Luận án tiến sĩ nông nghiệp chọn tạo giống ngô chịu hạn phục vụ chuyển đổi cơ cấu cây trồng cho một số tỉnh miền núi phía bắc

Luận án tiến sĩ nông nghiệp phân tích nông nghiệp chọn tạo giống ngô chịu hạn phục vụ chuyển đổi cơ cấu cây trồng cho một số tỉnh miền, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực

• Tác giả: Bùi Văn Hiệu
• Người hướng dẫn: TS. Mai Xuân Triệu
• Trường học: Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam
• Chuyên ngành: Di truyền và Chọn giống Cây trồng
• Đề tài: Chọn tạo giống ngô chịu hạn phục vụ chuyển đổi cơ cấu cây trồng cho một số tỉnh miền núi phía Bắc
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• MỞ ĐẦU
• Tính cấp thiết của đề tài
• Mục tiêu của đề tài
• Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
• Những đóng góp mới của đề tài
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC
• 1.1. Tổng quan sản xuất ngô trên thế giới và ở Việt Nam
• 1.1.1. Tình hình sản xuất và sử dụng giống ngô trên thế giới
• 1.1.2. Tình hình sản xuất và sử dụng giống ngô ở Việt Nam
• 1.2. Đặc điểm kinh tế, xã hội và tình hình sản xuất ngô ở các tỉnh miền núi phía Bắc
• 1.2.1. Đặc điểm tự nhiên xã hội vùng miền núi phía Bắc
• 1.2.2. Tình hình sản xuất ngô ở các tỉnh miền núi phía Bắc
• 1.2.3. Mục đích yêu cầu của chuyển đổi cơ cấu cây trồng có ngô ở các tỉnh Miền núi phía Bắc
• 1.3. Tình hình nghiên cứu chọn tạo và sử dụng giống ngô lai chịu hạn
• 1.3.1. Cơ sở sinh lý, di truyền của tính chịu hạn ở cây ngô
• 1.3.2. Ảnh hưởng của hạn tới sinh trưởng phát triển và năng suất của cây ngô
• 1.3.3. Một số quan điểm về chọn tạo giống ngô chịu hạn
• 1.3.4. Nguồn vật liệu và phương pháp đánh giá lựa chọn ngô chịu hạn
• 1.3.5. Một số tính trạng hữu ích trong việc nghiên cứu giống ngô chịu hạn
• 1.3.6. Tình hình nghiên cứu, sử dụng giống ngô lai chịu hạn trên thế giới
• 1.3.7. Tình hình nghiên cứu, sử dụng giống ngô lai chịu hạn ở Việt Nam
• 1.4. Dòng thuần và một số phương pháp chọn tạo dòng thuần
• 1.4.1. Khái niệm dòng thuần
• 1.4.2. Một số phương pháp chọn tạo dòng thuần
• 1.5. Khả năng kết hợp và phương pháp đánh giá khả năng kết hợp ngô
• 1.5.1. Khả năng kết hợp
• 1.5.2. Phương pháp đánh giá khả năng kết hợp
• 1.6. Đa dạng di truyền và ứng dụng trong chọn tạo giống ngô
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Vật liệu nghiên cứu
• 2.2. Nội dung nghiên cứu
• 2.3. Thời gian và địa điểm nghiên cứu
• 2.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2.4.1. Phương pháp đánh giá khả năng chịu hạn của các dòng ở giai đoạn cây con trong điều kiện gây hạn nhân tạo
• 2.4.2. Phương pháp đánh giá đặc điểm nông học, năng suất và khả năng chịu hạn của các dòng trong thí nghiệm điều khiển tưới
• 2.4.3. Phương pháp đánh giá đa dạng di truyền của các dòng nghiên cứu bằng chỉ thị SSR
• 2.4.4. Phương pháp đánh giá ưu thế lai và khả năng kết hợp của các dòng
• 2.4.5. Đánh giá khả năng chịu hạn của các tổ hợp lai luân phiên trong nhà lưới có mái che theo phương pháp Pervez H Zaidi năm 2002
• 2.4.6. Phương pháp xây dựng mô hình giống ngô mới có khả năng chịu hạn tại một số vùng chuyển đổi cơ cấu cây trồng ở miền núi phía Bắc
• 2.4.7. Xử lý số liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đánh giá khả năng chịu hạn của các dòng ở giai đoạn cây con trong điều kiện gây hạn nhân tạo
• 3.1.1. Đánh giá khả năng giữ nước và khả năng phục hồi của các dòng
• 3.1.2. Đánh giá một số chỉ tiêu liên quan đến khả năng chịu hạn trong chậu của các dòng ngô
• 3.2. Đánh giá đặc điểm nông học, năng suất và khả năng chịu hạn của các dòng trong thí nghiệm điều khiển tưới
• 3.2.1. Thời gian sinh trưởng qua các giai đoạn của các dòng
• 3.2.2. Kết quả theo dõi một số đặc điểm nông học của các dòng ngô
• 3.3. Đánh giá đa dạng di truyền của 30 dòng ngô bằng chỉ thị phân tử SSR
• 3.4. Đánh giá khả năng kết hợp của các dòng
• 3.4.1. Đánh giá KNKH chung của các dòng bằng phương pháp lai đỉnh
• 3.4.2. Đánh giá KNKH riêng của các dòng và ƯTL của các THL bằng phương pháp lai luân phiên
• 3.5. Đánh giá khả năng chịu hạn của các tổ hợp lai và đánh giá khả năng thích ứng, tính ổn định của tổ hợp lai triển vọng
• 3.5.1. Đánh giá khả năng chịu hạn của các tổ hợp trong nhà lưới có mái che vụ xuân 2016
• 3.5.2. Đánh giá khả năng thích ứng và tính ổn định của tổ hợp lai triển vọng
• 3.6. Trình diễn tổ hợp lai chịu hạn trên đất chuyển đổi cơ cấu cây trồng ở một số vùng miền núi phía Bắc
• 3.6.1. Trình diễn tổ hợp lai chịu hạn trên đất ruộng bậc thang tại Nậm Lành - Văn Chấn - Yên Bái
• 3.6.2. Trình diễn các tổ hợp lai chịu hạn trong trên đất gò đồi (tăng vụ ngô Thu Đông) tại Võ Nhai – Thái Nguyên
• 3.6.3. Trình diễn các tổ hợp lai chịu hạn trên diện tích đất chuyển đổi lúa nương tại Chiềng Sàng, Yên Châu, Sơn La
• KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH, BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tính cấp thiết của đề tài

Ngô là cây lương thực quan trọng trong sản xuất nông nghiệp toàn cầu, đặc biệt tại Việt Nam. Năng suất ngô nước ta đã tăng đáng kể qua các năm, nhưng vẫn còn thấp so với trung bình thế giới. Vùng miền núi phía Bắc, nơi có diện tích lớn trồng ngô, thường gặp khó khăn do hạn hán. Việc phát triển giống ngô chịu hạn là cần thiết để nâng cao năng suất và giảm thiệt hại do thời tiết. Đề tài này nhằm chọn tạo giống ngô lai chịu hạn, ngắn ngày, năng suất cao, phục vụ cho sản xuất ngô tại các tỉnh miền núi phía Bắc.

1.1. Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu chính của đề tài là đánh giá và tuyển chọn các dòng ngô chịu hạn có đặc điểm nông sinh học tốt, từ đó chọn tạo 1-2 giống ngô lai triển vọng. Việc này không chỉ giúp nâng cao năng suất mà còn tạo điều kiện cho nông dân chuyển đổi cơ cấu cây trồng hiệu quả hơn.

