Tổng quan nghiên cứu

Ngô (Zea mays L.) là một trong ba cây lương thực quan trọng nhất thế giới, đóng vai trò thiết yếu trong cung cấp thực phẩm và thức ăn chăn nuôi. Tại Việt Nam, ngô là cây lương thực thứ hai sau lúa, với diện tích trồng khoảng 1.039 nghìn ha và sản lượng đạt gần 4,9 triệu tấn năm 2018. Tuy nhiên, sản xuất ngô đang đối mặt với thách thức lớn từ biến đổi khí hậu, đặc biệt là hạn hán, gây thiệt hại năng suất lên tới 30-80% tại một số vùng. Hạn hán làm giảm sinh trưởng, quang hợp và tăng tích lũy các gốc oxy phản ứng (ROS), gây tổn thương tế bào và giảm năng suất cây trồng.

Trong bối cảnh đó, melatonin ngoại sinh được xem là một chất điều hòa sinh trưởng có khả năng tăng cường khả năng chịu hạn của cây trồng thông qua cơ chế chống oxy hóa và điều chỉnh các quá trình sinh lý. Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá hiệu quả của melatonin ngoại sinh trong việc cải thiện khả năng chịu hạn của ngô, xác định nồng độ melatonin tối ưu và phân tích các chỉ tiêu sinh lý, hóa sinh liên quan đến khả năng chịu hạn. Nghiên cứu được thực hiện tại Bình Định trong giai đoạn từ tháng 10/2019 đến tháng 8/2020, với các điều kiện khí hậu và đất đai đặc trưng cho vùng duyên hải miền Trung, nơi có lượng mưa thấp và độ ẩm dao động từ 79-85%, phù hợp để gây hạn nhân tạo.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc làm rõ vai trò của melatonin trong tăng cường khả năng chịu hạn của ngô, đồng thời cung cấp cơ sở thực tiễn cho ứng dụng melatonin trong sản xuất nông nghiệp nhằm giảm thiệt hại do hạn hán, góp phần nâng cao năng suất và phát triển bền vững cây ngô tại các vùng đất khó khăn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về sinh lý thực vật chịu hạn và vai trò của melatonin trong điều hòa sinh trưởng và chống stress:

  • Lý thuyết về stress hạn và phản ứng sinh lý của cây trồng: Hạn hán làm giảm hàm lượng sắc tố quang hợp, hiệu suất quang hóa, tăng tích lũy ROS gây tổn thương tế bào. Cây trồng thích nghi bằng cách tăng tổng hợp các chất chống oxy hóa và hợp chất điều chỉnh áp suất thẩm thấu như proline, đường khử.

  • Mô hình tác động của melatonin ngoại sinh: Melatonin là phân tử tín hiệu và chất chống oxy hóa mạnh, có khả năng “nhặt” ROS trực tiếp và kích thích hoạt động enzyme chống oxy hóa như catalase, superoxide dismutase. Melatonin cũng điều chỉnh các quá trình sinh lý như quang hợp, đóng mở khí khổng, giúp cây tăng khả năng chịu hạn.

  • Khái niệm chính:

    • Chỉ số diện tích lá (LAI): Phản ánh diện tích lá trên một đơn vị diện tích đất, liên quan mật thiết đến khả năng quang hợp và sinh trưởng.
    • Hoạt độ enzyme α-amylase và catalase: Chỉ số sinh hóa quan trọng phản ánh khả năng phân giải tinh bột và chống oxy hóa của cây.
    • Hàm lượng proline và đường khử: Các hợp chất điều chỉnh áp suất thẩm thấu, giúp cây duy trì cân bằng nước trong điều kiện hạn.
    • Chỉ số chịu hạn tương đối: Đánh giá khả năng chịu hạn dựa trên tỷ lệ cây không héo và phục hồi sau hạn.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Giống ngô nếp lai HN68, được xử lý melatonin ngoại sinh ở các nồng độ 50 µM, 100 µM và 150 µM. Thí nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm và vườn thực nghiệm của Trường Đại học Quy Nhơn, tỉnh Bình Định.

  • Phương pháp bố trí thí nghiệm:

    • Thí nghiệm trong nhà lưới với 5 công thức: CT1 (hạn không xử lý melatonin), CT2 (hạn + melatonin 50 µM), CT3 (hạn + melatonin 100 µM), CT4 (hạn + melatonin 150 µM), CT5 (tưới nước đầy đủ).
    • Mỗi công thức lặp lại 3 lần, mỗi lần 10 cây/ngày.
    • Gây hạn nhân tạo bằng cách ngừng tưới nước trong 7 ngày, sau đó phục hồi tưới nước.

  • Phương pháp phân tích:

    • Đo các chỉ tiêu sinh trưởng: thời gian nảy mầm, trổ cờ, phun râu, chín; chiều cao cây; số lá/cây; chỉ số diện tích lá (LAI).
    • Phân tích các chỉ tiêu hóa sinh: hàm lượng proline, đường khử, hoạt độ α-amylase và catalase theo các phương pháp chuẩn (Bates, Bertrand, Rukhliadeva Geriacheva).
    • Đánh giá khả năng chịu hạn qua chỉ số chịu hạn tương đối và tỷ lệ thiệt hại do hạn.
    • Đo các yếu tố cấu thành năng suất: chiều dài bắp, đường kính bắp, số hàng hạt/bắp, số hạt/hàng, khối lượng 1000 hạt, năng suất thực thu.
    • Xử lý số liệu bằng phần mềm MS Excel và Statistix, phân tích phương sai với mức ý nghĩa α=0,05.

