Tổng quan nghiên cứu

Năm 2013, ngành sản xuất ngô toàn cầu đạt diện tích canh tác 176 triệu ha cùng tổng sản lượng 1.016,7 triệu tấn. Tại Việt Nam, diện tích gieo trồng ngô đạt 1.170,4 nghìn ha với sản lượng 5.191,2 nghìn tấn, trong đó nhóm ngô nếp phục vụ ăn tươi và chế biến chiếm gần 15% tổng diện tích. Dù nhu cầu tiêu dùng nông sản chất lượng cao không ngừng gia tăng, nguồn giống ngô nếp trong nước vẫn đối mặt với rào cản lớn: các giống thụ phấn tự do bản địa cho năng suất thấp, trong khi các giống ngô nếp lai nhập nội có giá thành hạt giống rất cao và chưa thực sự phù hợp với thị hiếu ẩm thực người Việt.

Nhằm giải quyết bài toán thực tiễn này, nghiên cứu tập trung xác định đặc điểm nông sinh học, khả năng kết hợp chung và khả năng kết hợp riêng của 6 dòng ngô nếp tự phối từ thế hệ S3 đến S5, qua đó chọn lọc các tổ hợp lai ưu tú có tiềm năng năng suất cao và phẩm chất dẻo thơm. Thí nghiệm được triển khai thực địa tại Viện Nghiên cứu và Phát triển cây trồng thuộc Học viện Nông nghiệp Việt Nam, Gia Lâm, Hà Nội trong vụ Xuân và vụ Thu Đông năm 2015. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở di truyền xác đáng, phát hiện 2 dòng thuần ưu tú là NG15 và NG16 cùng 2 tổ hợp lai triển vọng THL13 và THL15, mở ra tiềm năng tăng năng suất bắp tươi từ 12,5% đến 18,3% so với giống đối chứng, đồng thời rút ngắn chu kỳ sinh trưởng xuống dưới 88 ngày nhằm phục vụ cơ cấu luân canh vụ Đông tại Đồng bằng sông Hồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Đề tài vận dụng nền tảng lý thuyết ưu thế lai khởi xướng bởi Charles Darwin năm 1876 và hoàn thiện bởi Shull vào năm 1908 và 1909, khẳng định việc tự phối cưỡng bức liên tục qua các thế hệ tạo ra các dòng thuần đồng hợp tử cao, làm tiền đề cho hiện tượng ưu thế lai vượt trội ở thế hệ con lai F1. Về mặt di truyền số lượng, nghiên cứu ứng dụng lý thuyết khả năng kết hợp của Sprague và Tatum năm 1942, phân định rõ khả năng kết hợp chung phản ánh hiệu ứng gen cộng tính và khả năng kết hợp riêng phản ánh hiệu ứng gen không cộng tính gồm tương tác trội và siêu trội.

Mô hình nghiên cứu triển khai theo phương pháp lai luân giao Diallel 4 của Griffing năm 1956 kết hợp mô hình toán học của Gardner và Eberhart năm 1966 để tính toán các tham số di truyền. Nghiên cứu khai thác các khái niệm then chốt gồm ưu thế lai trung bình, ưu thế lai thực và ưu thế lai chuẩn. Về mặt sinh hóa, ngô nếp đặc trưng bởi đột biến tự nhiên khiến nội nhũ chứa gần 100% amylopectin dạng mạch nhánh, vượt trội hơn hẳn tỷ lệ 75% ở ngô tẻ thông thường, tạo độ dẻo mềm đặc trưng khi nấu chín.

Phương pháp nghiên cứu

Vật liệu nghiên cứu gồm 6 dòng ngô nếp tự phối có nguồn gốc từ Việt Nam và Trung Quốc ở các thế hệ S3, S4 và S5 (ký hiệu NG11, NG13, NG14, NG15, NG16, NG17), 15 tổ hợp lai luân giao một chiều (THL1 đến THL15) và giống đối chứng VNUA69. Thí nghiệm được bố trí theo khối ngẫu nhiên hoàn chỉnh với 2 lần nhắc lại trong vụ Xuân 2015 (diện tích ô 10 m2) và 3 lần nhắc lại trong vụ Thu Đông 2015 (diện tích ô 10 m2, gồm 21 công thức). Mật độ gieo trồng duy trì hàng cách hàng 70 cm và cây cách cây 20 cm theo quy chuẩn kỹ thuật 10TCN 341-2006. Chế độ phân bón cho 1 ha gồm 1 tấn phân vi sinh, 120 kg Đạm nguyên chất, 60 kg Lân và 60 kg Kali.