1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề tài cung cấp dữ liệu khoa học về di truyền tính chịu hạn và khả năng kết hợp trong chọn giống ngô. Kết quả nghiên cứu sẽ là tài liệu tham khảo quý giá cho các nghiên cứu và giảng dạy trong lĩnh vực này. Về mặt thực tiễn, nghiên cứu đã xác định được 7 dòng ngô có khả năng chịu hạn tốt, trong đó giống VN636 (GL-797) đã được công nhận cho sản xuất thử, mở ra cơ hội mới cho nông dân.

II. Tổng quan tài liệu và cơ sở khoa học

Sản xuất ngô trên thế giới và tại Việt Nam đã có những bước phát triển mạnh mẽ. Theo FAO, diện tích trồng ngô toàn cầu đạt 201,983 triệu ha với sản lượng trên 1.162 triệu tấn vào năm 2020. Tại Việt Nam, ngô đóng vai trò quan trọng trong cơ cấu sản xuất nông nghiệp, nhưng năng suất vẫn còn thấp. Việc nghiên cứu và phát triển giống ngô chịu hạn là cần thiết để nâng cao năng suất và đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trường.

2.1. Tình hình sản xuất ngô trên thế giới

Sản xuất ngô toàn cầu đã tăng trưởng nhờ áp dụng các giống ngô lai và biện pháp canh tác tiên tiến. Mặc dù diện tích trồng ngô không tăng mạnh, sản lượng vẫn liên tục tăng do năng suất được cải thiện. Nhu cầu ngô dự kiến sẽ tăng mạnh trong tương lai do dân số gia tăng và nhu cầu thực phẩm tăng cao.

2.2. Tình hình sản xuất ngô tại Việt Nam

Việt Nam là một trong những nước có sản xuất ngô lớn, nhưng năng suất vẫn còn thấp so với thế giới. Các tỉnh miền núi phía Bắc có điều kiện tự nhiên khó khăn, thường xuyên gặp hạn hán, ảnh hưởng đến năng suất ngô. Việc phát triển giống ngô chịu hạn là giải pháp cần thiết để nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiệt hại do thời tiết.

III. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Nghiên cứu đã đánh giá khả năng chịu hạn của các dòng ngô trong điều kiện hạn nhân tạo. Kết quả cho thấy một số dòng ngô có khả năng giữ nước và phục hồi tốt, đồng thời có năng suất cao trong thí nghiệm điều khiển tưới. Đặc biệt, giống VN636 (GL-797) đã thể hiện khả năng chịu hạn vượt trội và phù hợp với điều kiện sinh thái miền núi phía Bắc.

3.1. Đánh giá khả năng chịu hạn của các dòng ngô

Các dòng ngô được đánh giá trong điều kiện hạn nhân tạo cho thấy khả năng giữ nước và phục hồi tốt. Kết quả này cho thấy tiềm năng của các dòng ngô trong việc phát triển giống chịu hạn, đáp ứng nhu cầu sản xuất tại các tỉnh miền núi phía Bắc.

3.2. Đánh giá năng suất và khả năng thích ứng

Kết quả thí nghiệm cho thấy giống VN636 (GL-797) có năng suất cao và khả năng thích ứng tốt với điều kiện khí hậu miền núi. Giống này đã được công nhận cho sản xuất thử, mở ra cơ hội cho nông dân trong việc chuyển đổi cơ cấu cây trồng hiệu quả hơn.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Ngô (Zea mays L.) là cây lương thực có vị trí chiến lược toàn cầu và đứng thứ hai tại Việt Nam sau cây lúa. Tuy nhiên, sản xuất ngô nội địa đang đối mặt với nghịch lý lớn: trong khi nhu cầu nguyên liệu cho ngành công nghiệp chế biến thức ăn chăn nuôi tăng trưởng mạnh từ 13% đến 15%/năm, sản lượng trong nước chỉ đáp ứng khoảng 4,5 – 5 triệu tấn hạt/năm. Năm 2020, "nhập khẩu ngô của Việt Nam chính thức vượt qua mốc 12 triệu tấn", biến nước ta thành quốc gia nhập khẩu ngô lớn nhất khu vực Đông Nam Á và đứng thứ năm trên thế giới. Nguyên nhân cốt lõi làm giảm năng suất ngô xuất phát từ đặc thù canh tác: trên 60% diện tích ngô phân bố tại vùng Trung du và Miền núi phía Bắc với địa hình dốc hiểm trở, trong đó hơn 90% diện tích phụ thuộc hoàn toàn vào nước trời. Năm 2020, diện tích ngô toàn vùng đạt 426,4 nghìn ha (chiếm 42,5% diện tích cả nước), nhưng "năng suất ngô của vùng chỉ đạt 40,3 tạ/ha, bằng 83,3% so với trung bình cả nước". Các đợt hạn hán nghiêm trọng thường xuyên xuất hiện vào đầu vụ Hè Thu và giai đoạn trỗ cờ - phun râu của vụ Thu Đông, làm suy giảm từ 30% đến 50% năng suất hạt, thậm chí gây mất trắng.

Khoảng trống nghiên cứu (research gap) cấp bách hiện nay là sự thiếu hụt các giống ngô lai ngắn ngày, vừa sở hữu tiềm năng năng suất cao vừa có khả năng chống chịu hạn vượt trội để tích hợp vào các hệ thống luân canh, tăng vụ. Các giống thương mại hiện hành bộc lộ rõ giới hạn: nhóm giống chịu hạn tốt (VN8960, NK67, DK9901) có thời gian sinh trưởng quá dài, cản trở việc bố trí cơ cấu mùa vụ; ngược lại, nhóm giống có khả năng thích ứng (LVN99, LVN885, AG59) lại có năng suất và hiệu quả kinh tế chưa đủ sức hấp dẫn nông dân chuyển đổi cơ cấu cây trồng.

Để giải quyết triệt để vấn đề trên, luận án tiến sĩ chuyên ngành Di truyền và Chọn giống Cây trồng (Mã số: 9.11) của nghiên cứu sinh Bùi Văn Hiệu, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Mai Xuân Triệu và PGS. Đặng Trọng Lương tại Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam, đã được thực hiện nhằm trả lời 3 câu hỏi nghiên cứu (Research Questions - RQ) và kiểm định 3 giả thuyết khoa học (Hypotheses - H):

• RQ1: Nguồn gen của 30 dòng ngô tự phối ($S_6 - S_8$) có mức độ đa dạng di truyền và phản ứng sinh lý ra sao dưới áp lực thiếu nước ở các giai đoạn sinh trưởng khác nhau?
• RQ2: Mối quan hệ giữa khả năng kết hợp chung (GCA), khả năng kết hợp riêng (SCA) và ưu thế lai (heterosis) ở các tính trạng năng suất và tính trạng chịu hạn diễn ra theo quy luật di truyền nào?
• RQ3: Liệu có thể chọn tạo được tổ hợp lai đơn ngắn ngày, chịu hạn tốt, năng suất vượt trội và ổn định trên các tiểu vùng sinh thái canh tác đất dốc miền núi phía Bắc hay không?
• H1: Tồn tại biến dị di truyền có ý nghĩa thống kê về khả năng duy trì trạng thái nước và chỉ số thu hẹp khoảng cách tung phấn - phun râu (ASI) giữa các dòng tự phối trong điều kiện gây hạn nhân tạo.
• H2: Hiệu ứng khả năng kết hợp riêng (SCA) đối với năng suất hạt trong điều kiện hạn tương quan thuận với khoảng cách di truyền phân tử đánh giá qua chỉ thị SSR.
• H3: Tổ hợp lai đơn mang các alen ưu tú về tính chịu hạn sẽ vượt trội đối chứng VN8960 và NK4300 về hiệu quả kinh tế và độ ổn định năng suất tại các mô hình chuyển đổi đất lúa nương, ruộng bậc thang và đất gò đồi.

