Bộ giáo dục đào tạo Trờng Đại học vinh - - đặng thị hiền phân lập số chủng vi khuẩn lam cố định nitơ đất trồng ngô huyện nghi lộc nghiên cứu ảnh hởng chúng lên giống ngô lai đơn 919 Luận văn thạc sĩ sinh học Vinh, 12/2008 Mục lục Mở đầu Chơng Tổng quan tài liệu 1.1 Tình hình nghiên cứu Vi khuẩn lam giới Việt Nam 1.1.1 Vài nét nghiên cứu Vi khn lam trªn thÕ giíi 1.1.2 Mét sè dÉn liƯu vỊ nghiªn cøu Vi khn lam ë ViƯt Nam 1.1.3 Đặc điểm Vi khuẩn lam 1.1.4 Các yếu tố ảnh hởng đến sinh trởng, phát triển Vi khuẩn lam 1.1.5 Vai trò Vi khuẩn lam ứng dụng Vi khuẩn lam vào thực tiễn sản xuất, đời sống 1.2 Vài nét ngô 1.2.1 Nguồn gốc ngô 1.2.2 Đặc điểm phân loại 1.2.3 Đặc điểm hình thái, sinh trởng phát triển ngô 1.2.3.1 Đặc điểm hình thái ngô 1.2.3.2 Đặc điểm sinh trởng phát triển ngô 1.2.3.3 Các yếu tố ảnh hởng đến đời sống ngô 1.2.4 Tình hình sản xuất, tiêu thụ, phát triển ngô giới Việt Nam 1.2.4.1 Tình hình phát triển ngô giới 1.2.4.2 Tình hình phát triển ngô ë ViƯt Nam, NghƯ An, Nghi Léc 1.3 §iỊu kiƯn tù nhiªn cđa hun Nghi Léc – NghƯ An 1.3.1 Vị trí địa lý 1.3.2 Điều kiện tự nhiên, kinh tế - xà hội Trang 1.3.3 Đặc điểm khí tợng thuỷ văn huyện Nghi Lộc Nghệ An 1.3.4 Tính chất thổ nhỡng tình hình sử dụng đất nông nghiệp Nghi Lộc Chơng Đối tợng, Nội dung phơng pháp nghiên cứu 2.1 Đối tợng địa điểm nghiên cứu 2.2 Nội dung nghiên cứu 2.3 Phơng pháp nghiên cứu 2.3.1 Phơng pháp thu mẫu xử lý mẫu 2.3.1.1 Phơng pháp thu xử lý mẫu đất 2.3.1.2 Phơng pháp thu xử lý mẫu tảo đất 2.3.2 Phơng pháp định loại Vi khuẩn lam 2.3.3 Phơng pháp phân lập số loài Vi khuẩn lam cố định nitơ 2.3.4 Phơng pháp nuôi Vi khuẩn lam cố định nitơ để thu sinh khối 2.3.5 Bố trí thí nghiệm 2.3.6 Phơng pháp phân tích 2.3.7 Phơng pháp xử lý số liệu Chơng Kết nghiên cứu thảo luận 3.1 Một số đặc điểm đất trồng ngô huyện Nghi Lộc 3.2 Thành phần loài Vi khuẩn lam đất trồng ngô huyện Nghi Lộc 3.3 Phân lập tìm hiểu đặc điểm số chủng Vi khuẩn lam cố định 3 12 14 14 15 15 15 16 17 18 18 19 20 20 21 21 23 25 25 25 25 25 25 25 26 26 27 28 29 30 31 31 32 34 nitơ đất trồng ngô huyện Nghi Lộc 3.3.1 Thành phần loài Vi khuẩn lam cố định nitơ đà phân lập khiết 34 3.3.2 Đặc điểm hình thái chủng Vi khuẩn lam cố định nitơ đà phân lập 35 3.3.3 Sự tăng sinh khối chủng Vi khuẩn lam cố định nitơ đà phân lập khiết 3.4 ảnh hëng cđa dÞch vÈn chđng Vi khn lam cè định nitơ 38 40 (nuôi 30 ngày) đến nẩy mầm hạt ngô lai đơn 919 3.4.1 ảnh hởng dịch vẩn chủng Vi khuẩn lam cố định nitơ đến tỷ lệ nảy mầm hạt ngô lai 919 3.4.2 ảnh hởng dịch vẩn chủng Vi