Tổng quan nghiên cứu

Năm 2013, tổng diện tích ngô cả nước đạt 1.170,4 nghìn ha với sản lượng trên 5,19 triệu tấn, trong đó diện tích ngô nếp chiếm gần 15% tổng cơ cấu gieo trồng nhờ giá trị kinh tế cao và khả năng luân canh linh hoạt. Tuy nhiên, năng suất ngô trung bình của Việt Nam thời điểm đó chỉ đạt 4,44 tấn/ha, thấp hơn so với mức bình quân toàn cầu là 5,5 tấn/ha và khoảng cách khá xa so với mức 9,96 tấn/ha của Hoa Kỳ. Thực tiễn sản xuất ngô nếp trong nước đối mặt với nghịch lý: các giống địa phương có chất lượng dẻo thơm đặc trưng nhưng năng suất thấp, trong khi các giống ngô lai nhập nội có giá thành hạt giống cao và hương vị chưa hoàn toàn phù hợp với thị hiếu người tiêu dùng Việt Nam.

Nghiên cứu được thực hiện nhằm xác định khả năng sinh trưởng, phát triển, năng suất và đánh giá khả năng kết hợp chung, khả năng kết hợp riêng của 6 dòng ngô nếp tự phối đời S3 đến S5 có nguồn gốc từ Việt Nam và Trung Quốc. Thông qua đó, đề tài hướng đến việc tuyển chọn các tổ hợp lai ưu tú có tiềm năng năng suất cao và phẩm chất tốt phục vụ sản xuất. Đề tài được triển khai trong hai vụ liên tiếp gồm vụ Xuân 2015 và vụ Thu Đông 2015 tại vùng đất bãi Gia Lâm, Hà Nội trực thuộc Viện Nghiên cứu và Phát triển cây trồng - Học viện Nông nghiệp Việt Nam. Kết quả đã xác định được 2 dòng bố mẹ xuất sắc là NG15 và NG16 cùng 2 tổ hợp lai triển vọng THL13 và THL15, đóng góp cơ sở dữ liệu di truyền quan trọng cho chương trình tạo giống ngô nếp ưu thế lai tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng nền tảng lý thuyết ưu thế lai khởi xướng từ công trình của Charles Darwin năm 1876 và George Harrison Shull năm 1908, khẳng định con lai F1 giữa các dòng thuần phân ly di truyền có thể biểu hiện sức sống, khả năng chống chịu và năng suất vượt trội bố mẹ từ 10% đến 20%. Cơ sở di truyền học hiện đại giải thích ưu thế lai thông qua thuyết siêu trội và tương tác gen không cộng tính, trong đó việc tích lũy các alen có lợi giúp tăng cường sinh khối và năng suất hạt.

Song song đó, lý thuyết khả năng kết hợp của Sprague và Tatum năm 1942 cùng phương pháp phân tích phương sai di truyền của Griffing năm 1956 được áp dụng làm trục phân tích trung tâm. Khả năng kết hợp chung phản ánh hiệu ứng gen cộng tính được di truyền ổn định, trong khi khả năng kết hợp riêng đại diện cho hiệu ứng tương tác gen không cộng tính gồm tính trội và siêu trội. Khái niệm dòng thuần ngô nếp được xác lập dựa trên quá trình tự phối cưỡng bức liên tục từ thế hệ S3 đến S5 nhằm đạt độ đồng hợp tử cao. Đặc tính chất lượng ngô nếp được chi phối bởi đột biến lặn waxy trên nhiễm sắc thể số 9, dẫn đến nội nhũ hạt tích lũy gần 100% amylopectin phân nhánh, tạo độ dẻo mềm vượt trội so với mức 75% amylopectin ở ngô tẻ thông thường.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn vật liệu nghiên cứu gồm 6 dòng ngô nếp tự phối thuần gồm NG11, NG13, NG14, NG15, NG16, NG17 ở thế hệ S3 đến S5 thu thập từ Việt Nam và Trung Quốc, 15 tổ hợp lai F1 được tạo ra từ phép lai luân giao và 1 giống đối chứng Vnua69. Phương pháp chọn mẫu áp dụng theo mô hình diallel 4 của Griffing, thực hiện lai một chiều không tự phối và không lấy con lai nghịch nhằm tối ưu hóa chi phí lai tạo, tập trung đánh giá chính xác hiệu ứng phối hợp giữa các dòng bố mẹ.