Nguồn dữ liệu thu thập trực tiếp từ 30 cây mẫu ngẫu nhiên trên mỗi ô thí nghiệm, theo dõi các giai đoạn sinh trưởng, động thái chiều cao cây định kỳ 7 đến 10 ngày một lần, diện tích lá, chỉ số diện tích lá, các yếu tố cấu thành năng suất và chỉ tiêu chất lượng thử nếm theo thang điểm từ 1 đến 5. Độ dày vỏ hạt được xác định bằng vi trắc kế quang học. Toàn bộ số liệu thực nghiệm được xử lý phân tích phương sai ANOVA, xác định hệ số biến động CV% và sai khác nhỏ nhất có ý nghĩa LSD ở mức 0,05 bằng phần mềm chuyên dụng IRRISTAT phiên bản 5.0, kết hợp phần mềm TKSH để phân tích giá trị khả năng kết hợp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, về đặc điểm sinh trưởng và hình thái của các dòng bố mẹ vụ Xuân 2015, thời gian sinh trưởng từ gieo đến chín sinh lý dao động từ 80 ngày ở dòng AG10, MX đến 88 ngày ở dòng AG3. Chiều cao cây cuối cùng đạt từ 125,90 cm đến 158,00 cm, chiều cao đóng bắp đạt từ 57,30 cm đến 77,15 cm. Tỷ lệ chiều cao đóng bắp trên chiều cao cây dao động ở mức lý tưởng 43,7% đến 51,4%, đảm bảo trọng tâm cây cân đối và chống đổ gãy tốt. Khoảng cách chênh lệch giữa tung phấn và phun râu rất ngắn, chỉ từ 0 đến 3 ngày, đặc biệt dòng NG523-1 có quá trình tung phấn và phun râu trùng khớp hoàn toàn.

Thứ hai, về khả năng kết hợp, kết quả phân tích phương sai cho thấy sự khác biệt rất rõ nét giữa các dòng ở mức ý nghĩa p < 0,01. Dòng NG15 và dòng NG16 thể hiện giá trị khả năng kết hợp chung về năng suất mang dấu dương cao nhất, chứng minh khả năng truyền các alen có lợi cho thế hệ sau. Về khả năng kết hợp riêng, cặp lai THL13 (NG15 x NG16) và THL15 (NG16 x NG17) đạt hiệu ứng kết hợp riêng cao nhất trong 15 tổ hợp lai khảo nghiệm.

Thứ ba, về năng suất và chất lượng, tổ hợp lai THL13 và THL15 đạt năng suất thực thu vượt trội so với giống đối chứng VNUA69 từ 12,5% đến 18,3%. Số hàng hạt trên bắp đạt 14 đến 16 hàng, số hạt trên hàng đạt 32 đến 36 hạt, vỏ hạt mỏng, độ dẻo đạt điểm 1 theo thang cảm quan.

Thứ tư, về khả năng chống chịu sâu bệnh, toàn bộ các tổ hợp lai đều thể hiện mức độ nhiễm sâu đục thân và sâu đục bắp ở cấp 1 (tỷ lệ hại dưới 5%), mức độ nhiễm bệnh đốm lá lớn và đốm lá nhỏ chỉ ở mức điểm 1 (tỷ lệ vết bệnh từ 1% đến 10%).

Thảo luận kết quả

Ưu thế lai vượt bậc ở THL13 và THL15 hình thành do sự tương tác bổ trợ của các gen không cộng tính khi lai giữa các dòng thuần có nguồn gốc di truyền cách biệt. Tốc độ tăng trưởng số lá đạt cực đại 3,0 đến 3,1 lá trong 7 ngày và tốc độ vươn cao đạt 30,60 đến 30,75 cm trong 7 ngày ở giai đoạn 7-9 lá đến xoắn nõn đã giúp hình thành bộ máy quang hợp tối ưu, tạo nguồn đồng hóa dồi dào để tích lũy chất khô vào bắp.

Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các nghiên cứu trước đây của Vũ Văn Liết và cộng sự năm 2006 khi đánh giá 28 tổ hợp lai luân giao tại Gia Lâm, khẳng định các dòng thuộc các nhóm cách biệt di truyền xa nhau luôn mang lại khả năng kết hợp cao hơn các dòng gần nhau về huyết thống. Đồng thời, nghiên cứu tái khẳng định các công bố của Thongnarin tại Thái Lan về vai trò quyết định của hiệu ứng gen trong việc nâng cao độ dẻo của hồ tinh bột ngô nếp.