khuẩn lam cố định nitơ đến cờng độ hô hấp hạt ngô lai 919 3.4.3 ảnh hởng dịch vẩn chủng Vi khuẩn lam cố định nitơ đến tăng trởng rễ mầm ngô lai 919 3.4.4 ¶nh hëng cđa dÞch vÈn chđng Vi khn lam cố định nitơ đến tăng trởng thân mầm ngô lai 919 3.5 ảnh hởng dịch vẩn chủng Vi khuẩn lam cố định nitơ đến tiêu sinh trởng ngô lai đơn 919 15, 30, 45 ngày 3.5.1 ảnh hởng dịch vẩn chủng Vi khuẩn lam cố định nitơ đến chiều cao ngô lai 919 3.5.2 ảnh hởng dịch vẩn chủng Vi khuẩn lam cố định nitơ đến diện tích ngô lai 919 3.5.3 ảnh hởng dịch vẩn chủng Vi khuẩn lam cố định nitơ đến hàm lợng diệp lục ngô lai 919 3.5.4 ảnh hởng dịch vẩn chủng Vi khuẩn lam cố định nitơ đến cờng độ quang hợp ngô lai 919 3.5.5 ảnh hởng dịch vẩn chủng Vi khuẩn lam cố định nitơ đến cờng độ hô hấp ngô lai 919 3.5.6 ảnh hëng cđa dÞch vÈn chđng Vi khn lam cè định nitơ đến cờng độ thoát nớc ngô lai 919 3.6 Năng suất thu hoạch giống ngô lai đơn 919 Kết luận đề nghị Tài liƯu tham kh¶o PHơ LơC 40 41 42 44 46 46 47 49 50 51 53 54 57 59 Lêi cảm ơn Để hoàn thành đợc kết nghiên cứu mình, Tác giả đà nhận đợc hớng dẫn tận tình chu đáo TS Nguyễn Đình San, Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc giúp đỡ quý báu Xin chân thành cảm ơn Ths Lê Thanh Tùng, thầy cô giáo, anh chị môn Thực vật, môn Sinh lý Sinh hoá, phòng nuôi cấy mô thực vật, khoa Sinh học, khoa Đào tạo Sau đại học - trờng Đại học Vinh, Trạm khí tợng huyện Nghi Lộc, UBND xà Nghi Thạch, giáo viên, phụ huynh, học sinh Trờng THPT Nghi Lộc đà tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ nhiệt tình cho Tác giả hoàn thiện kết nghiên cứu Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn bạn bè, ngời thân đà chung sức, tiếp thêm nghị lực cho tác giả để hoàn thành luận văn tốt nghiệp Vinh, tháng 11 năm 2008 Học viên Đặng Thị Hiền Mở đầu Từ trớc đến lơng thực, thực phẩm nhu cầu hàng đầu tất ngời Nhu cầu cấp thiết dân số giới tăng ngày nhanh Nớc ta nh số nớc giới tiến hành đa dạng hoá trồng, phá bỏ độc canh lúa thay vào giống lơng thực khác có suất cao, thích ứng với nhiều loại đất trồng để phát huy mạnh sản xuất nông nghiệp nh ngô, lạc, đậu Trong ngô đợc xem lơng thực quan trọng thứ hai (sau lúa) đợc trồng ba vùng: Đồng bằng, Trung du, Miền núi Để đáp ứng nhu cầu lơng thực, cần phải tăng suất trồng Năng suất trồng phụ thuộc nhiều yếu tố nh giống, phân bón, kỉ thuật canh tác Thực tế phân bón hoá học sử dụng không hợp lý gây ô nhiễm môi trờng, thoái hoá đất Vì nhiều Quốc gia giới nh: ấn Độ, Ai Cập, Nhật Bản, Thái Lan, Trung Quốc, Philippin, Mỹđà tìm giải