Nghiên cứu biểu hiện gen zmdreb2a nhằm tăng cường khả năng chịu hạn cho ngô Việt Nam

Luận án tiến sĩ phân tích nghiên cứu biểu hiện gen mã hoá nhân tố phiên mã zmdreb2a nhằm tăng cường tính chịu hạn ở một số, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm, đóng

• Tác giả: Đoàn Thị Bích Thảo
• Người hướng dẫn: GS. Nông Văn Hải
• Trường học: Viện Khoa Học Nông Nghiệp Việt Nam
• Chuyên ngành: Công Nghệ Sinh Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Gen ZmDREB2A Để Cải Thiện Khả Năng Chịu Hạn Ở Ngô Việt Nam
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 3. VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
• CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về gen ZmDREB2A

Gen ZmDREB2A là một yếu tố phiên mã quan trọng trong việc điều hòa khả năng chịu hạn của cây ngô. Nghiên cứu cho thấy gen này có khả năng kích hoạt các cơ chế sinh lý và sinh hóa giúp cây ngô thích ứng với điều kiện khô hạn. Việc cải thiện biểu hiện của gen ZmDREB2A có thể dẫn đến sự gia tăng khả năng chịu hạn của các giống ngô tại Việt Nam. Theo nghiên cứu, việc ứng dụng công nghệ sinh học để chuyển gen ZmDREB2A vào các dòng ngô có thể tạo ra những giống ngô mới có khả năng chống chịu tốt hơn với điều kiện khí hậu khắc nghiệt.

1.1. Tầm quan trọng của gen ZmDREB2A

Gen ZmDREB2A đóng vai trò quan trọng trong việc điều hòa phản ứng của cây ngô đối với stress nước. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng gen này có thể kích thích sự biểu hiện của các gen khác liên quan đến khả năng chịu hạn, từ đó giúp cây duy trì sự sống và phát triển trong điều kiện khô hạn. Việc hiểu rõ cơ chế hoạt động của gen ZmDREB2A sẽ giúp các nhà khoa học phát triển các giống ngô mới có khả năng chịu hạn tốt hơn, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm nông nghiệp tại Việt Nam.

II. Cải thiện khả năng chịu hạn ở ngô Việt Nam

Khả năng chịu hạn của cây ngô là một yếu tố quyết định đến năng suất và chất lượng sản phẩm. Việc nghiên cứu và ứng dụng gen ZmDREB2A trong cải thiện khả năng chịu hạn ở ngô Việt Nam là rất cần thiết. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc chuyển gen ZmDREB2A vào các giống ngô có thể giúp cây tăng cường khả năng chống chịu với điều kiện khô hạn. Điều này không chỉ giúp tăng năng suất mà còn đảm bảo an ninh lương thực trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng nghiêm trọng.

2.1. Phương pháp nghiên cứu và ứng dụng

Nghiên cứu về gen ZmDREB2A được thực hiện thông qua các phương pháp sinh học phân tử hiện đại. Việc thiết kế vector biểu hiện gen và chuyển gen vào cây ngô thông qua vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens đã cho thấy hiệu quả cao trong việc tạo ra các dòng ngô chuyển gen. Các thí nghiệm đánh giá khả năng chịu hạn của cây ngô chuyển gen cho thấy sự cải thiện rõ rệt về khả năng sinh trưởng và phát triển trong điều kiện khô hạn, từ đó khẳng định giá trị thực tiễn của nghiên cứu này.

III. Đánh giá và triển vọng ứng dụng

Đánh giá khả năng chịu hạn của các dòng ngô mang gen ZmDREB2A cho thấy sự khác biệt rõ rệt so với các dòng ngô truyền thống. Các chỉ tiêu như hàm lượng chlorophyll, proline và carbohydrate không cấu trúc đều cho thấy sự cải thiện đáng kể. Điều này chứng tỏ rằng việc ứng dụng công nghệ sinh học trong cải thiện khả năng chịu hạn ở ngô là một hướng đi đúng đắn. Triển vọng trong tương lai là phát triển các giống ngô chịu hạn có năng suất cao, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trường và đảm bảo an ninh lương thực.

3.1. Tác động đến nông nghiệp bền vững

Việc cải thiện khả năng chịu hạn ở ngô thông qua gen ZmDREB2A không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần vào phát triển nông nghiệp bền vững. Các giống ngô chịu hạn sẽ giúp giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu, bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng cuộc sống cho nông dân. Hơn nữa, nghiên cứu này mở ra cơ hội cho việc phát triển các giống cây trồng khác có khả năng chịu hạn, từ đó tạo ra một nền nông nghiệp đa dạng và bền vững hơn.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Biến đổi khí hậu toàn cầu đang gia tăng tần suất và cường độ của các hiện tượng thời tiết cực đoan, trong đó khô hạn là một trong những áp lực phi sinh học (abiotic stress) tàn phá nghiêm trọng nhất đối với nền nông nghiệp thế giới. Ngô (Zea mays L.) giữ vị thế là cây lương thực có sản lượng cao nhất toàn cầu với 1.099,61 triệu tấn (niên vụ 2018/2019), song lại là loài đặc biệt mẫn cảm với sự thiếu hụt ẩm độ. Tại Việt Nam, khoảng 80% diện tích ngô được canh tác phụ thuộc vào nước trời, tập trung 60% ở vùng đồi núi dốc, khiến năng suất hàng năm chịu tổn thất trung bình lên tới 30%, cá biệt có thời điểm đe dọa trực tiếp đến an ninh thức ăn chăn nuôi nội địa vốn phải nhập khẩu 8,436 triệu tấn ngô hạt (năm 2018). Theo các đánh giá chuyên sâu, "hạn tác động lên quá trình sản xuất ngô, làm giảm năng suất trung bình 17%, ở những vùng nhiệt đới thấp có thể giảm tới 40% thậm chí lên tới trên 70%".

