ไรโซเบียม

Rhizobium
การจำแนกชั้นทางวิทยาศาสตร์
อาณาจักร:	แบคทีเรีย
ไฟลัม:	Proteobacteria
ชั้น:	Alpha Proteobacteria
อันดับ:	Rhizobiales
วงศ์:	Rhizobiaceae
สกุล:	Rhizobium Frank 1889
ชนิดต้นแบบ
Rhizobium leguminosarum
Species
R. cellulosilyticum R. ciceri R. daejeonense R. etli R. fredii R. galegae R. gallicum R. giardinii R. hainanense R. huakuii R. huautlense R. indigoferae R. japonicum R. larrymoorei R. leguminosarum R. loessense R. loti R. lupini R. lusitanum R. mediterraneum R. meliloti R. mongolense R. phaseoli R. radiobacter R. rhizogenes R. rubi R. sullae R. tainshanense R. trifolii R. tropici R. undicola R. vitis R. yanglingense

ไรโซเบียม (Rhizobium) เป็นจีนัสของแบคทีเรียที่อยู่ในปมรากของพืชตระกูลถั่ว มีรูปร่างไม่แน่นอน เปลี่ยนแปลงตลอดวงชีวิต แหล่งพลังงานของไรโซเบียมได้แก่ มอลโตส ซูโครส กลูโคสและแมนนิทอลแต่ไม่สามารถใช้เซลลูโลส แป้งและเพกตินเป็นแหล่งพลังงานได้ เมื่อมีคาร์บอนมากเกินไป ไรโซเบียมจะสะสมอาหารในรูป poly-3-hydroxybutyrate (PHB) เพื่อนำไปใช้ในช่วงมืด ภาวะอดอยากหรือสภาวะที่ปมรากเริ่มชรา ใช้ออกซิเจนเป็นตัวรับอิเล็กตรอน ถ้าอยู่ในปมรากจะได้ไนโตรเจนจากอากาศ ถ้าอยู่ในอาหารเลี้ยงเชื้อต้องเติมไนโตรเจนลงในอาหารด้วย แบ่งตามการเจริญในอาหารเลี้ยงเชื้อเป็น 2 กลุ่มคือ พวกเจริญเร็ว เกิดโคโลนีภายใน 3-5 วัน กับพวกเจริญช้า เกิดโคโลนีภายใน 5-10 วัน

การจัดจำแนก

ไรโซเบียมแบ่งได้เป็น 3 กลุ่มคือ

• Rhizobium เป็นกลุ่มที่เจริญเร็ว เกิดปมกับถั่วอัลฟัลฟา ถั่วลันเตา และพืชตระกูลถั่วอื่น
• Bradyrhizobium เป็นกลุ่มที่เจริญช้า เกิดปมกับถั่วเหลือง ถั่วพร้า และถั่วในเขตร้อนอื่น เป็นประชากรกลุ่มใหญ่ของไรโซเบียมในประเทศไทย ประมาณ 99%
• Azorhizobiumเป็นกลุ่มที่เกิดปมกับลำต้นพืชตระกูลถั่ว และตรึงไนโตรเจนเมื่ออยู่เป็นอิสระได้

 

