(Luận án tiến sĩ) Vi khuẩn Lam (Cyanobacteria) trong một số loại hình đất trồng ở tỉnh Nghệ An và vai trò của chúng đối với trồng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

NGUYỄN ĐỨC DIỆN

VI KHUẨN LAM (CYANOBACTERIA)
TRONG MỘT SỐ LOẠI HÌNH ĐẤT TRỒNG
Ở TỈNH NGHỆ AN VÀ VAI TRÒ CỦA CHÚNG
ĐỐI VỚI TRỒNG TRỌT

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC

NGHỆ AN - 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

NGUYỄN ĐỨC DIỆN

VI KHUẨN LAM (CYANOBACTERIA)
TRONG MỘT SỐ LOẠI HÌNH ĐẤT TRỒNG
Ở TỈNH NGHỆ AN VÀ VAI TRÒ CỦA CHÚNG
ĐỐI VỚI TRỒNG TRỌT
Chuyên ngành: Thực vật học
Mã số: 9.42.01.11

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC

Người hướng dẫn khoa học:

1. GS. TS. Võ Hành
2. PGS. TS. Nông Văn Hải

NGHỆ AN - 2018


LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành bản luận án này, tôi xin bảy tỏ lòng tôn kính và biết ơn
về sự giúp đỡ hướng dẫn tận tình trong suốt quá trình nghiên cứu của
GS.TS. Võ Hành, Khoa Sinh học, Trường Đại học Vinh; PGS.TS. Nông Văn Hải
- Viện Nghiên cứu hệ gen, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Xin cảm ơn nhiều tới các Quý thầy, cô giáo nguyên là cán bộ khoa
Sinh học, Phòng Sau đại học; các cán bộ, kỹ thuật viên của Trung tâm Thí
nghiệm thực hành trường Đại học Vinh; Viện Nông hóa thổ nhưỡng Việt Nam
và Viện Hệ gen Việt Nam.
Nhân dịp này, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Đình San
và PGS.TS. Mai Văn Chung đã tạo điều kiện để tôi tham gia đề tài cấp tỉnh
và đề tài Nafosted, mã số 106-NN.03-2014.22.
Tôi cũng xin cảm ơn TS. Nguyễn Lê Ái Vĩnh đã giúp tôi trong quá trình
đi thực địa và các ý kiến đóng góp, thảo luận trong quá trình nghiên cứu.
Xin cảm ơn Ban lãnh đạo cùng các đồng nghiệp thuộc Viện Công nghệ
Hóa sinh - Môi trường Trường Đại học Vinh, đã tạo điều kiện thuận lợi nhất
về mặt thời gian để tôi hoàn thành được công trình nghiên cứu. Cảm ơn gia đình,
bạn bè đã động viên, giúp đỡ về cả vật chất và tinh thần để tôi hoàn thành
bản luận án này.
Xin cảm ơn chân thành và thực sự đến tất cả sự giúp đỡ quý báu đó.
Nghệ An, tháng 10 năm 2018
Tác giả

Nguyễn Đức Diện


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong
bất kỳ công trình nào khác.
Nghệ An, tháng 10 năm 2018
Tác giả

Nguyễn Đức Diện


MỤC LỤC
Trang
ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài........................................................................... 1
2. Mục tiêu .................................................................................................. 2
3. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiển của luận án ................................. 2
4. Đóng góp của luận án.............................................................................. 2
5. Bố cục luận án......................................................................................... 3
Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................... 4

1.1. Giới thiệu chung về vi khuẩn Lam........................................................ 4
1.1.1. Vị trí của vi khuẩn Lam trong sinh giới ......................................... 4
1.1.2. Đặc điểm cơ bản của vi khuẩn Lam ............................................... 6
1.2. Phân loại vi khuẩn Lam ........................................................................ 8
1.2.1. Sơ lược về lịch sử nghiên cứu phân loại vi khuẩn Lam .................. 8
1.2.2. Hệ thống phân loại vi khuẩn Lam của Komárek và cộng sự (2014).... 10

1.2.3. Tình hình nghiên cứu thành phần loài vi khuẩn Lam trong đất
trồng trên thế giới và ở Việt Nam ................................................ 13
1.2.4. Danh lục các loài vi khuẩn Lam ở Việt Nam được sắp xếp
theo hệ thống phân loại của Komárek và cộng sự (2014) ............. 18
1.3. Vai trò của vi khuẩn Lam trong nông nghiệp...................................... 21
1.3.1. Sự cố định nitơ phân tử của vi khuẩn Lam................................... 21
1.3.2. Nghiên cứu ứng dụng vi khuẩn Lam trong sản xuất nông nghiệp.... 25
1.4. Điều kiện tự nhiên của tỉnh Nghệ An................................................. 30
Chương 2. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ... 33

2.1. Đối tượng nghiên cứu......................................................................... 33
2.2. Địa điểm và thời gian thu mẫu............................................................ 33
2.2.1. Địa điểm thu mẫu ........................................................................ 33
2.2.2. Thời gian thu mẫu........................................................................ 36


