Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Cơ sở khoa học của đề tài Cao lương ngọt [Sorghum bicolor (L) Moench] là cây C4 có khả năng sinh trưởng, cho năng cho sinh khối lớn và hàm lượng đường cao ở tất cả các vùng nhiệt đới và á nhiệt đới. Cao lương ngọt là một cây nguyên liệu sinh học tiềm năng, cao lương ngọt có khả năng tạo sinh khối lớn với 70-80% sinh khối là dịch đường với độ brix cao [2], [3]. Vì vậy, ngày nay, cao lương ngọt đang được các nước đặc biệt quan tâm nghiên cứu và sản xuất làm cây nhiên liệu sinh học thay thế [9], [16], [18].
Giống như cây trồng khác, trong quá trình sinh trưởng phát triển cây cao lương phải trải qua 2 giai đoạn đó là sinh trưởng sinh dưỡng và sinh trưởng sinh thực. Giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng cây tăng nhanh về sinh khối, đây là giai đoạn quyết định đến năng suất sinh vật học của cây. Giai đoạn sinh trưởng sinh thực bắt đầu từ khi phân hóa mầm hoa, đây là giai đoạn cây cây bắt đầu tích lũy đường và quyết định đến chất lượng của cây. Cao lương ngọt thường bắt đầu tích lũy đường ở giai đoạn ra hoa và đạt cao nhất ở giai đoạn chín sinh lý [14].
Trên thế giới đã có những nghiên cứu về cắt ngọn (cắt hoa) cây cao lương làm tăng năng suất cũng như chất lượng. Đối với cây cao lương, ở giai đoạn sinh trưởng sinh thực (ra hoa) các chất được tích lũy từ thân, lá vận chuyển khá nhiều lên hoa để hình thành hoa và hình thành hạt (bông cao lương nặng khoảng 200 – 300 gam) vì vậy sẽ làm giảm khối lượng thân của cây xuống. Do vậy khi cắt ngọn (cắt hoa) các chất được tích lũy trong thân lá không vận chuyển để hình thành hoa nên khối lượng thân đạt cao hơn. Chính vì vậy nghiên cứu thời điểm cắt ngọn (cắt hoa) cho cây cao lương rất cần thiết nhằm tăng năng suất và chất lượng.
Đặc điểm thực vật học của cây cao lương ngọt Cao lương ngọt một loại cây thuộc họ hòa thảo chiều cao từ 0,6 – 5 m, đường kính thân 5 – 30 mm tùy thuộc vào giống, điều kiện canh tác và môi trường. Đặc điểm thực vật học cũng như thời gian sinh trưởng của cây cao lương tương tự như cây ngô và các cây ngũ cốc khác. Rễ cây cao lương là rễ chùm với rất nhiều rễ bên có khả năng hút nước hiệu quả, rễ đâm rộng. Nhờ đặc điểm này mà cao lương có thể sống ở những nơi khô hạn hơn ngô.
Rễ chính đâm sâu với nhiều rễ phụ và rễ bên, rễ chủ yếu xuất hiện ở tầng đất mặt, rễ chính có thể đâm sâu tới 1,5 m, nhưng thông thường tập trung ở độ sâu 0,9 m [6]. Thân cây đứng, gồm các lóng và đốt, lá mọc ra từ đốt, chồi có thể mọc ra từ các đốt thân. Thời gian đẻ nhánh sớm hay muộn tùy thuộc vào giống, thời vụ và kỹ thuật canh tác. Sau khi thu hoạch có thể cắt bỏ các nhánh tạo điều kiện cho cây đẻ nhánh vào vụ sau mà không cần phải trồng lại.
Tất cả các giống cao lương đều có thân mọng nước. Hàm lượng nước trong thân khi trưởng thành thường không vượt quá 20% sau đó giảm dần. Những giống có hàm lượng nước trong thân cao thường có thân màu xanh xám, gân lá màu tối. Lá cao lương cũng có phần bẹ ôm sát vào thân cây làm tăng độ cứng cho cây, bẹ lá thông thường dài khoảng 15 – 35 cm và cuộn chặt lấy thân.