Thí nghiệm được bố trí theo khối ngẫu nhiên với kích thước mỗi ô thí nghiệm là 10 m². Vụ Xuân 2015 tiến hành khảo sát 6 dòng bố mẹ với 2 lần nhắc lại, mật độ khoảng cách 60 cm x 25 cm. Vụ Thu Đông 2015 đánh giá đồng thời 15 tổ hợp lai, 6 dòng bố mẹ và 1 giống đối chứng với 3 lần nhắc lại trên 21 công thức thí nghiệm ngẫu nhiên hóa, mật độ hàng cách hàng 70 cm và cây cách cây 20 cm, tương đương khoảng 71.400 cây/ha. Quy trình kỹ thuật tuân thủ tiêu chuẩn ngành 10TCN 341-2006 với mức phân bón đồng nhất cho mỗi hecta gồm 1 tấn phân vi sinh, 120 kg N, 60 kg P2O5 và 60 kg K2O. Dữ liệu thực nghiệm được xử lý phương sai ANOVA, kiểm định sai khác nhỏ nhất có ý nghĩa ở mức xác suất 95% trên phần mềm chuyên dụng IRRISTAT 5.0 và thuật toán phân tích khả năng kết hợp theo chương trình thống kê sinh học của Nguyễn Đình Hiền.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát các dòng bố mẹ trong vụ Xuân 2015 ghi nhận thời gian sinh trưởng từ gieo đến chín sinh lý dao động từ 80 đến 88 ngày. Dòng AG10 và MX có thời gian sinh trưởng ngắn nhất đạt 80 ngày, trong khi dòng AG3 dài nhất với 88 ngày. Khoảng thời gian từ gieo đến tung phấn đạt từ 44 đến 56 ngày. Độ chênh lệch giữa thời điểm tung phấn và phun râu của các dòng rất hẹp, chỉ dao động từ 0 đến 3 ngày, đặc biệt dòng NG523-1 có thời gian tung phấn và phun râu trùng khớp hoàn toàn, đảm bảo khả năng thụ phấn tự nhiên thuận lợi.

Chiều cao cây cuối cùng của 6 dòng biến động trong khoảng 125,9 cm đến 158,0 cm, trong đó dòng NG523-9 đạt chiều cao lớn nhất 158,0 cm và dòng AG10 thấp nhất đạt 125,9 cm. Chiều cao đóng bắp dao động từ 57,3 cm ở dòng MX đến 77,15 cm ở dòng NG523-9. Tỷ lệ chiều cao đóng bắp trên chiều cao cây của toàn bộ các dòng bố mẹ duy trì ở ngưỡng cân đối từ 43,7% đến 51,4%, tạo trọng tâm thấp giúp tăng cường độ vững chắc trước gió bão. Tổng số lá trên thân biến động ổn định từ 14,5 đến 15,6 lá, số nhánh cờ dao động từ 7,0 đến 13,6 nhánh và chiều dài bông cờ đạt từ 27,5 cm đến 35,9 cm.

Phân tích phương sai di truyền trong vụ Thu Đông 2015 đã định danh 2 dòng ngô nếp có giá trị khả năng kết hợp chung và khả năng kết hợp riêng về năng suất bắp tươi đạt giá trị dương cao ở mức tin cậy 95% là dòng NG15 và NG16. Trong số 15 cặp lai khảo nghiệm, 2 tổ hợp lai THL13 (lai giữa NG15 và NG16) cùng THL15 (lai giữa NG16 và NG17) thể hiện ưu thế lai chuẩn vượt trội so với đối chứng Vnua69 cả về năng suất thực thu, độ kín lá bi điểm 1, độ dày vỏ hạt mỏng dưới 50 micromet và điểm thử nếm cảm quan đạt loại dẻo thơm đậm đà.

Thảo luận kết quả

Sự sai khác có ý nghĩa thống kê giữa các giá trị khả năng kết hợp chung và khả năng kết hợp riêng khẳng định tính trạng năng suất bắp tươi và các yếu tố cấu thành năng suất ở tập đoàn ngô nếp thí nghiệm chịu sự kiểm soát đồng thời của hiệu ứng gen cộng tính và không cộng tính. Kết quả này tương đồng với các công bố quốc tế của Lertrat và Thongnarin năm 2006 tại Thái Lan cũng như nghiên cứu của Yun-Xiao năm 2007 tại Trung Quốc trên các nguồn gen ngô nếp nhiệt đới.

