BÀI TIỂU LUẬN SINH HỌC CHỨC NĂNG THỰC VẬT SỰ CỐ ĐỊNH ĐẠM SINH HỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

BÀI TIỂU LUẬN: SINH HỌC CHỨC NĂNG THỰC VẬT

SỰ CỐ ĐỊNH ĐẠM
SINH HỌC
GVHD: T.s Trần Thị Dung
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Minh Cẩm Tiên (61103194)
Trần Mỹ Thanh (61103171)
Nguyễn Hà Lê Uyên (61103)

MỤC LỤC

1


I. Khái quát về cố định đạm sinh học
Cố định đạm sinh học là quá trình khử N2 thành NH3 dưới sự xúc tác của enzyme
nitrogenase. Sau đó, NH3 có thể kết hợp với các acid hữu cơ để tạo thành các acid
amin và protein. Vi khuẩn cố định đạm có thể cộng sinh hoặc sống tự do nhưng cũng
có thể nội sinh.

Hình: Chu trình cố định N trong tự nhiên
Đạm là gì?
Chất đạm (cịn gọi là protein) là một chất hữu cơ giàu dinh dưỡng, có trong động vật,
thực vật. Đạm là chất căn bản của sự sống mọi tế bào. Đạm là chất dinh dưỡng có vai
trị quan trọng hàng đầu đối với cây trồng. Hàm lượng của chúng trong đất rất ít. Vì
vậy cây trồng thường thiếu đạm. Một trong những phương pháp tăng cường lượng
đạm cho đất được nhiều người quan tâm là sử dụng các loại vi sinh vật cố định nitơ từ

khơng khí.
Nitơ là nguyên tố dinh dưỡng quan trọng không chỉ với cây trồng mà ngay cả đối với
vi sinh vật. Nguồn dự trữ nito trong tự nhiên rất lớn, chỉ tính riêng trong khơng khí
nitơ chiếm khoảng 78,16% thể tích. Người ta ước tính trong bầu khơng khí bao trùm
lên một ha đất đai chứa khoảng 8 triệu tấn nitơ, lượng nitơ này có thể cung cấp chất
dinh dưỡng cho cây trồng hàng chục triệu năm nếu như cây trồng đồng hóa được

2


chúng. Trong cơ thể các loại sinh vật chứa khảong 4,1015 tỷ tấn nitơ. Nhưng tất cả
nguồn nitơ trên cây trồng đều khơng tự đồng hóa được mà phải nhờ VSV. Thơng qua
hoạt động của các lồi vi sinh vật, nitơ nằm trong các dạng khác nhau được chuyển
hóa thành dễ tiêu cho cây trồng sử dụng. Các vi sinh vật có khả năng biến N2 trong
khí quyển thành NH3 cung cấp đạm cho cây, chúng được gọi là các vi sinhvật cố định
đạm
II. Vi sinh vật cố định đạm
1. Vi sinh vật cố định đạm là gì?
Vi sinh vật cố định đạm là nhóm vi sinh vật có vai trò quan trọng nhất trong việc cố
định N2 trong đất và trong cây trồng. Đặc biệt là nhóm vi sinh vật sống cộng sinh.
Hiện nay, người ta đã phát hiện được hơn 600 lồi cây có vi sinh vật sống cộng sinh
có khả năng đồng hóa N2 thuộc nhiều họ khác nhau.
2. Vai trò của vi sinh vật cố định đạm:
Cố định đạm là khả năng đồng hóa nitơ phân tử của một số sinh vật và dùng nitơ này
để cấu tạo nên tất cả các hợp chất chứa nitrogen của tế bào. Khả năng này có ở nhiều
vi sinh vật sống tự do trong đất và trong nước.
Trong môi trường đất, vi sinh vật tham gia chuyển hóa các chất hữu cơ, cố định nitơ
làm giàu đạm cho đất, tích lũy vào đất các auxin kích thích sự phát triển của cây trồng,
tổng hợp các vitamin thyamin, nicotinic và biotin… Vi sinh vật cố định đạm góp phần
vào cân bằng sinh thái trong đất.

Phần lớn VSV (vi sinh vật) sống trong đất là những sinh vật có ích sống theo kiểu
cộng sinh, chỉ một số rất ít là có hại, gây bệnh cho cây trồng sống theo kiểu vừa ký
sinh (gây bệnh cho thực vật) vừa hoại sinh (sống trong đất). Số lượng quần thể VSV
có ích trong đất chiếm ưu thế hơn rất nhiều lần so với VSV gây bệnh hại. Phần lớn các
VSV có ích tham gia vào quá trình phân giải xác thực vật thành thức ăn có nguồn gốc
hữu cơ cho cây trồng và VSV khác, chúng có vai trị rất quan trọng trong q trình
khống hóa và cố định đạm. VSV cịn tạo ra rất nhiều loại enzym, acid amin, vitamin,
kháng sinh…là thức ăn và vũ khí tự vệ quan trọng cho cây trồng. Ngoài ra khi các
VSV đất chết đi sẽ để lại một lượng thức ăn khổng lồ và có chất lượng rất tốt cho cây

3


trồng…
VSV có ích giữ vai trị quan trọng cải tạo đất, làm cho đất tăng độ mùn, tơi xốp,
thống khí, có độ pH trung tính; làm cho khả năng giữ nước, giữ phân của đất được
tăng cường… Nhờ có hoạt động của VSV làm cho đời sống của đất được tăng lên.
VSV có ích đã giúp cho cây trồng hấp thụ dinh dưỡng được tốt hơn. VSV đã góp phần
bảo vệ cây trồng làm giảm tác hại của ký sinh gây bệnh cây. Trong tập đồn VSV có
ích có một số lượng rất lớn VSV đối kháng ngăn chặn sự phát triển các VSV gây bệnh
hại cho cây trồng rất hữu hiệu…
3. Phân loại
3.1.

