Bài 6: Cơ sở của kiểm soát sinh học

I. KHÁI QUÁT VỀ CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA KIỂM SOÁT SINH HỌC

Mục tiêu tác động của kiểm soát sinh học là (1) ức chế, tiêu diệt các sinh vật gây hại và (2) tăng khả năng kháng bệnh của các sinh vật cần được bảo vệ. 

II. CƠ SỞ SINH LÍ

Các cá thể cùng loài có những tín hiệu đặc biệt để báo hiệu cho nhau. Chất dẫn dụ (pheromone) là một tín hoá học được tiết ra bởi cá thể sinh vật có tác dụng thu hút các cá thể sinh vật cùng loài. Trong thực tiễn sản xuất người ta có thể sử dụng pheromone làm chất dẫn dụ thu hút và tiêu diệt các loại côn trùng cây hại.

III. CƠ SỞ DI TRUYỀN HỌC

Công nghệ sinh học đã được áp dụng để tạo cây trồng chuyển gene kháng lại côn trùng. Một trong những gene kháng côn trùng chủ yếu được chuyển vào cây trồng là gene cry. Cây trồng mang gene cry có khả năng sinh tổng hợp protein gây độc và làm chết côn trùng. Cây trồng chuyển gene có thể kháng lại nhiều loại côn trùng gây bệnh, ví dụ như bộ cánh vảy, cánh cứng, cánh màng, cánh nửa, hai cánh, cánh thẳng, chấy rận, giun tròn, ve bét và nguyên sinh động vật. Ví dụ một số thực vật chuyển gene kháng côn trùng đang được trồng phổ biến như ngô, đậu tương, bông, cải dầu,...

IV. CƠ SỞ SINH THÁI HỌC

1. Quan hệ đối kháng

Quan hệ đối kháng được áp dụng để ức chế hoặc tiêu diệt các loài sinh vật gây hại. Việc loại bỏ hoặc ức chế các loài sinh vật gây hại được thực hiện thông qua các phương thức: kí sinh, ăn thịt; cạnh tranh chất dinh dưỡng và nơi sống; sinh tổng hợp enzyme phân giải; sinh tổng hợp kháng sinh và chất ức chế.

Kí sinh, ăn thịt

Các loài sinh vật, đặc biệt là vi sinh vật, có thể kí sinh gây bệnh và làm chết nhiều loài sinh vật gây hại. Ví dụ: Những virus thuộc họ Baculovirus kí sinh gây bệnh cho khoảng 600 loài côn trùng khác nhau. Vi khuẩn Bacillus thuringiensis có khả năng kí sinh và sinh tổng hợp tinh thể protein tiêu diệt nhiều loại côn trùng. Nhiều loại nấm thuộc các chỉ như Beauveria, Lecanicillium, Metarhizium có khả năng kí sinh trên nhiều loài côn trùng.

Bên cạnh đó, nhiều loài thiên địch sử dụng các loài sinh vật gây hại làm nguồn thức ăn. Ví dụ như bọ rùa ăn rệp, ếch nhái ăn côn trùng, rắn ăn chuột, chim ăn sâu. Dựa vào mối quan hệ này, con người nhân nuôi hoặc tạo điều kiện môi trường thuận lợi để các loài thiên địch phát triển, tiêu diệt và kiểm soát các loài sinh vật gây hại.

Cạnh tranh chất dinh dưỡng và nơi sống

Cạnh tranh chất dinh dưỡng và nơi sống là phương thức được áp dụng nhiều trong kiểm soát sinh học. Các tác nhân kiểm soát sinh học phát triển làm giảm nguồn dinh dưỡng và không gian sống của các sinh vật gây bệnh. Kết quả là làm giảm số lượng cá thể của quần thể sinh vật gây bệnh.

Một số nấm gây bệnh hoại tử trên thực vật, ví dụ như Botrytis cinerea và Sclerotinia sclerotiorum, đã được kiểm soát theo phương thức này. Bào tử của B. cinerea và S. sclerotiorum cần một số nguồn dinh dưỡng từ một số bộ phận của cây cho sự nảy mầm và hình thành sợi nấm. Nhiều thử nghiệm cho thấy, các loài nấm hoại sinh có khả năng cạnh tranh và làm giảm hoạt động của hai loài nấm gây bệnh nêu trên. 

