họ
Đậu như gạo, mía, lúa mì và ngơ [21], như Rhizobium trifolii trong rễ cây lúa Ai Cập
[22] hay vi khuẩn Herbaspirillum seropedicae và Bulkholderia sp. từ cây ngô [23].
Sau khi tập nhiễm vào cây chủ, các NF giúp làm tăng sức sống và năng suất của cây
trồng [18], thể hiện cụ thể ở tổng năng suất N và các chỉ số thu hoạch của cây trồng
[22], cũng như sức chống chịu với điều kiện khắc nghiệt [23]. Chính vì vậy, NF giúp
đưa ra giải pháp thay thế hiệu quả cho việc sử dụng phân đạm hóa học quá mức và mất
cân bằng sinh thái trong nhiều thập kỷ qua.
VSV hòa tan P và K (PKS)
Các PKS giúp tăng cường sự hấp thu khoáng chất của thực vật thơng qua hịa
tan P khó tan (Hình 1.1) và giải phóng K từ silicat trong đất [24]. Các VSV thuộc
nhóm này bao gồm nhiều lồi vi khuẩn và nấm có khả năng tiết ra các axit hữu cơ làm

giảm độ pH của đất và hịa tan K và P khó tan trong đất [25]. Một số vi khuẩn như
Bacillus mucilaginous, B. subtilis, Pseudomonas striata, B. circulans và một số nấm
như Aspergillus awamori, Penicillium sp. đã được chứng minh khả năng sinh axit hoặc
enzyme phosphatase để hòa tan P hiệu quả [24, 26]. Trong đó, các vi khuẩn đã được
chứng minh là hiệu quả hơn nấm trong hịa tan P vơ cơ: Mức hòa tan P của vi khuẩn
hòa tan phosphate (phosphate solubilizing bacteria, PSB) từ 1 đến 50%, trong khi nấm
hòa tan phosphate (phosphate solubilizing fungi, PSF) chỉ tử 0,1 đến 0,5% [27].
Trong điều kiện sinh thái vùng rễ cây, một số vi khuẩn NF và PKS được xếp vào
nhóm vi khuẩn rễ kích thích sinh trưởng (plant growth promoting rhizobacteria, PGPR).
Bên cạnh các tác dụng như NF và PKS, PGPR cịn tạo các hormone kích thích sinh trưởng
thực vật, kháng sinh và siderophore, và khả năng này đã được minh chứng trong nhiều
nghiên cứu. Chẳng hạn, vi khuẩn Pseudomonas putida và P. fluorescens làm tăng sự kéo
dài rễ và chồi ở cây cà chua và cây dầu mè [28, 29]. Ngồi ra, năng suất lúa mì


8

tăng lên đến 30% khi được tập nhiễm Azotobacter sp. và lên đến 43% khi tập nhiễm vi
khuẩn Bacillus sp. [30].

Hình 1. 1. Sự tham gia của các vi sinh vật trong chuyển hóa P giữa dạng cố định trong đất
và dạng dễ hấp thu cho thực vật (dựa trên tài liệu của Richardson & Simpson [31]).

Các PGPR hoạt động như một yếu tố kích thích sinh trưởng và bảo vệ thực vật
thông qua nhiều cơ chế đa dạng. Thông qua cơ chế trực tiếp, PGPR cung cấp nguồn N
và P, tạo ra các siderophore giúp tập trung sắt cho thực vật hấp thu. Bên cạnh đó chúng
cịn tạo ra các hc mơn sinh trưởng như auxin, cytokinin, gibberellin, và làm hạ
lượng ethylen trong thực vật [31, 32]. Qua cơ chế gián tiếp, chúng tạo ra các kháng
sinh và siderophore, “hút” sắt trong vùng rễ để làm hạn chế các tác nhân gây bệnh, tiết
enzyme làm tan lớp thành thế bào của nấm, lớp vỏ chitin của các tuyến trùng và sâu

bệnh, tăng cường sức đề kháng của thực vật để chống lại các mầm bệnh và sâu hại
[33]. Một số chi vi khuẩn PGPR phổ biến đã được nghiên cứu có thể kể đến
Agrobacterium, Arthrobacter, Azotobacter, Azospirillum, Bacillus, Burkholderia,
Caulobacter,

