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 lương thực, thức ăn chăn nuôi và nguyên liệu công nghiệp. Tại Việt Nam, ngô là cây lương thực thứ hai sau lúa, với diện tích trồng năm 2018 đạt khoảng 1.039 nghìn ha và sản lượng 4.905,9 nghìn tấn. 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% và có thể lên đến 70-80% ở 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.

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, bảo vệ hệ thống quang hợp và điều chỉnh các quá trình sinh lý. Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá hiệu quả của melatonin ngoại sinh trong việc tăng khả năng chịu hạn của ngô, xác định nồng độ melatonin thích hợp và cung cấp cơ sở khoa học cho ứng dụng thực tiễn. Nghiên cứu được thực hiện tại Bình Định trong giai đoạn từ tháng 10/2019 đến tháng 8/2020, tập trung vào các chỉ tiêu sinh trưởng, sinh lý và năng suất của ngô dưới tác động của melatonin trong điều kiện hạn nhân tạo. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển kỹ thuật canh tác ngô bền vững, góp phần giảm thiệt hại do hạn hán và nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về sinh lý thực vật chịu hạn và vai trò của melatonin trong điều hòa sinh trưởng và chống stress. Hai khung lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Cơ chế sinh lý và hóa sinh của tính chịu hạn ở cây ngô: Hạn hán gây mất nước tế bào, làm thay đổi áp suất thẩm thấu, tăng tích lũy các hợp chất hòa tan như proline, đường khử để điều chỉnh áp suất thẩm thấu, đồng thời kích hoạt các enzyme chống oxy hóa như catalase, α-amylase để bảo vệ tế bào khỏi tổn thương oxy hóa. Các biến đổi này giúp cây duy trì sinh trưởng và phát triển trong điều kiện thiếu nước.

  2. Vai trò của melatonin trong thực vật: Melatonin là một chất điều hòa sinh trưởng, có khả năng chống oxy hóa mạnh mẽ, giúp loại bỏ các gốc tự do ROS, bảo vệ hệ thống quang hợp, cân bằng nước và điều chỉnh các quá trình sinh lý nhằm tăng cường khả năng chịu hạn. Melatonin cũng kích thích hoạt động enzyme chống oxy hóa và điều hòa biểu hiện gen liên quan đến stress.

Các khái niệm chính bao gồm: khả năng chịu hạn, áp suất thẩm thấu, proline, đường khử, enzyme catalase, α-amylase, melatonin ngoại sinh, chỉ số diện tích lá (LAI), chỉ số chịu hạn tương đối.

Phương pháp nghiên cứu

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

  • Phương pháp bố trí thí nghiệm: Thí nghiệm trong nhà lưới và ruộng thực địa với 5 công thức: CT1 (hạn, không 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.

  • Phương pháp xử lý melatonin: Hạt ngô ngâm melatonin 4 giờ trước gieo, sau đó tưới melatonin vào gốc cây non 3 lá trong 7 ngày liên tiếp, mỗi lần 40 ml dung dịch.

  • Gây hạn nhân tạo: Không tưới nước trong 7 ngày, theo dõi các chỉ tiêu sinh lý, sinh trưởng và năng suất.

  • Chỉ tiêu nghiên cứu: Thời gian sinh trưởng, chiều cao cây, số lá/cây, chỉ số diện tích lá, hàm lượng proline, đường khử, hoạt độ enzyme α-amylase và catalase, tỷ lệ thiệt hại do hạn, chỉ số chịu hạn tương đối, các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất thực thu.

  • Phân tích số liệu: Sử dụng phần mềm MS Excel và Statistix, kiểm định ý nghĩa ở mức α=0,05, tính giá trị trung bình, phương sai, hệ số biến thiên và sai khác có ý nghĩa LSD0,05.

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. Tuy nhiên, 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 sinh trưởng đáng kể, tăng 1,1 ngày trổ cờ, 1 ngày phun râu và 1,3 ngày chín so với CT1.

  2. Chiều cao cây ngô: Hạn làm giảm chiều cao cây khoảng 5,51% so với tưới nước đầy đủ. Các công thức xử lý melatonin đều tăng chiều cao cây so với CT1, trong đó melatonin 150 µM tăng chiều cao cây nhiều nhất, cao hơn 4,8% và có ý nghĩa thống kê (P<0,05). Chiều cao cây ở CT4 vẫn thấp hơn CT5 nhưng 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% ở CT1 so với CT5. Xử lý melatonin 150 µM làm tăng LAI lên 1,17 m²/m² đất sau 30 ngày, tăng 12,5% so với CT1, có ý nghĩa thống kê. Tuy nhiên, số lá/cây không thay đổi đáng kể khi xử lý melatonin.