Trong thực hành phân tích học thuật, các số liệu này được thể hiện trực quan qua biểu đồ đường mô tả động thái tăng trưởng chiều cao cây qua 6 đợt theo dõi, hệ thống bảng phân tích phương sai hai nhân tố ANOVA I và II, cùng biểu đồ cột so sánh giá trị hiệu ứng khả năng kết hợp chung của 6 dòng bố mẹ.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, đưa ngay 2 dòng thuần ưu tú NG15 (AG3 thế hệ S5) và NG16 (MX thế hệ S3) vào quy trình nhân dòng thuần chủng và lưu trữ quỹ gen quốc gia trong giai đoạn 2016-2018, bảo đảm duy trì độ đồng nhất kiểu gen trên 98% để phục vụ các chương trình lai tạo tiếp theo. Chủ thể thực hiện là Viện Nghiên cứu và Phát triển cây trồng.

Thứ hai, mở rộng khảo nghiệm sản xuất và đánh giá tính thích ứng của 2 tổ hợp lai triển vọng THL13 và THL15 tại các vùng sinh thái trọng điểm gồm Đồng bằng sông Hồng, Trung du miền núi phía Bắc và Bắc Trung Bộ trong khung thời gian 2016-2017. Mục tiêu hướng tới là đạt năng suất bắp tươi ổn định từ 95 đến 115 tạ/ha, tăng hiệu quả kinh tế trên 20% so với giống đại trà.

Thứ ba, hoàn thiện và chuyển giao quy trình kỹ thuật thâm canh chuẩn cho các tổ hợp lai mới dựa trên quy chuẩn 10TCN 341-2006 trước năm 2017. Định mức bón phân khuyến nghị cho 1 ha gồm 1 tấn phân vi sinh kết hợp 120 kg N, 60 kg P2O5 và 60 kg K2O, duy trì mật độ tối ưu từ 55.000 đến 60.000 cây/ha để tối đa hóa chỉ số diện tích lá ở giai đoạn trỗ cờ và chín sữa.

Thứ tư, đẩy mạnh liên kết hợp tác công tư giữa Học viện Nông nghiệp Việt Nam với các doanh nghiệp giống cây trồng nhằm thương mại hóa hạt giống ngô nếp lai F1 trong giai đoạn 2017-2020. Mục tiêu cung ứng ra thị trường từ 50 đến 100 tấn hạt giống mỗi năm, giúp nông dân giảm chi phí mua giống nhập khẩu từ 25% đến 35%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm thứ nhất là các nhà chọn tạo giống cây trồng và chuyên gia di truyền thực vật: Luận văn cung cấp phương pháp luận thực nghiệm chuẩn xác về ứng dụng mô hình lai luân giao Diallel Griffing 4 và mô hình toán học Gardner - Eberhart để đánh giá giá trị GCA và SCA trên cây ngô.

Nhóm thứ hai là giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Khoa học cây trồng, Nông học: Tài liệu là nguồn tham khảo điển hình về kỹ thuật bố trí thí nghiệm ngoài đồng ruộng, phương pháp thu thập 15 chỉ tiêu nông sinh học và kỹ năng xử lý số liệu bằng phần mềm IRRISTAT 5.0 và TKSH.

Nhóm thứ ba là các doanh nghiệp nghiên cứu, sản xuất và kinh doanh hạt giống cây trồng: Cung cấp cơ sở khoa học tin cậy để lựa chọn các cặp lai bố mẹ có độ thuần cao, định hướng sản xuất hạt lai F1 chất lượng với thời gian sinh trưởng ngắn từ 80 đến 88 ngày nhằm gia tăng giá trị thương phẩm.

Nhóm thứ tư là cán bộ khuyến nông và kỹ sư nông nghiệp tại các địa phương: Giúp nắm bắt gói kỹ thuật canh tác ngô nếp ăn tươi thâm canh, từ đó hướng dẫn nông dân xây dựng mô hình gối vụ Đông trên đất 2 vụ lúa nhằm nâng cao giá trị canh tác đạt trên 100 triệu đồng/ha/vụ.

Câu hỏi thường gặp

Khả năng kết hợp chung và khả năng kết hợp riêng có vai trò gì trong việc chọn tạo giống ngô lai? Khả năng kết hợp giúp nhà chọn giống định lượng chính xác giá trị di truyền của dòng bố mẹ. Khả năng kết hợp chung phản ánh hiệu ứng gen cộng tính có thể di truyền ổn định, trong khi khả năng kết hợp riêng thể hiện tương tác trội và siêu trội tạo nên ưu thế lai. Việc xác định này giúp lựa chọn chính xác dòng NG15 và NG16 để tạo ra con lai có năng suất cao hơn đối chứng 12,5% đến 18,3%.

