Tổng quan nghiên cứu

Cây ngô giữ vị trí là cây ngũ cốc có sản lượng hàng năm dẫn đầu toàn cầu, đạt khoảng 1041,7 triệu tấn vào niên vụ 2017/2018. Tại Việt Nam, ngô là cây màu lương thực đứng thứ hai sau lúa nước với diện tích canh tác cả nước năm 2017 đạt khoảng 1,1 triệu ha và sản lượng ước tính 5,1 triệu tấn. Mặc dù năng suất bình quân đã tăng từ 15,5 tạ/ha năm 1990 lên 46,7 tạ/ha năm 2017, nguồn cung nội địa vẫn chưa đáp ứng đủ nhu cầu sản xuất thức ăn chăn nuôi. Hàng năm Việt Nam phải nhập khẩu tới 7,75 triệu tấn ngô hạt với tổng kim ngạch lên đến 1,51 tỷ USD. Khó khăn lớn nhất hiện nay là khoảng 80% diện tích trồng ngô phân bố tại các vùng trung du, đồi núi dốc phía Bắc và Tây Nguyên, nơi hệ thống thủy lợi chưa hoàn thiện và phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn nước mưa tự nhiên.

Hạn hán là nguyên nhân hàng đầu làm giảm khoảng 15% tổng sản lượng ngô toàn cầu mỗi năm, tương đương thiệt hại 120 triệu tấn hạt và 35 tỷ USD. Đề tài nghiên cứu được thực hiện nhằm đánh giá đặc điểm nông sinh học, khả năng kết hợp và mức độ chống chịu hạn của 6 dòng ngô bố mẹ cùng 15 tổ hợp ngô lai F1. Mục tiêu cốt lõi là tuyển chọn các tổ hợp lai có năng suất cao, khả năng chống chịu bất thuận tốt, thích ứng tối ưu với điều kiện canh tác nhờ nước trời. Các thí nghiệm được triển khai từ tháng 8/2018 đến tháng 8/2019 tại Viện Nghiên cứu và Phát triển cây trồng, thị trấn Trâu Quỳ, huyện Gia Lâm, thành phố Hà Nội. Đề tài đóng góp cơ sở khoa học quan trọng hỗ trợ chủ trương của ngành nông nghiệp trong việc chuyển đổi 236.000 ha đất trồng lúa kém hiệu quả sang canh tác ngô thích ứng với biến đổi khí hậu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng thuyết ưu thế lai và phương pháp phát triển dòng thuần tự phối của George Harrison Shull khởi xướng năm 1909, kết hợp phương pháp lai tạo giống ngô quy ước của Edward Murray East phát triển năm 1917. Nền tảng di truyền học số lượng được vận dụng để phân tích khả năng kết hợp chung và khả năng kết hợp riêng theo phương pháp lai luân phiên diallel của Griffing công bố năm 1956. Mô hình này cho phép tách biệt phương sai di truyền cộng tính của bố mẹ và phương sai không cộng tính điều khiển ưu thế lai ở đời con.

Bên cạnh đó, đề tài tích hợp lý thuyết di truyền tính trạng chịu hạn ở cây ngũ cốc của Trung tâm Cải tiến Ngô và Lúa mỳ Quốc tế (CIMMYT) và Viện Nông nghiệp Nhiệt đới Quốc tế (IITA). Ba khái niệm trung tâm bao gồm: Khả năng kết hợp chung (GCA) phản ánh giá trị giống trung bình của một dòng thuần; Khả năng kết hợp riêng (SCA) biểu thị tính trạng vượt trội của một cặp lai cụ thể; và Khoảng cách tung phấn - phun râu (ASI) là chỉ số sinh lý then chốt quyết định tỷ lệ đậu hạt khi gặp hạn. Khi thời gian ASI kéo dài trên 5 ngày, năng suất hạt của cây ngô có thể suy giảm từ 40% đến 90%.

Phương pháp nghiên cứu

Vật liệu nghiên cứu gồm 6 dòng ngô tự phối thuần ở thế hệ tự phối thứ 6 (ký hiệu D1 đến D6 có nguồn gốc từ H35, VĐ17-16, H264, L901, T1691 và H493), 15 tổ hợp lai F1 lai theo sơ đồ diallel nửa đầy đủ và giống đối chứng LCH9 của Viện Nghiên cứu Ngô. Cỡ mẫu đánh giá đồng ruộng gồm 66 ô thí nghiệm với tổng diện tích 924 m2, mật độ gieo trồng 57.000 cây/ha với khoảng cách 70 cm x 25 cm.