2.3. Nội dung nghiên cứu .......................................................................... 36
2.4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................... 36
2.4.1. Phương pháp lấy mẫu đất và mẫu vi khuẩn Lam.......................... 36
2.4.2. Phương pháp phân tích một số chỉ tiêu nông hóa thổ nhưỡng ...... 37
2.4.3. Phương pháp kế thừa và lựa chọn hệ thống phân loại vi khuẩn Lam... 37
2.4.4. Phương pháp định loại vi khuẩn Lam .......................................... 37
2.4.5. Phương pháp phân lập một số chủng vi khuẩn Lam ..................... 39
2.4.6. Phương pháp phân tích gen cố định nitơ nifD .............................. 40
2.4.7. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của dịch huyền phù vi khuẩn
Lam lên một số chỉ tiêu sinh lý sinh trưởng và năng suất lúa ....... 41
2.4.8. Phương pháp thử nghiệm tác dụng của vi khuẩn Lam lên hệ thống
chống ôxy hóa ở lá cây đậu tương................................................ 43
2.4.9. Phương pháp xử lý số liệu ........................................................... 46
Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .............................. 47

3.1. Đa dạng vi khuẩn Lam trong một số loại đất trồng ở tỉnh Nghệ An .... 47
3.1.1. Đa dạng thành phần loài .............................................................. 47
3.1.2. Sự đa dạng taxon vi khuẩn Lam các bậc bộ, họ và chi ................. 55
3.1.3. Sự phân bố vi khuẩn Lam ở trong đất lúa và đất trồng cây
công nghiệp trong mối liên quan với một số chỉ tiêu nông hóa .... 59
3.1.4. So sánh về sự phân bố của Vi khuẩn Lam ở trong đất trồng ở
tỉnh Nghệ An và đất trồng Việt Nam ........................................... 64
3.2. Kết quả phân lập các chủng vi khuẩn Lam từ đất trồng ở Nghệ An ... 68
3.2.1. Danh lục các chủng vi khuẩn Lam được phân lập ........................ 68
3.2.2. Kết quả phân lập một số chủng thuộc các loài vi khuẩn Lam
bổ sung cho danh lục vi khuẩn Lam ở Việt Nam.......................... 69
3.2.3. Kết quả phân lập và mô tả một số loài chưa xác định được tên .... 83
3.2.4. Kết quả phân lập một số chủng vi khuẩn Lam có tế bào dị hình
và nghiên cứu gen quy định tổng hợp nitrogenase của chúng....... 89


3.3. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của chủng Nostoc calcicola HN91a
đối với cây trồng ....................................................................................... 94
3.3.1. Kết quả thử nghiệm ảnh hưởng của vi khuẩn Lam Nostoc calcicola
HN9-1a đối với giống lúa Tám thơm ........................................... 95
3.3.2. Ảnh hưởng của vi khuẩn Lam Nostoc calcicola HN9-1a lên
hệ thống chống oxy hóa ở lá cây đậu tương ................................. 98
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................. 108
1. Kết luận............................................................................................... 108
2. Kiến nghị............................................................................................. 109
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ................................................................. 110
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................ 111
PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1.

Sơ đồ ba lãnh giới của sinh giới (Woese và cs. 1990).................. 5

Hình 1.2.

Sơ đồ hệ thống vi khuẩn Lam (theo Komárek và cs. 2014) ....... 11

Hình 2.1.

Địa điểm thu mẫu đất và mẫu vi khuẩn Lam tại tỉnh Nghệ An ..... 35

Hình 3.1.

Sơ đồ định vị trực tiếp các điểm nghiên cứu theo phương
pháp CCA ................................................................................. 63

Hình 3.2.

Ảnh hiển vi của chủng Chroococcus helveticus DT2-01 ........... 72

Hình 3.3.

Ảnh hiển vi của chủng Jaaginema minimum DP3-01 ................ 74

Hình 3.4.

Ảnh hiển vi của chủng Pseudanabaena dictyothalla QV3-11 ..... 75

Hình 3.5.

Ảnh hiển vi của chủng Leptolyngbya carnea DP3-03................ 76

Hình 3.6.

Ảnh hiển vi của chủng Geitlerinema acutissimum TT3-08 ........ 78

Hình 3.7.

Hình ảnh hiển vi của loài Westiellopsis prolifica phát triển
trong trong đất trồng.................................................................. 80

Hình 3.8.

Hình ảnh hiển vi của chủng Westiellopsis prolifica DP1-01
nuôi trong môi trường BG-11.................................................... 81

Hình 3.9.

Hình ảnh hiển vi của chủng Nostoc gelatinosum TT3-05
trong đất (A) và trong môi trường BG11 (B - H)....................... 82

Hình 3.10. Hình ảnh hiển vi của chủng Mastigocladus sp. QL3-01 phát triển
trong trong môi trường BG-11................................................... 85
Hình 3.11. Hình ảnh hiển vi của chủng Isocystis sp. DP3-11 phát triển
trong trong môi trường tự nhiên ................................................ 87

Hình 3.12. Hình ảnh hiển vi của chủng Isocystis sp. DP3-11 phát triển
trong trong môi trường BG-11................................................... 88
Hình 3.13. Ảnh điện di sản phẩm PCR gen nifD của các chủng nghiên cứu .... 91
Hình 3.14. Sự tương đồng về trình tự gen nifD của chủng Nostoc calcicola
HN91a với một số chủng từ ngân hàng gen............................... 92
Hình 3.15. Sự tương đồng về trình tự gen nifD của chủng Nostoc linckia
Cam-C1 với một số chủng từ ngân hàng gen ............................. 92