ปมรากของถั่วเหลือง

การจัดจำแนกไรโซเบียมในปัจจุบันมี 5 วิธี ได้แก่

• การจัดจำแนกโดย Fred (1932) และ Breed (1975) จัดให้อยู่ในดิวิชัน Protophyta คลาส Schizomycetes อันดับ Eubacteriales วงศ์ Rhizobiaceae สกุล Rhizobium
• การจัดจำแนกตามพืชตระกูลถั่วที่ทำให้เกิดปม ใช้หลักความสามารถที่ทำให้พืชตระกูลถั่วเกิดปมได้เป็นเกณฑ์ วิธีนีเจแนกไรโซเบียมได้หลายชนิด และแบ่งถั่วเป็นกลุ่มได้ 20 กลุ่ม แต่มีความสัมพันธ์ชัดเจนเพียง 6 กลุ่ม นอกจากนั้นยังมีความไม่แน่นอนที่ไรโซเบียมบางสายพันธุ์ทำให้ถั่วต่างกลุ่มเกิดปมได้ อย่างไรก็ตาม ชื่อสปีชีส์ของไรโซเบียมในปัจจุบันกำหนดโดยวิธีนี้
• การจัดจำแนกตามความสามารถในการผลิตกรดหรือด่าง ซึ่งแบ่งได้เป็น 2 ชนิดคือ ชนิดที่ผลิตกรด กับชนิดที่ผลิตด่างในอาหาร นิยมใช้เป็นวิธีที่ทดสอบข้อมูลเบื้องต้นของไรโซเบียม
• การจัดจำแนกโดยใช้ข้อมูลจากดีเอ็นเอ
• การจัดจำแนกโดยนำลักษณะหรือสมบัติต่างๆ มาเปรียบเทียบแล้วหาร้อยละความคล้ายคลึง

วงชีวิต

วงชีวิตของไรโซเบียมมีขั้นตอนดังนี้

• เซลล์รูปกลม ไม่เคลื่อนที่ พบในสารละลายดินที่มีฤทธิ์เป็นกลาง
• เซลล์มีขนาดโตขึ้น รูปกลม พบในสภาพแวดล้อมที่มีฟอสเฟตหรือคาร์โบไฮเดรตบางชนิด
• เซลล์ขยายเป็นรูปวงรี มีแฟลกเจลลา เคลื่อนที่ได้เร็ว
• เซลล์ขยายตัวมากขึ้นจนเป็นท่อนยาวเล็ก เคลื่อนที่ช้าลง
• เซลล์เป็นท่อนยาว สร้างท่อเส้นด้ายและเข้าสู่พืช
• เซลล์ในปมรากอยู่ในรูปของแบคทีรอยด์ พร้อมที่จะแบ่งตัวมาเป็นเซลล์รูปกลมอีกครั้ง

การเข้าสู่พืชตระกูลถั่ว

การเกิดปมที่ราก

เริ่มจากพืชตระกูลถั่วส่งสัญญาณทางเคมี เป็นสารกลุ่มฟลาโวนอยด์ หรือไอโซฟลาโวนอยด์ สารนี้จะไปกระตุ้นการทำงานของ nod gene ในไรโซเบียม เมื่อยีนนี้ทำงานจะกระตุ้นให้ไรโซเบียมสร้างและปล่อยสารที่กระตุ้นให้รากพืชโค้งงอและเกิดการแบ่งตัวของเนื้อเยื่อเจริญจนเป็นปม พร้อมกันนั้น ผนังเซลล์ของพืชจะออ่อนตัวลงและยอมให้ไรโซเบียมเข้าสู่เซลล์ได้ ถั่วบางชนิดที่ไม่มีรากขนอ่อน เช่นถั่วลิสง ไรโซเบียมจะเข้าทางรอยแตกที่รากแขนงแทงออกมา

การเกิดปมที่ลำต้น

พืชที่เกิดปมกับไรโซเบียมที่ลำต้นมีน้อย ที่ได้รับความสนใจเป็นพิเศษคือโสนแอฟริกันเพราะมีตำแหน่งการเกิดปมบนลำต้นที่ทราบล่วงหน้าได้ และเกิดขึ้นอย่างอิสระ ไม่ขึ้นกับไรโซเบียม ไรโซเบียมจะเข้าสู่ลำต้นทางรอยแตกหรือรอยแยกบนปุ่มกลม

ลักษณะของปมรากถั่ว

ปมที่มีประสิทธิภาพในการตรึงไนโตรเจนต้องมีรูปร่างถูกต้องตามลักษณะของถั่ว ขนาดโตพอสมควร ผิวเรียบ ไม่ขรุขระ ควรจับเป็นกลุ่มบริเวณรากแก้ว มีสีแดงหรือสีชมพูของ legheamoglobin มีจำนวนปมมากพอสมควร