Thí nghiệm được bố trí theo khối ngẫu nhiên hoàn chỉnh (RCBD) gồm 3 lần nhắc lại theo phương pháp của Gomez năm 1984 nhằm kiểm soát triệt để sai số do sự không đồng nhất của độ phì đất. Quá trình đánh giá chịu hạn được chia thành 2 pha độc lập: pha cây con trong chậu plastic theo phương pháp Camacho và Caraballo năm 1994, pha trỗ cờ - phun râu trong nhà có mái che di động theo quy trình của Pervez. Toàn bộ số liệu nông sinh học và năng suất được đối chiếu theo Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia QCVN 01:56-2011/BNNPTNT và xử lý thống kê phân tích phương sai ANOVA bằng phần mềm chuyên dụng IRRISTAT phiên bản 5.0.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, kết quả đánh giá 6 dòng tự phối thuần cho thấy thời gian sinh trưởng biến động từ 91 đến 104 ngày trong vụ Thu Đông 2018 và từ 99 đến 117 ngày trong vụ Xuân 2019. Các dòng được phân định thành hai nhóm: nhóm chín sớm gồm D1 và D3; nhóm chín trung bình gồm D2, D4, D5 và D6. Năng suất thực thu của các dòng bố mẹ dao động từ 17,0 đến 27,2 tạ/ha, trong đó dòng D5 đạt năng suất hạt cao nhất từ 25,0 đến 27,2 tạ/ha, còn dòng D3 cho năng suất thấp nhất đạt 17,0 đến 17,6 tạ/ha.

Thứ hai, trong điều kiện thâm canh đủ nước ở vụ Xuân 2019, 15 tổ hợp lai phân thành 3 nhóm chín rõ rệt: 5 tổ hợp lai ngắn ngày (105 ngày), 7 tổ hợp lai trung ngày (106 đến 113 ngày) và 3 tổ hợp lai dài ngày (trên 120 ngày). Ba tổ hợp lai gồm THL4 (D1 x D5), THL8 (D2 x D5) và THL13 (D4 x D5) đạt năng suất thâm canh cao nhất từ 74,0 đến 75,0 tạ/ha, vượt trội về kiểu hình gọn lá, bộ lá xanh bền đến khi thu hoạch và đạt điểm 1 tuyệt đối về khả năng chống đổ ngã và chịu rét.

Thứ ba, ở giai đoạn cây con, các dòng D3, D4, D5 cùng các tổ hợp lai THL4, THL14 (D4 x D6) và THL15 (D5 x D6) thể hiện sức chịu hạn tốt nhất thông qua thể tích bộ rễ lớn và điểm phục hồi độ tàn lá cao sau chu kỳ gây héo nhân tạo.

Thứ tư, khi gây hạn nhân tạo nghiêm trọng vào giai đoạn trỗ cờ - phun râu, hai tổ hợp lai THL3 (D1 x D4) và THL14 (D4 x D6) duy trì năng suất thực thu cao vượt trội, độ chênh lệch ASI ngắn dưới 3 ngày và có chỉ số mẫn cảm hạn SSI thấp nhất, vượt qua giống đối chứng LCH9.

Thảo luận kết quả

Khả năng duy trì năng suất của THL3 và THL14 trong điều kiện bất thuận được lý giải bởi sự tương tác di truyền vượt trội giữa các gen quy định tính trạng cấu thành bắp. Dòng bố D5 và dòng mẹ D4 đóng vai trò nguồn gen cho quan trọng nhờ hiệu ứng khả năng kết hợp chung dương về số hàng hạt/bắp và khối lượng 1000 hạt. Dữ liệu phân tích phương sai hai chiều cho thấy hiệu ứng khả năng kết hợp riêng đạt mức sai khác có ý nghĩa thống kê rất cao ở độ tin cậy 99%.