Khoảng trống nghiên cứu (research gap) trọng yếu nằm ở việc chọn giống truyền thống và chọn giống nhờ chỉ thị phân tử (MAS/QTL) gặp nhiều rào cản do tính trạng chịu hạn chịu sự chi phối của mạng lưới đa gen phức tạp (polygenic trait). Trong khi đó, việc chuyển nạp các gen chức năng đơn lẻ chỉ mang lại hiệu ứng cục bộ. Giải pháp mang tính đột phá là tác động vào các nhân tố phiên mã (Transcription Factors - TFs) thượng nguồn – những phân tử "nhạc trưởng" có khả năng kích hoạt đồng thời hàng trăm gen hạ nguồn tham gia bảo vệ tế bào.

Luận án tiến sĩ chuyên ngành Công nghệ sinh học (Mã số: 9420201) của nghiên cứu sinh Đoàn Thị Bích Thảo, dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Nông Văn Hải và TS. Bùi Mạnh Cường tại Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam, đã tập trung giải quyết bài toán cốt lõi này. Nghiên cứu triển khai hệ thống ba câu hỏi và giả thuyết khoa học:

1. H1: Liệu cấu trúc phiên mã chức năng ZmDREB2A-S được điều khiển bởi promoter mạnh Ubiquitin có tích hợp ổn định và di truyền bền vững qua các thế hệ tự phối $T_0 \to T_3$ ở các dòng ngô thuần Việt Nam hay không?
2. H2: Sự biểu hiện của protein tái tổ hợp ZmDREB2A có duy trì ổn định ở mức phiên mã (mRNA) và dịch mã (protein) mà không gây ra các dị tật hình thái bất lợi hay không?
3. H3: Cây ngô chuyển gen biểu hiện ZmDREB2A có nâng cao khả năng chống chịu thẩm thấu thông qua việc tích lũy các chất bảo vệ thẩm thấu (proline, NSC) và bảo toàn bộ máy quang hợp, từ đó cải thiện các yếu tố cấu thành năng suất dưới áp lực hạn nhân tạo hay không?

Khung lý thuyết của luận án định vị trên trục truyền tín hiệu không phụ thuộc Abscisic Acid (ABA-independent pathway), khai thác nhân tố phiên mã ZmDREB2A thuộc họ AP2/ERF. Phạm vi nghiên cứu bao quát từ khâu tối ưu hóa quy trình nuôi cấy mô, biến nạp thông qua vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens vào ba dòng ngô nội địa ưu tú ($K_1, K_3, K_7$), đánh giá phân tử qua 4 thế hệ ($T_0, T_1, T_2, T_3$), cho đến khảo sát sinh lý - nông học dưới điều kiện hạn nhân tạo nghiêm ngặt tại nhà lưới.

---

Literature Review và Positioning

Nghiên cứu về cơ chế phân tử đáp ứng hạn ở thực vật trong ba thập kỷ qua đã định hình hai luồng quan điểm chính trong mạng lưới điều hòa phiên mã: con đường phụ thuộc ABA (ABA-dependent) và con đường không phụ thuộc ABA (ABA-independent) (Yamaguchi-Shinozaki & Shinozaki, 2006). Ở luồng phụ thuộc ABA, các nhân tố phiên mã như AREB/ABF liên kết với trình tự cis-element ABRE (PyACGTGG/TC) thông qua quá trình phosphoryl hóa bởi protein kinase SnRK2 (Fujita et al., 2011). Ngược lại, luồng không phụ thuộc ABA chủ yếu được điều khiển bởi họ nhân tố phiên mã AP2/ERF, đặc biệt là nhóm DREB1/CBF và DREB2 liên kết đặc hiệu với yếu tố đáp ứng khô hạn DRE/CRT chứa trình tự lõi A/GCCGAC hoặc ACCGAC (Liu et al., 1998; Sakuma et al., 2006).

Một cuộc tranh luận học thuật sâu sắc đã nảy sinh xoay quanh cơ chế kích hoạt sau dịch mã và tính đặc hiệu loài của DREB2A. Nghiên cứu kinh điển của Liu et al. (1998) và Sakuma et al. (2006) trên loài mô hình hai lá mầm Arabidopsis thaliana chỉ ra rằng, việc biểu hiện vượt mức gen AtDREB2A kiểu dại không làm tăng tính chịu hạn do protein này bị kiểm soát nghiêm ngặt bởi domain điều hòa âm tính ở vùng trung tâm, dẫn đến sự phân hủy thông qua con đường thể phân giải protein 26S proteasome dưới sự trung gian của phức hợp E3 ubiquitin ligase DRIP1 và DRIP2. Để thu được kiểu hình chịu hạn, các tác giả buộc phải tạo đột biến mất đoạn 30 axit amin để hình thành thể hoạt hóa liên tục AtDREB2A-CA, song điều này lại dẫn đến hiện tượng cây còi cọc (growth retardation).

Trái ngược với cơ chế ở cây hai lá mầm, các nghiên cứu trên cây ngũ cốc một lá mầm mở ra một chân trời mới. Qin et al. (2007) phát hiện ở cây ngô (Zea mays), gen ZmDREB2A được điều hòa ở mức độ sau phiên mã thông qua cơ chế cắt nối thay thế (alternative splicing). Cụ thể, "khi có stress thì mRNA ZmDREB2A-L bị cắt đi 53bp để thành dạng ZmDREB2A-S có hoạt tính và khi bình thường thì đa phần mRNA ZmDREB2A không bị cắt 53bp và ở dạng ZmDREB2A-L". Dạng ZmDREB2A-L (1.336 bp) dịch mã ra chuỗi peptide ngắn 89 axit amin thiếu domain liên kết DNA AP2/ERF, trong khi dạng ZmDREB2A-S (1.283 bp / 948 bp ORF) mã hóa cho protein hoàn chỉnh 318 axit amin có đầy đủ chức năng hoạt hóa phiên mã mạnh mẽ mà không cần sửa đổi sau dịch mã.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế tiêu biểu:

• Trường hợp 1 (Oryza sativa): Matsukura et al. (2010) và Dubouzet et al. (2003) phân tích hệ thống OsDREB2A/OsDREB2B ở lúa, nhận thấy OsDREB2B cũng trải qua quá trình alternative splicing tương tự khi gặp sốc nhiệt và hạn, nhưng việc biểu hiện bền vững trên cây chuyển gen gặp khó khăn về tính ổn định kiểu hình giữa các thế hệ sau.
• Trường hợp 2 (Triticum aestivum & Arabidopsis): Morran et al. (2011) và Pellegrineschi et al. (2004) biểu hiện TaDREB2 và TaDREB3 ở lúa mì dưới promoter cảm ứng Rab17, ghi nhận sự cải thiện khả năng sinh tồn dưới hạn nhưng năng suất cá thể vẫn suy giảm đáng kể khi stress xảy ra ở giai đoạn thụ phấn.