Vi khuẩn nốt sần:

Vai trò cố định N2 quan trọng nhất thuộc về nhóm vi sinh vật cộng sinh. Ở một số cây
gỗ hoặc cây bụi nhiệt đới thuộc họ Rabiaceae, các nốt sần chứa vi khuẩn cố định N2
không phải ở rễ mà ở trên lá.
Vi khuẩn nốt sần thuộc loại hiếu khí khơng tạo bào tử có thể đồng hóa nhiều nguồn

cacbon khác nhau. pH thích hợp: 6,5 – 9,2; nhiệt độ phát triển thích hợp: 24 – 260C.
Phân loại vi khuẩn nốt sần có nhiều ý kiến chưa thống nhất:
-

Theo Todorovic chia vi khuẩn nốt sần ra 2 loài: Rhizibiomonas
leguminosarum và Rhizobacterum leguminosrum.

-

Theo Bergli thì giống Rhizobiumbao gồm 6 lồi vi khuẩn nốt sần:
Rh.leguminosarum,

Rh.phaseoli,

Rh.Trifolii,

Rh.lupini,

Rh.sapnicum,

Rh.meliloti.

Hình: Sinorhizobium và nốt sần trên rễ

4


Hình: Rhizobium và nốt sần trên rễ

Hình: Bradyrhizobium và nốt sần trên rễ

3.2.Vi khuẩn cộng sinh với cây không thuộc họ Đậu
Có khoảng vài trăm lồi thực vật, khơng thuộc họ Đậu có nốt cố định đạm, nhưng sự
cộng sinh ít khi được thực hiện với các Rhizobium, mà hường nhất là với các
Actinomycetes (xạ khuẩn) thuộc giống Frankia. Cây chủ là Alnus, Casuarine,
Hippophae, Elaeagnus, Myrica…
Những nghiên cứu gần đây cố gắng tạo sự hợp tác giữa lúa với Spirillum. Trong
trường hợp này, vi khuẩn cố định không vào rễ, chỉ ở gần rễ, và phóng thích một
lượng đạm quan trọng cho thực vật (NH4+, aminoacid).

5


Hình: Xạ khuẩn (Actinomycetes)

Hình: Lồi alnus glutinosa

Hình:Casuarine

3.3.Vi khuẩn cố định đạm sống tự do
Vi khuẩn cố định đạm sống tự do ở vùng rễ lúa và những cây thuộc họ hòa bản đã
giúp cây trồng phát triển tốt cũng như hạn chế đến mức thấp nhất lượng đạm hóa
học trong nền sản xuất nông nghiệp.

6


Hình. Một số nguồn nitơ cung cấp cho cây
Vi khuẩn hiếu khí sống tự do thuộc giống Azotobacter và Beiferinckia:
Azotobacter: Chi vi khuẩn cố định nitơ hiếu khí, sống tự do trong đất và nước. Tế bào
hình bầu dục, hình cầu, được bọc trong lớp vỏ nhày, kích thước khoảng 2 ì 5 àm, di

ng hoc khụng, gram õm, khụng sinh bào tử. Khi dùng 1 g đường, thường cố định
được 2 mg N. Ngồi ra, cịn có khả năng tổng hợp vitamin, chất sinh trưởng (loại auxin)
và một số chất chống nấm. Loại chế phẩm được dùng trong nông nghiệp có nhiều tên
thương phẩm khác nhau (azotobacterin, vv.). Các loài Azotobacter thuộc loại các VSV
cố định nitơ họat động nhất, chúng có khả năng đồng hóa manit, tinh bột, sử dụng
nhiều loại hợp chất hữu cơ khác nhau để phát triển và cố định nitơ, làm giàu nitơ cho
đất. Azotobacter chủ yếu có 4 lồi:
- Azotobacter chroocuccum: Kích thước 3,1x2,0µ; khi cịn non có khả năng di động,
khi già có sắc tố màu nâu đến màu đỏ, khơng khuyếch tán vào mơi trường.
- Azotobacter beijerincki: kích thước 3,1x2,0µ; khơng di động, khi già có sắc tố màu
vàng đến màu nâu sáng, không khuyếch tán vào môi trường.
- Azotobacter Vinelandi: Kích thước 3,4x1,5µ; có khả năng di động, sắc tố màu vàng
lục đến huỳnh quang, khuyếch tán vào môi trường.
- Azotobacter agilis: Kích thước 3,3x2,8µ; có khả năng di động, sắc tố màu lục, huỳnh
quang, khuyếch tán vào môi trường.
Azotobacter làm tăng cường nguồn thức ăn cung cấp cho cây trồng, kích thích khả
năng tăng trưởng, nâng cao tỷ lệ nảy mầm và độ phát triển của mầm (vì nó tiết ra môi