Khi biểu diễn dữ liệu qua biểu đồ tán xạ tương quan giữa chỉ số chịu bất thuận hạn (STI) và năng suất thực thu, các tổ hợp lai THL3 và THL14 luôn nằm ở góc phần tư có năng suất cao và độ ổn định lớn nhất. Sự phối hợp giữa dòng bố D5 với các dòng mẹ D1, D2, D4 tạo ra ưu thế lai biểu hiện rõ nét ở khả năng quang hợp và kéo dài thời gian xanh của lá dưới áp lực thiếu nước. Kết quả này hoàn toàn nhất quán với các nghiên cứu của CIMMYT và IITA khi khẳng định hoạt động của gen không cộng tính đóng vai trò quyết định đến năng suất ngô lai trong điều kiện khô hạn.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, triển khai mở rộng khảo nghiệm mạng lưới quốc gia (khảo nghiệm VCU và DUS) đối với hai tổ hợp lai triển vọng THL3 và THL14 tại các vùng sinh thái đồi dốc như Tây Bắc và Tây Nguyên trong giai đoạn 2020-2022. Mục tiêu đặt ra là kiểm chứng độ ổn định năng suất đạt từ 55,0 đến 65,0 tạ/ha trong điều kiện hoàn toàn nhờ nước mưa tự nhiên.

Thứ hai, Viện Nghiên cứu và Phát triển cây trồng cần duy trì hệ thống bảo tồn, nhân thuần dòng gốc và sản xuất hạt lai F1 đối với dòng bố D5 (nguồn gốc T1691) và các dòng mẹ D1, D4. Cần chuẩn hóa quy trình khử cờ và bố trí tỷ lệ hàng bố mẹ 1:4 hoặc 2:6 để đạt sản lượng hạt lai thương phẩm trên 2,5 tấn/ha.

Thứ ba, các cơ sở nghiên cứu chọn giống cây trồng cần đẩy mạnh ứng dụng kỹ thuật chỉ thị phân tử (chỉ thị SSR và SNP) kết hợp với chọn lọc phả hệ truyền thống. Cần tập trung dò tìm các locut tính trạng số lượng (QTLs) liên kết với gen quy định tính trạng ASI ngắn và gen tổng hợp dehydrin nhằm rút ngắn thời gian chọn dòng từ 6 vụ xuống còn 3 vụ.

Thứ tư, Trung tâm Khuyến nông Quốc gia và Sở Nông nghiệp các tỉnh trung du miền núi cần xây dựng gói kỹ thuật thâm canh ngô chịu hạn hoàn chỉnh. Quy trình cần chuẩn hóa mật độ gieo trồng 5,7 vạn cây/ha, áp dụng bón phân lót sâu kết hợp che phủ tàn dư thực vật để giữ ẩm tầng đất mặt, giúp cây ngô vượt qua các đợt hạn đầu vụ kéo dài từ 10 đến 15 ngày.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm thứ nhất là các nhà khoa học, chuyên gia chọn tạo giống cây trồng tại các viện nghiên cứu và trường đại học nông lâm. Luận văn cung cấp phương pháp luận thực nghiệm chuẩn mực về thiết kế lai diallel 6x6, cách đánh giá phản ứng hạn 2 pha và quy trình phân tích phương sai di truyền bằng phần mềm IRRISTAT.

Nhóm thứ hai là các doanh nghiệp sản xuất và kinh doanh hạt giống cây trồng trên toàn quốc. Các đơn vị này có thể khai thác trực tiếp nguồn vật liệu di truyền là các dòng thuần D4, D5 cùng hai tổ hợp lai THL3, THL14 để liên kết thương mại hóa hạt lai F1 năng suất 74,0 đến 75,0 tạ/ha.

Nhóm thứ ba là cán bộ quản lý nông nghiệp, khuyến nông viên tại các địa phương thường xuyên chịu ảnh hưởng của khô hạn. Luận văn cung cấp căn cứ thực tiễn để xây dựng kế hoạch chuyển đổi cơ cấu cây trồng trên 236.000 ha đất canh tác lúa bấp bênh nguồn nước sang trồng ngô lai chịu hạn.

Nhóm thứ tư là học viên cao học, sinh viên chuyên ngành Khoa học cây trồng, Di truyền và Chọn giống. Công trình là tài liệu tham khảo giá trị về cách xử lý các chỉ số sinh lý chịu hạn phức tạp như STI, TOL, SSI và phương pháp đánh giá bệnh hại theo tiêu chuẩn quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao việc tuyển chọn giống ngô chịu hạn lại cấp thiết tại Việt Nam?