Hình 3.16. Sự tương đồng về trình tự gen nifD của chủng Nostoc
gelatinosum TT3-05 với một số chủng từ ngân hàng gen......... 92
Hình 3.17. Sự tương đồng về trình tự gen nifD của chủng Nostoc
paludosum ĐT3-02 với một số chủng từ ngân hàng gen........... 93
Hình 3.18. Sự tương đồng về trình tự gen nifD của chủng Nostoc
ellipsosporum NH2X7 với một số chủng từ ngân hàng gen ..... 93


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1.

Số lượng taxon đã gặp của ngành vi khuẩn Lam trong
đất trồng Việt Nam................................................................... 18

Bảng 1.2.

Số lượng taxon đã gặp của ngành VKL tại Việt Nam ................ 20

Bảng 1.3.

Tính đặc hiệu của cặp mồi gen nifD đối với một số chủng
vi sinh vật.................................................................................. 24

Bảng 2.1.

Địa điểm thu mẫu đất và mẫu vi khuẩn Lam ............................. 33

Bảng 3.1.

Danh lục các taxon VKL phân bố trong một số loại đất trồng
ở tỉnh Nghệ An.......................................................................... 47

Bảng 3.2.

Đa dạng hình thái các loài VKL ................................................ 54

Bảng 3.3.

Sự phân bố các taxon VKL trong các bộ ................................... 55

Bảng 3.4.

Số lượng taxon trong các họ đã gặp........................................... 56

Bảng 3.5.

Đa dạng các taxon bậc chi ......................................................... 57

Bảng 3.6.

Kết quả phân tích một số chỉ tiêu nông hóa của đất trồng
tỉnh Nghệ An............................................................................. 61

Bảng 3.7.

So sánh về sự phân bố của VKL trong đất trồng ở tỉnh Nghệ
An và Việt Nam ........................................................................ 64

Bảng 3.8.

Các chủng VKL đã được phân lập từ đất trồng Nghệ An........... 68

Bảng 3.9.

Danh lục các chi và loài VKL bổ sung cho danh lục thành
phần loài VKL ở Việt Nam ....................................................... 70

Bảng 3.10. Kết quả phân lập một số chủng thuộc các chi, loài VKL
chưa xác định được tên.............................................................. 83
Bảng 3.11. Kết quả phân lập một số chủng VKL có TBDH và không có
TBDH từ đất trồng tỉnh Nghệ An .............................................. 90
Bảng 3.12. Kết quả phân tích khả năng cố định ni tơ của một số chủng
VKL có TBDH và không có TBDH từ đất trồng tỉnh Nghệ An ..... 94
Bảng 3.13. Kích thước trung bình của lá đòng cây lúa giai đoạn trước
trổ bông..................................................................................... 95


Bảng 3.14. Hàm lượng diệp lục trung bình trong lá lúa ở giai đoạn đẻ
nhánh rộ .................................................................................... 96
Bảng 3.15. Cường độ quang hợp trung bình của cây lúa ở giai đoạn đẻ

nhánh rộ .................................................................................... 97
Bảng 3.16. Các yếu tố cấu thành năng suất giống Tám thơm ...................... 98
Bảng 3.17. Ảnh hưởng của dịch chiết Nostoc calcicola HN91a đến
hàm lượng superoxide (O2-) trong lá đậu tương Nam Đàn......... 99
Bảng 3.18. Ảnh hưởng của dịch chiết Nostoc calcicola HN91a đến
hàm lượng hydrogen peroxide trong lá cây đậu tương
Nam Đàn ................................................................................ 101
Bảng 3.19. Ảnh hưởng của dịch chiết Nostoc calcicola HN91a đến
hoạt độ superoxide dismutase (SOD) trong lá đậu tương
Nam Đàn................................................................................. 104
Bảng 3.20. Ảnh hưởng của dịch chiết Nostoc calcicola HN91a hoạt độ
catalase (CAT) trong lá đậu tương Nam Đàn........................... 105


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

APX

:

Ascorbate peroxidase

CAT

:

Catalase

CT

:

Công thức

CĐQH

:

Cường độ quang hợp

PPO

:

Polyphenol oxidase

POX

:

Peroxidase

S

:

Sorenxen

SOD

:

Superoxide dismutase

VKL

:

Vi khuẩn Lam

VKLCĐN

:

Vi khuẩn Lam cố định đạm

TBDH

:

Tế bào dị hình


1
ĐẶT VẤN ĐỀ
1. Tính cấp thiết của đề tài
Vi khuẩn Lam (VKL) là vi sinh vật quang tự dưỡng thải oxy - cố định
khí cacbonic để tổng hợp nên chất hữu cơ; một số loài VKL có khả năng cố
định nitơ phân tử và chúng có thể phát triển thành những thảm VKL trên bề
mặt đất, đặc biệt là đất trồng lúa nước. Những đặc điểm nổi trội này của VKL