โครงสร้างของปมรากพืชตระกูลถั่วมี 4 ชั้น ดังนี้

• ชั้นนอกสุดเป็นเนื้อเยื่อพาเรงไคมา บางครั้งจะมีแทนนินด้วย
• ชั้นเนื้อเยื่อเจริญ อยู่ด้านนอกถัดจากชั้นแรกเข้ามา ในถั่วบางชนิดเห็นชัด แต่บางชนิดไม่เห็นเลย
• เนื้อเยื่อลำเลียง เกิดขึ้นหลังจากเกิดปมแล้ว โดยเจริญมาจากเนื้อเยื่อลำเลียงของรากพืช
• ส่วนที่มีแบคทีรอยด์อยู่ เป็นบริเวณที่แยกจากเนื้อเยื่อลำเลียงอย่างชัดเจน มีแบคทีรอยด์จำนวนมาก มักมีสีแดงของ legheamoglobin

ปัจจัยที่มีผลต่อการเจริญ

• อุณหภูมิ อุณหภูมิที่ทำให้เกิดปมได้ดีที่สุดคือ 20 -30 องศาเซลเซียส ถ้าสูงหรือต่ำกว่านี้การเกิดปมจะลดลง ซึ่งอุณหภูมินี้เกี่ยวข้องกับการทำงานของเอนไซม์ไนโตรจีเนสด้วย
• pH การตรึงไนโตรเจนที่เกิดในพืชตระกูลถั่วและไรโซเบียม เกิดที่ pH 5-8
• แสง
  • อิทธิพลของแสงจากการสังเคราะห์ด้วยแสง จะส่งผลต่อปริมาณคาร์โบไฮเดรตที่ส่งมายังราก ถ้าอัตราส่วนระหว่างคาร์บอนต่อไนโตรเจนไม่เหมาะสม การตรึงไนโตรเจนจะหยุด
  • อิทธิพลของแสงสีแดง แสงสีแดงมีอิทธิพลต่อการแบ่งเซลล์ในรากพืชให้เกิดเป็นปมขึ้น
• น้ำ ถ้าน้ำในดินต่ำมากจนน้ำหนักปมลดลงต่ำกว่า 80% ของน้ำหนักที่อุ้มน้ำเต็มที่ การตรึงไนโตรเจนจะหยุด ปมรากจะหลุดออก ถ้าน้ำท่วม การตรึงไนโตรเจนในรากจะต่ำมาก ถ้าน้ำขังนานเกินไป ปมจะเน่าไป
• อิทธิพลของธาตุต่างๆ
  • ไนโตรเจน ไนโตรเจนต่ำจะกระตุ้นให้เกิดปมได้ดี ถ้าสูงเกินไปจะขัดขวางการเข้าสู่ปมของไรโซเบียม
  • ฟอสฟอรัสและโพแทสเซียม ส่งผลต่อการเจริญของต้นถั่วมากกว่า
  • แคลเซียม ช่วยให้ไรโซเบียมเพิ่มจำนวนก่อนเข้าสู่ปมราก การเข้าสู่รากพืชต้องการแคลเซียมสูง
  • แมกนีเซียม มีความจำเป็นต่อการทำงานของ ATP และส่งผลต่อการเจริญของต้นถั่ว
  • กำมะถัน เป็นองค์ประกอบของเอนไซม์ไนโตรจีเนส ถ้าไม่พอ การตรึงไนโตรเจนถูกจำกัด
  • แมงกานีส สังกะสี ทองแดง อะลูมิเนียม ถ้ามีมากเกินไปจะทำให้เกิดปมได้น้อยลง
  • โมลิบดินัม เป็นองค์ประกอบของเอนไซม์ไนโตรจีเนส ถ้าไม่พอ การตรึงไนโตรเจนถูกจำกัด
  • โคบอลต์ เป็นองค์ประกอบของวิตามินบีสิบสอง เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ legheamoglobin
  • โบรอน จำเป็นต่อการตรึงไนโตรเจนแต่ยังไม่ทราบกลไก
  • แคดเมียม ถ้ามีมากเกินไปเป็นพิษต่อเอนไซม์ไนโตรจีเนส