pháp sử dụng ph©n bãn cã ngn gèc sinh häc tõ viƯc khai thác hàm lợng đạm Vi khuẩn lam cố định nitơ tạo vừa có chất lợng tốt, giá thành rẻ lại không gây ô nhiễm môi trờng Trong trồng trọt Vi khuẩn lam số tài nguyªn cã ý nghÜa to lín Ngêi ta nhËn thÊy Vi sinh vật bé nhỏ nh nhà máy sản xuất phân bón khổng lồ, phát riển mạnh mẽ tạo nên chất hữu giàu đạm, đồng thời hoạt động sống Vi khuẩn lam tiết vào môi trờng chất có hoạt tính sinh häc kÝch thÝch sù sinh trëng cña thùc vËt bậc cao, đặc biệt trồng nh: Ngô, lúa, lạc, míaTuy nhiên việc nghiên cứu ảnh hởng Vi khuẩn lam lên trình sinh trởng, phát triển suất ngô nh ứng dụng kết nghiên cứu vào thực tiễn cha đợc mở rộng Để phát huy mạnh ngô, nhận thấy cần phải tìm kiếm chủng Vi khuẩn lam đất trồng ngô địa phơng vừa có khả cố định đạm vừa sinh trởng phát triển nhanh, sau phân lập chúng đa trở lại ruộng ngô đánh giá ảnh hởng chúng ngô Đó lý tác giả tiến hành nghiên cứu đề tài: Phân lập số chủng Vi khuẩn lam cố định nitơ đất trồng ngô huyện Nghi Lộc nghiên cứu ảnh hởng chúng lên giống ngô lai đơn 919 Mục tiêu đề tài là: Tìm kiếm chủng Vi khuẩn lam đất trồng ngô địa phơng, phân lập khiết chủng Vi khuẩn lam cố định nitơ để tác động lên giống ngô lai 919 nh biện pháp sinh học làm tăng suất ngô trồng huyện Nghi Lộc- Nghệ An, đồng thời cải tạo đất góp phần bảo vệ môi trờng Chơng Tổng quan tài liệu 1.1 Tình hình nghiên cứu Vi khuẩn lam giới Việt Nam 1.1.1 Vài nét nghiên cứu Vi khuẩn lam giới Vi khuẩn lam (VKL) sinh vật tự dỡng có kích thớc hiển vi Những nghiên cứu hoá thạch thời tiền Cambri ngời ta đà chứng minh đợc có mặt chúng cách 3,5 tỷ năm Những kết nghiên cứu cho thấy, mang nhiều đặc điểm nguyên thủy Vì vậy, nhiỊu gi¶ thut cho r»ng VKL cã mèi quan hƯ gÇn gịi víi thđy tỉ sinh vËt [2], [89] Tuy nhiên, dẫn liệu kết bớc đầu xuất tính chất thập niên đầu kỷ XIX lôi đợc quan tâm nhiều nhà khoa học thuộc lĩnh vực kh¸c nh: Thùc vËt häc, vi sinh vËt häc, sinh lý học, sinh hoá học, di truyền học, công nghệ sinh học, môi trờng nông học [54], [61], [68] Những tri thức VKL ngày nâng cao phong phú, hàng loạt công trình chuyên khảo phục vụ cho điều tra phân loại vi tảo nói chung VKL nói riêng đà đời C Agardh (1824) Kutzing (1843) ngời nghiên cứu VKL Ngời đặt móng cho hệ thống phân loại VKL Thuret (1875) sau đợc Kirchner (1900) bổ sung thêm Tiếp có hàng loạt công trình phân loại tảo lam nhà khoa học khác đà khiến cho tri thức tảo lam phong phú đa dạng nh: Borch (1914, 1916, 1917), Elenkin (1916, 1923, 1936), Geitler (1925, 1932) [89] C¸c nhà tảo học