Phiến lá dài 30 – 135 cm, rộng từ 1,5 – 13 cm với mép lá thẳng hoặc gợn sóng, mặt lá thường được phủ một lớp phấn muội. Lá cao lương ngắn và rộng hơn lá ngô, mỗi lá sinh ra từ một đốt, số lá ở thời kỳ trưởng thành tương đương với số đốt trên thân. Số lượng lá trên cây tương quan với thời gian sinh trưởng, thông thường trên thân có từ 7 – 18 lá hoặc hơn [19]. Hoa của cây cao lương là một cụm thẳng đứng, hoa có một cuống trung tâm, với những nhánh cấp 1, cấp 2, và đôi khi có đến cấp 3, từ các nhánh này đôi khi sinh ra các chùm hoa nhỏ.
Chiều dài và khoảng cách của những nhánh hoa 5 đôi khi quyết định hình dạng của chùm hoa, từ hình nón hoặc hình ô van kín. Thông thường hạt được bao phủ bởi một lớp mày. Hạt hình tròn và có đầu nhọn có kích thước từ 4 – 8 mm. Hình dạng, kích thước và màu sắc hạt thay đổi tùy thuộc vào từng giống.
Cao lương là cây tự thụ phấn, đôi khi xảy ra hiện tượng giao phấn, tỷ lệ giao phấn thường nhỏ hơn 6% [13]. Hoa mọc thành chùm, chùm hoa có cả hoa đực và hoa cái, một chùm gồm khoảng 6. Hạt cao lương nhỏ hơn hạt ngô và có một lớp vỏ ngoài. 1 kg hạt giống chứa 25.
Hạt có nhiều màu sắc khác nhau từ màu vàng nhạt, màu nâu đỏ nhạt đến màu nâu sẫm tùy thuộc vào từng giống cây. Hạt càng sậm màu càng chứa nhiều tananh làm cho hạt có vị đắng. Thời gian từ gieo đến thu hoạch hạt là một trong những yếu tố quan trọng để phân loại các giống cao lương, bố trí mùa vụ. Thời gian sinh trưởng ít thay đổi tuy nhiên nó cũng phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, mùa vụ, cùng một giống nếu trồng sớm thường có thời gian sinh trưởng dài hơn nếu trồng muộn.
Cách phân loại này dựa trên điều kiện thời tiết bình thường, dưới điều kiện thời tiết khắc nghiệt hoặc rất thuận lợi có thể kéo dài hoặc rút ngắn thời gian sinh trưởng đến 25 ngày so với cách phân loại trên [27]. Cao lương là một loại cây trồng nhiệt đới, cao lương cùng họ với lúa. nhưng quang hợp theo chu trình C4 đây chính là một ưu điểm vượt trội của cao lương. Nhờ quang hợp theo đường hướng này mà cao lương ngọt có thể tổng hợp chất hữu cơ ở điều kiện nhiệt độ cao và không xảy hiện tượng quang hô hấp.
Ngược lại, lúa là đại diện của các loại cỏ ôn đới, sử dụng chu trình C3. Cao lương ngọt là sự kết hợp tuyệt vời giữa lúa với cây trồng nhiệt đới với bộ gen lớn hơn nhiều và sự bổ xung các gen có lợi khác từ mía, và là một trong những cây trồng hiệu quả nhất trên thế giới trong việc sản xuất sinh khối cây trồng hiện nay. Nguồn gốc phân bố và yêu cầu ngoại cảnh của cây cao lương ngọt Trung tâm khởi nguyên chính của cao lương là ở châu Phi, vùng đất khô hạn, lượng mưa hàng năm rất thấp. Có thể cao lương được trồng đầu tiên ở Ethiopia sau đó lan rộng ra nhiều nước ở Châu Phi [21].
