Tổng quan nghiên cứu

Sản xuất lúa gạo giữ vị trí then chốt trong việc bảo đảm an ninh lương thực quốc gia và duy trì vị thế xuất khẩu của Việt Nam. Tuy nhiên, quá trình đô thị hóa và công nghiệp hóa đang khiến diện tích đất trồng lúa suy giảm từ 4,0 triệu ha năm 2010 xuống còn khoảng 3,6 đến 3,8 triệu ha. Trong khi nước ta xuất khẩu khoảng 5 đến 7 triệu tấn gạo mỗi năm, nhu cầu nhập khẩu ngô và đậu tương phục vụ chăn nuôi cũng chạm ngưỡng 5 đến 7 triệu tấn/năm. Trước áp lực gia tăng dân số hướng tới mốc 100 đến 120 triệu người, việc nâng cao trần năng suất lúa trên một đơn vị diện tích trở thành đòi hỏi sống còn. Sau hơn 20 năm phát triển, diện tích gieo cấy lúa lai đạt 593.000 ha vào năm 2015, mang lại năng suất cao hơn lúa thuần từ 24,2% đến 66,3%. Mặc dù vậy, các giống lúa lai ba dòng truyền thống đang dần đạt ngưỡng giới hạn di truyền, đặt ra yêu cầu cấp thiết phải phát triển các tổ hợp lúa lai siêu cao sản thế hệ mới.

Nghiên cứu này được thực hiện nhằm đánh giá toàn diện khả năng thích ứng nông sinh học, tính chống chịu sâu bệnh và mức độ ổn định năng suất của 11 tổ hợp lúa lai hai dòng định hướng siêu cao sản. Mục tiêu cụ thể là tuyển chọn từ 1 đến 2 tổ hợp ưu tú có khả năng đạt năng suất thực thu 9 đến 11 tấn/ha (90 đến 110 tạ/ha) trong vụ Xuân, thích hợp với các tiểu vùng sinh thái nông nghiệp. Phạm vi thực nghiệm được triển khai đồng bộ trong vụ Xuân và vụ Mùa năm 2015 tại 3 vùng sinh thái đại diện gồm: Đồng bằng sông Hồng (Thanh Trì - Hà Nội), Miền núi phía Bắc (Văn Chấn - Yên Bái) và Tây Nguyên (Buôn Ma Thuột - Đắk Lắk). Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện ở việc xác lập cơ sở dữ liệu thực chứng cho công tác chọn tạo giống lúa lai khác loài phụ, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế trên 1 ha canh tác thêm 15% đến 20% và củng cố vững chắc an ninh lương thực quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết ưu thế lai liên loài phụ (Intersubspecific Heterosis) giữa hai phân loài Oryza sativa subsp. indica và Oryza sativa subsp. japonica. Theo các công trình kinh điển của nền nông học thế giới, con lai F1 giữa Indica và Japonica có tiềm năng năng suất vượt trội hơn 30% so với các tổ hợp lai trong cùng loài phụ nhờ sức chứa bông lớn, diện tích lá đòng mở rộng và cường độ quang hợp cao hơn dòng bố mẹ tới 35%.

Rào cản lớn nhất của phép lai xa giữa hai phân loài là hiện tượng bán bất dục ở con lai F1 do bất tương hợp di truyền. Để khắc phục triệt để hiện tượng này, nghiên cứu áp dụng lý thuyết gen tương hợp rộng (Wide-Compatibility Gene - WC) với sự hiện diện của alen S-5n (Sn5) định vị trên nhiễm sắc thể số 6. Alen S-5n đóng vai trò như cầu nối di truyền, giúp hạt phấn và noãn thụ tinh bình thường, duy trì tỷ lệ kết hạt của con lai đạt trên 85%.

Bên cạnh đó, đề tài ứng dụng mô hình kiểu cây lúa lý tưởng (Ideal Plant Type / New Plant Type) do Viện Nghiên cứu Lúa Quốc tế (IRRI) và các nhà khoa học Trung Quốc khởi xướng. Mô hình quy định cây có dạng hình nửa lùn với chiều cao 110 đến 120 cm, thân cứng chống đổ ngã, bộ rễ ăn sâu, 3 lá công năng trên cùng đứng thẳng hình lòng mo giúp tối ưu hóa hấp thu ánh sáng và chỉ số diện tích lá đạt 8 đến 10. Hệ thống lúa lai hai dòng khai thác dòng mẹ bất dục đực cảm ứng nhiệt độ (TGMS) mang gen WC được xem là công cụ cốt lõi để nâng cao năng suất sinh học và chỉ số thu hoạch.