Liên Xô tiếp tục theo hớng nghiên cøu nµy nh: Gollerbakh, Kosinski, Poltanski (1953), Koudratieva (1968) [89] Nhà tảo học ấn Độ Desikachary (1959) đà phản ánh phong phú taxon tảo lam thờng gặp khu vùc khÝ hËu nãng Èm vµ nhiỊu ma nµy [62], [68], [89] Trong năm cuối kỷ XIX, đầu kỷ XX, đà có nhiều công trình đợc công bố Nhng vấn đề đặt cha có hệ thống phân loại tảo thống Vì thế, đà có nhiều quan điểm khác nhau: Các tác giả Đông ¢u (cị) xÕp chóng thµnh 10 nghµnh [18], [65], [69], [74], hệ thống tác giả Tây Âu, Nhật Bản lại xếp tảo theo nhóm sắc tố (pigment), chia chúng thành nghành [65], số quan điểm khác lại phân chia thành ngành [18], [76], [77], nhng quan điểm xếp tảo lam thành nghành riêng Những thành tựu nghiên cứu tảo đất gắn liền với phát kiến lĩnh vực vi sinh vật đất Vinogratski, đặc biệt công trình nghiên cứu Frank (1889), ngời đà có nhận xét khả đồng hoá nitơ khí vi khuẩn lam Hơn 20 năm sau Drew (1928) đà phân loại đợc loài vi khuẩn, kết cho thấy chúng có khả đồng hoá nitơ phân tử Về sau có công trình nghiên cứu cña Fogg (1942; 1951; 1956; 1962); Singh (1942; 1961); Herisset (1946; 1952) đà khẳng định tất loài VKL có khả cố định nitơ khí mà có số chúng biểu thị khả này, phần lớn Vi khuẩn lam cố định nitơ(VKLCĐN) đa số thuộc họ nh: Anabaenaceae, Nostocaceae, Rivulariaceae Scytonemataceae [18] Hiện nay, số loài vi tảo phát đợc khoảng 26 000 loài [18], tảo đất khoảng 2000 loài [18], [87] nớc Liên Xô cũ, theo số liệu M M Gollerbakh E A Shtina (1976) đà phát đợc số mẫu đất gần 1500 loài dới loài cã 488 loµi vi khuÈn lam [8], [82] Theo Rippka cộng loài VKL chủ yếu thuộc chi Nostoc, Anabaena Calothrix chiếm tới 60% tổng số loài Tại ấn Độ Venkataraman (1975) cho hay số 2213 mẫu đất lấy từ ruộng lúa có khoảng 30% số có mặt VKLCĐN [8], [87] Vi khuẩn lam cố định nitơ đóng vai trò quan trọng việc làm tăng độ phì cho đất cách tự nhiên Hơn 250 chủng vi khuẩn lam đợc biết đến có khả cố định nitơ Chính vậy, mà có nhiều công trình tập trung nghiên cứu khả cố định nitơ VKL nh: Venkataraman (1975, 1982) [87], [88]; Roger (1979, 1981, 1989) [79], [80], [81]; Kapoor (1981) [73]; Hamdi (1986) [70]; Schaejer (1987) [84]; Antatrikamonda (1991) [64] Những công trình cho thấy đa dạng thành phần loài khả phân bố rộng rÃi VKL môi trờng sống khác Bên cạnh việc sản xuất vi tảo quy mô lớn đợc thực ấn Độ bắt đầu Miễn Điện, Trung Quốc, Philippin, Thái Lan[42], [70], [73] việc nghiên cứu khu hệ vi tảo, phát số loài tảo đất có khả cải tạo đất trồng đà đợc ý Ngoài ra, nhà khoa học quan tâm tíi ®éc tè vi