Tại sao mô hình lai luân giao Diallel 4 của Griffing lại được ưu tiên lựa chọn trong nghiên cứu? Mô hình Griffing 4 đánh giá các tổ hợp lai một chiều không bao gồm tự phối dòng bố mẹ và lai nghịch, giúp rút giảm số phép lai xuống còn 15 tổ hợp từ 6 dòng ban đầu. Cách tiếp cận này tiết kiệm 50% công sức thụ phấn cưỡng bức và diện tích ô thí nghiệm nhưng vẫn bảo đảm xác định chính xác các tham số di truyền ở mức tin cậy 95%.

Hai tổ hợp lai THL13 và THL15 có những ưu điểm vượt trội nào so với giống đối chứng VNUA69? THL13 và THL15 sở hữu chu kỳ sinh trưởng ngắn dưới 85 ngày vụ Thu Đông, tỷ lệ đóng bắp cân đối ở mức 45% đến 50% chiều cao thân cây giúp chống đổ ngã tốt. Bắp ngô đạt 14 đến 16 hàng hạt, vỏ hạt mỏng, độ dẻo đạt điểm 1 tuyệt đối và tỷ lệ sâu bệnh hại dưới 5%, vượt trội so với đối chứng cả về năng suất lẫn độ thơm ngon.

Mật độ gieo trồng và quy trình bón phân nào mang lại hiệu quả cao nhất trong thực nghiệm? Quy trình tối ưu áp dụng khoảng cách gieo hàng cách hàng 70 cm, cây cách cây 20 cm, tương đương khoảng 55.000 đến 60.000 cây/ha theo chuẩn 10TCN 341-2006. Chế độ phân bón cho 1 ha gồm 1 tấn phân vi sinh, 120 kg N, 60 kg P2O5 và 60 kg K2O, thực hiện bón lót toàn bộ lân, vi sinh kết hợp 2 lần bón thúc ở giai đoạn 3-5 lá và 7-9 lá.

Kết quả của đề tài có ý nghĩa như thế nào đối với việc phát triển vụ Đông tại các tỉnh phía Bắc? Với thời gian thu bắp tươi chỉ từ 63 đến 73 ngày, các tổ hợp lai triển vọng rất thích hợp gieo trồng trong khung thời vụ Đông từ tháng 9 đến tháng 12 sau khi thu hoạch lúa mùa. Điều này giúp nâng cao hệ số sử dụng đất lên 3 vụ/năm, gia tăng thu nhập cho nông hộ từ 30% đến 40% so với trồng ngô tẻ truyền thống.

Kết luận

Năm đóng góp cốt lõi của công trình nghiên cứu:

  • Tuyển chọn thành công 2 dòng bố mẹ ưu tú NG15 (nguồn gốc Việt Nam, thế hệ S5) và NG16 (nguồn gốc Việt Nam, thế hệ S3) sở hữu giá trị khả năng kết hợp chung và riêng cao nhất.
  • Phát hiện và lai tạo thành công 2 tổ hợp lai đơn triển vọng THL13 (NG15 x NG16) và THL15 (NG16 x NG17) đạt năng suất bắp tươi vượt đối chứng VNUA69 từ 12,5% đến 18,3%.
  • Xác định bộ chỉ tiêu nông sinh học ưu việt với thời gian sinh trưởng ngắn từ 80 đến 88 ngày, chiều cao cây từ 125,90 đến 158,00 cm, khả năng chống chịu sâu đục thân và bệnh đốm lá ở cấp 1.
  • Khẳng định tính ưu việt của mô hình luân giao Diallel Griffing 4 trong việc tối ưu hóa chi phí chọn giống và nâng cao độ chính xác khi ước lượng các tham số di truyền.
  • Xây dựng cơ sở dữ liệu thực nghiệm hoàn chỉnh về động thái tăng trưởng và chất lượng cảm quan cho 6 dòng ngô nếp tự phối phục vụ chương trình chọn tạo giống quốc gia.

Kế hoạch hành động tiếp theo cần tập trung khảo nghiệm diện rộng VCU và DUS trong giai đoạn 2016-2018 tại các vùng sinh thái trọng điểm để sớm hoàn thiện hồ sơ công nhận giống quốc gia. Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp giống cây trồng hãy chủ động liên kết, khai thác nguồn vật liệu di truyền quý giá này nhằm đưa các giống ngô nếp lai chất lượng cao vào phục vụ sản xuất nông nghiệp bền vững.