7


trường thiamin, a.nicotinic, a.pantotenic, piridoxin, biotin,..) và có khả năng tiết ra một
số chất chống nấm.
Chế phẩm Azotobacterin là dịch Azotobacter cho hấp thụ trong than bùn (hoặc các loại
đất giàu hữu cơ đã trung hòa và bổ sung photpho, kali).
Beiferinckia: Là lồi hiếu khí, cố định nitơ giống Azotobacter nhưng có khả năng
chịu chua cao hơn. Gồm có 3 nhóm:
- B.Indica: Kích thước tế bào 0,5-1,5 x 1,7-3,0µ; có khả năng di động hoặc khơng di
động, khi già có sắc tố màu đỏ đến màu nâu, có tốc độ cố định nitơ nhanh.
- B.fluminensis: Kích thước tế bào 1,1-1,5 x 3,0-3,5µ; có khả năng di động, sắc tố

màu nâu tối, tốc độ cố định nitơ chậm.
- B.derxii: Kích thước tế bào 1,5-2,0 x 3,5-4,5µ; khơng di động, sắc tố màu lục huỳnh
quang.

Hình : Azotobacter Vinelandi

Vi khuẩn kỵ khí sống tự do thuộc Clostridium:
Loài được nghiên cứu nhiều nhất là Clostridium pasteriaum, ngồi ra cịn có các lồi
Clostridium khác như Cl.butylicum, Cl. Bacterinkin, Cl. Aceticum,..
Kích thước tế bào 2,5-7,5 x 0,7-1,3µ có thể riêng rẽ hoặc xếp đơi hoặc thành chuỗi
ngắn. Có khả năng di động khi cịn non, có khả năng tạo bào tử, bào tử có kích thước
lớn hơn tế bào và có thể nằm ở đầu hoặc ở giữa tế bào. Ít mẫn cảm với mơi trường,
nhất là mơi trường thừa P, K, Ca và có tính ổn định với pH, nó có thể phát triển ở pH
4,5 – 9; độ ẩm 60-80%, nhiệt độ 25-300C.

8


Hình: Vi khuẩn Clostridium pasteriaum
Tảo lam sống tự do và tảo lam cộng sinh trong bèo hoa dâu:
Là thành phần cố định N quan trọng trong thiên nhiên. Có trong các ao, mặt nước
ruộng lúa…Cần độ ẩm cao, ánh sáng, điều kiện nhiệt độ khoảng 30oC, pH tối hảo là từ
7-8.5.Ở ruộng chua, sự tăng trưởng của tảo lam bị hạn chế, trường hợp này bón vơi
giúp tăng thêm lượng tảo và lượng N cố định được.
Hiện nay đã phát hiện nhiều loài tảo lam sống tự do trong đất và trong nước có khả
năng cố định nitơ. Có một số sống cộng sinh với thực vật, trong đó đáng chú ý nhất là
tảo cộng sinh trong bèo hoa dâu (tảo này có tên là Asiabaena azollae). Đa số các lồi
tảo phát triển tốt trong mơi trường trung tính hoặc kiềm, hiếu khí, thích hợp ở nhiệt độ
28-30oC, cần khí CO2.

Hình: Asiabaena azollae

3.4. Vi khuẩn cố định nitơ sống hội sinh

9


Vi sinh vật được sử dụng trong sản xuất phân bón nhiều nhất hiện nay
là Azospirillum – sống hội sinh trong rễ cây hồ thảo, cây họ đậu, bơng và rau. Hai
giống được biết đến nay là Azospirillum lipoferum và Azospirillum brasilense.

Hình: Azospirillum lipoferu

Hình:Azospirillum brasilense

III. Sự cố định đạm sinh học
1. Cơ chế cố định đạm
1.1. Enzyme nitrogenase
Quá trình cố định đạm xảy ra trong tế bào vi khuẩn và vi khuẩn lam đều giống nhau là
nhở chúng có hệ thống gen nif (ni là chữ viết tắt của nitrogen- nitơ và f là fixing –cố
định.) điều khiển quá trình tổng hợp Enzyme nitrogenase.
Nitrogenase là một đa enzyme (phức hệ enzyme) xúc tác cho phản ứng cố định N2,
khử N2 thành NH3.
Như vậy, hệ thống gen nif được xem là hệ thống gen điều khiển cho quá trình cố định
đạm sinh học.
1.2. Bộ gen (genome) của Pseudomonas và sự điều khiển tổng hợp nitrogenase
Genome và hệ thống gen nif của Pseudomonas

10

Thông tin di truyền chuyên biệt về sự cố định đạm đã được xác định trong bộ genome
của Pseudomonas stutzeri A1501. Đó là “vùng cố định đạm” (nitrogen fixation region)
có kích thước 49kb, gồm 59 gen có liên quan.
Thứ tự của các gen nif trong cấu trúc của “vùng cố định đạm” ở Pseudomonas
stutzeri A1501 được khởi đầu là vùng PST1301, vùng giữa lần lượt bao gồm các gen
nifQ – nifB – nifA – nifL - nifY2 – nifHDKTY – nifENX – nifUSV – nifWZM – nifF
và vùng PST1360 ở đầu còn lại.
Sự điều khiển tổng hợp enzyme nitrogenase
Theo nghiên cứu của Yan et al. (2008), hệ thống của gen nif ở Pseudomonas stutzeri
A1501 là một hệ thống hoàn chỉnh gồm các loại gen nif quy định tổng hợp các thành
phần cấu tạo nên phức nitrogenase.