đã góp phần quan trọng duy trì sự bền vững của các hệ sinh thái nông nghiệp
và cũng là mắt xích quan trọng để duy trì các chu trình sinh - địa - hóa. VKL
trong đất có khả năng tiết các chất nhầy tạo nên một lớp màng, ngăn cản sự
thoát hơi nước cho đất, làm đất luôn có độ ẩm, cải tạo pH của đất và các tính
chất lí học của đất. VKL còn có vai trò to lớn trong việc bổ sung chất hữu cơ
tăng độ phì cho đất, chống xói mòn đất và tạo ra các chất có hoạt tính sinh
học kích thích sự sinh trưởng và phát triển của thực vật bậc cao.
Nhiều công trình trên thế giới đã nghiên cứu lây nhiễm vi khuẩn Lam
cố định đạm (VKLCĐN) vào ruộng lúa đã khẳng định vai trò tích cực của
chúng trong việc tăng năng suất lúa. Các nghiên cứu trên cho thấy kết quả
trung bình năng suất lúa đã tăng lên 15 - 20% đối với các thí nghiệm trên
đồng ruộng. Một số nghiên cứu còn chỉ ra rằng năng suất lúa như trên sẽ ổn
định nếu việc lây nhiễm VKLCĐN được tiến hành liên tục từ 3 - 4 vụ lúa.
Ở nước ta, các công trình nghiên cứu về VKL trong đất trồng đã cho
thấy chúng gặp nhiều trong đất trồng và thành phần loài cũng thay đổi theo loại
đất các vùng địa lý.
Riêng ở Nghệ An, cho đến nay chưa có một công trình nào nghiên cứu
về sự đa dạng VKL trong các loại hình đất trồng một cách đầy đủ và có hệ
thống. Mặt khác, điều đáng lo ngại hiện nay là việc sử dụng phân bón hóa học
và các loại chế phẩm khác trong nông nghiệp một cách thiếu kiểm soát đang
gây ra những tác động tiêu cực đối với chất lượng đất, chất lượng môi trường


2
và chất lượng nông sản. Do đó, việc tìm kiếm các biện pháp, trong đó có việc
điều tra, phân lập một số chủng VKLCĐN để cải tạo đất trồng đang là yêu
cầu bức thiết của nhiều địa phương, trong đó có tỉnh Nghệ An.
Xuất phát từ những cơ sở khoa học và thực tiễn nêu trên, chúng tôi
tiến hành đề tài “Vi khuẩn Lam (Cyanobacteria) trong một số loại hình
đất trồng ở tỉnh Nghệ An và vai trò của chúng đối với trồng trọt”.

2. Mục tiêu
Mục tiêu của của đề tài nhằm nghiên cứu sự đa dạng VKL trong đất trồng
tỉnh Nghệ An, phân lập và thăm dò khả năng cố định nitơ một số chủng đồng
thời đánh giá vai trò của chúng đối với một số loại cây trồng (lúa và đậu tương).
3. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiển của luận án
+ Ý Nghĩa khoa học:
- Bằng phương pháp tiếp cận hệ thống phân loại VKL của Komárek và
cộng sự (2014) đã sắp xếp lại danh lục các loài VKL ở Việt Nam (đến năm 2010).
- Lập được danh lục 76 loài VKL phân bố trong đất trồng của tỉnh
Nghệ An và bổ sung danh lục VKL trong đất trồng ở Việt Nam. Những kết
quả này có ý nghĩa về nghiên cứu và giảng dạy VKL.
+ Ý nghĩa thực tiển:
Luận án bước đầu đã đánh giá được vai trò tích cực của chủng VKL
Nostoc calcicola HN91a đối với năng suất giống lúa Tám thơm cũng như khả
năng phòng vệ của giống Đậu tương Nam Đàn.
4. Đóng góp của luận án
- Mô tả 1 chi Isocystis và 7 loài bổ sung cho danh lục VKL Việt Nam
- Xây dựng được bộ sưu tập gồm 13 chủng thuộc 13 loài VKL được
phân lập từ đất trồng tỉnh Nghệ An đồng thời thăm dò được khả năng cố định
nitơ của 5 chủng thông qua gen nifD.
- Bước đầu đánh giá được vai trò của 1 chủng VKL Nostoc calcicola
HN91a lên khả năng thích nghi và phòng vệ của Đậu tương khi stress oxy hóa.


3
5. Bố cục luận án
Luận án bao gồm 130 trang với 24 bảng số liệu, 21 hình và 172 tài liệu
tham khảo và được cấu trúc như sau:
Mở đầu
Chương 1. Tổng quan tài liệu

Chương 2. Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu
Chương 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

3 trang
29 trang
14 trang
61 trang

Kết luận và kiến nghị

2 trang

Danh mục các công trình nghiên cứu

1 trang

Tài liệu tham khảo
20 trang
Phụ lục: gồm có 4 phụ lục, trong đó có 2 phụ lục danh lục VKL trong
đất và VKL trong các loại hình môi trường ở Việt Nam sắp xếp theo hệ thống
Komárek và cộng sự, 1 phụ lục trình bày ảnh hiển vi các loài VKL và 1 phụ
lục trình tự nucleotit của gen NifD của 5 chủng VKL có TBDH.


