Tài liệu 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 sô: 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 9 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 7 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........................................... 14 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 ........................................................... 45 Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .............................. 46 3.1. Đa dạng vi khuẩn Lam trong một số loại đất trồng ở tỉnh Nghệ An .... 46 3.1.1. Đa dạng thành phần loài vi khuẩn Lam được phát hiện trong đất trồng ở tỉnh Nghệ An ............................................................. 46 3.1.2. Sự đa dạng taxon vi khuẩn Lam các bậc bộ, họ và chi ................. 54 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 .... 58 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 ........................................... 63 3.2. Kết quả phân lập các chủng vi khuẩn Lam từ đất trồng ở Nghệ An ..... 67 3.2.1. Danh lục các chủng vi khuẩn Lam được phân lập ........................ 67 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.......................... 68 3.2.3. Kết quả phân lập và mô tả một số loài chưa xác định được tên .... 82 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....... 88 3.3. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của chủng Nostoc calcicola HN91a đối với cây trồng ....................................................................................... 93 3.3.1. Kết quả thử nghiệm ảnh hưởng của vi khuẩn Lam Nostoc calcicola HN9-1a đối với giống lúa Tám thơm............................ 94 3.3.2. Ảnh hưởng của vi khuẩn Lam Nostoc calcicola HN9-1a lên hệ thống chống oxy hóa ở lá cây đậu tương ................................. 97 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................. 107 1. Kết luận............................................................................................... 107 2. Kiến nghị............................................................................................. 108 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ................................................................. 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................ 110 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 ................................................................................. 62 Hình 3.2. Ảnh hiển vi của chủng Chroococcus helveticus DT2-01 ........... 71 Hình 3.3. Ảnh hiển vi của chủng Jaaginema minimum DP3-01................ 73 Hình 3.4. Ảnh hiển vi của chủng Pseudanabaena dictyothalla QV3-11..... 74 Hình 3.5. Ảnh hiển vi của chủng Leptolyngbya carnea DP3-03 ............... 75 Hình 3.6. Ảnh hiển vi của chủng Geitlerinema acutissimum TT3-08........ 77 Hình 3.7. Hình ảnh hiển vi của loài Westiellopsis prolifica phát triển trong trong đất trồng ................................................................. 79 Hình 3.8. Hình ảnh hiển vi của chủng Westiellopsis prolifica DP1-01 nuôi trong môi trường BG-11 ................................................... 80 Hình 3.9. Hình ảnh hiển vi của chủng Nostoc gelatinosum TT3-05 trong đất (A) và trong môi trường BG11 (B - H) ...................... 81 Hình 3.10. Hình ảnh hiển vi của chủng Mastigocladus sp. QL3-01 phát triển trong trong môi trường BG-11 .................................. 84 Hình 3.11. Hình ảnh hiển vi của chủng Isocystis sp. DP3-11 phát triển trong trong môi trường tự nhiên................................................ 86 Hình 3.12. Hình ảnh hiển vi của chủng Isocystis sp. DP3-11 phát triển trong trong môi trường BG-11 .................................................. 87 Hình 3.13. Ảnh điện di sản phẩm PCR gen nifD của các chủng nghiên cứu .... 90 Hình 3.14. Sự tương đồng về trình tự gen nifD của chủng Nostoc calcicola HN91a với một số chủng từ ngân hàng gen .............................. 91 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............................. 91 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......... 91 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 ........... 92 Hình 3.18. Sự tương đồng về trình tự gen nifD của chủng Nostoc ellipsosporum NH2X7 với một số chủng từ ngân hàng gen ...... 92 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 (Được sắp xếp theo hệ thống phân loại của Komárek và cs 2014).................................................................. 46 Bảng 3.2. Đa dạng hình thái các loài VKL ................................................. 53 Bảng 3.3. Sự phân bố các taxon VKL trong các bộ .................................... 54 Bảng 3.4. Số lượng taxon trong các họ đã gặp............................................ 55 Bảng 3.5. So sánh về sự phân bố của các chi VKL trong đất trồng lúa nước và đất cạn trồng cây công nghiệp ở tỉnh Nghệ An.............. 56 Bảng 3.6. Kết quả phân tích một số chỉ tiêu nông hóa của đất trồng tỉnh Nghệ An ............................................................................. 60 Bảng 3.7. So sánh về sự phân bố của VKL trong đất trồng ở tỉnh Nghệ An và Việt Nam................................................................ 63 Bảng 3.8. Các chủng VKL đã được phân lập từ đất trồng Nghệ An............ 67 Bảng 3.9. Danh lục các chi và loài VKL bổ sung cho danh lục thành phần loài VKL ở Việt Nam......................................................... 69 Bảng 3.10. Kết quả phân lập một số chủng thuộc các chi, loài VKL chưa xác định được tên ....................................................................... 82 Bảng 3.11. Kết quả phân lập một số chủng VKL có TBDH và không có TBDH từ đất trồng tỉnh Nghệ An ............................................... 89 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 ..... 93 Bảng 3.13. Kích thước trung bình của lá đòng cây lúa giai đoạn trước trổ bông ...................................................................................... 94 Bảng 3.14. Hàm lượng diệp lục trung bình trong lá lúa ở giai đoạn đẻ nhánh rộ ................................................................................ 95 Bảng 3.15. Cường độ quang hợp trung bình của cây lúa ở giai đoạn đẻ nhánh rộ ................................................................................ 96 Bảng 3.16. Các yếu tố cấu thành năng suất giống Tám thơm........................ 97 Bảng 3.17. Ảnh hưởng của dịch chiết Nostoc calcicola HN91a đến hàm lượng superoxide (O2-) trong lá đậu tương Nam Đàn .......... 98 Bảng 3.18. Ảnh hưởng của dịch chiết Nostoc calcicola HN91a đến hàm lượng hydrogen peroxide trong lá cây đậu tương Nam Đàn...... 100 Bảng 3.19. Ảnh hưởng của dịch chiết Nostoc calcicola HN91a đến hoạt độ superoxide dismutase (SOD) trong lá đậu tương Nam Đàn....... 103 Bảng 3.20. Ảnh hưởng của dịch chiết Nostoc calcicola HN91a hoạt độ catalase (CAT) trong lá đậu tương Nam Đàn............................ 104 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 Ngoài phần Mở đầu 3 trang, Kết luận 2 trang, Tài liệu tham khảo 18 trang, 1 trang các công trình nghiên cứu và Phụ lục, nội dung Luận án bao gồm 3 chương: Chương 1. Tổng quan tài liệu: 29 trang Chương 2. Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu: 12 trang Chương 3. Kết quả và thảo luận: 60 trang 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) [25]. Hình 1.1. Sơ đồ ba lãnh giới của sinh giới (Woese và cs, 1990) [158] 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 [158]. 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) [158] 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 [68]. 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 [140]. 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 [38], [40], [61]. 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 [37], [98]. 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 [53]. 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 [140]. 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 [49], [142], [143], [147]. 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) [66], [100]. 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 [25]. 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 [25]. 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