Chromobacterium,

Erwinia,

Flavobacterium,

Micrococcus,

Pseudomonas và Serratia [34].
Nấm rễ nội cộng sinh (AMF)
Nấm rễ nội cộng sinh (arbuscular mycorrhizal fungi, AMF/nấm AM) là nhóm nấm
thuộc ngành Glomeromycota và có mối quan hệ cộng sinh với trên 90% lồi thực vật bậc
cao, giúp kích thích tăng trưởng và sức chống chịu của thực vật [35, 36]. AMF làm tăng
khả năng hấp thu các hợp chất vô cơ của thực vật, như nitrate và phosphate, từ những
vùng có hàm lượng các nguyên tố thiết yếu thấp. Ở một số trường hợp, AMF cịn đóng vai
trị trung gian và nối kết giữa thực vật với thực vật, vận chuyển carbohydrate và các chất
dinh dưỡng khác [37]. Sự phổ biến cùng với những vai trị tích cực của nấm rễ đã kích
thích việc nghiên cứu về nấm rễ ngày càng mở rộng và sâu sắc hơn. AMF


9

được coi là một nhóm vi sinh vật tiềm năng và có thể ứng dụng làm phân bón nhằm mục
đích cải thiện tính ổn định đất, kìm hãm sinh vật có hại và giúp cây trồng phát triển tốt.

Một số nhóm nấm AM như Glomus, Entrophospora hay Gigaspora đã được
biết đến với sự liên kết cộng sinh với thực vật và tăng cường khả năng cung cấp các
chất dinh dưỡng như P, đồng và kẽm cho cây chủ [38]. Ở cây thuốc, một số nấm AM
đã được phân lập và xác định có liên quan cải thiện năng suất cây thuốc và hàm lượng
các chất có dược tính [39]. Khác với nhiều vi khuẩn như NF, các nấm AM có phổ cộng
sinh khá rộng [25], vì vậy các chế phẩm sinh học từ nấm AM thường áp dụng được
cho nhiều loại cây trồng chứ không hạn chế trong một số loài nhất định.
Nhờ những kết quả nghiên cứu về tác dụng của các nhóm VSV có hữu ích như
NF, PKS, PGPR và AM, cơng nghệ tạo phân bón sinh học đã có những bước phát triển
mạnh mẽ, giúp cải thiện chất lượng đất, tăng sức chống chịu của cây trồng với bệnh
hại và các điều kiện bất lợi, tăng cường hiệu quả sử dụng phân bón hữu cơ và vơ cơ.
Các loại phân bón sinh học này sẽ đóng một vai trị quan trọng trong sản xuất nơng
nghiệp bền vững và bảo vệ môi trường.
1.2 Cây nghệ vàng Cucuma longa L. và hợp chất curcumin trong củ nghệ
Cây nghệ vàng (Curcuma longa L.) thuộc họ Gừng Zingiberaceae. Các loài thực
vật thuộc họ Gừng phân bố chủ yếu ở Nam và Đông Nam Á, đa dạng ở Ấn Độ và Thái
Lan với trên 40 lồi, tiếp đó là Bangladesh, Indonesia, Myanma và Việt Nam [40, 41].
Nghệ vàng C. longa có nguồn gốc ở vùng nhiệt đới phía Đơng nam Ấn Độ, điều kiện
0

thích hợp để cây phát triển là nhiệt độ 20-30 C và độ ẩm cao. Tại Việt Nam, cây nghệ
phân bố ở khắp các vùng của cả nước, trong đó được trồng nhiều ở một số tỉnh như Thái
Bình, Hưng Yên, Quảng Ninh, v.v.. Đã từ lâu cây nghệ vàng được sử dụng làm gia vị
trong các món ăn truyền thống, ngồi ra cịn được dùng rộng rãi trong nhuộm màu và làm
mỹ phẩm. Đặc biệt, trong y học cổ truyền, nghệ vàng còn là một vị thuốc chữa các bệnh
ngoài da, bệnh viêm gan hay các bệnh liên quan đến đường tiêu hóa [42].

Bộ phận được sử dụng chính của cây nghệ là củ nghệ, và giống như nhiều loài
thực vật khác thuộc họ Gừng, củ nghệ thực chất là phần thân biến dạng, còn được gọi
là thân rễ. Chất lượng của cây nghệ vàng C. longa được quyết định bởi hai yếu tố

chính, đó là trọng lượng củ và hàm lượng hoạt chất curcumin tạo thành trong củ.