Hình 3.1. “Vùng cố định đạm” (nitrogen fixation region) của Pseudomonas stutzeri
A1501 (Yan et al., 2008)
1.3. Cơ chế cố định đạm
Trong thành phần cấu tạo nitrogenase, số nguyên tử Fe và nguyên tử S có thể không
ổn định với acid. Phân tử protein nhỏ hơn có chức năng vận chuyển e–, trong đó e– của
ferredoxin hoặc flavodoxin vận chuyển lên phức hệ Mo-Fe.
Hầu hết các vi sinh vật không thể sử dụng N2 nên chúng phải cố định nguồn N2 tự
nhiên để dễ dàng sử dụng.
Cơ chế cố định đạm xảy ra theo phương trình:
N2 + 8H+ + 8e + 16ATP → 2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi
Cơ chế hóa sinh của q trình cố định N cho đến nay vẫn chưa được sáng tỏ hoàn toàn,
nhưng đa số các nhà nghiên cứu đồng ý với giả thuyết cho rằng N là sản phẩm đồng

11


hóa sơ cấp của N2 và có thể nêu ra 2 giả thuyết về 2 con đường cố định N của vi sinh

vật sống tự do trong đất như sau:

Hình: Sơ đồ giả thuyết về các con đường của quá trình cố định N2
Trong cơng nghiệp, nhờ các chất xúc tác nên năng lượng dùng cho phản ứng cố định
N2 được giảm nhiều, chỉ vào khoảng 16-20 Kcalo/M, song lượng năng lượng vẫn còn
lớn so với trong cơ thể sinh vật. Tốc độ phản ứng nhanh chóng trong tế bào vi sinh vật
ở nhiệt độ thấp nhờ có hệ thống enzyme hydrogenase họat hóa H2 và enzyme
nitrogenase hoạt hóa N2.
Năm 1961-1962, người ta đã tách từ Clostridium pasteurrianum hai tiểu phần hoạt hóa
H2 và N2. Sau này người ta tìm thấy ởAzotobacter cũng có các tiểu phần đó. Trong
q trình hoạt hóa này có sự tham gia của 2 nguyên tố khống Mo và Fe.
Nguồn hydro để khử N2 có thể là hydro phân tử (H2). Trong trường hợp này thì dưới
tác dụng của enzyme hydrogenase, điện tử được chuyền theo hệ thống:

12


Nguồn cho điện tử và hydro là acid pyruvic. Đáng chú ý là trong q trình chuyền
điện tử có sự tham gia tích cực của feredocine (Fd). Fd là cầu nối giữa 2 hệ enzyme
hydrogenase và nitrogenase để cố định N2.

CƠ CHẾ CỐ ĐỊNH NITƠ TRONG NỐT SẦN CỦA RỄ CÂY HỌ ĐẬU:
Sự cố định N2 của vi khuẩn nốt sần có thể xãy ra theo sơ đồ phức tạp hơn. Trong các
nốt sần có một chất có bản chất hem rất giống với hemoglobin trong máu gọi là
leghemoglobin. Nó dễ dàng liên kết với O2 để biến thành oxyhemoglobin.
Leghemoglobin chỉ được tạo nên khi vi khuẩn sống cộng sinh với cây bộ đậu, cịn khi
ni cấy tinh khiết các Rhizobium sẽ không tạo leghemoglobin và không cố định
được N2.
Những nghiên cứu gần đây về quá trình cố định N2 cho thấy q trình cố định này địi
hỏi:

- Q trình cố định nitơ được thực hiện bởi phức hệ nitrogenase. Thành phần chính
của phức hệ này là nitrogenase reductase và nitrogenase. Phức hệ này nằm trong tế
bào chất của thể vi khuẩn (bacteroid). Có thể coi đây là nhân tố chìa khóa cho q
trình này. Enzyme này hoạt động trong điều kiện yếm khí (Nitrogenase đặc biệt nhạy
với oxy và bị bất hoạt khi có mặt oxy).
- Có lực khử mạnh với thế năng khử cao (NAD, NADP,...)