Khung lý thuyết của nghiên cứu được xây dựng trên sự tích hợp giữa Thuyết Ưu thế lai (Heterosis Theory), Lý thuyết Khả năng kết hợp (Combining Ability Framework theo Sprague & Tatum, 1942; Griffing, 1956) và Mô hình Chọn lọc Tính trạng Thứ cấp dưới Bất thuận Phi sinh học (Secondary Traits Selection Model theo Bänziger et al., 2000; Bolaños & Edmeades, 1996). Đóng góp đột phá của luận án được định lượng bằng việc xác định thành công 7 dòng thuần ưu tú có khả năng chịu hạn và GCA cao (H4, H11, H18, H21, H24, H27, H29), đồng thời tạo ra giống ngô lai triển vọng VN636 (tổ hợp lai H29 $\times$ H24). Giống VN636 đã được Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn công nhận cho sản xuất thử với tên gọi GL-797 theo Quyết định số 460/QĐ-TT-CLT ngày 31/12/2019, mở ra tiềm năng chuyển đổi hàng chục nghìn hecta đất canh tác bấp bênh tại vùng Tây Bắc và Đông Bắc.

Literature Review và Positioning

Nghiên cứu chọn giống ngô chịu hạn trên thế giới đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển với các trường phái học thuật đa dạng. Dòng nghiên cứu sinh lý học kinh điển của Levitt (1980) và Blum (1988, 1997) phân chia tính chịu hạn thực vật thành hai cơ chế chính: tránh hạn (drought avoidance - điều chỉnh chu kỳ sinh trưởng để né tránh thời điểm thiếu nước hoặc duy trì thế nước tế bào cao) và chịu hạn (drought tolerance - duy trì chuyển hóa sinh hóa và phục hồi sau khi tế bào bị mất nước). Trên cây ngô, cơ chế quang hợp C4 mang lại hiệu quả sử dụng nước cao hơn thực vật C3 (Blum, 1988), song ngô lại đặc biệt mẫn cảm với stress nước ở giai đoạn 2 tuần trước và 2 tuần sau trỗ cờ (Grant et al., 1989; Bänziger et al., 2000). Nghiên cứu của Daryanto et al. (2016) chứng minh rằng khi lượng nước cung cấp suy giảm 40%, năng suất hạt ngô bị tổn thất tới 40%, trong khi lúa mì chỉ giảm 21%.

Trong lý luận chọn giống cây trồng, tồn tại một cuộc tranh luận học thuật sâu sắc kéo dài nhiều thập kỷ giữa hai quan điểm đối nghịch:

1. Trường phái chọn lọc trong điều kiện tối ưu (Blum, 1979; Duvick, 1977): Giả định rằng kiểu gen cho năng suất tối đa trong môi trường thuận lợi sẽ tiếp tục duy trì ưu thế năng suất chấp nhận được ở môi trường bất thuận do sở hữu phổ thích ứng rộng và hệ gen ổn định.
2. Trường phái chọn lọc trực tiếp dưới điều kiện bất thuận (Falconer, 1989; Bänziger et al., 2000; Edmeades et al., 1997): Khẳng định rằng tương tác kiểu gen $\times$ môi trường ($G \times E$) dưới stress phi sinh học làm thay đổi hoàn toàn trật tự xếp hạng của các giống. Khi mức độ hạn gia tăng, hệ số di truyền ($h^2$) và phương sai di truyền của năng suất hạt suy giảm nghiêm trọng, đòi hỏi phải chọn lọc trực tiếp trong môi trường khống chế ẩm độ kết hợp đo đạc các tính trạng thứ cấp có tương quan di truyền cao với năng suất hạt.

Bolaños & Edmeades (1996) cùng Bänziger et al. (2000) tại Trung tâm Cải tiến Ngô và Lúa mì Quốc tế (CIMMYT) đã thiết lập hệ thống tính trạng gián tiếp tối ưu cho chọn giống chịu hạn, trong đó khoảng cách tung phấn - phun râu (ASI), độ cuốn lá, tốc độ tàn lá (stay-green) và tỷ lệ bắp/cây giữ vai trò quyết định. Nghiên cứu của Zaidi et al. (2003, 2016) trên các quần thể ngô nhiệt đới châu Á khẳng định ASI ngắn liên kết chặt chẽ với sự phân bổ carbon đồng hóa về phôi non, giúp hạn chế hiện tượng thoái hóa hạt bắp.

So sánh với các chương trình quốc tế lớn như Dự án Ngô chịu hạn cho châu Phi (DTMA), Dự án Ngô hiệu quả sử dụng nước cho châu Phi (WEMA) của CIMMYT (Edmeades et al., 2017) hay các công trình nghiên cứu hệ gen chức năng rễ ngô của Guo et al. (2020) và Zhao et al. (2016), luận án của Bùi Văn Hiệu đã định vị chính xác khoảng trống học thuật tại vùng nhiệt đới gió mùa núi cao Đông Nam Á: tích hợp quy trình thanh lọc kiểu hình đa giai đoạn (từ cây con trong chậu, điều khiển tưới đồng ruộng đến nhà lưới có mái che kiểm soát ẩm độ theo chuẩn Zaidi, 2002) với phân tích đa dạng di truyền bằng chỉ thị phân tử SSR và đánh giá khả năng kết hợp theo mô hình Diallel của Griffing (1956). Hướng tiếp cận này không chỉ kế thừa các chuẩn mực quốc tế của CIMMYT mà còn tối ưu hóa nguồn gen bản địa nhằm thích ứng với điều kiện thổ nhưỡng đất dốc xói mòn và khí hậu cận nhiệt đới núi cao phía Bắc Việt Nam.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án mang lại những đóng góp nền tảng cho lý thuyết di truyền số lượng và công nghệ chọn giống cây trồng trong điều kiện biến đổi khí hậu:

1. Mở rộng Thuyết Khả năng kết hợp (Sprague & Tatum, 1942) trong điều kiện stress hạn: Luận án chứng minh rằng phương sai khả năng kết hợp chung ($\sigma^2_{GCA}$) đóng vai trò chủ đạo trong việc kiểm soát tính trạng năng suất và các chỉ tiêu sinh lý chống chịu hạn ở giai đoạn cây con, nhưng phương sai khả năng kết hợp riêng ($\sigma^2_{SCA}$) lại có xu hướng gia tăng tầm ảnh hưởng đối với năng suất thực thu khi stress nước xảy ra nghiêm ngặt ở giai đoạn trỗ cờ - phun râu.
2. Củng cố Mô hình Chọn lọc Tính trạng Thứ cấp (Bolaños & Edmeades, 1996): Luận án cung cấp bằng chứng thực nghiệm khẳng định việc rút ngắn khoảng cách ASI ($ASI \le 3$ ngày) và duy trì độ tàn lá thấp ở giai đoạn chín sữa là hai chỉ số kiểu hình gián tiếp có hệ số tương quan di truyền cao nhất ($r = -0,68$ đến $-0,74$, $p < 0,01$) đối với năng suất hạt ngô lai dưới áp lực hạn tại miền núi phía Bắc.
3. Mô hình hóa di truyền tính chịu hạn thông qua 4 mệnh đề lý thuyết (Propositions):
   • Mệnh đề 1 ($P_1$): Khả năng giữ nước của mô lá và tốc độ phục hồi sau hạn ở giai đoạn cây con được kiểm soát bởi hiệu ứng cộng tính tích lũy của nhiều locus tính trạng số lượng (QTLs).
   • Mệnh đề 2 ($P_2$): Ưu thế lai thực ($H_{BP}$) và ưu thế lai chuẩn ($H_S$) của tổ hợp lai đơn chịu hạn tỷ lệ thuận với mức độ phân kỳ di truyền phân tử (hệ số khoảng cách di truyền dựa trên SSR) giữa hai dòng bố mẹ thuộc các nhóm ưu thế lai đối kháng.
   • Mệnh đề 3 ($P_3$): Chỉ số mẫn cảm hạn ($SSI$) và chỉ số chịu hạn ($STI$) có khả năng phân loại chính xác các kiểu gen ngô thành 4 nhóm thích ứng sinh thái chuyên biệt.
   • Mệnh đề 4 ($P_4$): Tính ổn định năng suất của giống ngô lai trên đất dốc phụ thuộc đồng thời vào tính chịu hạn sinh lý và đặc điểm bộ rễ ăn sâu nhằm khai thác triệt để ẩm độ tầng đất sâu.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án là sự hợp nhất đa tầng giữa 3 lý thuyết trụ cột: Thuyết Ưu thế lai Sinh học, Lý thuyết Sinh lý học Chống chịu Bất thuận Phi sinh học và Di truyền học Phân tử Quần thể.

       [Nguồn vật liệu: 30 dòng thuần ngô tự phối S6-S8 (H1 - H30)]
[Sàng lọc Kiểu hình Đa giai đoạn]              [Đánh giá Đa dạng Di truyền SSR]
- Giai đoạn cây con (Gây hạn nhân tạo)         - 30 cặp mồi SSR đặc hiệu
- Thí nghiệm điều khiển tưới (Đan Phượng)       - Xác định số alen & hệ số PIC
- Nhà lưới mái che (Chuẩn Zaidi, 2002)         - Thiết lập sơ đồ Dendrogram & Nhóm ƯTL
             [Phân tích Di truyền Số lượng & Khả năng Kết hợp]
             - Lai đỉnh (Topcross) xác định GCA (2 cây thử)
             - Lai luân phiên (Diallel - Griffing) xác định SCA & ƯTL
             - Tính toán chỉ số chịu hạn: SSI, STI, HMP, HBP, HS
      [Tuyển chọn Tổ hợp lai Triển vọng & Khảo nghiệm Sinh thái VCU]
      - 3 mô hình chuyển đổi: Văn Chấn (Yên Bái), Võ Nhai (Thái Nguyên), Yên Châu (Sơn La)
      - Hoàn thiện giống ngô lai VN636 (GL-797) phục vụ sản xuất

Điều kiện biên (Boundary Conditions): Khung phân tích và các kết luận thực nghiệm của luận án áp dụng chuẩn xác cho các vùng sinh thái có lượng mưa bình quân biến động mạnh (1000 – 2000 mm/năm nhưng phân bố không đều), địa hình đất dốc có độ dốc từ $15^\circ$ đến trên $45^\circ$, tầng đất canh tác mỏng, thường xuyên chịu khô hạn đầu vụ (tháng 3 – 4) và hạn - rét cuối vụ (tháng 11 – 12).

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Nghiên cứu vận hành theo hệ hình thực chứng (Positivism / Post-positivism Paradigm), sử dụng phương pháp luận định lượng đa tầng (Multi-level Quantitative Design) kết hợp chặt chẽ giữa di truyền thực nghiệm, sinh lý học môi trường và công nghệ sinh học phân tử:

• Cấp độ phòng thí nghiệm & sinh học phân tử: Phân tích cấu trúc di truyền của 30 dòng ngô tự phối ($S_6 - S_8$) chọn lọc từ các quần thể ưu tú và các giống lai thương mại (NK66, NK67, PA33, CP999, 30Y87, B9698) bằng 30 cặp mồi phân tử SSR (Simple Sequence Repeats).
• Cấp độ chậu tiêu chuẩn & nhà lưới có mái che: Đánh giá khả năng nhịn nước, hàm lượng nước tương đối (RWC), độ cuốn lá và khả năng hồi phục mô lá ở giai đoạn cây con trong điều kiện gây hạn nhân tạo khống chế nghiêm ngặt.
• Cấp độ đồng ruộng có điều khiển tưới: Bố trí thí nghiệm khối ngẫu nhiên hoàn chỉnh (RCBD) với 3 lần nhắc lại tại trạm thực nghiệm Đan Phượng (Hà Nội), so sánh 2 chế độ tưới: tưới ẩm đầy đủ tối ưu và ngắt nước hoàn toàn ở thời kỳ khủng hoảng nước (trước và sau trỗ cờ 2 tuần).
• Cấp độ khảo nghiệm sinh thái đa vùng (VCU): Đánh giá tính thích ứng và độ ổn định năng suất tại các vùng chuyển đổi cơ cấu cây trồng trọng điểm ở Yên Bái, Thái Nguyên và Sơn La.

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình thu thập dữ liệu và thanh lọc vật liệu tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế nghiêm ngặt:

• Giai đoạn cây con: Hạt được gieo trong khay/chậu chứa đất đồng nhất về thành phần cơ giới. Khi cây đạt 3 – 5 lá, ngừng tưới nước hoàn toàn trong 10 – 15 ngày cho đến khi ẩm độ đất giảm xuống dưới điểm héo cây con. Đo đạc động thái mất nước, thế nước lá và chấm điểm chỉ số phục hồi thân lá sau khi tưới ẩm trở lại.
• Quy trình thanh lọc hạn nhà lưới theo Pervez H. Zaidi (2002): Đánh giá các tổ hợp lai luân phiên trong hệ thống nhà lưới có mái che di động ngăn mưa tự nhiên. Duy trì chế độ stress ẩm độ đất nghiêm ngặt trong suốt giai đoạn trỗ cờ - kết hạt để bộc lộ hoàn toàn biến dị di truyền về ASI, tỷ lệ kết hạt và trọng lượng 1000 hạt ($P_{1000}$).
• Đánh giá Khả năng kết hợp: Sử dụng phương pháp lai đỉnh (Topcross) với 2 cây thử chuẩn (VN8960 và NK4300) để sàng lọc nhanh GCA của 14 dòng ưu tú. Tiếp đó, sử dụng phương pháp lai luân phiên không kể lai nghịch (Diallel theo Phương pháp 4, Mô hình 1 của Griffing, 1956) để ước tính chính xác hiệu ứng GCA ($\hat{g}i$), SCA ($\hat{s}{ij}$) và các thông số phương sai di truyền.
• Đo đạc chỉ số chống chịu hạn:
  • Chỉ số mẫn cảm hạn (Stress Susceptibility Index - SSI) theo công thức Fischer & Maurer (1978): $$SSI = \frac{1 - (Y_s / Y_p)}{1 - (\bar{Y}_s / \bar{Y}_p)}$$ (trong đó $Y_s, Y_p$ là năng suất của kiểu gen trong điều kiện hạn và tưới đủ; $\bar{Y}_s, \bar{Y}_p$ là năng suất trung bình của toàn bộ tập đoàn).
  • Chỉ số chịu bất thuận (Stress Tolerance Index - STI) theo Fernandez (1992): $$STI = \frac{Y_p \times Y_s}{(\bar{Y}_p)^2}$$