  • เหล็ก เป็นองค์ประกอบของไนโตรจีเนสและโปรตีนอื่นๆ เช่น legheamoglobin ไรโซเบียมจะสร้าง siderophore เพื่อช่วยในการนำเหล็กมาใช้ภายในเซลล์ การขาดเหล็กทำให้การพัฒนาของปมถูกจำกัด นอกจากนั้น เหล็กยังมีบทบาทสำคัญในการตรึงไนโตรเจนโดยเป็นโคแฟคเตอร์ในการสร้าง โปรตีนควบคุมการตรึงไนโตรเจน (NiFA) ที่ทำงานได้
• อิทธิพลของก๊าซ
  • ก๊าซไนโตรเจน ต้องมีในระดับที่เพียงพอ และขึ้นกับความสามารถในการแพร่เข้าสู่ปม
  • ก๊าซไฮโดรเจน เป็นตัวให้อิเล็กตรอนแก่การตรึงไนโตรเจน และป้องกันอันตรายของออกซิเจนต่อไนโตรจีเนส ถ้ามีออกซิเจนมากไป
  • ก๊าซออกซิเจน ต้องมีปริมาณต่ำจึงจะเกิดการตรึงไนโตรเจนได้ดี ถ้ามากไปจะยับยั้งการทำงานของไนโตรจีเนส น้อยเกินไปไม่เพียงพอต่อการหายใจของไรโซเบียม legheamoglobin จะรวมกับออกซิเจนได้เป็น oxygenated legheamoglobin ซึ่งจะเป็นตัวรับอิเล็กตรอนในการหายใจของไรโซเบียมในปม
  • ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ จับกับไนโตรจีเนสได้ดี จึงเป็นคู่แข่งขันกับก๊าซไนโตรเจน และยังแข่งขันกับก๊าซออกซิเจนในการจับกับ legheamoglobin ได้ด้วย ทำให้ความสามารถในการควบคุมปริมาณออกซิเจนของ legheamoglobin ลดลง
  • ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ลดอัตราการหายใจของแบคทีรอยด์ในปมรวมทั้งไรโซเบียมในดิน
  • ก๊าซอะเซทิลีน แข่งขันกับก๊าซไนโตรเจนในการจับกับไนโตรจีเนส
  • ก๊าซเอทิลีน ทำให้การเกิดปมหยุดชะงัก
• จุลินทรีย์ในดิน จุลินทรีย์บางชนิดสร้างสารปฏิชีวนะทำให้ไรโซเบียมหยุดการเจริญเติบโต จุลินทรีย์บางชนิด เช่น Bdellouibrio ทำลายเซลล์ของไรโซเบียมโดยตรง จุลินทรีย์บางชนิดสร้างสารที่เป็นประโยชน์ต่อไรโซเบียม เช่น Cytophaga ซึ่งย่อยสลายเซลลูโลสให้เป็นอาหารของไรโซเบียม
• อินทรียวัตถุ ถ้ามีมากจะทำให้ไรโซเบียมมีชีวิตอยู่ในดินได้นานโดยไม่ต้องอาศัยพืชตระกูลถั่ว แต่สารอินทรีย์ที่เป็นพิษต่อไรโซเบียม เช่น กรดฟีโนลิก จะทำให้การเจริญของไรโซเบียมหยุดชะงักและเกิดการกลายพันธุ์ได้
• บริเวณไรโซสเฟียร์ของพืช สารอินทรีย์ที่ปล่อยออกมาจากรากพืชชนิดอื่นมีประโยชน์ต่อไรโซเบียมเช่นกัน เช่น สารที่ปล่อยออกมาจากรากพืชของพืชวงศ์ Polygonaceae Malvaceae Graminae แต่พืชบางชนิด เช่น ทานตะวัน จะปล่อยสารที่เป็นพิษต่อไรโซเบียม
• ฤดูกาลและการใช้พื้นที่ พื้นที่ป่าที่ไม่ถูกรบกวนมีไรโซเบียมน้อยกว่าพื้นที่ทำการเกษตร ประชากรของไรโซเบียมในดินในฤดูหนาวจะต่ำกว่าฤดูฝนและฤดูแล้ง
• สารปราบศัตรูพืช ทำให้การเจริญของไรโซเบียมหยุดะงักหรือเกิดการกลายพันธุ์ โดยเฉพาะสารกำจัดวัชพืช