  4. Chỉ tiêu hóa sinh đặc trưng cho khả năng chịu hạn: Melatonin ngoại sinh làm tăng hàm lượng proline, đường khử và hoạt độ enzyme α-amylase, catalase trong lá ngô dưới điều kiện hạn nhân tạo, góp phần cải thiện khả năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu và tăng cường hệ thống chống oxy hóa. Các chỉ tiêu này tăng rõ rệt ở công thức melatonin 150 µM so với công thức hạn không xử lý.

  5. Tỷ lệ thiệt hại và chỉ số chịu hạn tương đối: Tỷ lệ thiệt hại do hạn giảm đáng kể khi xử lý melatonin, đặc biệt ở nồng độ 150 µM. Chỉ số chịu hạn tương đối cao nhất ở CT4, cho thấy khả năng chịu hạn được cải thiện rõ rệt nhờ melatonin.

  6. Yếu tố cấu thành năng suất và năng suất thực thu: Hạn làm giảm chiều dài bắp, đường kính bắp, số hàng hạt/bắp, số hạt/hàng và khối lượng 1000 hạt. Xử lý melatonin 150 µM làm tăng các chỉ tiêu này so với CT1, năng suất thực thu tăng từ mức thấp nhất ở CT1 lên gần bằng mức tưới nước đầy đủ (CT5), cho thấy melatonin giúp giảm thiệt hại năng suất do hạn.

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, tăng khả năng tích lũy chất khô và năng suất. Sự tăng chiều cao cây và chỉ số diện tích lá cho thấy melatonin giúp duy trì sinh trưởng trong điều kiện hạn, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vai trò của melatonin trong bảo vệ hệ thống quang hợp và cân bằng nước.

Sự gia tăng hàm lượng proline và đường khử cùng hoạt độ enzyme chống oxy hóa chứng tỏ melatonin kích thích các cơ chế điều chỉnh áp suất thẩm thấu và bảo vệ tế bào khỏi tổn thương oxy hóa do ROS. Điều này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về melatonin như trên cây đậu tương, cà chua và chè, cho thấy melatonin là chất chống oxy hóa hiệu quả và phân tử tín hiệu điều hòa phản ứng stress.

Việc giảm tỷ lệ thiệt hại và tăng chỉ số chịu hạn tương đối ở các công thức xử lý melatonin minh chứng cho hiệu quả thực tiễn của melatonin trong giảm thiệt hại do hạn hán. Năng suất thực thu được cải thiện rõ rệt cho thấy tiềm năng ứng dụng melatonin trong canh tác ngô ở vùng hạn hán, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và ổn định sinh kế nông dân.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện sự biến động chiều cao cây, số lá/cây, chỉ số diện tích lá, hoạt độ enzyme và năng suất thực thu giữa các công thức, giúp minh họa rõ ràng tác động của melatonin ngoại sinh.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng xử lý melatonin ngoại sinh nồng độ 150 µM trong canh tác ngô tại vùng hạn hán: Tưới melatonin vào gốc cây non 3 lá, mỗi ngày một lần trong 7 ngày liên tiếp, giúp tăng khả năng chịu hạn, kéo dài thời gian sinh trưởng và nâng cao năng suất. Thời gian áp dụng: trước và trong giai đoạn hạn hán dự kiến.

  2. Phát triển quy trình kỹ thuật xử lý melatonin kết hợp với biện pháp tưới tiêu hợp lý: Tích hợp melatonin với quản lý nước tưới nhằm tối ưu hóa hiệu quả chống hạn, giảm thiệt hại năng suất. Chủ thể thực hiện: các trung tâm nghiên cứu nông nghiệp và doanh nghiệp giống cây trồng.

  3. Đào tạo và chuyển giao công nghệ cho nông dân vùng hạn hán: Tổ chức tập huấn kỹ thuật xử lý melatonin, hướng dẫn cách sử dụng đúng liều lượng và thời điểm để đạt hiệu quả cao nhất. Thời gian: trước vụ gieo trồng. Chủ thể: Sở Nông nghiệp, các tổ chức khuyến nông.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng melatonin trên các giống ngô khác và cây trồng chịu hạn khác: Đánh giá hiệu quả và tối ưu hóa liều lượng, phương pháp xử lý phù hợp với từng loại cây và điều kiện sinh thái. Chủ thể: các viện nghiên cứu, trường đại học.