Data và phân tích

• Phân tích đa dạng di truyền phân tử: 30 cặp mồi SSR có độ bao phủ đồng đều trên 10 nhiễm sắc thể ngô được sử dụng để khuếch đại PCR. Sản phẩm PCR được điện di trên gel polyacrylamide biến tính 6% hoặc agarose 3%, nhuộm bạc/ethidium bromide để giải mã alen. Dữ liệu nhị phân (0/1) được xử lý qua phần mềm NTSYS-pc để tính hệ số tương đồng di truyền Nei & Li (1979) và thiết lập giản đồ phân nhóm di truyền UPGMA. Hệ số đa hình thông tin (Polymorphic Information Content - PIC) của từng mồi được tính toán chính xác nhằm xác thực giá trị phân loại gen.
• Phân tích số liệu sinh học & di truyền: Toàn bộ dữ liệu nông học, năng suất hạt, các yếu tố cấu thành năng suất và chỉ số sinh lý được phân tích phương sai (ANOVA), kiểm định sai khác trung bình bằng chuẩn $LSD_{0,05}$ và Duncan thông qua phần mềm thống kê chuyên ngành IRRISTAT 5.0 và SAS 9.4.

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

Nghiên cứu mang lại 4 phát hiện mang tính bước ngoặt cho công tác chọn giống ngô chịu hạn:

1. Nhận diện và xác lập nguồn gen của 7 dòng tự phối ưu tú: Trong tổng số 30 dòng nghiên cứu ($S_6 - S_8$), luận án đã sàng lọc được 7 dòng mang đặc tính chịu hạn vượt trội và GCA cao về năng suất hạt: H4, H11, H18, H21, H24, H27 và H29. Trong đó, ba dòng H4, H18 và H29 sở hữu giá trị hiệu ứng $\hat{g}_i$ cao nhất có ý nghĩa thống kê ($p < 0,01$), thể hiện khả năng truyền tính trạng chịu hạn và tiềm năng năng suất hạt vượt trội cho thế hệ con lai, được xác định là nguồn vật liệu làm cây thử chuẩn cho các chương trình chọn giống tương lai.
2. Khám phá và công nhận giống ngô lai đơn VN636 (GL-797): Tổ hợp lai đơn giữa dòng H29 và dòng H24 (mang ký hiệu VN636) biểu hiện ưu thế lai siêu việt về năng suất hạt và khả năng chống chịu stress. Trong điều kiện hạn nhân tạo nghiêm ngặt tại nhà lưới, VN636 duy trì khoảng cách ASI cực ngắn ($ASI = 1,8$ ngày so với đối chứng $> 5,0$ ngày), chỉ số mẫn cảm hạn thấp ($SSI = 0,62 < 1,0$), chỉ số chịu hạn cao ($STI = 1,38$), tỷ lệ tàn lá muộn và khối lượng 1000 hạt ổn định ($P_{1000} > 310$ g). Năng suất thực thu của VN636 đạt từ 68,5 đến 78,2 tạ/ha trong điều kiện tưới đủ và đạt 48,6 đến 56,4 tạ/ha trong điều kiện hạn chế nước, vượt đối chứng VN8960 từ 12,4% đến 18,6% ($p < 0,05$).
3. Giải mã tương tác giữa khoảng cách di truyền SSR và hiệu ứng SCA: Phân tích di truyền phân tử chỉ ra rằng các cặp lai giữa các dòng thuộc hai phân nhóm di truyền cách biệt (khoảng cách di truyền Nei $> 0,45$) luôn biểu hiện hiệu ứng SCA ($\hat{s}_{ij}$) và ưu thế lai chuẩn ($H_S$) về năng suất hạt cao hơn hẳn so với các cặp lai cùng phân nhóm, cung cấp bằng chứng thực nghiệm chuẩn xác cho công tác phân nhóm ưu thế lai định hướng.
4. Hiệu quả vượt bậc tại các mô hình trình diễn chuyển đổi cơ cấu cây trồng:
   • Mô hình ruộng bậc thang tại Nậm Lành (Văn Chấn, Yên Bái): Chuyển đổi từ độc canh 1 vụ lúa Mùa bấp bênh sang công thức 2 vụ ngô chịu hạn (Xuân Hè + Thu Đông), VN636 đạt năng suất 62,4 tạ/ha, tăng hiệu quả kinh tế ròng lên 28,5 triệu đồng/ha/năm so với tập quán cũ.
   • Mô hình tăng vụ Thu Đông trên đất gò đồi tại Võ Nhai (Thái Nguyên): VN636 hoàn thành chu kỳ sinh trưởng trong 102 – 108 ngày, né tránh triệt để đợt rét - hạn cuối vụ, đạt năng suất 65,8 tạ/ha, lợi nhuận thuần cao hơn đối chứng 22,3%.
   • Mô hình đất chuyển đổi lúa nương tại Chiềng Sàng (Yên Châu, Sơn La): VN636 thể hiện khả năng chịu hạn đỉnh cao trong vụ Thu Đông 2018, năng suất đạt 58,9 tạ/ha, vượt trội hoàn toàn so với lúa nương truyền thống thường xuyên mất trắng do thiếu nước.

Implications đa chiều

• Về mặt Lý thuyết: Chứng minh tính khả thi của việc đồng thời dung hòa hai tính trạng đối nghịch: rút ngắn thời gian sinh trưởng (ngắn ngày) nhưng vẫn tối ưu hóa diện tích tích lũy sinh khối và tiềm năng năng suất hạt cao dưới điều kiện hạn.
• Về mặt Phương pháp luận: Chuẩn hóa quy trình đánh giá chịu hạn 3 cấp độ (Phân tử SSR $\rightarrow$ Kiểu hình hạn nhân tạo khống chế $\rightarrow$ Khảo nghiệm VCU đất dốc), cung cấp quy chuẩn thực nghiệm có thể nhân rộng cho các chương trình chọn giống cây trồng cạn khác tại Việt Nam.
• Về mặt Thực tiễn & Chính sách: Cung cấp giải pháp giống then chốt cho Đề án Tái cơ cấu ngành Nông nghiệp tại 14 tỉnh miền núi phía Bắc; chuyển dịch hàng chục nghìn hecta đất lúa nương thoái hóa, đất ruộng bậc thang thiếu nước và đất soi bãi sang canh tác ngô lai hàng hóa hiệu quả cao, góp phần đảm bảo an ninh lương thực và giảm áp lực ngoại tệ nhập khẩu ngô.

Limitations và Future Research

Mặc dù đạt được những kết quả xuất sắc, luận án thẳng thắn thừa nhận 4 hạn chế khoa học:

1. Quy mô tập đoàn dòng: Số lượng 30 dòng tự phối tham gia nghiên cứu tuy đại diện cho nguồn gen hiện có nhưng chưa bao phủ hết tính đa dạng di truyền phong phú của các quần thể ngô địa phương vùng cao (ngô nếp, ngô đá bản địa).
2. Công cụ chỉ thị di truyền: Nghiên cứu chủ yếu sử dụng chỉ thị phân tử SSR; chưa ứng dụng công nghệ giải trình tự thế hệ mới (NGS) để phát triển mật độ SNP dầy đặc hoặc thực hiện nghiên cứu kết hợp toàn hệ gen (Genome-Wide Association Study - GWAS).
3. Cơ chế sinh lý chuyên sâu: Chưa định lượng chi tiết động thái tích lũy các hormone thực vật mẫn cảm với stress (axit abscisic - ABA), hàm lượng proline và biểu hiện biểu sinh (epigenetics) của các gen chống chịu hạn chuyên biệt (như họ gen Dehydrin - Dhn, ZmVPP1, ZmTIP1).
4. Phạm vi sinh thái khảo nghiệm: Thí nghiệm đồng ruộng tập trung tại 3 tỉnh đại diện (Yên Bái, Thái Nguyên, Sơn La); cần mở rộng thử nghiệm tại các vùng sinh thái đặc thù khác như cao nguyên đá Đồng Văn (Hà Giang) hay vùng Tây Nguyên và Duyên hải Nam Trung Bộ.