Cao lương được trồng ở Hoa Kỳ vào năm 1850. Hiện nay cao lương được phân bố rộng khắp các vùng nhiệt đới, cận nhiệt đới, và các khu vực ôn đới ấm của thế giới. Cao lương là loại cây trồng nhiệt đới và bán nhiệt đới do đó không thể trồng ở điều kiện lạnh giá; cao lương thích nghi với khoảng điều kiện khí hậu rộng lớn từ những vùng có lượng mưa hàng năm cao đến những nơi khô hạn. Mặc dù lượng mưa và các yếu tố khác quyết định mùa vụ và thời gian sinh trưởng của cao lương nhưng cao lương vẫn có thể trồng và phát triển ở những nơi có điều kiện khắc nghiệt và trình độ thâm canh hạn chế.
Cao lương rất thích nghi với vùng đất nóng, khô hạn và bán khô hạn. Cao lương là cây trồng chính ở Châu Phi, Châu Á, Nam Mỹ và Châu Đại Dương nơi mà quá nóng và khô không phù hợp sản xuất ngô. Cao lương là cây trồng lấy hạt chính ở những vùng khô hạn và bán khô hạn. Cây cao lương xuất xứ từ vùng nhiệt đới nên điều kiện khí hậu nóng ẩm là điều kiện thuận lợi cho cây phát triển.
Cao lương có ngưỡng nhiệt phát triển 15-370C, tuy nhiên, nhiệt độ tối thích là 270C [27]. Đa số các giống cao lương hiện nay không phản ứng với ánh sáng. Theo báo cáo từ các khu vực như Trung Quốc, Nhật Bản, Ấn Độ. thì cây cao lương là cây trồng chống chịu được các loại đất từ chua đến kiềm, đất ngập nước hay khô hạn, nồng độ muối cao, các loại nấm bệnh cũng như cỏ dại.
Cây cao lương có đặc điểm hình thái và sinh lý cho phép nó có thể sinh trưởng và tồn tại trong điều kiện hạn như bộ rễ ăn sâu và lan rộng, lớp phấn muội dày và bao phủ toàn thân, bề mặt lá và khả năng tự dừng sinh trưởng trong điều kiện hạn, phục hồi bình thường trở lại khi thuận lợi. Do vậy nó có 7 thể phát triển ở những vùng nhiệt đới và á nhiệt đới với lượng mưa hàng năm chỉ 400 – 600 mm, quá khô không trồng được ngô, cây cao lương không chỉ có khả năng sinh trưởng trong vùng hạn mà còn có khả năng phát triển được với cả vùng ngập nước, do đó cũng có thể trồng được ở những vùng có lượng mưa lớn. Cây cao lương sinh trưởng được từ độ cao 0 – 2300 mm so với mực nước biển. Khoảng pH đất mà cao lương có thể sinh trưởng được rất rộng từ 5,0 – 8,5 [10].
Khoảng nhiệt độ cao lương có thể thích ứng được là từ 2,0 – 410C , nhiệt độ hàng năm trung bình có thể từ 7,8 – 27,80C. Như vậy, cây cao lương có thể thích ứng được tốt trong điều kiện nóng và lạnh của các vùng thuộc khu vực nhiệt đới và á nhiệt đới. Tình hình sản xuất và nghiên cứu cao lương trên thế giới và Việt Nam 1. Tình hình sản xuất và nghiên cứu trên thế giới 2.
Tình hình sản xuất cao lương trên thế giới Cao lương là một trong những loại cây ngũ cốc hàng đầu thế giới, cung cấp thực phẩm, thức ăn, chất xơ, nhiên liệu, sợi…. Cung cấp lương thực cho 750 triệu người trên hành tinh đặc biệt là ở những vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới của Châu Phi, Châu Á và châu Mỹ La Tinh [5]. Hiện nay có hơn 50 quốc gia trồng cao lương phân bố ở cả 6 châu lục tập trung chủ yếu ở Châu Phi và Châu Mỹ. Cây cao lương được ví như một cây trồng đa tác dụng sản phẩm của nó phục vụ cho nhiều ngành khác nhau tùy vào mục đích sử dụng: hạt là thực phẩm cho người và gia súc, thân lá được sử dụng làm chất đốt hoặc trong ngành công nghiệp sản xuất ethanol.