Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Hà Ngọc Sơn (người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Lộc, Bộ môn Cây lương thực, Khoa Nông học – Học viện Nông nghiệp Việt Nam, năm 2021) tập trung vào vấn đề sinh lý học thực vật ứng dụng trong canh tác và chọn giống cây trồng. Các loại cây trồng có hàm lượng protein và lipit cao như lạc (Arachis hypogaea), ngô (Zea mays L.) và đậu tương (Glycine max (L.) Merr.) giữ vai trò then chốt trong cơ cấu sản xuất nông nghiệp, cung cấp lương thực, thực phẩm và nguyên liệu thức ăn chăn nuôi tại Việt Nam cũng như trên thế giới.

Trong thực tế sản xuất, biến đổi khí hậu toàn cầu gia tăng các hiện tượng thời tiết cực đoan như mưa lớn trái mùa, ngập úng hoặc đất bão hòa nước sau khi gieo. Do tốc độ khuếch tán oxy trong nước chậm hơn trong không khí khoảng $10^4$ lần (theo Armstrong, 1979), môi trường ngập nước nhanh chóng gây ra tình trạng thiếu hụt oxy nghiêm trọng ở vùng hạt giống, làm hạt bị thối hỏng, giảm tỷ lệ nảy mầm và suy giảm sức sống cây con. Trong khi phần lớn các nghiên cứu trước đây chỉ khảo sát tính chịu ngập ở nhiệt độ phòng chuẩn (khoảng 25°C), tác giả đặt vấn đề nghiên cứu sự tương tác giữa điều kiện thiếu oxy và các ngưỡng nhiệt độ khác nhau nhằm phục vụ công tác chọn tạo giống chống chịu.

Mục đích nghiên cứu của đề tài là đánh giá ảnh hưởng của sự thiếu hụt oxy đến khả năng nảy mầm của một số giống cây trồng có hàm lượng protein cao trong điều kiện nhiệt độ khác nhau, qua đó lựa chọn giống có khả năng nảy mầm tốt phục vụ nghiên cứu và chọn tạo giống.

Khóa luận xác định 4 nhiệm vụ/yêu cầu cụ thể:

  1. Đánh giá ảnh hưởng của sự thiếu hụt oxy đến chỉ tiêu tỷ lệ nảy mầm của các hạt giống tại các mức nhiệt độ.
  2. Đánh giá ảnh hưởng của sự thiếu hụt oxy tới chỉ tiêu chiều cao thân mầm tại các mức nhiệt độ.
  3. Đánh giá ảnh hưởng của sự thiếu hụt oxy tới chỉ tiêu chiều dài rễ mầm tại các mức nhiệt độ.
  4. Đánh giá ảnh hưởng của sự thiếu hụt oxy tới chỉ tiêu khối lượng khô của rễ mầm và thân mầm tại các mức nhiệt độ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng: 11 giống cây trồng gồm 3 giống ngô (HN88, NK4300, ĐL668), 5 giống đậu tương (LSB 17-1-2-15, ĐT84, Đ8, HSB0059, TT2) và 3 giống lạc (Lạc Gié, L14, L27).
  • Phạm vi không gian: Phòng thí nghiệm Bộ môn Cây lương thực, Khoa Nông học, Học viện Nông nghiệp Việt Nam.
  • Phạm vi thời gian: Từ ngày 01/05/2021 đến ngày 30/10/2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận dựa trên cơ sở sinh lý học thực vật về quá trình nảy mầm của hạt giống. Sự nảy mầm đòi hỏi quá trình hô hấp hiếu khí mạnh mẽ để phân giải chất dự trữ (protein, lipit, tinh bột) thành năng lượng và nguyên liệu xây dựng tế bào mới. Khi thiếu oxy do ngập nước, quá trình hô hấp hiếu khí bị đình trệ, chuyển sang lên men kỵ khí. Dưới tác động đồng thời của nhiệt độ cao, tốc độ lên men kỵ khí diễn ra nhanh chóng, tích lũy các chất trung gian độc hại làm hạt nhanh chóng mất sức sống. Tác giả đã kế thừa các nghiên cứu của Sung (1995), Hou và Thseng (1991), Sayama và cộng sự, cũng như các kết quả khảo sát bước đầu của Nguyễn Đăng Đức (2018) trên cây đậu tương tại Việt Nam.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện có kiểm soát nghiêm ngặt trong tủ định ôn:

  • Xử lý mầm bệnh ban đầu: Hạt giống được ngâm khử trùng bề mặt bằng cồn 90° trong thời gian 1 phút.
  • Bố trí thí nghiệm: Bố trí hoàn toàn ngẫu nhiên (CRD) 2 nhân tố (yếu tố xử lý và giống), 3 lần nhắc lại, mỗi lần nhắc lại gồm 10 hạt/đĩa petri.
  • Công thức thí nghiệm:
    • Công thức đối chứng (ĐC - ký hiệu a): Hạt được gieo trực tiếp trong đĩa petri có độ ẩm tiêu chuẩn.
    • Công thức xử lý thiếu hụt oxy (XL - ký hiệu b): Hạt được đưa vào chai nhựa chứa đầy nước và đóng nắp kín hoàn toàn trong 24 giờ để tạo môi trường yếm khí/thiếu oxy, sau đó vớt ra cho nảy mầm trong đĩa petri tương tự đối chứng.
  • Thang nhiệt độ khảo sát: Đặt trong tủ định ôn ở 4 mức nhiệt độ: 19°C, 23°C, 26°C và 29°C.
  • Thời gian theo dõi và thu thập chỉ tiêu: Sau 3 đến 4 ngày tiến hành thu hoạch, đo đếm các chỉ tiêu hình thái và sinh khối.

Các chỉ tiêu và công thức tính toán:

  • Tỷ lệ nảy mầm (%) = (Số hạt nảy mầm / Tổng số hạt gieo) × 100.
  • Chiều dài rễ mầm (cm) và chiều cao thân mầm (cm): Đo bằng thước kẻ chia cm.
  • Khối lượng khô rễ mầm, thân mầm (g): Sấy khô đến khối lượng không đổi rồi cân trên cân phân tích.
  • Tỷ lệ thiếu hụt oxy (chỉ số chịu thiếu oxy) = (Giá trị công thức xử lý b / Giá trị công thức đối chứng a) × 100 (%).
  • Xử lý số liệu: Số liệu thực nghiệm được tổng hợp và phân tích phương sai ANOVA bằng phần mềm thống kê nông nghiệp IRRISTAT 5.0.

Nội dung chính theo từng chương

Phần I: Mở đầu

Tác giả trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ tác động bất lợi của biến đổi khí hậu và ngập úng lên cây trồng họ đậu và ngô. Chương này thiết lập đầy đủ mục đích, 4 yêu cầu cụ thể của đề tài cùng đối tượng và phạm vi nghiên cứu tại Học viện Nông nghiệp Việt Nam trong năm 2021.

Phần II: Tổng quan tài liệu

Tác giả tổng hợp bức tranh toàn diện về tình hình sản xuất và các nghiên cứu liên quan:

  • Tình hình sản xuất đậu tương, ngô, lạc thế giới và Việt Nam giai đoạn 2015–2019 (trích dẫn số liệu FAOSTAT 2020 và Tổng cục Thống kê 2020). Giai đoạn này sản lượng đậu tương thế giới đạt trên 330–350 triệu tấn/năm (Mỹ, Brazil, Argentina chiếm đa số); tại Việt Nam diện tích đậu tương giảm từ 100,6 nghìn ha (2015) xuống 49,6 nghìn ha (2019). Diện tích ngô Việt Nam giảm từ 1164,7 nghìn ha xuống 991,1 nghìn ha nhưng năng suất tăng lên 47,99 tạ/ha. Diện tích lạc dao động từ 200,3 nghìn ha xuống 177,0 nghìn ha với năng suất đạt 24,78 tạ/ha vào năm 2019.
  • Phân tích vai trò của nhiệt độ và chế độ không khí đối với sự nảy mầm của từng loại cây trồng: nhu cầu oxy cho hệ rễ ngô, tương quan nhiệt độ – độ ẩm đối với sự nảy mầm của lạc (nảy mầm tối ưu ở độ ẩm đất 70–80%, trên 90% hạt dễ bị thối do thiếu oxy), và ngưỡng nhiệt độ sinh trưởng của đậu tương (nhiệt độ tối thích 30°C, ngưỡng nảy mầm 5–40°C).
  • Tổng quan các công trình nghiên cứu về thiếu oxy trên thế giới và Việt Nam (Chengjun Wu 2017, Sung 1995, Hou & Thseng 1991, Nguyễn Đăng Đức 2018).

Phần III: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Mô tả chi tiết nguồn gốc, đặc điểm nông học của 11 giống thí nghiệm:

  • 3 giống ngô: HN88 (ngô nếp lai ngắn ngày 70–75 ngày), NK4300 (ngô lai 105–115 ngày, cứng cây chịu hạn), ĐL668 (ngô đường ngắn ngày, thu tươi sau thụ phấn 20–25 ngày).
  • 5 giống đậu tương: LSB 17-1-2-15 (90–95 ngày), ĐT84 (giống phổ biến, năng suất 15–25 tạ/ha), Đ8 (ngắn ngày 80–85 ngày, khối lượng 1000 hạt 195–203g), HSB0059 (85–90 ngày, kháng phấn trắng), TT2 (90–100 ngày).
  • 3 giống lạc: Lạc Gié (chọn từ tổ hợp lai L08 × TQ6, công nhận năm 2014), L14 (nhập nội từ Trung Quốc, công nhận năm 2002), L27 (tổ hợp lai L18 × L16, công nhận năm 2016). Chương này chuẩn hóa quy trình thí nghiệm 2 nhân tố gồm 12 thí nghiệm đơn (3 nhóm cây trồng × 4 mức nhiệt độ), phương pháp lấy mẫu, đo đếm và xử lý thống kê qua IRRISTAT 5.0.

Phần IV: Kết quả và thảo luận

Chương này trình bày chi tiết diễn biến nảy mầm và sinh trưởng mầm dưới tác động tương tác của thiếu oxy và nhiệt độ:

Nhóm cây trồng Giống Tỷ lệ nảy mầm tại 19°C (ĐC / XL) Tỷ lệ nảy mầm tại 29°C (ĐC / XL) Chiều cao thân mầm tại 19°C (ĐC / XL, cm) Chiều cao thân mầm tại 29°C (ĐC / XL, cm)
Ngô HN88 90% / 63% 88% / 0% 4,7 / 0,7 2,7 / 0,0
ĐL668 100% / 57% 100% / 3% 3,5 / 0,7 3,5 / 0,0
NK4300 97% / 20% 40% / 0% 4,2 / 0,1 1,0 / 0,0
Lạc L14 97% / 72% 53% / 22% 0,7 / 0,4 0,3 / 0,0
L27 100% / 100% 70% / 7% 0,9 / 0,6 0,7 / 0,0
Lạc Gié 100% / 97% 77% / 22% 0,8 / 0,5 0,5 / 0,0
Đậu tương ĐT84 97% / 90% 55% / 6% 1,8 / 1,6 1,4 / 0,0
HSB0059 97% / 80% 47% / 2% 1,4 / 1,2 1,0 / 0,0
TT2 100% / 100% 61% / 13% 2,4 / 1,0 1,4 / 0,0
LSB 17-1-2-15 100% / 100% 50% / 21% 5,4 / 1,7 1,3 / 0,0
Đ8 100% / 63% 47% / 0% 4,0 / 0,5 0,9 / 0,0
  • Ảnh hưởng đến tỷ lệ nảy mầm: Tỷ lệ nảy mầm giảm rõ rệt khi nhiệt độ tăng từ 19°C lên 29°C kết hợp xử lý thiếu oxy 24 giờ. Ở 19°C, các giống đậu tương (TT2, LSB 17-1-2-15) và lạc (L27) duy trì tỷ lệ nảy mầm 100%. Tuy nhiên khi nhiệt độ tăng lên 29°C trong điều kiện thiếu oxy, hạt ngô và đậu tương bị thối hỏng do quá trình lên men yếm khí diễn ra mạnh mẽ; ngô HN88, NK4300 và đậu tương Đ8 mất hoàn toàn khả năng nảy mầm (0%), ngô ĐL668 chỉ đạt 3%, đậu tương HSB0059 đạt 2%, ĐT84 đạt 6%.
  • Ảnh hưởng đến chiều cao thân mầm: Chiều cao thân mầm ở công thức xử lý thiếu oxy bị ức chế nghiêm trọng ở tất cả các mức nhiệt độ. Trung bình ở 19°C, thân mầm ngô công thức xử lý chỉ đạt 0,5 cm (so với đối chứng 4,1 cm); lạc đạt 0,5 cm (so với 0,8 cm); đậu tương đạt 1,2 cm (so với 3,0 cm). Đến mức 29°C, thân mầm của toàn bộ các giống ở công thức xử lý thiếu oxy đều không phát triển được (bằng 0 cm).