khn lam tiÕt Tõ năm 1940, việc phân lập vi khuẩn lam độc đà đợc Theodose Alson (Đại học tổng hợp Minnesoto - Mỹ) tiến hành Ông tiến hành phân lập đ ợc số chủng vi khuẩn lam thuộc chi Microcystis Anabaena [87] 1.1.2 Mét sè dÉn liƯu vỊ nghiªn cøu Vi khn lam ë ViƯt Nam NÕu nh nhiỊu học giả giới từ lâu đà nghiên cứu VKL Việt Nam công trình nghiên cứu VKL nói hầu nh cha có công trình chuyên khảo Công trình nghiên cứu VKL P Frémy (1927), ông đà công bố loài VKL tìm thấy Việt Nam sở định lo¹i mÉu D.Gaumont thu thËp [44], [90] Ngêi ViƯt Nam công bố kết tảo lam Cao Ngọc Phơng (1946) Bà đà công bố 23 taxon tảo lam quan sát mặt đất Sài Gòn, Đà Lạt, thuộc 11 chi, chi có tế bào dị hình, loài khoa häc Phormidium vietnamense vµ mét thø (varietass) míi Gloeocapsa punctata var phanhiangii TiÕp theo lµ Hortobagyi T (1969) [72] đà công bố 128 taxon bậc loài dới loài, ®ã 24 taxon VKL thc 14 chi víi chi có tế bào dị hình ông tiến hành phân tích mẫu nớc hồ Hoàn Kiếm Hà Nội [55], [87], [90] Miền Bắc từ năm 1960 đà có công trình nghiên cứu vi tảo, công trình dừng lại báo cáo nội Đến năm 1966, Dơng Đức Tiến đà nghiên cứu thực vật vùng ngoại ô Hà Nội công trình nghiên cứu tảo lam ông (1972, 1973, 1975, 1976) [43], [44] Năm 1977 báo Tảo lam cố định đạm đất trồng lúa Miền Bắc Việt Nam đà công bố 13 loài tảo lam cố định nitơ thuộc chi (4 chi có tế bào dị hình chi tế bào dị hình) với đặc điểm phân loại khả cố định đạm chúng [48] Sau vào năm 1984 Trần Văn Nhị, Dơng Đức Tiến đà nâng tổng số loài tảo lam cố định đạm Việt Nam lên 40 taxon thuộc 17 chi (với 16 chi có tế bào dị hình chi tế bào dị hình) [36] Cuốn sách chuyên khảo VKL Việt Nam đợc xuất Vi khuẩn lam cố định nitơ ruộng lúa Dơng Đức Tiến Trong đà mô tả 50 loài vi khuẩn lam đề phơng pháp nghiên cứu [47], ông ngời có nhiều đóng góp lĩnh vực nghiên cứu tảo học Việt Nam Năm 1996, tác giả lại cho đời Phân loại vi khuẩn lam Việt Nam sách chuyên khảo, có 214 loài vi khuẩn lam đợc mô tả chi tiết [48] Phùng Thị Nguyệt Hồng (1992) đà công bố tiếng Pháp toàn công trình nghiên cứu nhiều năm tảo lam châu thổ sông Mêkông với 94 taxon, ®ã cã mét sè loµi míi ®èi víi khoa häc: Tolypothrix hatienensis, Hapalosiphon parmlus var minor vµ Hapalosiphon welwitachii var vietnamensis, với số chi có tế bào dị hình thờng gặp nh: Anabaena, Cylindrospermum, Nostoc Scytonema [19] Trên vùng đất mặn huyện Thái Thụy (Thái Bình), Đoàn Đức Lân (1996) đà phân lập đợc 15 loài vi khuẩn lam cố định đạm, sau nghiên cứu thăm dò khả cố định nitơ chúng So với kết khảo sát ruộng lúa vùng