Chương trình nghiên cứu tương lai (Future Research Agenda):

• Ứng dụng công nghệ chọn giống nhờ chỉ thị phân tử mật độ cao (Genomic Selection - GS) và chỉnh sửa gen CRISPR/Cas9 nhắm vào các locus điều khiển sự phát triển của hệ thống rễ và đóng mở khí khổng.
• Tích hợp công nghệ cảm biến viễn thám không người lái (UAV Hyperspectral Imaging) để đo đạc chỉ số phản xạ quang phổ tán lá và nhiệt độ bề mặt tán ngô trên diện rộng dưới điều kiện hạn thực địa.
• Hoàn thiện gói kỹ thuật canh tác ngô chịu hạn bền vững trên đất dốc (kỹ thuật làm đất bảo tồn, xen canh cây họ đậu giữ ẩm, bón phân thông minh qua rễ) đi kèm với giống VN636 (GL-797).

Tác động và ảnh hưởng

• Ảnh hưởng Học thuật: Luận án đóng vai trò là tài liệu tham khảo chuẩn mực trong đào tạo sau đại học và nghiên cứu chuyên sâu về di truyền tính chống chịu phi sinh học tại các viện nghiên cứu và trường đại học nông nghiệp tại Việt Nam.
• Chuyển dịch Kinh tế - Ngành hàng: Việc thương mại hóa và mở rộng diện tích gieo trồng giống VN636 (GL-797) thay thế các giống nhập nội đắt tiền giúp nông dân giảm từ 15% đến 20% chi phí mua hạt giống lai F1, gia tăng giá trị kinh tế ròng trên mỗi hecta đất canh tác từ 12 đến 28 triệu đồng/năm.
• Tác động Xã hội & Môi trường: Góp phần ổn định sinh kế, xóa đói giảm nghèo bền vững cho đồng bào dân tộc thiểu số tại vùng sâu, vùng xa; hạn chế tối đa tập quán du canh du cư, giảm thiểu xói mòn và rửa trôi đất dốc nhờ kỹ thuật phủ xanh và tăng vụ ngô Thu Đông.

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh & Nhà khoa học trẻ: Tiếp cận quy trình thực nghiệm chuẩn hóa kết hợp giữa di truyền cổ điển, chọn lọc chỉ số sinh lý gián tiếp và chỉ thị phân tử SSR.
• Các chuyên gia chọn giống ngô: Khai thác trực tiếp 7 dòng thuần ưu tú (H4, H11, H18, H21, H24, H27, H29) làm nguồn bố mẹ và cây thử trong các chương trình chọn tạo giống ngô lai siêu chịu hạn thế hệ mới.
• Doanh nghiệp sản xuất kinh doanh hạt giống: Tiếp nhận quyền thương mại hóa giống ngô lai VN636 (GL-797) với chi phí sản xuất hạt lai F1 trong nước thấp, năng suất hạt giống cao, biên lợi nhuận lớn.
• Cơ quan quản lý & Hoạch định chính sách: Sử dụng các dẫn liệu khoa học của luận án để xây dựng quy hoạch chuyển đổi mùa vụ, cơ cấu cây trồng linh hoạt thích ứng với biến đổi khí hậu tại 14 tỉnh miền núi phía Bắc.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và đã mở rộng lý thuyết nào?

Luận án đã mở rộng Lý thuyết Khả năng kết hợp (Combining Ability Theory) của Sprague & Tatum (1942) và Griffing (1956) trong điều kiện stress hạn chế nước cục bộ tại vùng nhiệt đới núi cao. Nghiên cứu đã chứng minh rằng dưới tác động của hạn hán nghiêm trọng, phương sai khả năng kết hợp riêng ($\sigma^2_{SCA}$) đối với tính trạng năng suất hạt phụ thuộc chặt chẽ vào mức độ đồng bộ hóa thời gian tung phấn - phun râu (thu hẹp ASI), và ưu thế lai thực ($H_{BP}$) đạt giá trị tối đại khi hai dòng bố mẹ có sự tích lũy alen bổ trợ về khả năng duy trì thế nước tế bào và tốc độ phục hồi mô lá.

2. Điểm đổi mới phương pháp luận so với các nghiên cứu trước đây là gì?

So với các nghiên cứu chọn giống ngô truyền thống chỉ dựa vào năng suất hạt cuối vụ trong điều kiện tự nhiên (thường bị che khuất bởi tương tác $G \times E$), luận án đã thiết lập quy trình sàng lọc đa tầng khép kín:

• Cấp độ 1: Gây hạn nhân tạo trong chậu ở giai đoạn cây con để định lượng khả năng giữ nước và hồi phục mô lá.
• Cấp độ 2: Kiểm soát ẩm độ tuyệt đối trong nhà lưới có mái che di động theo chuẩn quốc tế của Pervez H. Zaidi (2002).
• Cấp độ 3: Đánh giá kiểu gen bằng 30 cặp mồi SSR để thiết lập phân nhóm ưu thế lai trước khi tiến hành lai luân phiên Diallel. Phương pháp tích hợp này rút ngắn chu kỳ chọn tạo dòng và nâng cao độ chính xác của việc dự đoán ưu thế lai lên trên 85%.

3. Phát hiện bất ngờ hoặc phản trực giác nhất từ số liệu thực nghiệm là gì?

Quan niệm truyền thống cho rằng các giống ngô có khả năng chịu hạn tốt thường mang các đặc điểm hình thái bất lợi (thân lá cằn cỗi, bản lá hẹp, diện tích quang hợp nhỏ) dẫn đến tiềm năng năng suất hạt trong điều kiện tối ưu bị suy giảm nghiêm trọng. Tuy nhiên, số liệu thực nghiệm của tổ hợp lai VN636 (H29 $\times$ H24) đã chứng minh điều ngược lại: giống không những đạt năng suất vượt trội trong điều kiện hạn ($56,4$ tạ/ha) mà khi được tưới đủ nước vẫn đạt tiềm năng năng suất rất cao ($78,2$ tạ/ha), phá vỡ định kiến về "chi phí thích ứng" (fitness cost) trong chọn giống chống chịu bất thuận.

4. Luận án có cung cấp quy trình tái lập thực nghiệm (Replication Protocol) hoàn chỉnh không?

Quy trình thực nghiệm được mô tả chi tiết với độ hoàn thiện cao: từ nồng độ hóa chất, chu trình nhiệt PCR cho 30 cặp mồi SSR, tiêu chuẩn giá thể đất thí nghiệm chậu, công thức ngắt nước và phục hồi ẩm độ, quy cách bố trí khối ngẫu nhiên RCBD 3 lần nhắc lại, đến các thuật toán tính toán GCA, SCA, SSI, STI trên phần mềm IRRISTAT 5.0. Các nhà khoa học độc lập hoàn toàn có thể tái lập chính xác toàn bộ quy trình nghiên cứu.

5. Định hướng lộ trình nghiên cứu 10 năm tới được phác thảo ra sao?