13


- Có năng lượng (ATP) đủ và có sự tham gia của nguyên tố vi lượng. Nhóm hoạt động
của enzyme nitrogenase có chứa Mo và Fe. Vì vậy sử dụng Mo và Fe cho cây họ đậu
thường có hiệu quả rất cao. Bacteroid cần năng lượng từ thực vật cung cấp để cố định
đạm.
- Tiến hành trong điều kiện yếm khí.
Các chất khử là NADH2 và Fd cùng với năng lượng do hô hấp, quang hợp của cây chủ
cung cấp. Sự cố định N2 cần rất nhiều năng lượng, cần 16 ATP để khử 1 N2.
NH3 tạo thành trong quá trình cố định N2 được sử dụng dễ dàng vào q trình amine
hóa các cetoacid để tổng hợp một cách nhanh chóng các acid amine, từ đó tham gia
vào tổng hợp protein và nhiều quá trình trao đổi chất khác.
Quá trình cố định nitơ phân tử theo hai hướng cơ bản: Con đường khử và con đường
oxy hóa.
Con đường khử theo chuỗi biến hóa: N2  HN=NH H2N-NH2 NH3 NH4OH
Con đường oxy hóa: N2  N2O  HNO2 NH4OH
Qua 2 hướng đó, người ta thu được kết quả sau:
- Nếu nồng độ Oxy nhiều sẽ ức chế quá trình cố định nitơ phân tử.
- Hiệu suất cố định nitơ phân tử của những vi sinh vật kỵ khí thường cao hơn những vi
sinh vật hiếu khí.
- Tìm thấy hợp chất loại khử khi nuôi các vi sinh vật cố đinh nitơ phân tử.
N2 + 8H+ + 8e- → 2NH3 + H2.

16-24ADP + 16-24Pi 16-24ATP
Qua đó cho thấy con đường khử có nhiều khả năng xảy ra hơn.
1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cố định đạm
Sự tổng hợp enzyme nitrogenase được điều khiển bởi enzyme glutamate synthetase,
xúc tác cho tổng hợp glutamin từ NH3. Nếu trong hệ thống có ít NH3 thì glutamate
synthetase kích thích tổng hợp nitrogenase, nồng độ NH3 cao thì ức chế sự tổng hợp
nitrogenase.
Phức hệ enzyme nitrogenase khơng bền khi có mặt oxy. Vi khuẩn tự do cố định đạm
chỉ thể hiện hoạt tính ở điều kiện yếm khí nhờ sử dụng điện tử xuất hiện trong quá
trình tổng hợp ATP để ngăn ngừa oxy xâm nhập.

14


Các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình cố định đạm:
• Ảnh hưởng của các điều kiện ngoại cảnh đối với q trình cố định N cộng sinh.
• Ảnh hưởng của hàm lượng chất đường bột trong cây.
• Ảnh hưởng của P và K.
• Ảnh hưởng của pH của đất.
• Ảnh hưởng của chất Molybden (Mo).
• Ảnh hưởng của Phage (thực khuẩn thể).
2. Đạm khoáng trong đất
Trừ các cây họ đậu cộng sinh với vi khuẩn để lấy đạm từ khơng khí, thực vật lấy đạm
từ đất (mùn và đạm khống). Trong chu trình nitrogen, các dạng đạm hữu cơ trở lại
đất theo xác bã động vật và thực vật, được biến đổi thành ammonia (NH4+ và NH3),
nhờ các vi khuẩn và nấm trong đất. Trong vài tuần đầu, khỏang 70% chất hữu cơ ban
đầu (cellulose và protein) bị phân hủy. Giai đoạn kế tiếp xảy ra ở tốc độ chậm hơn
nhiều, chỉ khoảng 1-6% chất sau giai đoạn phân hủy nhanh được tiếp tục phân hủy
hàng năm, tạo nên chất mùn, hỗn hợp có màu nâu đen chứa acid humic (được tạo chủ
yếu bởi các phức hợp lignin- protein), acid fulvic (dẫn xuất của hemicellulose và sáp)

và humin (được tạo chủ yếu từ các mảnh vỡ cellulose).
Đạm khống có thể được tạo trong giai đoạn phân hủy các hợp chất hữu cơ ban đầu,
trong sự tạo mùn, hay trong sự khống hóa chất mùn, theo các bước:
- Tạo NH4+ từ các amid hay acid amin:
R-CONH2 + H2O + H+  RH + CO2 + NH4+
R-CHNH2-COOH + O2 + H+ RH + 2CO2 + NH4+
- Tạo NO2-:
NH4+ +3/2O2 + H+  NO2- + H2O + 2H+
- Tạo NO3-:
NO2- + 1/2O2 NO3-

15


Sự oxid hóa NH4+ phóng thích năng lượng, năng lượng này có thể được vi khuẩn dùng
để khử CO2 và tổng hợp các hợp chất hữu cơ.
3. Sự dùng đạm khống bởi thực vật
3.1. Đặc tính
Sự dùng đạm khống ở thực vật có vài đặc tính đáng chú ý:
- Cây non thích NH4+ (cà chua, bắp, lúa; ngoại lệ: mía, bông vải).
- NH4+ đối kháng với K+, Ca2+ hay Mg2+. Do đó, sự dùng NH4+ quá liều sẽ gây ra thiếu
K+, Ca2+ hay Mg2+ ( lúa mì). Sự bổ sung Ca2+ làm giảm tính độc của NH4+. Ngược lại,
NO3- giúp sự thấm cation. Nhất là K+, NH4+ cản trở NO3-, nhưng giúp các ion photpho
và tế bào.
Sự hạ thấp pH kích thích sự hấp thu và đồng hóa nitrat, trong khi sự tăng pH kích
thích sự hấp thu và đồng hóa ammonium. Tuy nhiên khi pH bên ngồi cao, ammonia
(base yếu) khuếch tán nhanh vào tế bào chất (acid hơn). Do đó, ammonia, thiết yếu ở
pH trung tính, trở thành độc trong môi trường kiềm. Spirulina platensis là trường hợp
đặc biệt, có thể dùng ammonia ở nồng độ cao, như nguồn nitrogen duy nhất, ngay cả ở
pH 10 hay cao hơn, do khả năng duy trì pH cao trong tế bào. Sự thừa NH4+ thường rất

