Đặt vấn đề Ngô (Zea mays L.) là một trong ba cây lương thực quan trọng nhất trên thế giới. So với lúa mì và lúa gạo thì ngô đứng thứ ba về diện tích, thứ hai về năng suất nhưng thứ nhất về sản lượng. Với giá trị kinh tế cao và khả năng thích ứng rộng, cây ngô đã được trồng ở hầu hết các vùng trên thế giới. Năm 2012, diện tích trồng ngô trên thế giới đạt 174,64 triệu ha với tổng sản lượng đạt 838 triệu tấn.
Trong đó Mỹ là nước có diện tích lớn nhất với 35,5 triệu ha, sản lượng đạt 274 triệu tấn [26]. Nhu cầu ngô của thế giới được dự báo sẽ tăng lên 50% với 852 triệu tấn vào năm 2020 và có thể vượt qua cả gạo và lúa mì [20]. Tại Việt Nam, ngô là cây lương thực quan trọng thứ hai sau lúa, là đối tượng chủ lực trong công cuộc xóa đói giảm nghèo, đặc biệt ở các tỉnh vùng núi. Năm 2012, diện tích gieo trồng ngô của cả nước đạt gần 1,2 triệu ha với sản lượng 4,6 triệu tấn, năng suất đạt 40,09 tạ/ha.
Tuy nhiên hàng năm nước ta vẫn phải nhập khẩu ngô với lượng khá lớn, 1,614 triệu tấn năm 2012 với trị giá hơn 500 triệu USD [14]. Theo chiến lược của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn đến năm 2020, sản lượng ngô của Việt Nam cần đạt 8 - 9 triệu tấn/năm để đảm bảo cung cấp đủ nhu cầu trong nước và từng bước tham gia xuất khẩu. Hiện nay việc chọn tạo giống ngô cho năng suất cao, phẩm chất tốt, chống chịu được các điều kiện ngoại cảnh khắc nghiệt là một vấn đề đáng quan tâm và được đặt ra hàng đầu. Bên cạnh các phương pháp chọn lọc truyền thống, với sự phát triển vượt bậc của công nghệ sinh học đã tạo ra các thực vật chuyển gen nói chung, các dòng ngô chuyển gen nói riêng mang các đặc tính quý mà các phương pháp truyền thống không tạo ra được.
Kĩ thuật chuyển gen vào cây ngô đã được nghiên cứu và trở thành công cụ quan trọng từ những năm 90. Cây ngô chuyển gen đầu tiên được thương mại hóa vào năm 1996, đến năm 2012 diện tích trồng ngô biến đổi gen đạt 55,1 triệu ha chiếm 31,6% tổng diện tích trồng ngô trên toàn thế giới. Hai phương pháp thường được áp dụng vào chuyển gen ở cây ngô là chuyển gen trực tiếp bằng súng bắn gene và chuyển gen gián tiếp bằng vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens. Chuyển gen thông qua vi khuẩn có ưu điểm dễ tiến hành, tần số biến nạp cao và có tính ổn định qua các thế hệ sau, tiết kiệm chi phí vì vậy nó được tiến hành hầu hết ở các phòng thí nghiệm [25].
n 2 Hạn là một trong những yếu tố bất thuận chính làm giảm sinh khối thân, lá và năng suất của ngô trên thế giới cũng như ở Việt Nam, nhất là những vùng trồng ngô dựa vào nước tự nhiên. Theo Viện khoa học Nông nghiệp Việt Nam diện tích trồng ngô phụ thuộc vào nước mưa chiếm khoảng 70%, diện tích chủ động được nước tưới chiếm khoảng gần 30%. Ở nước ta lượng mưa hàng năm phổ biến từ 1700 - 2000 mm đủ cho nhu cầu phát triển của cây ngô, tuy nhiên lượng mưa tập trung theo mùa nên về mùa khô cây ngô không đủ nước để phát triển. Vì vậy cần tập trung nghiên cứu để tạo ra các giống ngô có khả năng chống chịu hạn và cho năng suất cao [1].2 Mục đích và yêu cầu nghiên cứu 1.1 Mục đích - Biến nạp gen ZmNAC vào một số dòng ngô chọn lọc thông qua vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens - Kiểm tra sự có mặt của gen ZmNAC trong các dòng ngô chuyển gen bằng phương pháp PCR 1.2 Yêu cầu Biến nạp gen thành công ZmNAC vào một số dòng ngô chọn lọc thông qua vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens 1.3 Ý nghĩa của đề tài 1.1 Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần hoàn thiện quy trình chuyển gen vào các dòng ngô và cây trồng.