4
Chương 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1. Giới thiệu chung về vi khuẩn Lam
1.1.1. Vị trí của vi khuẩn Lam trong sinh giới

Giới (Regnum) là một bậc trong loại bậc phân loại lớn nhất, bao gồm
những sinh vật có chung đặc điểm nhất định. Vậy có bao nhiêu giới sinh vật?
Đây là câu hỏi thật khó trả lời một cách chính xác.
Hệ thống phân loại của Linnaeus (1737, 1753) chia tất cả sinh vật
thành 2 giới: Thực vật và Động vật, tác giả đã chọn đặc điểm của cơ quan
sinh sản làm tiêu chuẩn phân loại, mặt khác Linnaeus đã đề xuất cách đặt
tên kép (Binomial naming system) đối với các loài thực vật bằng tiếng
Latin - đó là cách đặt tên hợp lý mà ngày nay chúng ta đang sử dụng. Đến
năm 1866 Haeckel chia sinh vật làm 3 giới gồm Protista, Thực vật và Động
vật. Vào năm 1937, Chatton chia sinh vật làm hai trên giới (superkingdoms)
là trên giới Prokaryota và trên giới Eukaryota, trong đó tảo được xếp vào
cả hai trên giới.
Hệ thống phân loại 4 giới của Copeland (1956) gồm giới sinh vật phân
cắt hoặc Khởi sinh (Monera), giới Nguyên sinh (Protista), giới Thực vật
(Plantea), giới Động vật (Animalia), trong đó xếp toàn bộ tảo vào giới
Nguyên sinh (Protista) cùng với Nấm và Động vật nguyên sinh.
Hệ thống phân loại 4 giới của Gordon (1975) gồm giới tiền nhân
(Prokaryota), giới Thực vật (Plantea), giới Nấm (Fungi), giới Động vật
(Animalia) ông đã bỏ giới Nguyên sinh (Protista) và xếp nó vào giới Thực vật.
Hệ thống phân loại 5 giới của Whittaker (1969) gồm giới Khởi sinh
(Monera), giới Nguyên sinh (Protista), giới Nấm (Fungi), giới Thực vật
(Plantae) và giới Động vật (Animalia), trong đó thực vật nổi xếp vào giới


5
Nguyên sinh (Protista), còn tảo đỏ, tảo nâu và một số tảo lục lại được xếp vào
giới Thực vật (Plantea).
Hệ thống phân loại 5 giới của Margulis (1978) gồm giới tiền nhân
(Prokayota) tức sinh vật phân cắt có Vi khuẩn và Vi khuẩn cổ, 4 giới còn lại
gồm giới Nguyên sinh (Protista), giới Nấm (Fungi), giới Thực vật (Plantae),

giới Động vật (Animalia), trong đó xếp toàn bộ tảo vào giới Nguyên sinh
(Ptotista) [26].

Hình 1.1. Sơ đồ ba lãnh giới của sinh giới
(Woese và cs. 1990) [159]
Hệ thống phân loại của Woese và cộng sự (1990) đã chia sinh giới
thành 3 lãnh giới: lãnh giới Vi khuẩn (Bacteria), lãnh giới Vi sinh vật cổ
(Archaea) và lãnh giới Sinh vật có nhân thật (Eukarya). Trong đó, VKL
thuộc lãnh giới Vi khuẩn [159].
Ngày nay, cùng với sự phát triển của sinh học phân tử dẫn đến sự thay
đổi vị trí các ngành trong các giới khác nhau, vì vậy quan điểm trên của
Woese (1990) [159] về số lượng các giới có thể ngày càng nhiều hơn.


6
1.1.2. Đặc điểm cơ bản của vi khuẩn Lam
VKL là những cơ thể mà tế bào của chúng chưa có nhân điển hình,
không có màng nhân, vật chất di truyền được tập trung trong chất nhân, DNA
tạo thành một sợi duy nhất khép lại thành vòng [69].
Khác với vi khuẩn, VKL sống tự dưỡng, có màu xanh lam do chứa diệp
lục a, phycoxian màu lam và phycoerytrin màu đỏ (thuộc nhóm biliprotein).
Trong quá trình quang hợp, chúng thải O2 ra môi trường ngoài. Cùng với
Prochlorales, VKL xếp vào nhóm vi sinh vật quang tự dưỡng [141].
Hình dạng tế bào sinh dưỡng của VKL đa dạng: hình cầu, elíp rộng hay
hình elíp kéo dài, hình quả lê, hình trứng, dạng hình thoi, hình ống.
Màng tế bào VKL có cấu tạo tương tự như màng tế bào vi khuẩn gram
âm (Gram-negative bacteria). Lớp trong cùng là peptidoglycan (murein), lớp
ngoài cấu tạo bởi protein và liposacarit. Một số loài VKL có màng tế bào hoá
nhầy hoặc hình thành bao nhầy chuyên hoá bao quanh tế bào, nhóm tế bào
hay toàn bộ dãy tế bào (sợi). Bao có thể đồng nhất hay phân lớp.