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 10/2019 đến tháng 8/2020, bao gồm giai đoạn xử lý hạt giống, gây hạn nhân tạo, thu thập mẫu và phân tích chỉ tiêu sinh lý, hóa sinh, theo dõi sinh trưởng và thu hoạch.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của melatonin đến thời gian sinh trưởng:

    • Thời gian nảy mầm của hạt ngô dao động từ 3,1 đến 3,5 ngày, không khác biệt đáng kể giữa các công thức xử lý melatonin và đối chứng.
    • Thời gian trổ cờ, phun râu và chín của ngô trong điều kiện hạn (CT1) lần lượt là 51,9; 54,8 và 87,8 ngày, ngắn hơn so với điều kiện tưới nước đầy đủ (CT5) là 53,7; 56,5 và 90 ngày.
    • Xử lý melatonin 150 µM (CT4) kéo dài thời gian trổ cờ, phun râu và chín hơn CT1 lần lượt 1,1; 1 và 1,3 ngày, có ý nghĩa thống kê (P<0,05).

  2. Chiều cao cây ngô:

    • Hạn làm giảm chiều cao cây ngô khoảng 5,5% so với điều kiện tưới nước đầy đủ.
    • Các công thức xử lý melatonin tăng chiều cao cây so với hạn không xử lý, trong đó melatonin 150 µM tăng chiều cao cây nhiều nhất, cao hơn 4,8% (P<0,05).
    • Chiều cao cây ở CT4 vẫn thấp hơn CT5 nhưng sự khác biệt không đáng kể.

  3. Số lá/cây và chỉ số diện tích lá (LAI):

    • Hạn làm giảm số lá/cây từ 7,2 lá (CT1) so với 8,2 lá (CT5) sau 30 ngày, tương ứng giảm 12,2%.
    • Chỉ số diện tích lá giảm 18,11% dưới điều kiện hạn so với tưới nước đầy đủ.
    • Xử lý melatonin 150 µM làm tăng LAI lên 1,17 m²/m² đất, cao hơn 12,5% so với CT1 (P<0,05), trong khi các nồng độ thấp hơn không có sự khác biệt rõ rệt.

  4. Chỉ tiêu hóa sinh đặc trưng cho khả năng chịu hạn:

    • Hoạt độ enzyme α-amylase và catalase tăng đáng kể ở các công thức xử lý melatonin so với hạn không xử lý, giúp tăng cường khả năng chống oxy hóa và điều chỉnh áp suất thẩm thấu.
    • Hàm lượng proline và đường khử cũng tăng lên rõ rệt khi xử lý melatonin, hỗ trợ cây duy trì cân bằng nước và giảm tổn thương tế bào do hạn.

  5. Khả năng chịu hạn và năng suất thực thu:

    • Chỉ số chịu hạn tương đối cao nhất ở CT4, cho thấy melatonin 150 µM giúp cây ngô chịu hạn tốt hơn.
    • Năng suất thực thu của ngô ở CT4 tăng khoảng 10-15% so với CT1, với các yếu tố cấu thành năng suất như chiều dài bắp, số hàng hạt và khối lượng 1000 hạt đều cải thiện.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy melatonin ngoại sinh có tác dụng tích cực trong việc cải thiện khả năng chịu hạn của ngô thông qua nhiều cơ chế sinh lý và hóa sinh. Việc kéo dài thời gian sinh trưởng ở công thức melatonin 150 µM giúp cây có thêm thời gian phát triển, đồng thời tăng chiều cao và diện tích lá, góp phần nâng cao khả năng quang hợp và tích lũy dinh dưỡng. Sự gia tăng hoạt độ enzyme α-amylase và catalase cùng với hàm lượng proline và đường khử cho thấy melatonin kích thích hệ thống chống oxy hóa và điều chỉnh áp suất thẩm thấu, giúp cây giảm thiệt hại do ROS và duy trì cân bằng nước trong tế bào.

So với các nghiên cứu trước đây trên cây cà chua, đậu tương và cây chè, kết quả này phù hợp với nhận định rằng melatonin là một chất điều hòa sinh trưởng và chống stress hiệu quả. Biểu đồ và bảng số liệu minh họa rõ sự khác biệt về chiều cao cây, số lá, LAI và các chỉ tiêu hóa sinh giữa các công thức, làm nổi bật vai trò của melatonin trong tăng cường khả năng chịu hạn.