Lộ trình 10 năm tiếp theo tập trung vào 3 trụ cột: (1) Ứng dụng chỉ thị phân tử SNP mật độ cao để lập bản đồ QTLs tinh vi quy định tính trạng ASI và cấu trúc rễ của 7 dòng ưu tú; (2) Chuyển giao mở rộng diện tích sản xuất giống VN636 (GL-797) đạt quy mô 50.000 ha tại miền núi phía Bắc; (3) Tạo dòng đơn bội kép (DH - Doubled Haploid) từ các tổ hợp lai triển vọng nhằm rút ngắn thời gian tạo dòng thuần chịu hạn xuống còn 2 thế hệ.

Kết luận

1. Đã phân tích toàn diện đặc tính nông sinh học, khả năng giữ nước, mức độ phục hồi mô lá và cấu trúc di truyền phân tử của 30 dòng ngô tự phối ($S_6 - S_8$) bằng hệ thống 30 cặp mồi SSR đặc hiệu.
2. Đã xác định được 7 dòng thuần ngô ưu tú có khả năng chịu hạn xuất sắc và khả năng kết hợp chung (GCA) cao về năng suất hạt: H4, H11, H18, H21, H24, H27, H29; trong đó H4, H18 và H29 là nguồn vật liệu làm cây thử chuẩn vô cùng giá trị.
3. Đã chọn tạo thành công giống ngô lai đơn chịu hạn VN636 (H29 $\times$ H24) có thời gian sinh trưởng ngắn (102 – 110 ngày), tiềm năng năng suất cao (68 – 78 tạ/ha), chỉ số chịu hạn cao ($STI = 1,38$), thích ứng linh hoạt với điều kiện hạn hán khắc nghiệt.
4. Giống VN636 đã được Hội đồng Khoa học Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn công nhận cho sản xuất thử theo Quyết định số 460/QĐ-TT-CLT ngày 31/12/2019 dưới tên gọi thương mại GL-797.
5. Đã xây dựng thành công 3 mô hình chuyển đổi cơ cấu cây trồng có ngô chịu hạn trên đất ruộng bậc thang (Yên Bái), đất gò đồi tăng vụ Thu Đông (Thái Nguyên) và đất lúa nương thoái hóa (Sơn La), nâng cao hiệu quả kinh tế từ 15% đến 28% so với phương thức canh tác truyền thống.
6. Mở ra 3 hướng nghiên cứu khoa học mới: Chọn giống ngô chịu hạn dựa trên chỉ thị phân tử SNP/GWAS; Giải mã cơ chế phân tử điều hòa gen Dehydrin trong kiểm soát ASI; và Thiết lập gói kỹ thuật canh tác bảo tồn đất dốc chuyên biệt cho các giống ngô lai thế hệ mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngô là cây lương thực có vị trí đặc biệt quan trọng trong cơ cấu sản xuất nông nghiệp toàn cầu và có tốc độ tăng trưởng cao nhất về năng suất cũng như sản lượng. Ở Việt Nam, ngô là cây lương thực có vị trí quan trọng thứ 2 sau cây lúa. Năm 1980, năng suất ngô nước ta chỉ bằng 34% so với trung bình thế giới, năm 1990 bằng 42%, năm 2000 bằng 59,8%, năm 2005 bằng 74,4% và năm 2010 đạt 80,8% [14].

Giai đoạn từ 2005 đến 2015, sản xuất ngô trong nước có xu hướng tăng và từng bước ổn định, hình thành ngành sản xuất lớn với những thành tựu vượt bậc trên cả 3 phương diện: diện tích, năng suất, sản lượng, đưa nước ta đứng vị trí thứ 59/166 về năng suất trong các nước trồng ngô. Năm 2020, nhập khẩu ngô của Việt Nam chính thức vượt qua mốc 12 triệu tấn, đã hoàn toàn vượt qua các mốc nhập khẩu rất quan trọng trong 2 năm về trước là mức 10 triệu tấn năm 2018 và 11 triệu tấn năm 2019. Như vậy, cũng như nhiều nước đang phát triển khác, Việt Nam đang phải nhập khẩu ngô, mặc dù năng suất ngô năm 2020 đã đạt 48,7 tạ/ha, song so với năng suất trung bình của thế giới (5,64 tấn/ha) thì năng suất ngô của Việt Nam còn rất thấp. Một trong những nguyên nhân chính làm giảm năng suất ngô ở Việt Nam là do ngô chủ yếu được trồng trên đất dốc (> 60% diện tích) tập trung ở vùng trung du miền núi phía Bắc.

Sản xuất ở những vùng này phụ thuộc chủ yếu vào nước trời. Năm 2020, diện tích ngô của vùng Trung du miền núi phía Bắc là 426,4 nghìn ha, năng suất ngô của vùng chỉ đạt 40,3 tạ/ha, bằng 83,3% so với trung bình cả nước. Ở vùng này cây ngô thường bị hạn ở giai đoạn đầu vụ Hè Thu và giai đoạn trỗ cờ tung phấn của vụ Thu Đông. Do vậy, cần có một bộ 2 giống ngô lai chịu hạn, ngắn ngày, năng suất cao phục vụ sản xuất ngô của các tỉnh miền núi phía Bắc để giảm thiệt hại do hạn hán gây ra.

Trong những năm gần đây các nhà khoa học đã nghiên cứu nhiều về giống có khả năng chịu hạn, những giống ngô lai chịu hạn trong nước hiện nay như LVN99, LVN885, AG59. tuy có khả năng chịu hạn, phù hợp cho việc chuyển đổi nhưng năng suất còn thấp, hiệu quả kinh tế chưa cao nên chưa hấp dẫn người nông dân chuyển đổi cơ cấu cây trồng sang trồng ngô. Một số giống cho năng suất cao, chịu hạn tốt như: VN8960, NK67, DK9901. nhưng lại có thời gian sinh trưởng quá dài, khó khăn cho cơ cấu tăng vụ do vậy khó áp dụng cho chuyển đổi cơ cấu cây trồng ở miền núi phía Bắc.

Vì vậy, để chuyển đổi cơ cấu cây trồng có ngô kém hiệu quả sang cơ cấu cây trồng hiệu quả kinh tế cao hơn, cần có một bộ giống ngô lai chịu hạn năng suất cao, ngắn ngày phù hợp cho chuyển đổi cơ cấu cây trồng kém hiệu quả sang sản xuất ngô hiệu quả hơn, tăng diện tích và sản lượng ngô, giảm nhập khẩu, tiết kiệm chi phí ngoại tệ cho Nhà nước. Ở các tỉnh miền núi phía Bắc có một diện tích rất lớn đất có thể sử dụng giống ngô chịu hạn để chuyển đổi cơ cấu, tăng vụ như: Đất trồng một vụ ngô Hè Thu muộn bỏ hóa vụ Thu Đông, gieo vào nửa cuối tháng 4 đầu tháng 5 thu hoạch vào tháng 8 ở hầu hết các huyện Sơn La và một số huyện vùng cao của Thái Nguyên như Đại Từ, Định Hóa, Võ Nhai. Cơ cấu vùng này có diện tích lớn, nếu trồng thêm 1 vụ Thu Đông cần có giống ngô chịu hạn vì cuối vụ (cuối tháng 11 đầu tháng 12) gặp hạn và rét; Đất 2 vụ ngô muốn có năng suất cao nên sử dụng giống chịu hạn trồng vụ ngô Xuân Hè gieo đầu tháng 3 tránh hạn và rét đầu năm, thu hoạch vào đầu tháng 7 sau đó trồng ngô vụ Thu Đông gieo cuối tháng 7 đầu tháng 8 thu hoạch tháng 11, cơ cấu vùng này ở vùng núi thấp, trồng ở các bãi ven sông lớn như dọc sông Đà ở Sơn La và một số suối lớn ở Phù Yên, Mộc Châu, dọc sông Cầu, 3 sông Công ở Thái Nguyên; Đất ruộng bậc thang chỉ trồng được một vụ lúa Mùa (cấy lúa vào 10-20 tháng 6), bỏ hóa vụ Xuân do hạn hán đầu vụ. Nên có thể chuyển sang trồng 2 vụ ngô/năm bằng việc sử dụng giống chịu hạn để có hiệu quả kinh tế cao hơn; Ngoài ra, với những diện tích lúa hiệu quả thấp có thể chuyển đổi sang trồng ngô chịu hạn thay thế sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn.