Chất nguyên sinh của tế bào VKL đậm đặc hơn tế bào thực vật khác, nó
không chuyển động và chứa rất ít không bào. Trong tế bào của VKL thường
có không bào khí. Không bào khí nhằm giúp cho chúng dễ trôi nổi trong
nước. Đôi khi không bào khí chỉ xuất hiện trong một số tế bào của sợi, có tác
dụng phóng xuất tảo đoạn ra khỏi bao. Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng sự xuất
hiện các không bào khí này có liên quan tới sự giảm thiểu lượng dưỡng khí
hòa tan trong môi trường và sự bổ sung vào trong môi trường sản phẩm của
sự lên men sinh học [39], [41], [62].
VKL có thể là những dạng đơn bào, tập đoàn hay dạng sợi. Dạng đơn
bào có thể hình cầu, hình trụ hoặc hình elíp, có hoặc không có màng nhầy.
VKL dạng tập đoàn thường có dạng hình cầu, hình trụ, hình elíp đôi khi
dạng bản hay dạng khối còn những cơ thể dạng sợi có thể phân nhánh hoặc
không phân nhánh.


7
Dạng sợi đơn giản không phân nhánh gồm một dãy tế bào là đặc điểm
của Lyngbya, Anabaena và Nostoc. Ở một số chi trichom không có bao
(Oscillatoria, Spirulina), số khác có bao nhưng chỉ chứa một trichom
(Phormidium, Lyngbya) hoặc có nhiều trichom (Microcoleus, Schizothrix). Tế
bào đầu ngọn hay gốc của trichom ở một số loài có hình dạng khác nhau, đó
là một trong những đặc điểm giúp ta phân loại về mặt hình thái. Dạng sợi
phân nhánh gồm có các kiểu: phân nhánh thực và phân nhánh giả. Phân nhánh
thực là đặc điểm của VKL thuộc họ Hapalosiphonaceae. Sự phân nhánh thực
được xảy ra từ một tế bào sinh dưỡng nào đó của trichom, nó phân chia theo
chiều dọc, sau đó một trong những tế bào con mới hình thành tạo mấu lồi ở
phía bên và tiếp tục phân chia theo hướng đó. Kiểu này thường gặp trong các
chi Hapalosiphon, Fischerella, Westiellopsis...
Phân nhánh giả thường gặp ở các chi Plectonema, Scytonema,
Tolypothrix… Đó là khi ở trong bao, trichom bị đứt đoạn, sau đó hai đầu đoạn

đứt mới hình thành tế bào phân chia, chọc thủng bao chui ra ngoài cho hai
nhánh giả, trường hợp đó là sự phân nhánh đôi; còn nếu một đầu sợi chui ra
khỏi bao, đầu kia vẫn ở trong bao thì được gọi là phân nhánh đơn [38], [99].
Nhiều loài VKL dạng sợi có tế bào dị hình (TBDH) (heterocysts) ở đầu
tận cùng của sợi hoặc giữa sợi. Đó là những tế bào đặc biệt có kích thước lớn
hơn tế bào sinh dưỡng. Màng của chúng có hai lớp, nội chất màu vàng nhạt
chứa rất ít sắc tố, không chứa không bào khí và các hạt dự trữ. Nơi tiếp xúc
giữa tế bào dị hình với tế bào sinh dưỡng có một hạt gọi là hạt cực (polar
granule) có tính chiết quang cao [54]. TBDH có thể đơn độc hay nối tiếp nhau
thành chuỗi. Chức năng của TBHD là nơi diễn ra quá trình cố định N2, sinh
sản và là cơ quan liên kết, điều hoà quá trình hình thành bào tử [141]. Hầu hết
những VKL có khả năng có định N2 đều có TBDH. Nhiều loài đơn bào hay
dạng sợi không có TBDH cũng có khả năng này [50], [143], [144], [148].


8
Trong chu trình sống, VKL không có giai đoạn nào mang roi và không có
sinh sản hữu tính. Hình thức duy nhất là sinh sản vô tính. Thông thường là phân
chia tế bào làm đôi hoặc nhờ sự hình thành tảo đoạn (hormogonia), nội bào tử
(endospore), ngoại bào tử (exospore) hoặc bảo tử nghỉ (ankinete) [67], [101].
1.2. Phân loại vi khuẩn Lam
1.2.1. Sơ lược về lịch sử nghiên cứu phân loại vi khuẩn Lam
Phân loại học (Taxonomy) là khoa học về mô tả, phân biệt, đặt tên các
sinh vật, góp nhóm thành các taxon, sắp xếp các taxon theo hệ thống tôn ti trật
tự (Hierachy). Phân loại học là cơ sở của các ngành khoa học trong lĩnh vực
sinh học, nó đồng thời là một bộ phận của Hệ thống học.
Hệ thống học (Systematics) là khoa học về đa dạng sinh vật cùng tất cả
và từng mối quan hệ qua lại giữa chúng với nhau nhằm xây dựng Hệ thống
phát sinh chủng loại (Phylogeny) hay Hệ thống tiến hóa (Evolution System)
của từng nhóm hay toàn bộ thế giới sinh vật. Hệ thống học là khoa học cơ sở

