ไรโซเบียม

เขียนโดย biology เมื่อ . หัวข้อ บทความ, บทความปี 2557, มัธยมศึกษาปีที่6, เทคโนโลยีการเกษตร (Agriculture technology)

ไรโซเบียม

ดร.สุนัดดา  โยมญาติ นักวิชาการสาขาชีววิทยา

ไรโซเบียมเป็นกลุ่มของแบคทีเรียแกรมลบ เป็นโพรทีโอแบคทีเรีย (proteobacteria) มีรูปร่างเป็นท่อน ไม่สร้างสปอร์ อาจพบการสะสมของแกรนูลสารประกอบคาร์บอน poly-hydroxybutyrate (PHB) ภายในเซลล์ ดังภาพที่ 1  ซึ่ง PHB เป็นพอลิเมอร์ที่สามารถนำไปใช้ในการผลิตพลาสติกชีวภาพได้  ไรโซเบียมอาศัยอยู่ภายในรากพืชบางชนิดและมีความสัมพันธ์แบบภาวะพึ่งพากัน (mutualism) โดยไรโซเบียมสามารถตรึงแก๊สไนโตรเจนในอากาศมาสร้างแอมโมเนียมและสารอินทรีย์อื่นที่พืชสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ และได้รับสารอินทรีย์ต่างๆ จากพืช เมื่อ       ไรโซเบียมเข้าไปอยู่ในรากพืชแล้ว จะทำให้เซลล์ของรากพืชเพิ่มจำนวนขึ้นจนทำให้มีลักษณะเป็นปม นอกจากนี้สามารถพบไรโซเบียมอาศัยอยู่เป็นอิสระในดินได้

1

ภาพที่ 1 ภาพถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) ของ Rhizobium trifolii

(อ้างอิงจาก http://commtechlab.msu.edu/sites/dlc-me/zoo/zdrr0101.jpg)

ไรโซเบียมสปีชีส์แรกที่มีการค้นพบคือ Rhizobium leguminosarum จึงเรียกแบคทีเรียนี้ว่าไรโซเบียม จากนั้นก็พบไรโซเบียมสปีชีส์อื่นเพิ่มขึ้น แต่ยังจัดจำแนกให้ไรโซเบียมทั้งหมดอยู่ในจีนัส Rhizobium อย่างไรก็ตามเมื่อได้ศึกษาไรโซเบียมและพืชอาศัยอื่นๆ เพิ่มเติมมากขึ้น รวมทั้งการนำไรโซเบียมที่แยกมาจากพืชอาศัยชนิดหนึ่งไปใส่ในพืชอาศัยชนิดอื่นๆ ก็พบว่าไรโซเบียมแต่ละสปีชีส์มีความจำเพาะต่อพืชอาศัยที่แตกต่างกัน จึงมีการจัดจำแนกไรโซเบียมได้เป็นหลายจีนัสมากขึ้นนอกจากจีนัส Rhizobium ที่มีอยู่เดิมเพียงจีนัสเดียว เมื่อพิจารณาจากพืชอาศัยและระยะเวลาที่ไรโซเบียมใช้ในการเจริญจนเห็นเป็นโคโลนี สามารถแบ่งได้เป็น 3 กลุ่มใหญ่ คือ – Rhizobium เป็นกลุ่มที่เจริญเร็ว เกิดปมกับรากของถั่วอัลฟัลฟา ดังภาพที่ 2ก ถั่วลันเตา และพืชวงศ์ถั่วอื่นๆ Bradyrhizobium เป็นกลุ่มที่เจริญช้า เกิดปมกับรากของถั่วเหลือง ดังภาพที่ 2ข ถั่วพร้า และถั่วในเขตร้อนอื่นๆ ร้อยละ 99 ของไรโซเบียมที่พบในประเทศไทยจะเป็นกลุ่มนี้ Azorhizobium เป็นกลุ่มที่เกิดปมกับลำต้นพืชตระกูลถั่ว เช่น โสนแอฟริกัน (Sesbania rostrata) ดังภาพที่ 2ค และตรึงไนโตรเจนเมื่ออยู่เป็นอิสระได้