Phần V: Kết luận và đề nghị

Khóa luận đúc kết các phát hiện thực nghiệm về phản ứng của từng giống cây trồng với stress thiếu oxy kết hợp nhiệt độ và đưa ra kiến nghị về việc sử dụng các giống có khả năng chống chịu cao hơn (như LSB 17-1-2-15 ở đậu tương, Lạc Gié và L27 ở lạc, ĐL668 ở ngô) cho các vùng gieo trồng có nguy cơ ngập úng đầu vụ.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận cung cấp hệ thống số liệu định lượng chi tiết về phản ứng nảy mầm của 11 giống cây trồng giàu protein trong điều kiện bất lợi:

  • Làm sáng tỏ quy luật tương tác: Nhiệt độ môi trường càng cao (đặc biệt tại ngưỡng 26°C và 29°C), tác hại của sự thiếu hụt oxy 24 giờ đối với sự nảy mầm của hạt ngô, lạc và đậu tương càng trở nên trầm trọng.
  • Phân nhóm khả năng chống chịu của các giống:
    • Cây ngô: Giống ĐL668 có chỉ số chịu thiếu oxy cao hơn (duy trì 57% nảy mầm ở 19°C, 55% ở 23% và còn 3% ở 29°C), trong khi NK4300 mẫn cảm nhất với thiếu oxy.
    • Cây đậu tương: Giống LSB 17-1-2-15 có tính chống chịu thiếu oxy tốt nhất (tỷ lệ nảy mầm đạt 100% ở 19°C, 87% ở 23°C, 47% ở 26°C và 21% ở 29°C); giống Đ8 và HSB0059 mẫn cảm nhất.
    • Cây lạc: Lạc Gié và L27 có khả năng chống chịu thiếu oxy vượt trội so với giống L14 ở các dải nhiệt độ từ 19°C đến 26°C.
  • Đóng góp khoa học: Bổ sung dữ liệu thực nghiệm về phản ứng tương tác giữa yếu tố thiếu oxy và dải nhiệt độ biến thiên (19°C – 29°C) tại Việt Nam, khắc phục hạn chế của các nghiên cứu đơn lẻ trước đây vốn chỉ thực hiện ở nhiệt độ cố định 25°C.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Thí nghiệm chỉ tiến hành trong điều kiện phòng thí nghiệm (in vitro) với một khoảng thời gian xử lý thiếu oxy cố định là 24 giờ trong chai kín ngập nước, chưa khảo sát các mốc thời gian thiếu oxy biến thiên (6h, 12h, 48h) và chưa đánh giá trực tiếp trên các loại đất thực địa với hệ vi sinh vật tự nhiên.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng đánh giá trên đồng ruộng trong điều kiện đất ngập úng thực tế sau gieo.
    • Khảo sát các chỉ tiêu sinh lý - hóa sinh chuyên sâu như hoạt tính enzyme hô hấp, nồng độ tích lũy ethanol, hàm lượng proline và biểu hiện gen liên quan đến tính chịu úng ở giai đoạn nảy mầm.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên, học viên cao học ngành Nông học, Khoa học cây trồng, Sinh lý học thực vật và Công nghệ sinh học nông nghiệp cần phương pháp bố trí thí nghiệm đánh giá stress phi sinh học (thiếu oxy, ngập úng) có kiểm soát nhiệt độ.
  • Các cán bộ nghiên cứu, nhà chọn tạo giống cây lương thực và cây có dầu trong việc sàng lọc nguồn vật liệu khởi đầu có khả năng nảy mầm trong điều kiện ngập úng bất thuận.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Quy trình gây stress thiếu oxy bằng phương pháp ngâm kín 24 giờ và bảng số liệu so sánh chi tiết phản ứng nảy mầm của 11 giống cây trồng phổ biến.