Luận án của Đoàn Thị Bích Thảo đã định vị chính xác khoảng trống: Chuyển trực tiếp dạng cADN chức năng ZmDREB2A-S (948 bp) dưới sự điều khiển của promoter cấu trúc mạnh Ubiquitin vào các dòng ngô thuần ưu tú nội địa ($K_1, K_3, K_7$), giải quyết triệt để rào cản cắt nối chậm trễ khi gặp hạn, đồng thời theo dõi sự di truyền ổn định qua 4 thế hệ ($T_0 - T_3$) gắn liền với đánh giá sinh hóa và năng suất thực tế.

---

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 sinh học phân tử và tính chống chịu của thực vật:

1. Mở rộng mô hình điều hòa phiên mã DREB-regulon: Khẳng định tính ưu việt của nhân tố phiên mã ngô ZmDREB2A so với AtDREB2A của Arabidopsis, chứng minh dạng phiên mã chức năng ZmDREB2A-S có khả năng hoạt hóa bền vững các phản ứng bảo vệ tế bào thực vật một lá mầm mà không cần bước loại bỏ domain ức chế bằng đột biến mất đoạn như ở thực vật hai lá mầm.
2. Làm sáng tỏ cơ chế cân bằng sinh lý dưới stress: Cung cấp bằng chứng thực nghiệm chứng minh sự biểu hiện cấu trúc của ZmDREB2A-S thúc đẩy đồng thời ba trục sinh hóa bảo vệ: tích lũy hợp chất bảo vệ thẩm thấu (Osmoprotectants - Proline), duy trì nguồn dự trữ năng lượng ngắn hạn (Non-structural Carbohydrates - NSC), và ngăn ngừa sự thoái hóa phức hệ diệp lục (Chlorophyll retention), từ đó bảo tồn bộ máy quang hợp dưới điều kiện thiếu hụt nước nghiêm trọng.

                    KHUNG KHÁI NIỆM & TRỤC QUAN HỆ LÝ THUYẾT

Mô hình lý thuyết được xác lập qua ba mệnh đề khoa học:

• Mệnh đề 1 (P1): T-DNA mang cassette biểu hiện Ubi::ZmDREB2A-S::35S tích hợp đơn bản sao vào hệ gen ngô sẽ phân ly theo đúng quy luật di truyền Mendel (3:1 ở thế hệ $T_1$) và đạt trạng thái đồng hợp tử ổn định ở thế hệ $T_3$.
• Mệnh đề 2 (P2): Sự hiện diện của protein ZmDREB2A tái tổ hợp kích hoạt mạng lưới thẩm thấu nội bào, làm tăng nồng độ proline tự do và NSC lên gấp 1,5 – 2,0 lần so với dòng nền không chuyển gen khi đối mặt với hạn.
• Mệnh đề 3 (P3): Mức độ suy giảm năng suất cá thể do hạn ở các pha phát triển trọng yếu (cây con và trỗ cờ - phun râu) tỷ lệ nghịch với mức độ biểu hiện phiên mã của gen ZmDREB2A.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án là sự tích hợp đa tầng giữa ba lý thuyết chuyên ngành: (1) Di truyền học phân tử thực vật (Plant Molecular Genetics), (2) Sinh lý học stress thực vật (Plant Stress Physiology), và (3) Chọn giống ngô hiện đại (Modern Maize Breeding).

Điểm tiếp cận mới nằm ở tính liên hoàn khép kín: từ thiết kế cấu trúc vector nhị thể pCAMBIA1300 tối ưu hóa cho thực vật một lá mầm, chuyển gen thông qua mô sẹo phôi hóa có nguồn gốc từ phôi non (immature embryo), sử dụng hệ thống miễn dịch tạo kháng thể đa dòng thỏ/chuột nhằm nhận diện chính xác protein biểu hiện, cho đến việc áp dụng đồng thời hai quy trình đánh giá hạn nhân tạo chuẩn mực quốc tế của Camacho (1988) và Zaidi (2003).

---

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng triết lý thực chứng (positivism) với phương pháp tiếp cận định lượng và thực nghiệm đa cấp độ (multi-level experimental design):

• Cấp độ phân tử và tế bào: Khảo sát in vitro khả năng tái sinh mô sẹo, biến nạp gen, kiểm tra sự tích hợp của T-DNA, giải trình tự đoạn nối promoter-gen-terminator, và định lượng sản phẩm phiên mã, dịch mã.
• Cấp độ cơ quan và cá thể: Đánh giá các chỉ tiêu sinh lý - hóa sinh (proline, chlorophyll a/b, carbohydrate không cấu trúc) và hình thái phát triển thân - lá - rễ trong điều kiện phòng thí nghiệm và nhà lưới có kiểm soát.
• Cấp độ quần thể và năng suất: Đánh giá các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất cá thể dưới các chế độ gây hạn nhân tạo nghiêm ngặt tại các thời kỳ sinh trưởng then chốt.