Dữ liệu hình thái và năng suất có thể được minh họa trực quan thông qua biểu đồ phân tán thể hiện mối tương quan thuận giữa chiều cao đóng bắp với năng suất cá thể, kết hợp bảng ma trận phương sai diallel phân định rõ mức độ đóng góp của từng dòng bố mẹ. Tỷ lệ chiều cao đóng bắp trên chiều cao cây dao động quanh mức 48% phản ánh cấu trúc tán lá lý tưởng, giảm thiểu tỷ lệ đổ gãy thân dưới 5% trong điều kiện thời tiết vụ Thu Đông. Ưu thế vượt bậc của tổ hợp lai THL13 bắt nguồn từ sự phân dị di truyền sâu sắc giữa dòng NG15 thuần thế hệ S5 và dòng NG16 thế hệ S3, tạo nên hiệu ứng dị hợp tử tối ưu cho các gen quy định kích thước bắp, số hàng hạt và hàm lượng amylopectin trong nội nhũ.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, tổ chức khảo nghiệm sản xuất diện rộng cho 2 tổ hợp lai triển vọng THL13 và THL15 trên quy mô từ 5 đến 10 ha tại các vùng sinh thái trọng điểm như Đồng bằng sông Hồng và Trung du miền núi phía Bắc. Đặt mục tiêu đạt năng suất bắp tươi ổn định từ 95 đến 110 tạ/ha, rút ngắn thời gian thu hoạch bắp tươi trong khoảng 65 đến 75 ngày. Hoạt động này cần được Viện Nghiên cứu và Phát triển cây trồng phối hợp cùng Trung tâm Khảo kiểm nghiệm giống cây trồng Quốc gia triển khai trong giai đoạn 2016-2018.

Thứ hai, triển khai quy trình duy trì và nhân dòng thuần bố mẹ NG15 và NG16 theo phương pháp tự phối cưỡng bức nghiêm ngặt để bảo tồn độ thuần di truyền trên 99,5%. Đảm bảo cung ứng nguồn hạt giống bố mẹ đạt chuẩn cho các cơ sở sản xuất hạt lai F1, do bộ môn Chọn tạo giống cây trồng thuộc Học viện Nông nghiệp Việt Nam chủ trì thực hiện thường niên.

Thứ ba, chuẩn hóa gói kỹ thuật canh tác thâm canh cho ngô nếp lai vụ Thu Đông với mật độ tối ưu khoảng 71.400 cây/ha, duy trì bón lót toàn bộ 1 tấn phân hữu cơ vi sinh kết hợp 60 kg P2O5 và bón thúc đạm, kali chia làm 2 đợt ở giai đoạn 3-5 lá và 7-9 lá. Hệ thống Khuyến nông các tỉnh phía Bắc cần đóng vai trò chủ thể chuyển giao quy trình này cho bà con nông dân nhằm hạn chế sâu đục thân và bệnh đốm lá.

Thứ tư, thúc đẩy liên kết chuyển giao quyền khai thác thương mại giữa cơ sở nghiên cứu và các doanh nghiệp hạt giống nông nghiệp. Xây dựng chuỗi giá trị sản xuất gắn với chế biến ngô nếp ăn tươi đóng gói hút chân không, hướng tới mở rộng diện tích thương phẩm đạt trên 500 ha trong giai đoạn 2017-2020.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhà khoa học và chuyên gia chọn tạo giống cây trồng: Cung cấp tài liệu tham khảo giá trị về kỹ thuật lai luân giao theo mô hình diallel 4 của Griffing, phương pháp ước lượng phương sai di truyền và kinh nghiệm khai thác nguồn gen ngô nếp thuần từ thế hệ S3 đến S5.

Doanh nghiệp sản xuất và kinh doanh hạt giống nông nghiệp: Nắm bắt thông tin chi tiết về đặc tính nông sinh học và tiềm năng thương mại của 2 tổ hợp lai THL13 và THL15, hỗ trợ quyết định đầu tư nhận chuyển giao công nghệ hoặc hợp tác khảo nghiệm giống ngô lai mới.

Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Nông học: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy và học tập điển hình về phương pháp bố trí thí nghiệm khối ngẫu nhiên trên đồng ruộng, quy trình thu thập chỉ tiêu hình thái theo tiêu chuẩn ngành và kỹ năng xử lý số liệu trên phần mềm IRRISTAT 5.0.

Cán bộ khuyến nông và trang trại nông nghiệp công nghệ cao: Tham khảo quy trình bón phân cân đối, thời điểm thu hoạch bắp tươi sau phun râu từ 18 đến 20 ngày và kỹ thuật phòng trừ sâu bệnh để tối ưu hóa hiệu quả kinh tế trong cơ cấu luân canh cây trồng vụ Đông.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp lai luân giao theo mô hình diallel 4 của Griffing có ưu điểm gì trong đánh giá dòng ngô nếp? Mô hình 4 của Griffing tiến hành lai một chiều giữa các dòng bố mẹ mà không thực hiện phép lai nghịch và không tự phối dòng mẹ. Cách tiếp cận này giúp giảm một nửa số lượng cặp lai cần thực hiện trên đồng ruộng, tiết kiệm đáng kể chi phí và nhân lực thụ phấn nhân tạo nhưng vẫn ước lượng chính xác phương sai khả năng kết hợp chung và khả năng kết hợp riêng của từng dòng thuần.