đồng thời là khoa học tổng hợp cao nhất về hệ thống tri thức ở mọi mức độ về
sinh học [26].
Loài phân loại (Taxonomical species) hay còn gọi là loài hình thái - địa
lý (Geo - morphological species): dựa trên quan điểm về mối quan hệ nhân
quả giữa hình thái và địa lý trong quá trình hình thành các đặc điểm của loài
mà Grant (1957, 1963) đã đưa ra khái niệm loài phân loại, thường được gọi là
loài hình thái địa lý. Theo quan điểm này, loài là một đơn vị phát sinh chủng
loại gồm một hay nhiều nhóm sinh vật có nguồn gốc chung, có tổ hợp các đặc
điểm giống nhau và phân biệt với các loài khác bởi các đặc điểm, trong đó sự
ngắt quãng về hình thái địa lý là tiêu chuẩn đầu tiên có tính quyết định trong
việc phân biệt loài [26].
Xuất phát từ những quan điểm khác nhau từ trước đến nay đang tồn tại
nhiều hệ thống phân loại VKL tuỳ theo mỗi mức độ nghiên cứu. Công trình


9
nghiên cứu phân loại VKL đầu tiên đã được Agardhi (1824), Kuetzing (1843)
tiến hành, và hệ thống phân loại VKL do Thuret (1875) đặt nền móng, về sau
được Kirchner (1900) phát triển thêm. Sự sửa đổi và bổ sung hệ thống phân
loại của Thuret và Kirchner được bắt đầu thực hiện vào đầu thế kỷ XX và tiếp
sau đó có nhiều công trình phân loại VKL của các nhà tảo học đã khiến cho
tri thức về VKL được tăng tiến rất nhiều [67], [128], [141].
Theo hệ thống của Geitler (1932) theo [95] tảo Lam có một lớp
(Cyanophyceae) gồm 4 bộ: Chroococcales, Dermocarpales, Nostocales và
Hormogonales.
Hệ thống của Desikachary (1959): tảo Lam được chia thành 5 bộ:
Chroococcales,

Chamaesiphonales,

Pleurocapsales,

Nostocales

và

Stigonematales [67].
Hệ thống phân loại của Golerbackh (1977) [168] đã chia Ngành tảo
Lam thành 10 bộ, thuộc 3 lớp: Chroococcophyceae, Chamaesiphonophyceae
và Hormogoniophycecae.
Stanier và Cohen - Bazire (1977) [141], cho rằng VKL gồm 27 chi của 6
phân nhóm (Subgroup): Chroococcocean, Pleurocapsalean, Oscillatorian,
Nostocalean, Rivularean và Stigonematalean. Cơ sở của sự phân chia này chủ
yếu dựa vào đặc điểm hình thái ở các giai đoạn phát triển cá thể của các chủng
VKL trong nuôi trồng như đơn bào hay đa bào, có TBDH hay không có TBDH,
sự hình thành và vị trí của TBDH, phân nhánh thật hay phân nhánh giả....
Rippka và cộng sự (1979) [128] dựa trên các đặc điểm sinh trưởng,
kiểu phân chia tế bào, quang dị dưỡng, khả năng tổng hợp nitrogenase trong
điều kiện kị khí hay hiếu khí, sự tồn tại của c- phicocyanin, sống ở môi trường
nước ngọt hay nước mặn đã chia VKL thành 5 nhóm gồm 22 chi.
Trong những năm gần đây, Komárek và cộng sự đã lần lượt xuất bản 3
tập sách phân loại VKL ở miền Trung Châu Âu (Komárek & Anagnostidis


10
1999, 2005, Komárek 2013) [96], [97], [94]. Trong bộ sách này, VKL được
chia thành 3 bộ: Chroococcales, Oscillatoriales và Nostocales. Đồng thời, các
tác giả có chỉnh sửa hoặc gợi ý về phân loại đối với các loài ngoài Châu Âu,
bao gồm cả các vùng nhiệt đới. Hiện nay, bộ sách này là tài liệu phân loại
được biên soạn đầy đủ nhất để phân loại các taxon bậc loài theo phương pháp

phân loại hình thái.
1.2.2. Hệ thống phân loại vi khuẩn Lam của Komárek và cộng sự (2014)
Gần đây, Komárek và cộng sự (2014) đã tổng hợp tất cả thành tựu
nghiên cứu phân loại VKL từ trước tới nay và đặc biệt quan tâm đến các
tiêu chí phân loại bằng sinh học phân tử và đã phân chia VKL thành 8
bộ: Gloeobacterales, Synechococcales, Spirulinales, Chroococcales,
Pleurocapsales, Chroococcidiopsidales, Oscillatoriales và Nostocales.
Một số taxa bậc họ và chi cũng được đề xuất sắp xếp hợp lý hơn dựa vào
các kết quả nghiên cứu nguồn gốc phát sinh bằng sinh học phân tử [98]
(hình 1.2.).
Bộ Gloeobacterales
Các tế bào hình cầu hoặc hình que, có hạt ở 2 cực tế bào, sống đơn độc
hoặc tạo thành đám trong khối nhầy. Bộ Gloeobacterales chỉ có 1 họ
(Gloeobacteraceae) và 1 chi (Gloeobacter); tạo thành một nhánh riêng trên
cây chủng loại phát sinh.
Bộ Synechococcales
Là một nhóm lớn (hơn 70 chi) bao gồm cả dạng đơn bào và dạng sợi.
Các loài dạng sợi đều có chiều rộng của tế bào rất hẹp tạo nên dạng sợi mảnh.
Đặc điểm chung của bộ Synechococcales là có các thylakoid sắp xếp
dọc theo thành tế bào. Các loài thuộc bộ Synechococcales cùng nằm trên một
nhánh của cây chủng loại phát sinh.