độc so với NO3- vì gây nhiều xáo trộn trong tính thấm của tế bào.
- Hàm lượng đường của rễ có vai trị quan trọng trong sự dinh dưỡng đạm, vì các acid
cetonic được tổng hợp từ đường giúp sự gia nhập N vào acid amin. Do đó, tính độc
của NH4+ sẽ rất mạnh nếu quang hợp yếu, khi ấy sự dùng NH4+ hạ thấp hàm lượng
tinh bột.
3.2. Sự khử nitrat
Giai đoạn đầu tiên của sự cố định đạm khống là sự khử nitrat, nói chung xảy ra ở rễ,
trong tối. Tuy nhiên, ở nhiều loài, nhất là ở các cây dạng cỏ, sự khử được thực hiện
đồng thời trong lá, dưới ánh sáng (phân nửa trong rễ, phân nửa trong lá lúa mì; gần
như hoàn toàn trong lá cà chua).

16


Sự khử nitrat xảy ra theo hai giai đoạn: khử nitrat (NO3-) thành nitrit (NO2-), và khử
nitrit thành ammonia:
NO3- + 2H+ + 2e- NO2- + H2O
NO2- + 6H+ + 6e- NH3 +H2O + OHNitrat được khử trong cytosol nhờ nitrat reductase, sau đó nitrit vào diệp lạp của lá
hay tiền lạp của rễ để được tiếp tục khử nhờ nitrit reductase. NH3 có thể ở dạng RNH2 hay ở dạng ion hóa NH4+ khi nhận 1 H+.
3.3.Sự tổng hợp acid amin
Các acid amin được tổng hợp từ sự cố định nhóm NH3 (được hấp thu dưới dạng NH4+
hay từ sự khử nitrat) trên các acid a-cetonic, theo 3 quá trình căn bản sau:
- Sự amin hóa khử
Phản ứng amin hóa khử được thực hiện trong ti thể từ các acid cetonic của chu trình
Krebs, và hầu như chỉ xảy ra ở các nấm, ít phổ biến ở thực vật.
R-CO-COOH + NADH + H+ +NH3  R-CH(NH2)-COOH + NAD+ + H2O
Ví dụ: Glutamat được tổng hợp từ a-cetoglutarat, nhờ glutamate dehydrogenase
(GDH).
Glutamat: HOOC-CH2-CH2-CH(NH2)-COOH
a-cetoglutarat: HOOC-CH2-CH2-CO-COOH

- Con đường Glutamin
Glutamin (amid của acid glutamic) là dạng đạm dự trữ quan trọng của hột và củ. Sự
tổng hợp Glutamin từ glutamate cần NH3, ATP và glutamine synthetase (GS):
NH3 + HOOC-CH2-CH2-CH(NH2)-COOH

CO(NH2)-CH2-

CH2-CH(NH2)-COOH + H2O
ATP

ADP + Pi

- Sự chuyển amin

17


Phản ứng này rất phổ biến, và cũng nhờ một acid cetonic, nhưng nhóm amin (-NH2)
có nguồn gốc từ một acid amin thay vì NH3:
R1-CH(NH2)-COOH + R2-CO-COOH R1-CO-COOH + R2-CH(NH2)-COOH
Các transaminase với nhóm hoạt động pyridoxal-phosphat (vitamin B6) xúc tác sự
trao đổi này. Glutamate thường là chất cho nhóm –NH2 trong sự chuyển amin, để tạo
nhiều acid amin khác: aspartat từ oxaloacetat, Glycin từ glyoxylat…
Ngồi ba q trình căn bản, các phản ứng khác cũng tạo acid amin:
- Sự amin hóa một acid khơng bão hịa, ví dụ sự amin hóa rumarat cho aspertat:
HOOC-CH=CH-COOH + NH3  HOOC-CH2-CH(NH2)-COOH
-Sự khử Carboxyl hóa một diacid amin, ví dụ Sự khử Carboxyl aspartat cho B- alanin
(thành phần của coenzyme A):
HOOC-CH2-CH(NH2)-COOH  HOOC-CH2-CH2(NH2) + CO2
- Sự vịng hóa glutamate ( qua nhiều giai đoạn) cho prolin, rồi hydroxyprolin:

Tóm lại, sự tổng hợp acid amin được thực hiện một phần ở các nơi khử nitrat (rễ hay
lá). Sau đó, sự biến đổi tiếp tục, qua sự chuyển amin, trong mọi loại mô thực vật, đặc
biệt trong ti thể và diệp lạp, các bào quan sẵn sàng cung cấp các acid cetonic, các chất
khử (NADH và NADPH), ATP.
4. Liên hệ giữa sự khử nitrat với hô hấp và quang hợp
Chất cho e- trong sự khử nitrat thành nitrit là NADH được cung cấp trực tiếp trong tối
nhờ hô hấp, và gián tiếp dưới ánh sáng nhờ quang hợp (NADPH diệp lạp chuyển
thành NADH tế bào chất).
Do đó có sự cạnh tranh giỡa nitrat với O2 và CO2: O2 của khơng khí nhận e- từ NADH,
nên khi có nitrat hệ số hơ hấp CO2/O2 của rễ gia tăng; CO2 của khơng khí nhận e- từ
NADPH, do đó khi có nitrat sự đồng hóa CO2 ( quang hợp) giảm ở lá.
Glucid

18


E 0’

Glucid
CO2

NO3H2O

O2

CO2

APG

NADH

NADPH
H2O

NO3O2

Hình: liên quan giữa sự khử nitrat với hơ hấp và quang hợp.
5.