Tại sao hai dòng thuần NG15 và NG16 lại được đánh giá là vật liệu bố mẹ triển vọng nhất? Dòng NG15 và NG16 đều biểu hiện giá trị khả năng kết hợp chung và riêng về năng suất bắp tươi ở mức dương cao, có ý nghĩa thống kê ở độ tin cậy 95%. Hai dòng này có thời gian sinh trưởng ngắn từ 80 đến 88 ngày, tỷ lệ chiều cao đóng bắp trên chiều cao cây đạt khoảng 45% đến 50%, khả năng chống đổ tốt và truyền lại đặc tính vỏ hạt mỏng, độ dẻo cao cho các thế hệ con lai F1.

Độ chênh lệch ngày giữa tung phấn và phun râu ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả chọn giống ngô lai? Sự trùng khớp giữa thời điểm hoa cờ tung phấn và bắp phun râu quyết định trực tiếp đến tỷ lệ thụ tinh và mật độ kết hạt trên bắp. Trong nghiên cứu, khoảng chênh lệch giữa tung phấn và phun râu ở các dòng bố mẹ chỉ từ 0 đến 3 ngày, giúp lượng hạt phấn tiếp xúc tối đa với đầu nhụy râu ngô, hạn chế hiện tượng đuôi chuột và tăng số lượng hạt trên hàng.

Tổ hợp lai THL13 và THL15 có những điểm vượt trội nào so với giống đối chứng Vnua69? Hai tổ hợp lai THL13 và THL15 thể hiện ưu thế lai chuẩn vượt trội với năng suất bắp tươi và năng suất thực thu cao hơn giống đối chứng Vnua69. Bên cạnh đó, chất lượng ăn nếm của 2 tổ hợp này được hội đồng cảm quan xếp loại xuất sắc nhờ tỷ lệ amylopectin cao, hạt mềm dẻo, vị ngọt đậm tự nhiên và tỷ lệ bao kín đầu bắp đạt điểm 1 tuyệt đối.

Chỉ số diện tích lá và tỷ lệ chiều cao đóng bắp có ý nghĩa sinh học gì đối với năng suất ngô nếp? Chỉ số diện tích lá quyết định khả năng hấp thu bức xạ mặt trời trong chu trình quang hợp C4 để tích lũy trên 80% chất khô về bắp hạt. Đồng thời, tỷ lệ chiều cao đóng bắp trên chiều cao cây ở mức lý tưởng từ 43,7% đến 51,4% giúp cây phân bố trọng lượng đồng đều, giữ vững thế đứng trước gió bão và tối ưu hóa mật độ gieo trồng lên đến 7,1 vạn cây/ha.

Kết luận

  • Đã đánh giá chi tiết đặc điểm sinh trưởng và hình thái của 6 dòng ngô nếp thuần từ thế hệ S3 đến S5 trong vụ Xuân 2015 với thời gian sinh trưởng ngắn từ 80 đến 88 ngày.
  • Thiết lập thành công 15 tổ hợp lai F1 luân giao theo mô hình diallel 4 của Griffing và bố trí khảo nghiệm chặt chẽ trong vụ Thu Đông 2015 tại Gia Lâm, Hà Nội.
  • Xác định được 2 dòng bố mẹ xuất sắc NG15 và NG16 có giá trị khả năng kết hợp chung và riêng về năng suất đạt mức dương cao có ý nghĩa thống kê.
  • Tuyển chọn được 2 tổ hợp lai đơn ưu tú THL13 và THL15 sở hữu năng suất bắp tươi vượt trội, phẩm chất dẻo thơm và vỏ hạt mỏng dưới 50 micromet.
  • Hoàn thiện gói dữ liệu di truyền và quy trình kỹ thuật chuẩn hóa theo tiêu chuẩn 10TCN 341-2006, tạo tiền đề khoa học vững chắc cho công tác phát triển giống ngô nếp lai tại Việt Nam.

Công trình nghiên cứu đã giải quyết thành công bài toán kết hợp giữa năng suất cao và chất lượng ăn nếm thơm dẻo cho cây ngô nếp ăn tươi. Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp nông nghiệp quan tâm đến việc phát triển thương mại 2 tổ hợp lai triển vọng THL13 và THL15 hãy chủ động kết nối để tiếp nhận chuyển giao vật liệu và thúc đẩy sản xuất giống ngô nếp chất lượng cao ngay trong các vụ gieo trồng tiếp theo.