Câu hỏi thường gặp

1. Nghiên cứu sử dụng phương pháp nào để tạo môi trường thiếu hụt oxy cho hạt giống?
Hạt giống sau khi khử trùng bằng cồn 90° trong 1 phút được cho vào chai nhựa chứa đầy nước và đậy nắp kín trong 24 giờ để tạo môi trường yếm khí/thiếu oxy, sau đó mới đưa ra đĩa petri đặt trong buồng định ôn theo dõi.

2. Bốn mức nhiệt độ được lựa chọn để khảo sát trong thí nghiệm là bao nhiêu?
Các mức nhiệt độ được duy trì trong tủ định ôn gồm: 19°C, 23°C, 26°C và 29°C.

3. Ở mức nhiệt độ cao 29°C kết hợp thiếu oxy 24 giờ, những giống nào mất hoàn toàn khả năng nảy mầm (0%)?
Các giống ngô HN88, NK4300 và giống đậu tương Đ8 mất hoàn toàn khả năng nảy mầm (tỷ lệ nảy mầm đạt 0%) khi chịu xử lý thiếu oxy ở 29°C.

4. Trong các giống đậu tương tham gia thí nghiệm, giống nào thể hiện khả năng chống chịu thiếu hụt oxy tốt nhất qua các mức nhiệt độ?
Giống đậu tương LSB 17-1-2-15 thể hiện khả năng chống chịu tốt nhất với tỷ lệ nảy mầm ở công thức xử lý đạt 100% ở 19°C, 87% ở 23°C, 47% ở 26°C và 21% ở 29°C.

5. Tác giả sử dụng phần mềm nào để phân tích thống kê phương sai cho các chỉ tiêu theo dõi?
Tác giả sử dụng phần mềm thống kê chuyên ngành nông nghiệp IRRISTAT phiên bản 5.0 để phân tích phương sai (ANOVA) và so sánh LSD ở mức ý nghĩa 0,05.

Kết luận

Khóa luận của Hà Ngọc Sơn đã đánh giá chi tiết tác động bất lợi của tình trạng thiếu hụt oxy kết hợp với nhiệt độ môi trường đến khả năng nảy mầm và sinh trưởng mầm của 11 giống ngô, lạc, đậu tương. Kết quả khẳng định nhiệt độ tăng cao làm gia tăng mức độ thiệt hại của stress thiếu oxy, khiến tỷ lệ nảy mầm và chiều cao thân mầm suy giảm nghiêm trọng. Công trình đã xác định được các giống có tiềm năng chống chịu tốt hơn như đậu tương LSB 17-1-2-15, lạc Lạc Gié, L27 và ngô ĐL668, tạo cơ sở thực nghiệm có giá trị phục vụ công tác nghiên cứu sinh lý và chọn tạo giống cây trồng chịu ngập úng.