Ảnh hưởng của nguồn đạm trên sự tiết các chất từ rễ

Sự tiết (exudation) các chất đường (glucose, Fructose, và sacarose), các ion (anion và
cation) và acid amin từ rễ nguyên vẹn được nghiên cứu ở cỏ Leptochloa fusca, khi rễ
tăng trưởng trong môi trường thủy canh với ammonium hay nitrat.
Các cây được trồng với ammonium có hàm lượng đường tổng công hơi cao hơn so với
các cây được trồng với nitrat, nhưng sự tiết đường trong 2 giờ cao hơn 79 lần. Trong
12- 24 giờ sau khi chuyển cây từ môi trường ammonium sang môi trường nitrat, hàm
lượng đường của rễ và cấu trúc rễ không thay đổi, nhưng tốc độ tiết đường giảm 30
lần.
Sự tiết các ion và acid amin hoặc như nhau hoặc hơi cao hơn, khi cây trồng trong
ammonium, so với cây trồng trong nitrat.
Như vậy sự dinh dưỡng đạm với nitrat hay ammonium có ảnh hưởng mạnh tới sự tiết
đường bởi rễ. Tốc độ tiết đường mạnh như vậy, trong môi trường chứa ammonium
không liên quan tới nồng độ đường trong rễ. Sự tiết đường trong thiên nhiên giúp sự
cộng sinh giữa các vi sinh vật cố định đạm khí quyển với rễ cỏ.
6. Sự dùng đạm hữu cơ và cố định đạm khí quyển
6.1. Sự dùng đạm hữu cơ

19

Thực vật bậc cao nói chung dùng đạm khống (nitrat hay ammonium), mặc dù có thể
đồng hóa đạm hữu cơ có phân tử nhỏ, như acid amin (acid aspartic, acid glutamic),
asparagin, glutamine, urê, uric…
Các thực vật bán ký sinh trên các cành cây cao (tầm gởi) có khả năng quang hợp,
đồng thời có thể lấy các chất dinh dưỡng (đạm hữu cơ) từ cây chủ.
Các cây họ đậu có thể dùng acid amin từ các nốt, tuy nhiên khi có nitrat hay
ammonium chúng thích dùng đạm khống và hoạt động của nốt dừng lại.
6.2. Sự cố định đạm khí quyển nhờ cộng sinh với Rhizobium
6.2.1. Sự phát hiện các Rhizobium
Các vi sinh vật dùng đạm tự do thuộc về các Azotobacter, Clostridium và
Cyanobacteria. Chúng khử N2 thành NH3, đi kèm với sự tiêu thụ đường. Đặc sắc hơn,
vào năm 1838, nhà nông học người Pháp J.B Boussingault chứng minh các cây họ đậu
có thể cố định đạm khí quyển, nhờ các nốt xuất hiện trên rễ sau sự xâm nhập của các
vi khuẩn Rhizobium.
Giống Rhizobium thực ra gồm 3 giống khác nhau:
-

Rhizobium theo nghĩa hẹp gồm phần lớn các loài cộng sinh với các cây họ đậu:
R. leguminosarum, R. phaseoli, R. meliloti…

-

Bradyrhizobium: B. jabonicum

-

Azorhizobium: A. sesbania

Các vi khuẩn thuộc 2 nhóm đầu được tìm thấy trong các nốt rễ của các cây họ Đậu
khác nhau; các vi khuẩn thuộc nhóm thứ ba được tìm thấy trong các nốt chồi dọ theo

than của các cây họ đậu nhiệt đới, như Sesbania rostrata. Sự cơng sinh thường rất
chun biệt, một lồi vi khuẩn thường chỉ cơng sinh với một lồi cây họ Đậu.
6.2.3. Sự xâm nhập và phát triển nốt rễ
Sự phát triển của các nốt rễ ở các cây họ đậu diễn ra theo các bước sau:
Hình

20


-

Cá rễ thu hút vi khuẩn nhờ các chất hấp dẫn,đặc biệt là các flavonoid, do rễ tiết
ra. Xung quanh các rễ các Rhizobium hình que sống tự do sinh sản mạnh.

-

Rễ tiết các protein dính với đường gọi là lectin. Lectin tương tác với các
polysacarid ở bể mặt Rhizobium, giúp sự dính vi khuẩn vào vách tế bào rễ,đặc
biệt là lơng hút.

-

Khi dính vào lơng hút nhờ sự thủy giải cục bộ, và vào vùng vỏ rễ. Chúng xếp
thành hàng trong một dây nhiễm. Đó là một ống dài chứa chất nhờn, thành ống
được tạo bởi cellulose và hemicelluloses do tế bào thực vật tiết ra.

