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



tải về 1.67 Mb.
trang9/9
Chuyển đổi dữ liệu01.06.2018
Kích1.67 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9

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, còn khi nuôi 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 quá trình cố định này đòi hỏi:


- Quá 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 quá 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,...)

- 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 quá 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 không 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.



  • Các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình cố định đạm:

• Ảnh hưởng của các điều kiện ngoại cảnh đối với quá 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 không khí, thực vật lấy đạm từ đất (mùn và đạm khoáng). 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 khoáng có thể được tạo trong giai đoạn phân hủy các hợp chất hữu cơ ban đầu, trong sự tạo mùn, hay trong sự khoáng 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-

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 khoáng bởi thực vật

3.1. Đặc tính

Sự dùng đạm khoáng 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 ngoài 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 trò 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 khoáng 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).

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 + OH-

Nitrat 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 R-NH2 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):

NAutoShape 5
ATP

ADP + Pi
H3 + HOOC-CH2-CH2-CH(NH2)-COOH CO(NH2)-CH2-CH2-CH(NH2)-COOH + H2O

- Sự chuyển amin

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…

Ngoài ba quá trình căn bản, các phản ứng khác cũng tạo acid amin:

- Sự amin hóa một acid không bão hòa, 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 vòng 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.


  1. 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).

D
Glucid


o đó có sự cạnh tranh giỡa nitrat với O2 và CO2: O2 của không khí nhận e- từ NADH, nên khi có nitrat hệ số hô hấp CO2/O2 của rễ gia tăng; CO2 của không khí nhận e- từ NADPH, do đó khi có nitrat sự đồng hóa CO2 ( quang hợp) giảm ở lá.

G
CO2


lucid E0


NADH



CO2

APG

NO3-



NADPH

NO3-

O2



H2O

H2O

O2

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



  1. 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

Thực vật bậc cao nói chung dùng đạm khoáng (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 khoáng 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 công sinh thường rất chuyên biệt, một loài vi khuẩn thường chỉ công sinh với một loài 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







  • 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 lông hút.

  • Khi dính vào lông 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.

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, còn có sự phân hóa sinh hóa học trong các nốt:


  • Sự hiện diện của các protein, gọi là nudolin, có vai trò 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 không 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

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 trò trong việc tạo mầm hoa, tăng số hạt trên gié, tăng số gié trên bông và còn giúp tăng số chồi hữu hiệu. Nếu thiếu đạm, cây sẽ thành lập bông ngắn, ít hạt, hạt nhỏ hoặc hạt bị thoái hóa.

Hiên nay, việc sử dụng quá nhiều phân đạm vô cơ đã làm cho môi trường đất và nước bị ô 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 vô 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

  • http://luanvan.co/luan-van/hieu-qua-cua-vi-khuan-co-dinh-dam-burkholderia-sp-tren-cay-lua-cao-san-trong-o-hau-giang-28717

  • http://www.voer.edu.vn/module/su-dong-hoa-phosphorus

1   2   3   4   5   6   7   8   9


Cơ sở dữ liệu được bảo vệ bởi bản quyền ©hocday.com 2016
được sử dụng cho việc quản lý

    Quê hương