       CẤP ĐỘ PHÂN TỬ                    CẤP ĐỘ CƠ QUAN                   CẤP ĐỘ NĂNG SUẤT

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình nghiên cứu tuân thủ các chuẩn mực thao tác nghiêm ngặt:

1. Thiết kế vector và chuyển gen:
   • Gen đích ZmDREB2A-S (kích thước đoạn mã hóa 948 bp, tổng hợp dựa trên trình tự chuẩn NCBI) được gắn vào vector nhị thể pCAMBIA1300 dưới sự điều khiển của promoter Ubiquitin (1,4 kb) từ ngô và terminator 35S (256 bp) từ CaMV. Vector mang gen chỉ thị chọn lọc kháng sinh Hygromycin phosphotransferase (hptII).
   • Biến nạp cấu trúc vào chủng vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens EHA105.
   • Vật liệu nhận gen: Phôi non kích thước 1,2 – 1,5 mm thu nhận từ bắp ngô 9 – 11 ngày sau thụ phấn của ba dòng thuần nội địa $K_1, K_3, K_7$.
2. Quy trình tái sinh và chọn lọc:
   • Hệ thống môi trường nuôi cấy chuyên biệt: Môi trường đồng nuôi cấy (CCM), môi trường phục hồi không kháng sinh (ReM), môi trường chọn lọc mô sẹo phôi hóa bổ sung Hygromycin (SeM1, SeM2), môi trường tái sinh chồi (TS1, TS2) và môi trường ra rễ (RoE).
3. Quy trình phân tích phân tử liên hoàn:
   • Kỹ thuật PCR: Sử dụng cặp mồi đặc hiệu cho gen đích ZmDREB2A (kích thước sản phẩm 948 bp) và cặp mồi vắt qua ranh giới promoter-gen Ubi-ZmDREB2A (kích thước sản phẩm 350 bp) để loại trừ kết quả dương tính giả từ vi khuẩn tồn lưu.
   • Giải trình tự gen (Sequencing): Giải trình tự toàn bộ promoter Ubiquitin, gen ZmDREB2A và terminator 35S trên máy giải trình tự tự động ABI 3130XL, căn chỉnh chuỗi bằng phần mềm BioEdit và BLAST (NCBI).
   • Southern Blot: Tách chiết DNA tổng số chất lượng cao bằng CTAB cải tiến, cắt bằng enzyme giới hạn không cắt trong vùng probe, phân tách trên gel agarose 0,8%, chuyển màng nylon tích điện dương Hybond-$N^+$, lai với probe đánh dấu digoxigenin đặc hiệu cho đoạn gen ZmDREB2A.
   • RT-PCR (Reverse Transcription PCR): Tách chiết tổng số RNA bằng TRIzol, tổng hợp cADN sợi đơn, nhân bản đặc hiệu biểu hiện gen ZmDREB2A với gen nội chuẩn đối chứng Actin.
   • Western Blot: Biểu hiện protein ZmDREB2A tái tổ hợp trong tế bào Escherichia coli BL21(DE3) cảm ứng bằng IPTG, tinh sạch protein qua cột ái lực Ni-NTA, gây đáp ứng miễn dịch tạo kháng thể đa dòng trên chuột/thỏ. Tách chiết protein tổng số từ lá ngô, điện di SDS-PAGE, thẩm tách miễn dịch lên màng PVDF và phát hiện tín hiệu bằng phản ứng hiện màu DAB.
4. Khảo nghiệm hạn sinh lý và nông học:
   • Thí nghiệm hạn cây con theo phương pháp Camacho (1988): Gây hạn bằng cách ngừng tưới nước hoàn toàn trong 14 ngày ở giai đoạn 3 lá, theo dõi tỷ lệ cuốn lá, tỷ lệ héo, khả năng phục hồi sau 7 ngày tưới lại, sinh khối tươi và khô của thân, lá, rễ.
   • Thí nghiệm hạn ở các giai đoạn sinh trưởng theo phương pháp Zaidi (2003): Gây hạn nhân tạo tại 4 thời điểm xung yếu: (1) Giai đoạn 7 – 9 lá (trước trỗ), (2) Giai đoạn trỗ cờ - phun râu, (3) Giai đoạn sau thụ phấn 10 – 15 ngày (ngậm sữa), và (4) Đối chứng tưới nước đầy đủ.

Data và phân tích

Toàn bộ dữ liệu sinh trưởng, hàm lượng sinh hóa và năng suất được phân tích thống kê phương sai (ANOVA) một nhân tố và hai nhân tố, so sánh sai biệt trung bình bằng trắc nghiệm Duncan và LSD ở mức ý nghĩa $p < 0,05$ và $p < 0,01$ trên phần mềm SAS 9.1 và IRRISTAT 5.0.

---

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

Nghiên cứu mang lại 5 phát hiện then chốt với đầy đủ dữ liệu phân tử và kiểu hình:

1. Hiệu suất biến nạp và tái sinh cao trên vật liệu ngô nội địa: Khảo sát cho thấy trong 3 dòng nghiên cứu, dòng $K_3$ có khả năng tạo mô sẹo phôi hóa cao nhất đạt 81,3%, tỷ lệ tái sinh chồi đạt 62,5%, và tỷ lệ tạo cây hoàn chỉnh đạt 48,2%. Quá trình biến nạp thông qua vi khuẩn A. tumefaciens đã tạo ra thành công các cá thể $T_0$ sống sót trên môi trường chọn lọc Hygromycin (50 mg/L) và sinh trưởng bình thường khi đưa ra nhà lưới.
2. Sự tích hợp chính xác và ổn định của cấu trúc chuyển gen: Phân tích giải trình tự sản phẩm PCR ở thế hệ $T_3$ (dòng $K_7-4.25$, $K_3-3.25$) khẳng định trình tự promoter Ubiquitin (1,4 kb), đoạn gen đích ZmDREB2A (948 bp) và terminator 35S (256 bp) hoàn toàn đồng nhất 100% so với trình tự vector gốc đã thiết kế, không xuất hiện đột biến điểm hay mất đoạn.
3. Bằng chứng phân tử xác nhận ở mức độ dịch mã: Kết quả lai Southern Blot sử dụng probe đặc hiệu xác nhận gen chuyển ZmDREB2A tích hợp vào hệ gen ngô ở vị trí đơn bản sao (single-copy integration), hạn chế tối đa hiện tượng câm lặng gen (gene silencing). Phân tích RT-PCR và Western Blot (sử dụng kháng thể đa dòng kháng ZmDREB2A) chứng minh protein tái tổ hợp ZmDREB2A (~35 kDa) được biểu hiện đặc hiệu và liên tục trong mô lá của các dòng chuyển gen qua các thế hệ $T_1, T_2, T_3$, trong khi cây đối chứng không chuyển gen (WT) chỉ xuất hiện vạch phiên mã mờ nhạt khi bị kích thích bởi hạn.
4. Đột phá về cơ chế bảo vệ sinh hóa nội bào:
   • Hàm lượng Proline: Khi xử lý hạn 14 ngày ở giai đoạn cây con, hàm lượng proline tự do ở dòng chuyển gen $K_7-4$ đạt $18,42 \pm 0,85 \ \mu\text{mol/g}$ trọng lượng tươi, cao gấp 2,05 lần so với dòng đối chứng nền $K_7$ ($8,98 \pm 0,42 \ \mu\text{mol/g}$).
   • Bảo tồn phức hệ diệp lục: Hàm lượng diệp lục tổng số ($a+b$) ở các dòng chuyển gen giảm không đáng kể (giữ mức 78 – 84% so với trước hạn), tỷ lệ chlorophyll a/b duy trì cân bằng; trong khi ở dòng đối chứng không chuyển gen, diệp lục bị phá hủy nghiêm trọng, giảm xuống dưới 45% so với mức ban đầu.
   • Carbohydrate không cấu trúc (NSC): Cây chuyển gen duy trì hàm lượng NSC hòa tan ở mức $62,4 - 68,1 \text{ mg/g}$ mô khô, cung cấp nguồn năng lượng thẩm thấu duy trì tính trương của tế bào.
5. Cải thiện vượt bậc tính chịu hạn và bảo tồn năng suất hạt:
   • Thử nghiệm hạn cây con: Tỷ lệ sống sót và phục hồi sau 7 ngày cấp nước trở lại ở các dòng ngô chuyển gen $K_1\text{-ZmDREB2A}, K_3\text{-ZmDREB2A}, K_7\text{-ZmDREB2A}$ đạt từ 85,0% đến 93,3%, vượt trội so với các dòng nền đối chứng chỉ đạt từ 26,7% đến 40,0%.
   • Thử nghiệm hạn sinh sản (trỗ cờ - phun râu): Khoảng cách tung phấn - phun râu (ASI) ở dòng đối chứng $K_7$ bị kéo dài tới 6,2 ngày dẫn đến hiện tượng nghẽn bắp, hạt thưa thớt; trong khi dòng chuyển gen $K_7-4$ duy trì ASI chỉ 2,4 ngày. Năng suất cá thể của dòng chuyển gen $K_7-4$ dưới hạn đạt $46,8 \text{ g/cây}$, trong khi dòng nền $K_7$ chỉ đạt $22,1 \text{ g/cây}$ (giảm tới 63,5% năng suất).

Implications đa chiều

• Học thuật & Lý thuyết: Khẳng định vai trò độc lập của con đường DREB-regulon ở cây một lá mầm, mở đường cho việc tối ưu hóa biểu hiện các nhân tố phiên mã không qua biến đổi cấu trúc protein phức tạp.
• Phương pháp học: Thiết lập quy trình hoàn chỉnh và chuẩn hóa từ chuyển gen A. tumefaciens trên phôi non ngô nhiệt đới đến hệ thống đánh giá phân tử đa tầng (Southern, Western) kết hợp khảo nghiệm hạn sinh lý nghiêm ngặt tại Việt Nam.
• Thực tiễn & Chọn giống: Cung cấp nguồn vật liệu khởi đầu vô giá gồm ba dòng ngô chuyển gen $K_1, K_3, K_7$ mang gen ZmDREB2A đồng hợp tử thế hệ $T_3$, sẵn sàng tham gia vào các chương trình lai tạo giống ngô lai đơn chịu hạn thương mại phục vụ các vùng sinh thái khó khăn.

---

Limitations và Future Research

Mặc dù đạt được những kết quả xuất sắc, luận án thẳng thắn thừa nhận 4 giới hạn nghiên cứu:

1. Promoter cấu trúc liên tục (Constitutive Promoter): Việc sử dụng promoter Ubiquitin làm cho gen ZmDREB2A biểu hiện liên tục trong mọi mô và mọi giai đoạn sinh trưởng, có thể tiêu tốn một phần năng lượng sinh học không cần thiết trong điều kiện tưới tiêu tối ưu.
2. Quy mô khảo nghiệm: Khảo nghiệm hạn mới dừng lại ở quy mô chậu vại trong nhà lưới có kiểm soát, chưa thể hiện hết sự tương tác phức tạp của hạn đất kết hợp hạn không khí và áp lực nhiệt độ cao trên đồng ruộng thực tế diện rộng.
3. Phân tích mạng lưới hạ nguồn: Chưa ứng dụng kỹ thuật giải trình tự RNA (RNA-Seq) hoặc ChIP-Seq để vẽ lại toàn bộ bản đồ các gen chức năng hạ nguồn trực tiếp bị kích hoạt bởi ZmDREB2A trong cây ngô chuyển gen.
4. Hiệu ứng nền di truyền: Mới thử nghiệm trên 3 dòng thuần ($K_1, K_3, K_7$), cần mở rộng đánh giá khả năng phối hợp (combining ability) khi lai với các dòng thử khác nhau.

Chương trình nghiên cứu tương lai (Future Directions):

• Thay thế promoter Ubiquitin bằng các promoter cảm ứng đặc hiệu với hạn (stress-inducible promoters như RD29A, Rab17) hoặc promoter đặc hiệu mô rễ/lá để tối ưu hóa năng lượng trao đổi chất.
• Ứng dụng công nghệ chỉnh sửa gen CRISPR/Cas9 để kích hoạt trực tiếp vùng promoter nội sinh của gen ZmDREB2A hoặc can thiệp vào vị trí cắt nối splicing nhằm tạo ra dạng ZmDREB2A-S mà không cần đưa T-DNA ngoại lai.
• Tiến hành khảo nghiệm đồng ruộng diện rộng tại 8 vùng sinh thái ngô của Việt Nam theo quy chuẩn an toàn sinh học quốc gia đối với cây trồng biến đổi gen.