Khoảng 80% diện tích ngô của nước ta canh tác trên đất dốc phụ thuộc vào nước trời, trong khi hạn hán làm giảm 15% sản lượng ngô toàn cầu. Bên cạnh đó, Việt Nam phải nhập khẩu tới 7,75 triệu tấn ngô mỗi năm với chi phí 1,51 tỷ USD, do đó giống ngô chịu hạn là chìa khóa gia tăng sản lượng nội địa.

Mô hình lai luân phiên Diallel của Griffing mang lại lợi ích gì trong nghiên cứu?

Mô hình diallel 6 dòng bố mẹ theo phương pháp 4 của Griffing giúp tạo ra 15 tổ hợp lai F1 không lặp. Phương pháp này cho phép ước lượng chính xác hiệu ứng khả năng kết hợp chung của từng dòng thuần và khả năng kết hợp riêng của từng cặp lai, loại bỏ sai số do ảnh hưởng tế bào chất của dòng mẹ.

Những tổ hợp lai nào thể hiện tiềm năng vượt trội nhất trong đề tài?

Nghiên cứu đã tuyển chọn được hai tổ hợp lai chịu hạn xuất sắc cho vùng nhờ nước trời là THL3 và THL14 nhờ chỉ số ASI ngắn và năng suất ổn định. Đồng thời, ba tổ hợp lai THL4, THL8 và THL13 đạt năng suất thâm canh cao nhất từ 74,0 đến 75,0 tạ/ha khi được cung cấp đủ nước.

Giai đoạn sinh trưởng nào của cây ngô chịu ảnh hưởng nặng nề nhất bởi khô hạn?

Giai đoạn trỗ cờ - phun râu là thời kỳ mẫn cảm nhất với sự thiếu hụt độ ẩm đất. Nếu gặp hạn kéo dài từ 7 đến 10 ngày trước và sau khi trỗ cờ, khoảng cách tung phấn - phun râu (ASI) bị kéo dài khiến quá trình thụ phấn thất bại, dẫn đến bắp không có hạt và làm giảm năng suất nghiêm trọng.

Phương pháp đánh giá hạn nhân tạo nào đã được áp dụng trong luận văn?

Đề tài kết hợp hai phương pháp sàng lọc: đánh giá hạn ở giai đoạn cây con trong chậu plastic theo quy chuẩn Camacho với mật độ kiểm soát nghiêm ngặt, và đánh giá hạn giai đoạn ra hoa trong nhà có mái che di động theo phương pháp của Pervez trên 66 ô thí nghiệm đồng ruộng.

Kết luận

  • Đánh giá toàn diện đặc tính nông sinh học của 6 dòng ngô tự phối thuần qua 2 vụ canh tác, xác định dòng D5 đạt năng suất dòng cao nhất từ 25,0 đến 27,2 tạ/ha.
  • Lai tạo thành công 15 tổ hợp lai F1 theo sơ đồ diallel nửa đầy đủ và xác định 3 tổ hợp lai THL4, THL8, THL13 có tiềm năng năng suất thâm canh đạt 74,0 đến 75,0 tạ/ha.
  • Tuyển chọn được 2 tổ hợp lai ưu tú gồm THL3 (D1 x D4) và THL14 (D4 x D6) có khả năng chịu hạn xuất sắc ở giai đoạn trỗ cờ - phun râu, rất triển vọng cho vùng canh tác nhờ nước trời.
  • Chứng minh dòng D5 và D4 có khả năng kết hợp riêng cao về các tính trạng cấu thành năng suất hạt khô trong điều kiện bất thuận nước tưới.
  • Hoàn thiện quy trình đánh giá khả năng chịu hạn kết hợp giữa giai đoạn cây con và giai đoạn sinh sản, làm cơ sở khoa học định hướng công tác chọn giống ngô lai thích ứng biến đổi khí hậu.

Công trình nghiên cứu đã đóng góp nguồn vật liệu di truyền quý giá cho ngân hàng gen ngô quốc gia. Kế hoạch tiếp theo trong giai đoạn 2020-2025 là đưa hai giống lai THL3 và THL14 vào khảo nghiệm diện rộng tại các vùng đất dốc Tây Bắc và Tây Nguyên. Các đơn vị nghiên cứu, doanh nghiệp và địa phương quan tâm có thể tiếp nhận chuyển giao tiến bộ kỹ thuật để nhân rộng vào sản xuất đại trà.