2

ภาพที่ 2 ปมที่รากและลำต้นพืช

ก. ปมที่รากถั่วอัลฟัลฟาที่เกิดจาก Rhizobium

      ข. ปมที่รากถั่วเหลืองที่เกิดจาก Bradyrhizobium

           ค. ปมที่ลำต้นโสนแอฟริกันที่เกิดจาก Azorhizobium

อย่างไรก็ตามเมื่อพิจารณาความสัมพันธ์ทางสายวิวัฒนาการของแบคทีเรียกลุ่มไรโซเบียมนี้โดยใช้ลำดับนิวคลีโอไทด์ พบว่าสามารถแบ่งได้เป็น 6 จีนัส คือ Allorhizobium Azorhizobium Bradyrhizobium Mesorhizobium Rhizobium และ Sinorhizobium (อ้างจาก Principles and Applications of Soil Microbiology พ.ศ. 2548)  และในปัจจุบันแบ่งได้เป็น 13 จีนัส (อ้างจาก ICSP – Subcommittee on the taxonomy of Rhizobium and Agrobacterium พ.ศ. 2557) คือ Azorhizobium Bradyrhizobium Burkholderia Cupriavidus Devosia Ensifer (ชื่อเดิม Sinorhizobium) Mesorhizobium Methylobacterium Microvirga Ochrobactrum Phyllobacterium Rhizobium และ Shinella ดังนั้นเมื่อกล่าวถึงไรโซเบียมจึงไม่ได้หมายถึงแบคทีเรียจีนัส Rhizobium เพียงจีนัสเดียวเท่านั้น แต่รวมถึงแบคทีเรียจีนัสอื่นๆ ที่ตรึงไนโตรเจนได้และมีความสัมพันธ์ทางวิวัฒนาการใกล้เคียงกันด้วย ไรโซเบียมเข้าสู่รากถั่วได้อย่างไร พืชวงศ์ถั่วปล่อยสารกลุ่มฟลาโวนอยด์หรือกลุ่มไอโซฟลาโวนอยด์ ไปกระตุ้นการแสดงออกของ nod gene ในไรโซเบียม ทำให้ไรโซเบียมเปลี่ยนกรดอะมิโนชนิดทริปโตเฟนที่รากพืชปล่อยออกมาให้เป็นกรดอินโดลแอซิติก (indoleacetic acid ; IAA) ซึ่งเป็นฮอร์โมนพืชในกลุ่มออกซิน และ IAA จะช่วยกระตุ้นการยืดขยายของราก ทำให้ขนรากม้วนรอบไรโซเบียมจากนั้นไรโซเบียมจะเข้าไปอยู่ในรากพืช เพิ่มจำนวนและเข้าสู่ชั้นคอร์เทกซ์ เซลล์รากจะเพิ่มจำนวนขึ้นจนเกิดเป็นปมราก ดังภาพที่ 3 เมื่อไรโซเบียมอยู่ภายในปมรากแล้วจะมีรูปร่างไม่แน่นอน เช่น รูปแท่ง รูปแฉก รูปตัวที เรียกเซลล์เหล่านี้ว่า แบคทีรอยด์ (bacteroid) ถั่วบางชนิดที่ไม่มีขนราก เช่น ถั่วลิสง ไรโซเบียมจะเข้าทางรอยแตกที่รากแขนงแทงออกมา  3

ภาพที่ 3 การเข้าสู่รากพืชของไรโซเบียม

(อ้างอิงจาก http://www.evolution-textbook.org/content/free/figures/06_EVOW_Art/26_EVOW_CH06.jpg)