---

Tác động và ảnh hưởng

• Tác động học thuật: Đặt nền móng vững chắc cho hướng nghiên cứu chức năng hệ gen và công nghệ chuyển gen trên cây ngũ cốc tại Việt Nam; tạo tiền đề xuất bản các công trình khoa học đỉnh cao trên các tạp chí quốc tế chuyên ngành Công nghệ sinh học và Nông nghiệp.
• Tác động kinh tế - xã hội: Việc thương mại hóa các giống ngô lai mang gen ZmDREB2A có khả năng giảm thiểu thiệt hại năng suất từ 30-50% tại các vùng chịu hạn nặng như Tây Bắc, Bắc Trung Bộ, Duyên hải Nam Trung Bộ và Tây Nguyên, giúp hàng triệu nông dân nghèo ổn định sinh kế.
• Chính sách & An ninh lương thực: Cung cấp cơ sở khoa học xác thực cho các nhà hoạch định chính sách thuộc Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn trong việc cấp phép, phát triển cây trồng biến đổi gen tự chủ trong nước, giảm dần sự lệ thuộc vào nguồn ngô thương phẩm nhập khẩu nước ngoài.

---

Đối tượng hưởng lợi

1. Nghiên cứu sinh và các nhà khoa học trẻ: Tiếp cận quy trình công nghệ sinh học phân tử chuẩn hóa, từ khâu thiết kế vector đến các kỹ thuật Southern/Western blot phức tạp trên đối tượng cây trồng một lá mầm khó tính.
2. Các nhà chọn tạo giống ngô: Sở hữu nguồn vật liệu bố mẹ ($K_1, K_3, K_7$) đồng hợp tử thế hệ $T_3$ mang gen chịu hạn đã được kiểm chứng khoa học để đưa ngay vào chương trình lai tạo giống ngô lai chịu hạn.
3. Các công ty giống cây trồng: Cơ hội thương mại hóa các tổ hợp ngô lai chuyển gen "Made in Vietnam" có giá thành bản quyền cạnh tranh so với các tập đoàn đa quốc gia.
4. Cơ quan quản lý nhà nước: Có cơ sở dữ liệu thực nghiệm chuẩn mực phục vụ công tác thẩm định an toàn sinh học và phát triển nông nghiệp thích ứng biến đổi khí hậu.

---

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì?

Luận án đã mở rộng lý thuyết điều hòa phiên mã không phụ thuộc ABA (ABA-independent pathway) của Yamaguchi-Shinozaki & Shinozaki bằng việc chứng minh: Trong hệ gen ngô (Zea mays), việc biểu hiện trực tiếp dạng cADN cắt nối chức năng ZmDREB2A-S (948 bp) dưới promoter mạnh sẽ bỏ qua hoàn toàn sự phụ thuộc vào tín hiệu stress môi trường để kích hoạt quá trình alternative splicing tự nhiên, đồng thời không bị kiểm soát phân hủy nghiêm ngặt bởi thể phân giải protein như dạng AtDREB2A ở Arabidopsis, từ đó duy trì nồng độ nhân tố phiên mã cao và kích hoạt hàng loạt cơ chế tự vệ sinh hóa của tế bào.

2. Tính đổi mới trong phương pháp nghiên cứu so với các công bố quốc tế trước đây?

So với các nghiên cứu của Liu et al. (1998) (chỉ biểu hiện trên cây mô hình Arabidopsis) hay Morran et al. (2011) (biểu hiện TaDREB2 trên lúa mì nhưng dùng promoter cảm ứng Rab17 cho hiệu suất không đều), luận án đã thiết lập quy trình tích hợp liên hoàn:

• Kết hợp vector nhị thể pCAMBIA1300 mang promoter Ubiquitin nội sinh giúp tối ưu hóa biểu hiện ở thực vật một lá mầm.
• Tự sản xuất thành công kháng thể đa dòng kháng ZmDREB2A tái tổ hợp để định lượng dịch mã bằng Western blot – một kỹ thuật rất ít công trình trong nước thực hiện được trên cây ngô.
• Đánh giá phân tích kiểu hình đồng thời bằng cả hai phương pháp chuẩn quốc tế của Camacho (stress hạn cây con) và Zaidi (stress hạn giai đoạn nở hoa thụ phấn).

3. Phát hiện nào gây bất ngờ nhất về mặt dữ liệu thực nghiệm?

Phát hiện bất ngờ nhất là mặc dù gen ZmDREB2A-S được điều khiển bởi promoter cấu trúc mạnh Ubiquitin khiến nồng độ protein ZmDREB2A luôn duy trì ở mức cao trong mô thực vật, các dòng ngô chuyển gen $T_0 - T_3$ hoàn toàn không bị hiện tượng còi cọc, lùn xoắn hay suy giảm năng suất sinh học trong điều kiện tưới nước bình thường. Điều này hoàn toàn trái ngược với các công bố kinh điển trên Arabidopsis chuyển gen AtDREB2A-CA (Sakuma et al., 2006) – nơi cây chuyển gen luôn bị ức chế sinh trưởng mạnh mẽ.

4. Quy trình nghiên cứu có cung cấp đầy đủ giao thức để tái lặp (Replication Protocol)?

Có. Toàn văn luận án cung cấp chi tiết toàn bộ các thông số kỹ thuật có khả năng tái lập 100%:

• Trình tự mồi PCR nhân gen đích (948 bp) và mồi vắt promoter-gen (350 bp).
• Thành phần môi trường nuôi cấy mô chi tiết từng giai đoạn (CCM, ReM, SeM, TS1, TS2, RoE) với nồng độ chính xác của 2,4-D, NAA, Kinetin, BAP và kháng sinh Hygromycin (50 mg/L), Cefotaxime (250 mg/L).
• Nồng độ enzyme giới hạn, quy trình chuyển màng nylon và nồng độ kháng thể sơ cấp/thứ cấp trong kỹ thuật Southern và Western blot.

5. Định hướng lộ trình nghiên cứu 10 năm tiếp theo (10-Year Research Agenda)?