Như vậy, melatonin ngoại sinh không chỉ giúp giảm thiệt hại do hạn mà còn cải thiện các chỉ tiêu sinh trưởng và năng suất của ngô, mở ra hướng ứng dụng thực tiễn trong sản xuất nông nghiệp tại các vùng đất khô hạn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng melatonin 150 µM trong xử lý hạt giống và tưới gốc cho ngô tại giai đoạn cây non nhằm tăng khả năng chịu hạn, kéo dài thời gian sinh trưởng và nâng cao năng suất. Thời gian thực hiện: trước và trong giai đoạn gây hạn (khoảng 7 ngày), chủ thể thực hiện là nông dân và các cơ sở sản xuất giống.

  2. Phát triển quy trình kỹ thuật canh tác kết hợp melatonin với biện pháp tưới tiết kiệm nước để tối ưu hóa hiệu quả sử dụng nước và tăng cường sức đề kháng của cây ngô trong điều kiện hạn hán. Thời gian triển khai: vụ Đông-Xuân và Hè-Thu, chủ thể là các trung tâm nghiên cứu nông nghiệp và doanh nghiệp.

  3. Đào tạo, tập huấn cho nông dân về vai trò và cách sử dụng melatonin trong sản xuất ngô nhằm nâng cao nhận thức và kỹ năng ứng dụng công nghệ sinh học trong nông nghiệp bền vững. Thời gian: liên tục hàng năm, chủ thể là các tổ chức khuyến nông và trường đại học.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng melatonin cho các giống ngô khác và cây trồng chịu hạn khác để đa dạng hóa giải pháp chống hạn, tăng cường khả năng thích nghi với biến đổi khí hậu. Thời gian: 2-3 năm tiếp theo, chủ thể là các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nông dân và nhà sản xuất giống ngô: Nắm bắt kỹ thuật xử lý melatonin để nâng cao khả năng chịu hạn, tăng năng suất và giảm thiệt hại do hạn hán.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành sinh học thực nghiệm, nông học: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kết quả và cơ sở lý thuyết về vai trò melatonin trong sinh lý cây trồng chịu hạn.

  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách nông nghiệp: Sử dụng kết quả nghiên cứu làm cơ sở khoa học để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển nông nghiệp bền vững, ứng phó biến đổi khí hậu.

  4. Doanh nghiệp sản xuất và cung ứng vật tư nông nghiệp: Phát triển sản phẩm melatonin ngoại sinh phù hợp với nhu cầu thị trường, đồng thời tư vấn kỹ thuật cho khách hàng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Melatonin ngoại sinh có ảnh hưởng đến thời gian nảy mầm của hạt ngô không?
    Kết quả nghiên cứu cho thấy melatonin không làm thay đổi đáng kể thời gian nảy mầm, dao động khoảng 3,1-3,5 ngày, phù hợp với điều kiện nước đầy đủ.

  2. Nồng độ melatonin nào hiệu quả nhất trong việc tăng khả năng chịu hạn của ngô?
    Nồng độ 150 µM được xác định là tối ưu, giúp kéo dài thời gian sinh trưởng, tăng chiều cao cây, chỉ số diện tích lá và cải thiện các chỉ tiêu hóa sinh liên quan đến chịu hạn.

  3. Melatonin tác động như thế nào đến các chỉ tiêu sinh lý của cây ngô?
    Melatonin tăng hoạt độ enzyme α-amylase và catalase, đồng thời nâng cao hàm lượng proline và đường khử, giúp cây chống oxy hóa và điều chỉnh áp suất thẩm thấu, giảm thiệt hại do hạn.

  4. Khả năng chịu hạn của ngô được đánh giá bằng những chỉ số nào?
    Đánh giá qua tỷ lệ cây không héo và phục hồi sau hạn, chỉ số chịu hạn tương đối, cùng các chỉ tiêu sinh trưởng và năng suất thực thu.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này vào sản xuất đại trà không?
    Có thể, với điều kiện áp dụng đúng quy trình xử lý melatonin và kỹ thuật canh tác phù hợp, giúp nâng cao năng suất và giảm thiệt hại do hạn hán trong thực tế.

Kết luận

  • Melatonin ngoại sinh ở nồng độ 150 µM có hiệu quả rõ rệt trong việc tăng khả năng chịu hạn của cây ngô, kéo dài thời gian sinh trưởng và cải thiện các chỉ tiêu sinh trưởng như chiều cao cây, số lá và chỉ số diện tích lá.
  • Các chỉ tiêu hóa sinh như hoạt độ enzyme α-amylase, catalase, hàm lượng proline và đường khử được tăng cường dưới tác động của melatonin, góp phần nâng cao khả năng chống oxy hóa và điều chỉnh áp suất thẩm thấu.
  • Chỉ số chịu hạn tương đối và năng suất thực thu của ngô được cải thiện đáng kể khi xử lý melatonin, cho thấy tiềm năng ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc ứng dụng melatonin trong canh tác ngô tại các vùng đất khô hạn, góp phần giảm thiệt hại do biến đổi khí hậu.
  • Đề xuất triển khai áp dụng melatonin trong quy trình sản xuất, đồng thời mở rộng nghiên cứu cho các giống ngô và cây trồng khác trong tương lai.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và sản xuất phối hợp triển khai ứng dụng melatonin trong thực tế, đồng thời tổ chức tập huấn kỹ thuật cho nông dân để nâng cao hiệu quả sản xuất ngô chịu hạn.