ปมรากถั่วมีลักษณะอย่างไร ปมรากถั่วมีผิวเรียบ ไม่ขรุขระ จับเป็นกลุ่มอยู่บริเวณรากแก้ว ดังภาพที่ 4 ก ลักษณะของปมจะแตกต่างกันออกไปขึ้นกับชนิดของถั่วและไรโซเบียมที่อาศัยอยู่ ภายในปมมีสีแดงหรือสีชมพูของเลกฮีโมโกลบิน (leghaemoglobin)  ดังภาพที่ 4ข ซึ่งเป็นโปรตีนที่ทำหน้าที่ดักจับแก๊สออกซิเจนเพื่อรักษาระดับออกซิเจนไม่ให้มากหรือน้อยเกินไป ถ้ามีแก๊สออกซเจนมากเกินไปจะลดการทำงานของเอนไซม์ไนโตรจีเนส  แต่ถ้ามีแก๊สออกซิเจนน้อยเกินไป ไรโซเบียมจะไม่สามารถดำรงชีวิตอยู่ได้ ดังนั้นภายในปมรากจึงต้องมีระดับแก๊สออกซิเจนที่เหมาะสมที่เอนไซม์        ไนโตรจีเนสทำงานได้ดีและไรโซเบียมใช้หายใจได้ ภายในปมรากมีไรโซเบียมจำนวนมากมีลักษณะเป็นแบคทีรอยด์ ดังภาพที่ 4 ค  4

ภาพที่ 4 ปมรากถั่ว

ก. ปมรากถั่วเหลืองที่เกิดจาก Bradyrhizobium japonicum

                                                          ข. เลกฮีโมโกลบินสีแดงภายในปมรากถั่วเหลือง

                                                          ค. แบคทีรอยด์ภายในปมรากถั่วเหลือง

(อ้างอิงจาก http://www.micro.biol.ethz.ch/research/vorholt/fischer)

  ไรโซเบียมมีประโยชน์อย่างไร           มีการนำไรโซเบียมมาใช้เป็นหัวเชื้อเพื่อกระตุ้นการเจริญและเพิ่มผลผลิตของพืชวงศ์ถั่วมาเป็นระยะเวลานานแล้ว และมีการพัฒนาหัวเชื้อเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการกระตุ้นการเจริญและให้สะดวกต่อการนำไปใช้ การผลิตหัวเชื้อไรโซเบียม ทำได้โดยเก็บปมรากถั่วจากแหล่งต่างๆ ฆ่าเชื้อที่ผิวราก ผ่าปมรากแล้วนำส่วนที่อยู่ภายในรากไปขีดบนอาหารเลี้ยงเชื้อ (steak plate) เพื่อแยกไรโซเบียมให้เป็นโคโลนีเดี่ยวๆ ดังภาพที่ 5 แล้วนำไปเลี้ยงให้เป็นเชื้อบริสุทธิ์บนอาหารเลี้ยงเชื้อแข็ง จากนั้นนำแต่ละสายพันธุ์ที่แยกได้ไปเลี้ยงในอาหารเลี้ยงเชื้อเหลวเพื่อเพิ่มจำนวน และทดลองใส่เป็นหัวเชื้อให้กับถั่วเพื่อคัดเลือกสายพันธุ์ที่กระตุ้นการเจริญของถั่วได้ดี

5

ภาพที่ 5 ไรโซเบียมสายพันธุ์ต่างๆ ที่แยกจากปมรากของถั่วพุ่ม (cowpea ; Vigna unguiculata)

(อ้างอิงจาก http://www.northsouth.ethz.ch/programmes/sawiris/sawiris_7)

เมื่อได้สายพันธุ์ต่างๆ ที่มีสมบัติตามต้องการแล้ว เช่น กระตุ้นการเจริญของถั่วเขียวหรือถั่วเหลือง ได้ดี จากนั้นนำไปเลี้ยงเพื่อเพิ่มจำนวนในอาหารเลี้ยงเชื้อเหลว กรองเซลล์แยกออกมาเพื่อนำไปผลิตเป็นหัวเชื้อ โดยผลิตในรูปหัวเชื้อผงสำเร็จรูปบรรจุถุง ดังภาพที่ 6ก โดยผสมไรโซเบียมกับดินพีทหรือปุ๋ยหมักที่มีลักษณะเป็นผงสามารถเกาะติดอยู่บนเมล็ดถั่วได้ง่าย เพื่อให้นำไปใช้ด้สะดวก ดังภาพที่ 6ข 6