• Giai đoạn 1 (Năm 1 - 3): Lai thử nghiệm các dòng ngô chuyển gen $K_1, K_3, K_7$ thế hệ $T_3$ với các dòng mẹ bất dục đực hoặc các dòng thuần ưu tú khác để tạo các tổ hợp ngô lai đơn; đánh giá khả năng kết hợp chung (GCA) và khả năng kết hợp riêng (SCA).
• Giai đoạn 2 (Năm 4 - 6): Khảo nghiệm đồng ruộng diện hẹp và diện rộng tại 4 vùng sinh thái chịu hạn trọng điểm (Tây Bắc, Bắc Trung Bộ, Tây Nguyên, Nam Trung Bộ) theo quy chuẩn của Hội đồng An toàn Sinh học Quốc gia.
• Giai đoạn 3 (Năm 7 - 10): Đăng ký công nhận lưu hành giống ngô biến đổi gen chịu hạn thương mại; tích hợp công nghệ chỉnh sửa gen CRISPR/Cas9 để tối ưu hóa đồng thời tính chịu hạn và khả năng chống chịu sâu đục thân trên cùng một giống ngô ưu tú.

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của Đoàn Thị Bích Thảo là một công trình khoa học mẫu mực, kết hợp nhuần nhuyễn giữa công nghệ sinh học phân tử hiện đại và khoa học chọn giống thực nghiệm. Những kết luận khoa học cốt lõi bao gồm:

1. Thiết kế và tạo dòng thành công: Thiết kế thành công vector biểu hiện thực vật pCAMBIA1300 mang cassette Ubi::ZmDREB2A-S::35S và chuyển nạp ổn định vào ba dòng ngô nội địa $K_1, K_3, K_7$ thông qua vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens.
2. Khẳng định tính ổn định di truyền: Bằng các kỹ thuật PCR mồi vắt, giải trình tự gen, Southern blot và RT-PCR, đã chứng minh gen chuyển ZmDREB2A tích hợp dạng đơn bản sao vào hệ gen cây ngô, di truyền ổn định theo quy luật Mendel qua 4 thế hệ ($T_0 \to T_3$) và biểu hiện mạnh mẽ ở mức độ phiên mã và dịch mã.
3. Cơ chế sinh lý - sinh hóa vượt trội: Cây ngô chuyển gen thể hiện ưu thế vượt trội dưới điều kiện hạn nhân tạo: tích lũy proline cao gấp 1,6 - 2,1 lần, duy trì hàm lượng diệp lục tổng số trên 78% và hàm lượng NSC hòa tan cao hơn 30% so với dòng nền đối chứng.
4. Bảo tồn năng suất dưới stress: Khảo nghiệm hạn ở giai đoạn trỗ cờ - phun râu chứng minh dòng ngô chuyển gen rút ngắn khoảng cách ASI xuống dưới 2,8 ngày và bảo tồn năng suất cá thể đạt trên $42 \text{ g/cây}$, trong khi dòng nền bị suy giảm hơn 60% năng suất.
5. Đột phá học thuật và ứng dụng: Khẳng định tính khả thi của việc khai thác trực tiếp dạng phiên mã chức năng ZmDREB2A-S trong chọn giống cây ngũ cốc biến đổi gen; mở ra nguồn vật liệu khởi đầu chất lượng cao phục vụ trực tiếp cho chiến lược phát triển nông nghiệp Việt Nam thích ứng bền vững với biến đổi khí hậu toàn cầu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tác động của hạn đến sinh trưởng và phát triển cây ngô 1. Khái niệm hạn Bất cứ một cây trồng nào cũng cần phải có nước để duy trì sự sống.

Mức độ cần nhiều hay ít phụ thuộc vào từng loại cây trồng và từng giai đoạn phát triển của chúng. Hạn đối với thực vật là khái niệm chỉ sự thiếu nước do môi trường gây nên trong suốt cả quá trình sống hay từng giai đoạn, làm ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển. Mức độ tổn thương của cây trồng do khô hạn gây ra có nhiều mức khác nhau: chết, chậm phát triển hay phát triển bình thường. Những cây trồng phát triển bình thường trong điều kiện khô hạn gọi là “cây chịu hạn” và khả năng có thể giảm thiểu mức độ tổn thương do thiếu hụt nước gây ra gọi là “tính chịu hạn”.

Tuy nhiên, khó có thể xác định được thế nào là trạng thái hạn đặc trưng vì mức độ khô hạn do môi trường gây nên khác nhau theo từng mùa, từng năm, từng vùng địa lý và không thể dự đoán trước được. Mức độ khô hạn do môi trường ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của cây, nhẹ thì giảm năng suất, nặng thì có thể dẫn đến tình trạng huỷ hoại cây, mùa màng. Các yếu tố gây hạn của môi trường như thành phần thổ nhưỡng, thời tiết, khí hậu, nhiệt độ cao, gió nóng.đã gây nên hiện tượng thiếu nước của cây, nguyên nhân chính do mất cân bằng áp suất thẩm thấu giữa cây và môi trường, dẫn đến sự thiếu hụt nước của tế bào. Trong trường hợp này, tác động của môi trường bên ngoài rất lớn, gây ảnh hưởng đáng kể lên sự phát triển của cây.

Thông thường, hạn được phân biệt thành 3 loại là hạn không khí, hạn đất và hạn toàn diện [39]. Hạn không khí Hạn không khí thường có đặc trưng là nhiệt độ cao (39-42oC) và độ ẩm thấp (<65%). Hiện tượng này thường gặp ở những tỉnh miền Trung nước ta vào những đợt gió Lào và ở vùng Bắc bộ vào cuối thu, đầu đông. Hạn không khí còn xuất hiện ở một số nước trên thế giới như gió Chamsin ở Israel; gió Mistral ở miền nam nước Pháp đã làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến một số loại cây trồng như phong lan, cam, chanh, đậu tương.

luan an 6 Hạn không khí ảnh hưởng trực tiếp lên các bộ phận của cây như hoa, lá, chồi non, nhất là ảnh hưởng đến quá trình tung phấn của cây. Đối với thực vật trong đó có cây ngô thì hạn không khí thường gây ra hiện tượng héo tạm thời vì nhiệt độ cao, độ ẩm thấp, làm cho mức độ thoát hơi nước nhanh vượt qua mức độ bình thường, lúc đó rễ hút nước không đủ để bù lại lượng nước mất, cây lâm vào tình trạng mất cân bằng về nước. Nước cũng là sản phẩm khởi đầu, trung gian và cuối cùng của các quá trình chuyển hoá hoá sinh, là môi trường để các phản ứng trao đổi chất xảy ra [163]. Vì vậy, việc cung cấp đủ nước cho cây chính là một biện pháp canh tác quan trọng.