11

Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống vi khuẩn Lam (theo Komárek và cs. 2014) [98]


12
Bộ Spirulinales

Chỉ gồm 1 họ là Spirulinaceae. Có cấu tạo dạng sợi xoắn, không có bao,
các thylakoid sắp xếp dọc theo thành tế bào. Tạo thành một nhánh riêng trên
cây chủng loại phát sinh.
Bộ Chroococcales
Bộ Chroococcales gồm các loài đơn bào. Tế bào có dạng hình cầu;
thylakoid sắp xếp theo nhiều kiểu khác nhau. So với hệ thống phân loại trước
đây, bộ Chroococcales hiện nay không bao gồm các loài đơn bào có sinh nội
bào tử. Đến nay, nhiều họ của bộ này chưa được phân tích sinh học phân tử.
Bộ Pleurocapsales
Bộ Pleurocapsales bao gồm các loài đơn bào hoặc có cấu trúc giả sợi,
có sinh nội bào tử.
Bộ Oscillatoriales
Bộ Oscillatoriales bao gồm các loài có cấu trúc sợi, không sinh tế bào
dị hình. So với hệ thống phân loại trước đây, bộ Oscillatoriales hiện nay
không bao gồm các loài dạng sợi mà chiều rộng của tế bào rất hẹp và
thylakoid sắp xếp dọc theo thành tế bào (bộ Synechococcales, và Spirulinales).
Bộ Chroococcidiopsidales
Bộ này chỉ gồm 1 họ. Tế bào có dạng hình cầu. Có sinh nội bào tử.
Chúng tạo thành một nhánh riêng biệt trên cây chủng loại phát sinh.
Bộ Nostocales
Bộ Nostocales bao gồm các loài VKL có cấu trúc dạng sợi, sợi phân
nhánh giả và sợi phân nhánh thực, có TBDH, có bào tử (akinete). Bộ
Nostocales tạo thành một nhánh riêng trên cây chủng loại phát sinh.
Từ lâu phương pháp phân loại tảo nói chung và VKL nói riêng chủ yếu
vẫn dựa vào đặc điểm của tản, cấu trúc tế bào, đặc điểm sinh sản, hình thái
phát triển cá thể, các sản phẩm dự trữ dưới góc độ bản chất hoá học, thành


13
phần chất màu với các phổ khác nhau, các chỉ tiêu sinh lý, sinh hoá. Từ nửa

cuối thế kỷ XX trở lại đây, với sự phát triển mạnh mẽ của sinh học phân tử đã
mở ra phương pháp nghiên cứu mới cho phân loại tảo và VKL đó là phương
pháp phân loại phân tử. Phương pháp này đã ứng dụng các kỹ thuật hiện đại
của sinh học phân tử và công nghệ gen vào mục đích nghiên cứu đa dạng sinh
học, nghiên cứu về mối quan hệ và tiến hoá giữa các loài, xây dựng cây phát
sinh chủng loại.... Mặc dù mới ra đời nhưng nó đã sớm trở thành một phương
pháp nghiên cứu rất có hiệu quả.
Ở nước ta, phương pháp phân loại phân tử đã được một số tác giả
áp dụng khi nghiên cứu trên các đối tượng khác nhau: Hoàng Phương Hà
và cộng sự (2003) [6]; Đặng Diễm Hồng và cộng sự (2002) [14]; Hồ Sỹ
Hạnh, Võ Hành, Đặng Diễm Hồng (2006) [9] sử dụng kỹ thuật RAPDPCR để phân loại phân tử 5 loài, dưới loài VKL thuộc chi Calothrix và
Hồ Sỹ Hạnh, Võ Hành, Đặng Diễm Hồng, Dương Đức Tiến (2005) [10]
tiến hành đọc trình tự nucleotide đoạn 16S rDNA đối với chi
Westiellopsis phân lập được từ đất trồng của tỉnh Đăk Lăk bước đầu thu
nhận được những kết quả khả quan.
Tuy vậy, cần phải nói rằng phương pháp phân loại truyền thống luôn
vẫn được sử dụng rộng rãi trong các công trình nghiên cứu phân loại VKL
của các tác giả trên thế giới và trong nước từ trước tới nay [20], [22], [36],
[39], [40], [45], [67], [78], [166], [171]... vì nó phù hợp với điều kiện thực tế.
1.2.3. Tình hình nghiên cứu thành phần loài vi khuẩn Lam trong đất
trồng trên thế giới và ở Việt Nam
Trên thế giới
Người đầu tiên đặt nền móng nghiên cứu tảo đất (trong đó có VKL),
với nhiều mặt của nó là Bristol-Roach (1920) [theo [170]]. Bà đã đề ra
phương pháp nghiên cứu tảo đất (định tính cũng như định lượng), đánh giá