Phương pháp nghiên cứu

Vật liệu nghiên cứu gồm 11 tổ hợp lúa lai hai dòng định hướng siêu cao sản ký hiệu từ SL1 đến SL11 do Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Lúa lai (Viện Cây lương thực và Cây thực phẩm) lai tạo, sử dụng giống lúa lai đối chứng quốc gia Nhị ưu 838. Mỗi công thức khảo nghiệm được lấy mẫu ngẫu nhiên trên 10 khóm mẫu đại diện cho mỗi lần nhắc lại để đo đếm các chỉ tiêu nông sinh học, đồng thời gặt toàn bộ diện tích ô để xác định năng suất thực thu quy chuẩn về độ ẩm 13%.

Thí nghiệm được bố trí theo phương pháp Khối ngẫu nhiên hoàn chỉnh (RCBD) với 3 lần nhắc lại. Diện tích mỗi ô thí nghiệm là 10 m2 (kích thước 5m x 2m), khoảng cách giữa các ô là 10 cm và giữa các lần nhắc lại là 20 cm. Tại Thanh Trì và Yên Bái, phương thức canh tác là gieo mạ và cấy với mật độ 25 khóm/m2 (cấy 2 dảnh/khóm, khoảng cách hàng 20 cm). Tại Đắk Lắk, thí nghiệm áp dụng phương thức gieo sạ trực tiếp với mật độ hạt giống 4 kg/1000 m2. Chế độ phân bón thâm canh cao vụ Xuân sử dụng 10 tấn phân chuồng (hoặc 1 tấn phân hữu cơ vi sinh) kết hợp 150-160 kg N + 120 kg P2O5 + 140 kg K2O/ha; vụ Mùa áp dụng 130-140 kg N + 90 kg P2O5 + 120 kg K2O/ha theo nguyên tắc bón nặng đầu nhẹ cuối và điều tiết nước ướt khô xen kẽ.

Toàn bộ quy trình theo dõi thực hiện nghiêm ngặt theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 01-55: 2011/BNNPTNT và Hệ thống tiêu chuẩn đánh giá nguồn gen lúa (SES) của IRRI. Dữ liệu thực nghiệm thu thập từ tháng 1 đến tháng 11 năm 2015 được phân tích phương sai ANOVA bằng phần mềm IRRISTAT 5.0 và Microsoft Excel 2007. Độ ổn định năng suất và tương tác kiểu gen với môi trường được xử lý chuyên sâu qua mô hình thống kê sinh học của Nguyễn Đình Hiền và phương pháp Gomez & Gomez (1984). Việc lựa chọn các công cụ thống kê này đảm bảo khả năng kiểm soát tối đa sai số ngẫu nhiên và lượng hóa chính xác mức độ tương tác sinh thái tại các vùng nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo nghiệm 11 tổ hợp lúa lai hai dòng siêu cao sản qua 2 vụ tại 3 vùng sinh thái mang lại những phát hiện quan trọng:

  • Đặc tính sinh trưởng và hình thái đồng ruộng: Thời gian sinh trưởng của các tổ hợp biến động từ 100 đến 138 ngày trong vụ Xuân và từ 100 đến 118 ngày trong vụ Mùa. Chiều cao cây trung bình dao động từ 103,3 đến 130,9 cm (vụ Xuân) và 100,2 đến 130,8 cm (vụ Mùa). Hầu hết các tổ hợp sở hữu thân cây cứng cáp, góc lá đứng gọn, độ tàn lá chậm và khả năng chống đổ ngã đạt điểm 1 đến 3. Mức độ nhiễm các đối tượng sâu bệnh hại chính như bệnh bạc lá, đạo ôn, khô vằn và rầy nâu đều ở mức nhẹ (điểm 1 đến 3), tương đương hoặc thấp hơn giống đối chứng Nhị ưu 838.
  • Biến động năng suất thực thu: Năng suất thực thu toàn bộ các tổ hợp dao động từ 60,2 đến 102,9 tạ/ha trong vụ Xuân và từ 56,8 đến 83,1 tạ/ha trong vụ Mùa. Đỉnh năng suất cao nhất được ghi nhận tại vùng Tây Nguyên trong vụ Xuân với các tổ hợp SL2 (100,8 tạ/ha), SL4 (101,5 tạ/ha) và SL9 (102,9 tạ/ha), vượt ngưỡng 10 tấn/ha. Trong vụ Mùa, tổ hợp SL8 và SL10 đạt năng suất cao nhất lần lượt là 82,3 tạ/ha và 83,1 tạ/ha tại Tây Nguyên, vượt đối chứng từ 11% đến 12%.
  • Tuyển chọn tổ hợp triển vọng theo mùa vụ: Trong vụ Xuân tại Đồng bằng sông Hồng và Tây Nguyên, 3 tổ hợp nổi trội gồm SL1 (D116Tr/RG62), SL2 (D116T/R30) và SL9 (D116Tr/R725) đạt năng suất bình quân 90,3 đến 92,6 tạ/ha, vượt đối chứng có ý nghĩa thống kê từ 7 đến 9 tạ/ha. Trong vụ Mùa, hai tổ hợp SL1 và SL3 (D116T/R10) dẫn đầu với năng suất trung bình 73,5 đến 74,1 tạ/ha, cao hơn đối chứng từ 11,1% đến 14,2%.
  • Độ ổn định di truyền và phẩm chất gạo: Toàn bộ 11 tổ hợp duy trì số hạt chắc trên bông ổn định qua 3 vùng sinh thái. Có 10 trên 12 công thức thí nghiệm thể hiện độ ổn định năng suất cao qua phân tích hồi quy. Về chất lượng thương phẩm, tổ hợp SL9 thể hiện tính ưu việt toàn diện khi vừa sở hữu năng suất kỷ lục vừa có tỷ lệ gạo xát đạt 70,5%, tỷ lệ gạo nguyên cao, hàm lượng Amylose ở mức lý tưởng 18,5% đến 19,5%, cơm mềm đậm và thơm nhẹ. Hai tổ hợp SL7 (827S/D46) và SL11 (25S/AiQ6) có chất lượng cơm ngon đặc biệt.

Thảo luận kết quả

Sự vượt trội về năng suất của các tổ hợp lúa lai thử nghiệm bắt nguồn từ việc kết hợp thành công giữa ưu thế lai khác loài phụ Indica/Japonica và kiểu hình cây lúa lý tưởng. Việc đưa gen tương hợp rộng WC vào dòng mẹ TGMS giúp giải phóng rào cản bất thụ, tạo nên những bông lúa cỡ lớn mang từ 180 đến 220 hạt chắc/bông, vượt 15% đến 25% so với lúa lai ba dòng thông thường. Diện tích lá đòng lớn cùng khả năng quang hợp bền bỉ sau trỗ đảm bảo nguồn carbohydrate dồi dào để nuôi hạt, giúp tỷ lệ lép duy trì ở mức thấp dưới 15%.

Khi so sánh giữa các vùng sinh thái, năng suất thực thu tại Tây Nguyên luôn đạt mức cao nhất (vụ Xuân đạt trên 100 tạ/ha), kế tiếp là Đồng bằng sông Hồng và Miền núi phía Bắc. Hiện tượng này được giải thích bởi điều kiện khí hậu Tây Nguyên có cường độ bức xạ mặt trời cao, lượng nhiệt tích lũy lớn và biên độ nhiệt ngày đêm chênh lệch rõ rệt, thúc đẩy hiệu suất tích lũy chất khô của lúa lai hai dòng. Điều này hoàn toàn trùng khớp với các công bố của Yuan Longping và Cheng về tiềm năng khai thác năng suất sinh học tại các vùng thâm canh nhiệt đới có điều kiện bức xạ thuận lợi.

Trong báo cáo phân tích, toàn bộ dữ liệu cấu thành năng suất (số bông/m2, số hạt chắc/bông, khối lượng 1000 hạt) và năng suất thực thu qua các vụ có thể được trực quan hóa qua biểu đồ cột so sánh tương quan năng suất với đối chứng Nhị ưu 838, kết hợp bảng ma trận phương sai đánh giá hệ số thích ứng sinh thái. Kết quả này chứng minh rằng việc phá vỡ trần năng suất lúa không làm suy giảm chất lượng cơm, mở ra triển vọng đưa giống lúa SL9 vào cơ cấu thâm canh lúa chất lượng cao tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nhanh chóng đưa các kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị then chốt:

  • Hoàn thiện quy trình công nghệ sản xuất hạt giống lai F1: Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Lúa lai cần tập trung tối ưu hóa các biện pháp kỹ thuật gieo cấy bố mẹ cho hai tổ hợp chủ lực SL2 (D116T/R30) và SL9 (D116Tr/R725). Điều chỉnh thời gian sinh trưởng của dòng mẹ TGMS và dòng bố phục hồi để đạt độ trùng khớp trỗ bông từ 85% đến 90%, nâng cao năng suất hạt lai F1 đạt mốc 3,0 đến 4,0 tấn/ha tại các vùng sản xuất tập trung như Đắk Lắk và Bình Định trong giai đoạn 2016 - 2018.
  • Khảo nghiệm mở rộng mạng lưới quốc gia (VCU và DUS): Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn giao Trung tâm Khảo kiểm nghiệm Giống và Sản phẩm Cây trồng Quốc gia đưa 3 tổ hợp ưu tú gồm SL1, SL2 và SL9 vào hệ thống khảo nghiệm diện rộng tại các vùng sinh thái trọng điểm trong khung thời gian 2017 - 2019, phấn đấu hoàn tất hồ sơ công nhận giống cây trồng mới.
  • Xây dựng quy trình thâm canh siêu cao sản đặc thù: Các Trung tâm Khuyến nông địa phương tại vùng Đồng bằng sông Hồng và Tây Nguyên phối hợp xây dựng gói kỹ thuật canh tác tối ưu: bón cân đối 150-160 kg N + 120 kg P2O5 + 140 kg K2O/ha, bổ sung 1 tấn phân hữu cơ vi sinh, kết hợp kỹ thuật tưới ướt khô xen kẽ nhằm tiết kiệm 20% lượng nước tưới, tăng khả năng chống đổ và duy trì năng suất trên 9,5 tấn/ha trong vụ Xuân.
  • Thương mại hóa và chuyển giao bản quyền công nghệ: Đẩy mạnh hợp tác công tư giữa viện nghiên cứu và các doanh nghiệp giống cây trồng quy mô lớn để chuyển nhượng bản quyền thương mại tổ hợp lúa lai thơm năng suất cao SL9, đặt mục tiêu mở rộng diện tích gieo cấy đạt 20.000 đến 30.000 ha vào năm 2022.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và số liệu thực nghiệm trong luận văn mang lại giá trị ứng dụng thiết thực cho 4 nhóm đối tượng:

  • Các nhà chọn tạo giống và nhà khoa học nông nghiệp: Cung cấp nguồn tài liệu học thuật chuyên sâu về phương pháp ứng dụng gen tương hợp rộng WC (Sn5), kỹ thuật phát triển dòng TGMS và chiến lược khai thác ưu thế lai liên loài phụ Indica/Japonica để tạo giống cây trồng siêu năng suất.
  • Doanh nghiệp và công ty sản xuất kinh doanh hạt giống: Tiếp cận các tổ hợp lúa lai tiềm năng (SL2, SL9) với số liệu thực nghiệm chi tiết về năng suất F1, tỷ lệ kết hạt và phản ứng sâu bệnh, phục vụ chiến lược mua bản quyền thương mại và tổ chức vùng sản xuất hạt lai quy mô lớn trên 500 ha.
  • Cán bộ quản lý nông nghiệp và khuyến nông các địa phương: Nắm bắt chính xác đặc tính nông học, khung thời vụ và biên độ thích ứng của từng tổ hợp tại 3 vùng sinh thái để quy hoạch cơ cấu giống vụ Đông Xuân và vụ Mùa, xây dựng mô hình cánh đồng mẫu lớn đạt 9 đến 10 tấn/ha.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Khoa học cây trồng, Di truyền học: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp bố trí thí nghiệm đồng ruộng RCBD, quy chuẩn QCVN 01-55: 2011/BNNPTNT và kỹ thuật phân tích độ ổn định kiểu gen theo mô hình sinh thái thực nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

Điểm đột phá chính của các tổ hợp lúa lai trong nghiên cứu này là gì?

Đột phá lớn nhất là việc tích hợp thành công gen tương hợp rộng WC vào dòng mẹ TGMS để khai thác ưu thế lai liên loài phụ Indica/Japonica. Sự kết hợp này phá vỡ hiện tượng bán bất dục ở con lai F1, giúp số hạt chắc trên bông đạt từ 180 đến 220 hạt và đẩy năng suất thực thu vụ Xuân vượt ngưỡng 10 tấn/ha (100,6 đến 102,9 tạ/ha) tại vùng Tây Nguyên.

Vì sao vùng Tây Nguyên lại đạt năng suất lúa lai cao hơn Đồng bằng sông Hồng và Miền núi phía Bắc?