Một số vi khuẩn và nấm có khả năng hình thành polysaccharide ngoại bào, nhờ đó chúng có thể cố định trên bề mặt giá thể và hình thành mảng bám sinh học. Việc hình thành mảng bám của tác nhân kiểm soát sinh học trên bề mặt một số cơ quan, bộ phận của thực vật đã giúp cho thực vật chống lại sự tấn công của sinh vật gây bệnh. 

Sinh tổng hợp enzyme phân giải

Nhiều vi sinh vật sinh tổng hợp các enzyme có khả năng phân giải nhiều loại polymer tham gia vào cấu trúc tế bào như chitin, protein, cellulose, hemicellulose và DNA của sinh vật gây bệnh. Sự biểu hiện của các enzyme này có thể ức chế nhiều loài sinh vật gây hại. 

Sinh tổng hợp kháng sinh và chất ức chế

Kháng sinh là chất trao đổi thứ cấp được tổng hợp bởi nhiều vi sinh vật. Ngay cả khi được sử dụng ở nồng độ thấp, kháng sinh cũng có khả năng tiêu diệt hoặc ức chế đặc hiệu sự sinh trưởng của một số loài sinh vật. Vi sinh vật sinh tổng hợp kháng sinh có thể được lựa chọn, thử nghiệm và ứng dụng trong sản xuất các chế phẩm kiểm soát các loài sinh vật gây hại.

Bên cạnh khả năng sinh tổng hợp kháng sinh, vi sinh vật còn có khả năng sinh tổng hợp một số chất có khả năng ức chế sinh vật gây bệnh như 2,4-diacetylphloroglucinol, hydrogen cyanide (HCN). 

2. Quan hệ hỗ trợ

Quan hệ hỗ trợ đã được áp dụng trong nông nghiệp nhằm tăng cường khả năng kháng bệnh của cây trồng. Tác nhân kiểm soát sinh học có sẵn các phân tử tín hiệu như flagellin, lipopolysaccharide, chitin hoặc sinh tổng hợp các phân tử tín hiệu như siderophore và exopolysaccharide trong quá trình phát triển. Các phân tử tín hiệu kích hoạt tế bào thực vật kháng lại tác nhân gây bệnh theo hai phương thức khác nhau: tăng cường sức chống chịu và kháng bệnh hoặc kích thích sinh trưởng và kháng bệnh.

Tăng cường sức chống chịu và kháng bệnh

Tác nhân kiểm soát sinh học kích hoạt thực vật tổng hợp abscisic acid (ABA). ABA kích hoạt các yếu tố phiên mã, qua đó kích hoạt gene sớm và gene muộn hình thành các chất trao đổi thứ cấp như chất chống oxi hoá, kháng sinh, acid hữu cơ dễ bay hơi, chất kiểm soát áp suất thẩm thấu. Các chất này có chức năng tăng cường sức chống chịu và khả năng kháng bệnh của thực vật.

Bên cạnh đó, các tác nhân kiểm soát sinh học cũng kích hoạt hình thành salicylic acid (SA), jasmonic acid (JA) và ethylene (ET). Các chất này có vai trò quan trọng giúp tăng cường sức chống chịu và bảo vệ thực vật trước các tác nhân gây bệnh. 

Kích thích sinh trưởng và kháng bệnh

Các phân tử tín hiệu kích hoạt sự hình thành một số hormone sinh trưởng như 3-indole acetic acid (IAA), gibberellic acid (GA), brassisteroid (BR) và cytokinin (CYT). Các hormone sinh trưởng này điều tiết sự sinh trưởng, phát triển của thực vật, đồng thời tăng cường khả năng chống chịu của thực vật.

Một số tác nhân sinh học, ví dụ như vi khuẩn phân giải phosphate khó tan, vi khuẩn cố định đạm, đóng vai trò cung cấp nguồn dinh dưỡng cho cây trồng như phosphate hòa tan và ammonium. Ngoài ra, một số vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp hormone như IAA kích thích thực vật sinh trưởng, phát triển. Những tác nhân kiểm soát sinh học thường được sử dụng là phân bón sinh học. Khi được sử dụng, chúng cũng kích thích thực vật sinh trưởng, phát triển và tăng cường khả năng phòng chống bệnh.

Dựa trên cơ sở khoa học này, các loài nấm mốc thuộc chi Trichoderma được sử dụng khá phổ biến trong kiểm soát bệnh ở thực vật. Các loài Trichoderma tác động lên thực vật theo cả hai cơ chế: tăng cường sức chống chịu và kháng bệnh, kích thích sinh trưởng và kháng bệnh ở thực vật.