  5. Xây dựng mô hình sản xuất ngô bền vững kết hợp xử lý melatonin và quản lý đất, nước: Hướng tới tăng năng suất, giảm thiệt hại do hạn hán và thích ứng với biến đổi khí hậu. Thời gian triển khai: 3-5 năm. Chủ thể: các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp nông nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Sinh học thực nghiệm, Nông học, Công nghệ sinh học: Tài liệu cung cấp cơ sở khoa học về vai trò melatonin trong tăng cường khả năng chịu hạn của cây ngô, phục vụ nghiên cứu chuyên sâu và phát triển đề tài mới.

  2. Chuyên gia và cán bộ kỹ thuật trong lĩnh vực nông nghiệp và trồng trọt: Tham khảo để áp dụng kỹ thuật xử lý melatonin trong canh tác ngô, nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiệt hại do hạn hán.

  3. Doanh nghiệp sản xuất giống cây trồng và phân bón sinh học: Nghiên cứu tiềm năng phát triển sản phẩm melatonin ngoại sinh hỗ trợ tăng cường khả năng chịu hạn cho cây trồng, mở rộng thị trường và nâng cao giá trị sản phẩm.

  4. Nông dân và tổ chức khuyến nông tại các vùng hạn hán: Hướng dẫn kỹ thuật xử lý melatonin để cải thiện sinh trưởng và năng suất ngô trong điều kiện thiếu nước, góp phần nâng cao thu nhập và ổn định sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

  1. Melatonin ngoại sinh có ảnh hưởng đến thời gian nảy mầm của hạt ngô không?
    Nghiên cứu cho thấy melatonin không làm thay đổi đáng kể thời gian nảy mầm, dao động khoảng 3,1-3,5 ngày giữa các công thức. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây, cho thấy melatonin chủ yếu tác động lên giai đoạn cây non và sinh trưởng sau nảy mầm.

  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 hiệu quả nhất, giúp kéo dài thời gian sinh trưởng, tăng chiều cao cây, chỉ số diện tích lá và cải thiện các chỉ tiêu hóa sinh chống oxy hóa, từ đó nâng cao khả năng chịu hạn và năng suất.

  3. Melatonin giúp cây ngô chống chịu hạn bằng cơ chế nào?
    Melatonin hoạt động như chất chống oxy hóa, loại bỏ các gốc tự do ROS, bảo vệ hệ thống quang hợp, tăng hoạt độ enzyme chống oxy hóa (catalase, α-amylase), đồng thời tăng tích lũy proline và đường khử để điều chỉnh áp suất thẩm thấu, giúp cây duy trì sinh trưởng trong điều kiện thiếu nước.

  4. Việc xử lý melatonin có làm tăng năng suất ngô trong điều kiện hạn không?
    Có, melatonin 150 µM làm tăng các yếu tố cấu thành năng suất như chiều dài bắp, số hàng hạt, khối lượng 1000 hạt và năng suất thực thu so với cây không xử lý melatonin trong điều kiện hạn, giúp giảm thiệt hại năng suất do hạn hán.

  5. Có thể áp dụng kỹ thuật xử lý melatonin cho các cây trồng khác không?
    Nhiều nghiên cứu quốc tế đã áp dụng melatonin thành công trên các cây cà chua, đậu tương, chè, cho thấy tiềm năng rộng rãi của melatonin trong tăng cường khả năng chịu hạn và chống stress phi sinh học ở nhiều loại cây trồng khác nhau.

Kết luận

  • Melatonin ngoại sinh ở nồng độ 150 µM giúp tăng khả năng chịu hạn của ngô thông qua cải thiện các chỉ tiêu sinh trưởng, sinh lý và hóa sinh.
  • Thời gian sinh trưởng, chiều cao cây và chỉ số diện tích lá được kéo dài và tăng lên khi xử lý melatonin trong điều kiện hạn.
  • Melatonin kích thích tích lũy proline, đường khử và hoạt độ enzyme chống oxy hóa, giảm thiệt hại do ROS gây ra.
  • Năng suất thực thu của ngô được cải thiện rõ rệt nhờ xử lý melatonin, giảm thiệt hại do hạn hán.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để ứng dụng melatonin trong canh tác ngô bền vững tại các vùng hạn hán.

Next steps: Mở rộng nghiên cứu trên các giống ngô khác và cây trồng chịu hạn khác, phát triển quy trình ứng dụng melatonin trong sản xuất đại trà, đào tạo chuyển giao kỹ thuật cho nông dân.

Call to action: Các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và nông dân nên phối hợp triển khai ứng dụng melatonin ngoại sinh để nâng cao hiệu quả sản xuất ngô trong điều kiện biến đổi khí hậu và hạn hán ngày càng gia tăng.