10

Trong số các khu vực trồng nghệ, Ấn Độ được coi là nước sản xuất và xuất
khẩu nghệ lớn nhất, chiếm khoảng 80% tổng lượng nghệ sản xuất ra và 60% lượng
nghệ xuất khẩu toàn thế giới [43]. Bên cạnh Ấn Độ, một số nước cũng có ngành trồng
nghệ phát triển là Bangladesh, Pakistan, Sri Lanka, Đài Loan, Trung Quốc, Myanmar
và Indonesia tại châu Á, cũng như Jamaica, Haiti, Costa Rica, Peru và Brazil tại châu
Mỹ Latin [40, 44]. Trong những năm qua, trước nhu cầu lớn về curcumin để phục vụ
cơng nghiệp dược, 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.
1.2.1 Hợp chất curcumin trong củ nghệ vàng
1.2.1.1 Thành phần hóa học của củ nghệ vàng
Thành phần hóa học của củ nghệ vàng C. longa có chứa khoảng 6,3-7% protein,
5,1-7,5% chất béo, 3,5-5% khoáng chất, 69,4% carbohydrate và khoảng 9,5-13,1% nước
(Bảng 1.1) [45]. Thành phần chất chính của củ nghệ vàng gồm có các curcuminoid và tinh
dầu nghệ (gồm các turmerone thơm (ar-turmerone), α-turmerone và β-turmerone).
Các curcuminoid, bao gồm curcumin (1,7-bis (4-hydroxy-3-methoxyfenil)-1,6heptadiene-3,5-dione) (Cur), demethoxy-curcumin (DMC) và bis-demethoxy-curcumin
(BDMC) là các chất có hoạt tính chính trong củ nghệ [46]. Cơng thức hóa học và các peak
tương ứng trong sắc ký đồ của curcuminoid được mơ tả trong Hình 1.2.

Bảng 1. 1. Các thành phần cơ bản trong củ nghệ vàng C. longa [45].
Thành phần
Curcumin và các curcuminoid
Chất xơ

Dầu
Khoáng chất
Protein
Chất béo
Nước
Carbohydrates

Tỉ lệ thành phần (%)
0,5-6
3,5-4,3
4-5
3,5-5
6,3-7
5,1-7,5
9,5-13,1
61,5-69,4


11

Trong thành phần của các sản phẩm curcumin bán trên thị trường (cịn gọi là
curcumin mix) có chứa khoảng 77% curcumin tinh sạch (Cur), 17% DMC và 3% BDMC

[46]. Kết quả nghiên cứu của Naama và cs. (2013) cho thấy, curcumin và DMC kém
bền hơn BDMC [47]. Xét về hoạt tính chống oxy hóa và ức chế khối u thì curcumin là
chất có hoạt tính mạnh nhất, tiếp theo là DMC và cuối cùng là BDMC [46, 48].

Hình 1. 2. (A) Cấu trúc hóa học của các chất curcuminoid: curcumin (Cur), DMC và
BDMC; các thành phần tinh dầu nghệ: ar-turmerone (ar), α-turmerone và β-turmerone
(α/β). (B) Sắc ký đồ HPLC của các curcuminoids tổng (I), curcumin (II), DMC (III) và

BDMC (III) [46].
1.2.1.2 Hoạt tính sinh y dược học của hoạt chất curcumin trong củ nghệ vàng
Tính đến nay đã có rất nhiều cơng trình liên quan đến hoạt tính sinh học của
nghệ vàng, đưa ra các kết quả giúp khẳng định tác dụng của củ nghệ vàng nói chung
và hoạt chất curcumin trong củ nghệ vàng nói riêng. Chỉ tính đến năm 2011 đã có
khoảng 7000 cơng trình nghiên cứu liên quan đến các hoạt tính sinh học của curcumin,
trong đó nổi bật là các hoạt tính chống oxy hóa, chống viêm và chống ung thư. Ngoài
ra, hợp chất tự nhiên này cịn được phát hiện là có hoạt tính điều biến các phân tử
truyền tín hiệu trong cơ thể như các chemokine, cytokine, các gene ức chế khối u, các
phân tử kết dính, microRNA, v.v. [49].
Khả năng chống ung thư của curcumin đã thu hút được sự chú ý rất lớn của các
nhà khoa học [50]. Khi dùng đơn thuần curcumin để điều trị hoặc kết hợp với các hóa