ภาพที่ 6 หัวเชื้อผงสำเร็จรูป

ก. หัวเชื้อผงสำเร็จรูปบรรจุถุง

                                                                                              ข. หัวเชื้อผงที่จะนำไปใช้

การนำหัวเชื้อไปใช้ในการปลูกถั่ว เมื่อจะปลูกให้นำเมล็ดถั่วไปคลุกในสารที่มีความเหนียวที่ไม่เป็นพิษต่อไรโซเบียมและหาได้ไม่ยาก เช่น น้ำมันพืช โมลาส หรือสารละลายน้ำตาล จากนั้นนำไปคลุกกับผงหัวเชื้อไรโซเบียมชนิดที่จำเพาะกับชนิดของถั่วนั้นๆ ให้ผงหัวเชื้อเกาะติดทั่วทั้งเมล็ดถั่ว ดังภาพที่ 7 แล้วจึงนำเมล็ดถั่วไปปลูกในแปลง วิธีนี้นอกจากจะสะดวกในการนำเมล็ดไปปลูกแล้ว เมื่อรากงอกออกจากเมล็ดถั่ว              ไรโซเบียมที่อยู่รอบๆ เมล็ด จะสามารถเข้าสู่รากได้เร็วอีกด้วย 7

ภาพที่ 7 การผสมหัวเชื้อไรโซเบียมกับเมล็ดถั่ว

นอกจากการใช้ไรโซเบียมสามารถกระตุ้นการเจริญเติบโตและเพิ่มผลผลิตของถั่วชนิดต่างๆ โดยไม่เป็นอันตรายของผู้ใช้และสิ่งแวดล้อม ยังเป็นการลดต้นทุนการผลิตอีกด้วย เนื่องจากสามารถลดปริมาณการใช้ปุ๋ยเคมี สามารถหาซื้อไรโซเบียมได้จากกลุ่มงานวิจัยจุลินทรีย์ดิน สำนักพัฒนาปัจจัยการผลิตทางการเกษตร กรมวิชาการเกษตร   เอกสารอ้างอิง นงลักษณ์ สุวรณพินิจ และปรีชา สุวรรณพินิจ. จุลชีววิทยาทั่วไป. พิมพ์ครั้งที่ 4. กรุงเทพฯ : สำนักพิมพ์แห่งจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย. 2547.   ส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี, สถาบัน. กระทรวงศึกษาธิการ. หนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติม ชีววิทยา เล่ม 5. พิมพ์ครั้งที่ 1. กรุงเทพฯ : โรงพิมพ์ สกสค. 2554. Barton, N. H. and et.al. Evolution. 1st. Cold spring harbor laboratory press, New York . 2007. Mak, C. and et.al. Infectivity and competitive ability of fast and slow growing Rhizobium strains on soybeans. Pertanika. 13(2) : 151-157. 1990. Sylvia, D.M. and et.al. Principles and Applications of Soil Microbiology. 2nd. Prentice Hall. 2004. Willems, Anne. The taxonomy of rhizobia : an overview. Plant and Soil. 278:3-14. 2006. Bradyrhizobium. (online). Avaiable:  https://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Bradyrhizobium. (Retrieved 10/02/2014) Bradyrhizobium japonicum – Legume Symbiosis. (online). Avaiable:  http://www.micro.biol.ethz.ch/research/vorholt/fischer. (Retrieved 10/02/2014) The current taxonomy of rhizobia. (online). Avaiable:  http://www.rhizobia.co.nz/taxonomy/rhizobia. (Retrieved 10/02/2014) Capture

27,534 total views, 0 views today