Phục vụ cho các công trình nghiên cứu khoa học về cây trồng chuyển gen.2 Ý nghĩa thực tiễn Qua kết quả nghiên cứu của đề tài đưa ra quy trình hoàn thiện chuyển gen của một số dòng ngô nói riêng và cây trồng nông nghiệp nói chung. Bước đầu phục vụ cho sản xuất các dòng ngô có đặc tính ưu việt đặc biệt là khả năng chống chịu hạn góp phần làm tăng năng suất và chất lượng cây trồng. n 3 PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Nguồn gốc, vai trò và vị trí của cây ngô trong hệ thống cây trồng 2.1 Nguồn gốc và phân loại Cây ngô có tên khoa học là Zea mays L. thuộc chi Maydeae, họ Hòa thảo Gramineae, có bộ nhiễm sắc thể 2n = 20.
Kết quả nghiên cứu đã chứng minh rằng cây ngô có nguồn gốc ở Trung Mỹ, trung tâm phát sinh là Mexico [19]. Trải qua hàng triệu năm phát triển, dưới tác động của chọn lọc tự nhiên và nhân tạo đã hình thành 8 loài phụ, phân bố ở 4 vùng sinh thái: ôn đới, nhiệt đới thấp, nhiệt đới cao và cận nhiệt đới. Dựa vào hạt có mày hay không có mày, hình thái bên ngoài và cấu trúc nội nhũ của hạt, ngô được phân thành các loài phụ: ngô bọc, ngô đá, ngô răng ngựa, ngô đường, ngô nổ, ngô bột, ngô nếp, ngô đường bột, ngô bán răng ngựa. Từ các loài phụ căn cứ vào màu sắc hạt và màu sắc lõi ngô để phân thành các thứ.
Đây là cách phân loại theo đặc điểm thực vật học, ngoài ra ngô còn được phân loại theo sinh thái học, nông học, thời gian sinh trưởng và thương phẩm [8]. Vai trò của cây ngô trong nền kinh tế Cây ngô luôn thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học vì có nhiều đặc tính quý như sinh trưởng và phát triển nhanh, năng suất cao và khả năng thích ứng rộng. Sản phẩm từ ngô đã và đang góp phần nuôi sống 1/3 dân số thế giới. Toàn thế giới đã sử dụng 21% sản lượng ngô làm lương thực.
Đặc biệt là nhiều nước Châu Phi, Châu Mỹ, v. ngô làm lương thực chính (khoảng 85% sản lượng ngô). Hạt ngô chứa hàm lượng dinh dưỡng cao, hàm lượng tinh bột trung bình khoảng 69,2% (trong khi đó hàm lượng tinh bột trong gạo 62,4%; lúa mì 63,8%); protein 10,6%; lipit 4,3%; chất xơ 2% và nhiều loại vitamin quan trọng cho sự sống. Chính vì thành phần dinh dưỡng phong phú và đầy đủ này mà ngô đã được dùng rất nhiều trong thành phần thức ăn bổ sung, giúp tái tạo và tăng cường năng lượng [10].
Cùng với những tác dụng trên, có đến 70% ngô được sử dụng để chế biến thức ăn chăn nuôi, nguyên liệu quan trọng trong công nghiệp chế biến thực phẩm (đường, rượu, bia, đồ uống giải khát); sản xuất xăng sinh học; công nghệ y dược, ngô dùng để sản xuất glucose, peniciline, ngô non còn được dùng để tinh chế vitamin và nhiều ứng dụng khác.2 Đặc điểm sinh học cây ngô Ngô (Zea mays L.) là cây nông nghiệp một lá mầm thuộc chi Zea, họ hòa thảo (Poaceae hay còn gọi là Gramineae). Các giống ngô ở Việt Nam có những đặc điểm như chiều cao cây, thời gian sinh trưởng, chống chịu sâu bệnh và thích ứng với điều kiện ngoại cảnh khác nhau. Song cây ngô đều có những dặc điểm chung về hình thái, giải phẫu. Các bộ phận của cây ngô bao gồm: rễ, thân, lá, hoa (bông cờ, bắp ngô) và hạt.1 Rễ ngô Ngô có hệ rễ tiêu biểu cho bộ rễ cây hòa thảo.