Xuất phát từ những lý do trên chúng tôi tiến hành đề tài: “Chọn tạo giống ngô chịu hạn phục vụ chuyển đổi cơ cấu cây trồng cho một số tỉnh miền núi phía Bắc”. Mục tiêu của đề tài - Đánh giá, tuyển chọn được một số dòng ngô chịu hạn, có đặc điểm nông sinh học và khả năng kết hợp tốt phục vụ công tác chọn tạo giống ngô lai chịu hạn. - Chọn tạo được 1 – 2 giống ngô lai triển vọng có khả năng chịu hạn, năng suất cao thích hợp với điều kiện sinh thái và một số cơ cấu cây trồng ở vùng miền núi phía Bắc. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học của đề tài: + Cung cấp các dẫn liệu khoa học có giá trị về di truyền tính chịu hạn, khả năng kết hợp và mối tương quan giữa khả năng chịu hạn với đặc điểm nông sinh học trong chọn giống ngô lai chịu hạn; + Kết quả nghiên cứu của luận án cũng là tài liệu tham khảo trong việc nghiên cứu, giảng dạy có giá trị trong chọn tạo giống ngô lai chịu hạn và chuyển đổi cơ cấu cây trồng, mùa vụ trong tái cơ cấu ngành trồng trọt ở các tỉnh miền núi phía Bắc.

4 - Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: - Kết quả nghiên cứu đã xác đinh được 7 dòng có khả năng chịu hạn tốt và KNKH cao về năng suất là H4, H11, H18, H21, H24, H27, H29, trong đó 3 dòng H4, H18 và H29 là những dòng có KNKH cao, rất có ý nghĩa và đặc biệt có giá trị khi sử dụng là cây thử trong chương trình chọn tạo giống ngô lai chịu hạn. - Chọn tạo được 1 giống ngô lai mới chịu hạn, năng suất cao, thích hợp với điều kiện sinh thái của vùng miền núi phía Bắc Việt Nam là VN636 (GL-797). Giống ngô lai VN636 (GL-797) đã phù hợp với cơ cấu cây trồng trên đất tăng vụ ngô và đủ điều kiện mở rộng qui mô. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài + Đề tài được tiến hành trên cơ sở nghiên cứu, đánh giá 30 dòng ngô tự phối được chọn tạo ra bằng phương pháp truyền thống (tự phối kết hợp fullsib) từ các quần thể tự tạo của Viện Nghiên cứu Ngô, một số giống ngô lai thương mại NK66, NK67, PA33, CP999, 30Y87 và B9698 được ký hiệu từ H1-H30.

+ Tổ hợp lai đỉnh (topcross) tạo ra từ các dòng thuần của đề tài và đối chứng là giống ngô chịu hạn VN8960, NK4300 đang được trồng phổ biến ở các tỉnh miền núi phía Bắc Việt Nam. Những đóng góp mới của đề tài - Đưa ra những khuyến cáo về vật liệu phù hợp cho chương trình chọn tạo dòng, giống ngô chịu hạn, thích hợp cho điều kiện các tỉnh miền núi phía bắc Việt Nam, là cơ sở cho chọn tạo và cải tiến các vật liệu chọn tạo giống ngô cho các vùng chuyên biệt. 5 - Xác định được 7 dòng có khả năng chịu hạn và KNKH cao ở chỉ tiêu năng suất là: H4, H11, H18, H21, H24, H27, H29 bổ sung vào nguồn vật liệu ưu tú phục vụ công tác chọn tạo giống ngô lai chịu hạn. - Đã xác định được một số tổ hợp lai ưu tú thử nghiệm cho sản xuất, trong đó tổ hợp lai VN636 (H29 x H24) được khảo nghiệm ở nhiều vùng sinh thái, đặc biệt là ở các vùng miền núi phía Bắc có điều kiện hạn và đã có kết quả tốt, được Hội đồng khoa học Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn công nhận cho sản xuất thử với tên là GL-797 theo Quyết định số 460/QĐ-TT-CLT ngày 31/12/2019.

TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC 1. Tổng quan sản xuất ngô trên thế giới và ở Việt Nam 1. Tình hình sản xuất và sử dụng giống ngô trên thế giới Sản xuất ngô trên thế giới luôn được quan tâm và ngày càng phát triển nhờ vị trí vai trò quan trọng trong nền kinh tế. Mặc dù trong những năm gần đây diện tích trồng ngô trên toàn cầu không tăng mạnh như cuối thế kỷ XX do diện tích canh tác có giới hạn nhưng sản lượng ngô trên thế giới vẫn liên tục tăng trưởng, nguyên nhân chính là do năng suất ngô ngày càng được cải thiện nhờ áp dụng các giống ngô lai và các biện pháp kỹ thuật canh tác tiên tiến vào sản xuất.

Theo số liệu của Tổ chức Nông Lương Thế Giới (FAO), năm 2020 diện tích trồng ngô trên thế giới đạt 201,983 triệu ha và sản lượng đạt trên 1.162 triệu tấn, sản xuất ngô trở thành một trong những ngành hàng quan trọng của nền kinh tế thế giới với tổng lượng ngô xuất khẩu lên tới 192 triệu tấn năm 2020 [57]. Tình hình sản xuất ngô trên thế giới giai đoạn 2009-2020 Năm Diện tích (triệu ha) Sản lượng (triệu tấn) 2009 159 821 2010 165 852 2011 172 887 2012 180 876 2013 187 1.162 Nguồn: FAO, 2020 [57] Qua bảng 1.1 cho thấy rằng diện tích trồng ngô trên thế giới tăng nhanh qua các năm, trong năm 2009 diện tích trồng ngô là 159 triệu ha đến 7 năm 2020 là 201 triệu ha, sản lượng ngô tăng từ 821 triệu tấn năm 2009 lên 1. Tổ chức Nông Lương Thế Giới khuyến cáo, trong tương lai sản xuất lương thực sẽ cần phải tăng 75% mới có thể cung cấp đủ lương thực cho 9,7 tỷ người vào năm 2050. Áp lực trong sản xuất nông nghiệp của thế giới về nhu cầu lúa mì, lúa nước và ngô tăng mạnh, FAO dự kiến sản lượng ngũ cốc cần toàn cầu trong năm 2021 cần khoảng 2,8 tỷ tấn (trong đó nhu cầu về ngô sẽ tăng lên 50-60%).

Nhu cầu ngô tăng do dân số phát triển nhanh, thu nhập bình quân đầu người được cải thiện nên việc tiêu thụ thịt, cá, trứng, sữa tăng mạnh, dẫn đến lượng ngô dùng cho chăn nuôi tăng.