nớc VKLCĐN vùng nớc mặn phần đa dạng [29], [43] khu vực miền Trung, Đỗ Thị Trờng (1999), nghiên cứu vi khuẩn lam ®Êt trång lóa cđa 14 x· thc hun Hoµ Vang TP Đà Nẵng, đà phát đợc 45 loài dới loài, chi Osillatoria Nostoc chiếm u thế, có loài có khả cố định nitơ thuộc chi Anabaena Nostoc [23], [53] Nguyễn Lê Vĩnh, Võ Hành (2001) đà phát đợc 69 loµi vµ díi loµi thc 15 chi, hä nghiên cứu VKL đất Thạch Hà - Hà Tĩnh [58] Nguyễn Công Kình (2001), nghiên cứu mẫu đất từ cánh đồng lúa thành phố Vinh vùng lân cận đà phát đợc 10 loài dới loài vi khuẩn lam [25] Nguyễn Đình San (2001) đà phát đợc 29 loài vi khuẩn lam thuỷ vực nớc bị ô nhiễm tỉnh Thanh Hoá, Nghệ An, Hà Tĩnh [ 38] Kết nhiều năm điều tra quan sát, theo dõi, phân tích môi trờng sinh thái phơng pháp nuôi trồng, Dơng Đức Tiến (năm 2000) đà thống kê đợc 314 loài tảo đất có 117 loài VKL Ông cho thấy loại hình đất trồng lúa, đất trồng màu, đất đồi đất hoang hoá số lợng loài đất trồng lúa nhiều [14], [36], [49] Gần công trình nghiên cứu Lê Thị Thuý Hà (2004) đà phát đợc 56 loài VKL sông Cả [10] Hồ Sỹ Hạnh, Võ Hành, Dơng Đức Tiến (2005 2006) đà công bố taxon bậc loài dới loài VKL loại hình đất trồng tỉnh Đắc Lắc, đất trồng lúa gặp 62 loài dới loài, đất trồng gặp 46 loài dới loài, đất trồng cà phê gặp 23 loài dới loài Có thể nói công trình Việt Nam nghiên cứu VKL loại hình đất Tây Nguyên nói chung Đắc Lắc nói riêng [16] 1.1.3 Đặc điểm Vi khuẩn lam Vi khuẩn lam thể nguyên thuỷ, tế bào chúng cha có nhân điển hình giống nh vi khuẩn, nhng khác chỗ có chứa sắc tố quang hợp nên đời sống tự dỡng đợc, trớc ngời ta gọi tảo lam Thành phần chất màu VKL đa dạng, có nhóm: diệp lục, carôtennoid, xantôphin biliprôtêin nhóm diệp lục có diệp lục a, nhóm biliprôtêin có phicoxian C allophicoxianin Sự diện nhóm chất màu biliprôtêin có vắng mặt diệp lục b đặc trng VKL Đặc ®iĨm nµy chøng tá VKL lµ mét nhãm cỉ xa, đợc tách biệt theo hớng phát triển độc lËp S¶n phÈm quang ... hởng chúng ngô Đó lý tác giả tiến hành nghi? ?n cứu đề tài: Phân lập số chủng Vi khuẩn lam cố định nitơ đất trồng ngô huyện Nghi Lộc nghi? ?n cứu ảnh hởng chúng lên giống ngô lai đơn 919 Mục tiêu... Kết nghi? ?n cứu thảo luận 3.1 Một số đặc điểm đất trồng ngô huyện Nghi Lộc 3.2 Thành phần loài Vi khuẩn lam đất trồng ngô huyện Nghi Lộc 3.3 Phân lập tìm hiểu đặc điểm số chủng Vi khuẩn lam cố định. .. kiếm chủng Vi khuẩn lam đất trồng ngô địa phơng, phân lập khiết chủng Vi khuẩn lam cố định nitơ để tác động lên giống ngô lai 919 nh biện pháp sinh học làm tăng suất ngô trồng huyện Nghi Lộc-