การใช้ประโยชน์

• การใช้เป็นปุ๋ยพืชสด โดยนำไปคลุกกับพืชตระกูลถั่วก่อนปลูกเป็นปุ๋ยพืชสด
• การเพิ่มประสิทธิภาพของไรโซเบียมโดยการปรับปรุงพันธุ์หรือใช้ร่วมกับแบคทีเรียชนิดอื่น เช่น แบคทีเรียที่ผลิตยาปฏิชีวนะเพื่อเพิ่มการยึดครองพื้นที่และการเกิดปม หรือการการถ่ายฝากยีน nif จากไรโซเบียมไปยังพืช
• การตัดต่อยีนที่ย่อยสลายสารพิษเข้าสู่ไรโซเบียม เพื่อให้ไรโซเบียมนั้นย่อยสลายสารพิษได้ด้วย เช่น การเพิ่มยีนที่ย่อยสลาย ไตรคลอโรเอทิลีน เข้าสู่ไรโซเบียมทำให้ไรโซเบียมนั้นย่อยสลายสารพิษได้

อ้างอิง

1. สมศักดิ์ วังใน. การตรึงไนโตรเจน:ไรโซเบียม-พืชตระกูลถั่ว. กทม. มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์. 2541
2. Atlas, R.M., and R. Bartha. 1998. Microbial Ecology: Fundamental and application. 4th ed. Mehlo park. Benjamin/Cumming Science Publishing
3. นันทกร บุญเกิดและคณะ. 2544. ผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงประชากรของกระบวนการทางนิเวศวิทยาต่อการเปลี่ยนแปลงประชากรของจุลินทรีย์ตรึงไนโตรเจนในดิน ใน รายงานการวิจัยในโครงการ BRT. วิสุทธิ์ ใบไม้ และรังสิมา คุ้มหอมม บรรณาธิการ. กทม.: โครงการพัฒนาองค์ความรู้และศึกษานโยบายการจัดการทรัพยากรชีวภาพในประเทศไทย.
4. Reigh, G.,and M. O'Connell. 1993. Siderophore-mediated iron transport correlate with the presence of specific iron-regulated protein in the outer membrane of Rhizobium meliloti. Journal of Bacteriology. 175, 94-102
5. Robert, J.M.F. 1992. Effect of pest management system on biological nitrogen fixation In Biological Nitrogen Fixation and Sustainability of Tropical Agriculture, K. Melongoy, M. Gueye, and D.S.C. Spancer, eds. John Wiely and Sons.
6. Killham, k. 1995. Soil Ecology. Cambridge university. Cambridge
7. Lynch, C.M. 1983. Soil Biotechnology. Blackwell Scientific Publication.
8. Shim, H. et al. 2000. Rhizosphere competitiveness of trichloroethylene-degrading poplar colonizing bacteria. Applied and Environmental Microbiology. 66 (11): 4673-4678

แหล่งข้อมูลอื่น

• Current research on Rhizobium leguminosarum at the Norwich Research Park