-

Dây nhiễm qua vài lớp tế bào, và được phóng thích từ đầu dây nhiễm. Đồng
thời với sự tạo dây nhiễm, vùng tế bào bị xâm nhiễm bắt đầu phân chia mạnh

để tạo nốt.

-

Vi khuẩn không phân chia trong dây nhiễm, bây giờ bắt đầu phân chia mạnh và
tiếp tục tấn công vào các tế bào khác của nốt. Khi được phóng thích vào tế bào,
vi khuẩn được bao bọc trong những túi màng (6-8 vi khuẩn / túi màng ở đậu
nành, 1 ở cỏ ba lá), có dạng gần như hình cầu và có khả năng cố định đạm khí
quyển.

Sự thành lập các nốt thân ở Sesbania rostrata diễn ra theo cách tương tự, ở những vị trí
xác định trên thân, mỗi vị trí tướng ứng với một phác thể rễ nhất định.

21


6.2.4. Các biến đổi hình thái và sinh hóa học
Trong các nốt, các bó mạch phân hóa và nối liền với các bó mạch của rễ, giúp sự cộng
sinh chức năng , và cho phép sự cố định đạm. Cùng với sự phát triển hình thái, cịn có
sự phân hóa sinh hóa học trong các nốt:
-

Sự hiện diện của các protein, gọi là nudolin, có vai trị trong sự phát sinh hình
thái của nốt và trong sự cố định đạm.

-

Sự tích lũy một sắc tố màu hồng, gọi là leghemoglobin, tức chromoprotein với
nhóm prosthetic (heme) giống như ở hemoglobin, nhưng phần protein (globin)
nhỏ hơn nhiều.

Các gen liên quan trong giai đoạn đầu của sự nhiễm (bao gồm sự thành lập dây nhiễm),
gọi là các gene nod, nằm trong plasmid vi khuẩn. Khả năng cố định đạm khí quyển
được mã hóa bởi các gene fix của vi khuẩn. Trong số các gene fix, các gene nif
( nitrogen fixation) lien quan trong sự tổng hợp nitrogenase.
Phản ứng tổng quát của sự cố định nitrogen phân tử thành ammonia, nhờ nitrogenase,
là:
N2 + 8e- + 8H+ +16ATP  NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi
Amonia sau đó gia nhập vào các hợp chất hữa cơ như glutamine hay glutamate, và
được vi sinh vật hay cây chủ sử dụng.
IV. Ứng dụng cố định đạm
Nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới đã phát hiện các nhóm vi khuẩn có khả năng
cố định đạm cho cây lúa giúp tăng năng suất cây trồng từ 15-54% (Favilli et al., 1987;
Omar et al., 1989). Ở Hy Lạp (mùa hè 1990) đã sử dụng phân đạm sinh học làm cho
năng suất lúa tăng 15%-20%, sản lượng của bắp, lúa mì, lúa mạch tăng 3%-54% so
với những vụ đối chứng khơng bón phân. Với những nghiên cứu chủng vi khuẩn cố
định đạm trên lúa mì ởMexico làm cho năng suất tăng từ 23%-63% và 24%-43%.
Vai trò của đạm đối với cây lúa

22


Cây trồng nói chung và cây lúa nói riêng đều sử dụng đạm dưới hai dạng chủ yếu là
ammonium (NH4+) và nitrat (NO3-) nhưng phổ biến là dạng ammonium (NH4+).
Tùy theo giai đoạn sinh trưởng của cây lúa mà cây có nhu cầu đạm khác nhau. Ở các
giai đoạn tăng trưởng thì đạm giúp cây tăng trưởng về chiều cao, tạo chồi, đẻ nhánh,
tăng số lá trên cây và tăng diện tích lá. Trong cây lúa, đạm được tích lũy chủ yếu
trong thân, lá và khi lúa trổ sẽ có khoảng 48 – 71% đạm được đưa lên bông. Trong
giai đoạn sinh sản, đạm có vai trị trong việc tạo mầm hoa, tăng số hạt trên gié, tăng số
gié trên bơng và cịn giúp tăng số chồi hữu hiệu. Nếu thiếu đạm, cây sẽ thành lập bơng

ngắn, ít hạt, hạt nhỏ hoặc hạt bị thối hóa.
Hiên nay, việc sử dụng quá nhiều phân đạm vô cơ đã làm cho môi trường đất và nước
bị ơ nhiễm, hàm lượng nitrat tích lũy trong nhiều loại sản phẩm nông nghiệp cũng
tăng lên mức báo động. Chính vì vậy, thay thế một phần đạm vơ cơ bằng đạm sinh
học sẽ góp phần làm cho môi trường sinh thái nông nghiệp bền vững hơn. Việc trồng
xen các cây họ đậu với các cây trồng khác cũng như trồng các cây họ đậu cải tạo đất
là biện pháp canh tác hợp lý, có hiệu quả cao và được ứng dụng ngày càng nhiều
nhằm tăng năng suất cây trồng, đồng thời đảm bảo bền vững cho sinh thái nông
nghiệp.
Tài liệu tham khảo:
 Sinh lý thực vật đại cương – Bùi Trang Việt (NXB Đại học QG TP HCM)
 Sinh học thực vật -Philips
 /> />
23