Tuy nhiên ngô có bộ rễ phát triển rất mạnh, nên có khả năng hút nước rất khỏe, hơn nhiều loài cây trồng khác. Hệ rễ của cây ngô hoàn chỉnh chia thành 3 nhóm: rễ mầm, rễ đốt, rễ chân kiềng. Rễ mầm mọc từ trụ lá mầm, chức năng chính của rễ này là hút nước, thức ăn khi cây còn non. Rễ đốt mọc vòng quanh các đốt thấp của thân.
Đây là loại rễ quyết định quá trình sinh trưởng phát triển của cây ngô, nó giúp cây hút nước và các chất dinh dưỡng suốt đời sống của cây. Rễ chân kiềng mọc quanh các đốt thấp sát mặt đất. Rễ này giúp cây chống đỡ và bám chặt vào đất, chúng cũng tham gia hút nước và thức ăn. Số lượng rễ, số lông rễ và độ dài rễ khác nhau ở mỗi giống.
Đây là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá khả năng chịu hạn của cây [8]. Hình ảnh rễ mầm cây ngô (Theo Viện khoa học Việt Nam, http://vaas.vn/kienthuc/cayngo/rengo.2 Thân ngô Thân ngô đặc, đường kính từ 2 - 4cm, cao từ 1,8 - 2 m. Thân ngô trưởng thành bao gồm nhiều lóng nằm giữa các đốt và kết thúc bằng bông cờ. Thân ngô ngoài nhiệm vụ giúp cây đứng vững, là bộ phận dự trữ và vận chuyển chất hữu cơ, ngoài ra còn có khả năng quang hợp để tổng hợp chất hữu cơ.
Lá ngô mọc từ mắt trên đốt và mọc đối xứng xen kẽ nhau. Các bộ phận của lá bao gồm: bẹ lá, phiến lá, thìa lá. Theo hình thái và vị trí trên thân, lá ngô được chia thành các nhóm: lá mầm, lá thân, lá bẹ, lá bi. Số lá, độ lớn của lá phụ thuộc vào giống, điều kiện thời tiết, kỹ thuật canh tác, mùa vụ, số lá ngô thường biến động từ 15 - 20 lá.
Đặc điểm nổi bật là lá ngô có rất nhiều khí khổng. Trung bình một lá ngô có từ 2 - 6 triệu khí khổng, trên 1mm2 lá có từ 500 - 900 khí khổng. Cơ chế đóng mở của lỗ khí khổng liên quan chặt chẽ tới điều kiện hạn hán [8].3 Lá ngô, hạt ngô Lá ngô là cơ quan làm nhiệm vụ quang hợp, đồng thời làm nhiệm vụ trao đổi khí, hô hấp, dự trữ dinh dưỡng… Ngô là loại cây có hoa khác tính cùng gốc. Cơ quan sinh sản đực (bông cờ) và cái (bắp) tuy cùng nằm trên một cây song ở những vị trí khác nhau.
Hoa đực nằm ở đỉnh cây. Hoa cái phát sinh từ mầm nách lá trên thân, số mầm nách nhiều nhưng chỉ có từ 1 - 3 mầm nách trên cùng phát triển thành bắp. Số bắp trên cây phụ thuộc vào giống, vùng sinh thái, mật độ và phân bón [8]. Lá ngô (Theo Viện khoa học Việt Nam, http://vaas.vn/kienthuc/cayngo/lango.php) n 6 Hạt ngô thuộc loại quả dĩnh gồm 5 phần chính: vỏ hạt, lớp alơrôn, phôi, nội nhũ và chân hạt.
Vỏ hạt bao xung quanh hạt là một màng nhẵn. Lớp alơrôn nằm dưới vỏ hạt. Nội nhũ là phần chính của hạt chứa 70 - 78% khối lượng hạt với giá trị dinh dưỡng khá cao so với các loại hạt ngũ cốc khác. Phôi ngô có: ngù (phần ngăn cách giữa nội nhũ và phôi), lá mầm, trụ dưới lá mầm, rễ mầm và chồi mầm.