Vùng Tây Nguyên sở hữu nền nhiệt dồi dào, cường độ bức xạ mặt trời cao trong mùa khô và biên độ chênh lệch nhiệt độ giữa ngày và đêm lớn. Điều kiện khí tượng này hạn chế tối đa tiêu hao năng lượng qua hô hấp ban đêm, thúc đẩy quá trình tích lũy chất khô vào bông hạt, giúp các tổ hợp như SL2, SL4 và SL9 đạt đỉnh năng suất trên 100 tạ/ha.

Tổ hợp lúa lai nào thể hiện sự cân bằng tốt nhất giữa năng suất và chất lượng cơm?

Tổ hợp SL9 (D116Tr/R725) là giống triển vọng nhất khi đạt năng suất vụ Xuân bình quân 90,3 đến 92,6 tạ/ha, đồng thời mang phẩm chất gạo vượt trội: tỷ lệ gạo xát đạt 70,5%, hàm lượng Amylose tối ưu 18,5% đến 19,5%, hạt gạo thon dài, cơm trắng dẻo, đậm vị và có mùi thơm nhẹ, xóa bỏ định kiến lúa lai năng suất cao thì chất lượng gạo kém.

Gen tương hợp rộng đóng vai trò gì trong công tác chọn tạo lúa lai siêu cao sản?

Gen tương hợp rộng (tiêu biểu là alen S-5n trên nhiễm sắc thể số 6) đóng vai trò chất điều hòa di truyền, ngăn chặn sự thoái hóa giao tử cái khi lai giữa hai loài phụ có nguồn gốc di truyền xa nhau như Indica và Japonica. Nhờ có gen WC, con lai F1 đạt tỷ lệ đậu hạt bình thường trên 85%, cho phép phát huy tối đa ưu thế lai siêu trội về kích thước bông.

Chế độ bón phân cho lúa lai hai dòng siêu cao sản cần tuân thủ nguyên tắc nào?

Cần áp dụng chế độ thâm canh cao với mức bón 150-160 kg N + 120 kg P2O5 + 140 kg K2O kết hợp 1 tấn phân hữu cơ vi sinh cho 1 ha trong vụ Xuân. Thực hiện bón lót sâu toàn bộ phân chuồng, phân lân và 30% lượng đạm; bón thúc đẻ nhánh sớm với 40-50% đạm và 30% kali nhằm kích thích đẻ nhánh tập trung, tạo tiền đề hình thành bông to và cứng cây chống đổ.

Kết luận

  • Luận văn đã đánh giá toàn diện 11 tổ hợp lúa lai hai dòng siêu cao sản mới lai tạo, chứng minh khả năng sinh trưởng khỏe, độ cứng cây cao, kháng đổ ngã và mức độ nhiễm sâu bệnh hại chính ở mức rất nhẹ qua 2 vụ tại 3 vùng sinh thái trọng điểm.
  • Xác định năng suất thực thu vụ Xuân dao động 60,2 đến 102,9 tạ/ha, vụ Mùa đạt 56,8 đến 83,1 tạ/ha; trong đó Tây Nguyên là vùng có tiềm năng khai thác năng suất cao nhất với các tổ hợp SL2, SL4 và SL9 vượt mốc 100 tạ/ha.
  • Tuyển chọn thành công các tổ hợp ưu tú nhất gồm SL1, SL2 và SL9 cho vụ Xuân (năng suất 90,3 đến 92,6 tạ/ha, vượt đối chứng 7 đến 9 tạ/ha) và SL1, SL3 cho vụ Mùa (năng suất 73,5 đến 74,1 tạ/ha, vượt đối chứng 11,1% đến 14,2%).
  • Khẳng định tổ hợp SL9 là giống lúa lai siêu cao sản triển vọng toàn diện, dung hòa xuất sắc giữa tiềm năng năng suất trên 10 tấn/ha và phẩm chất gạo thương phẩm mềm ngon, thơm nhẹ, có độ ổn định di truyền cao qua các vùng sinh thái.
  • Đóng góp luận cứ khoa học quan trọng cho chiến lược sử dụng gen tương hợp rộng WC trong chọn tạo giống lúa liên loài phụ tại Việt Nam.

Kế hoạch tiếp theo trong giai đoạn 2017 - 2020 là mở rộng mạng lưới khảo nghiệm sản xuất và hoàn thiện quy trình nhân giống hạt lai F1. Quý độc giả, các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp nông nghiệp quan tâm hãy kết nối với cơ quan chủ quản để tiếp nhận chuyển giao kỹ thuật và thúc đẩy thương mại hóa nguồn gen giống lúa lai siêu cao sản quý giá này.