Hướng nghiên cứu tăng cường tính chịu hạn của cây trồng là một trong những mục tiêu của các nhà chọn tạo giống. Mức độ thiếu hụt nước càng lớn thì ảnh hưởng càng xấu đến quá trình sinh trưởng của cây. Thiếu nước nhẹ thì làm giảm tốc độ sinh trưởng, thiếu nước trầm trọng sẽ dẫn đến biến đổi hệ keo nguyên sinh chất, làm tăng quá trình già hoá tế bào. Khi bị khô kiệt nước, nguyên sinh chất bị đứt vỡ cơ học dẫn đến tế bào mô bị tổn thương và chết.

Hạn đất Mức độ khô hạn của đất tuỳ thuộc vào sự bốc hơi nước trên bề mặt và khả năng giữ nước của đất. Hạn đất sẽ làm cho áp suất thẩm thấu của đất tăng cao đến mức cây không cạnh tranh được nước của đất và làm cho cây không thể lấy nước vào tế bào qua rễ, vì thế hạn đất có thể gây ra cho cây héo lâu dài. Hạn đất tác động trực tiếp đến bộ phận rễ của cây làm ảnh hưởng rất lớn đến quá trình sinh trưởng và phát triển của chúng. Đối với các loại cây trồng cạn, hạn đất cũng ảnh hưởng nghiêm trọng đến giai đoạn gieo hạt và nảy mầm.

Lượng nước trong đất không đủ sẽ làm cho mầm héo, nếu thiếu nước nặng sẽ gây thui chột mầm và chết. Hạn toàn diện Hạn toàn diện là hiện tượng hạn đất và hạn không khí xảy ra đồng thời. Trong trường hợp này, cùng với sự mất nước do không khí làm cho hàm lượng nước trong lá giảm nhanh dẫn đến nồng độ dịch bào tăng lên, mặc dù sức hút nước từ rễ của cây cũng tăng nhưng lượng nước trong đất đã cạn kiệt không đủ cung cấp cho cây. Hạn toàn diện thường dẫn đến hiện tượng héo vĩnh viễn, cây không có khả năng phục hồi.

Ở nước ta hạn toàn diện thường xảy ra ở các tỉnh miền Trung (Nghệ An, Hà Tĩnh), gây nên thiệt hại đáng kể đến năng suất cây trồng trong đó có cây ngô. Tác động của hạn đến sinh trưởng và phát triển cây ngô Trong môi trường canh tác cây trồng cạn nói chung và cây ngô nói riêng thì hạn là yếu tố tác động mạnh nhất tới sinh trưởng và phát triển của cây ngô chỉ sau yếu tố dinh dưỡng. Hạn tác động lên quá trình sản xuất ngô, làm giảm năng suất trung bình 17%, ở những vùng nhiệt đới thấp có thể giảm tới 40% thậm chí lên tới trên 70% [131]. Trong điều kiện hạn, các tính trạng hình thái, sinh lý của cây ngô bị biến đổi, mức độ biến đổi phụ thuộc vào vùng sinh thái, cường độ tác động, nguồn vật liệu.

Cây ngô tương đối mẫn cảm với hạn, bị ảnh hưởng ở mọi giai đoạn sinh trưởng, phát triển. Tuy nhiên, giai đoạn trước và sau trỗ bị ảnh hưởng mạnh nhất dẫn tới làm giảm năng suất [116]. Trong điều kiện hạn, phản ứng của cây ngô có một số thay đổi như: i) nẩy mầm chậm và tỷ lệ mọc thấp; ii) giảm kích thước cây, một số bộ phận phát triển không đầy đủ; iii) khí khổng đóng, quá trình quang hợp giảm thậm trí ngừng trệ do hệ thống enzyme bị phá huỷ; iv) giảm quá trình đồng hoá dinh dưỡng, kéo dài thời gian chênh lệch trong tung phấn phun râu, ngô con phát triển nhưng vô hiệu, giảm năng suất; v) trong điều kiện hạn nhẹ sẽ tăng tỷ lệ rễ/chồi, trong điều kiện hạn nặng, hệ rễ kém phát triển, quá trình hấp thụ dinh dưỡng trở nên khó khăn, quá trình vận chuyển ở thân bị ngừng trệ, tích luỹ dinh dưỡng ở hạt kém [116]. Các nhà khoa học trên thế giới đã đánh giá khả năng chịu hạn trên cây ngô đều cho rằng, nếu bị hạn trước khi trỗ cờ năng suất giảm 25%, còn bị hạn ở giai đoạn trỗ cờ thì năng suất giảm 50% và sau trỗ cờ là 21%.

Các tính trạng bị ảnh hưởng nhiều là chiều cao cây, kích thước lá, năng suất sinh học, số hạt trên bắp, kích thước bắp và khối lượng 1000 hạt. Các tính trạng tương quan nghịch với năng suất trong điều kiện hạn là: cao cây, năng suất sinh học, khoảng cách tung phấn – phun râu (ASI: Anthesis-Silking Interval), chiều dài bắp, số hạt trên hàng, số bắp trên cây. Dẫn liệu trên cho thấy hạn là yếu tố phi sinh học có tác động mạnh tới năng suất cây ngô [116]. Tóm lại, hạn ảnh hưởng tới toàn bộ quá trình sinh trưởng và phát triển của cây ngô dẫn đến năng suất giảm.

Ảnh hưởng của hạn đối với sản xuất ngô 1. Ảnh hưởng của hạn đối với sản xuất ngô trên thế giới luan an 8 Biến đổi khí hậu đã diễn ra trên toàn cầu, ngày càng phức tạp và khó dự đoán hơn. Các hiện tượng thời tiết cực đoan ngày càng tăng cả về cường độ và quy mô [152], dự báo ảnh hưởng nghiêm trọng đến toàn cầu. 70% lượng nước ngọt trên toàn cầu hiện nay được sử dụng cho nông nghiệp và điều này làm ảnh hưởng đến nguồn nước trong tương lai, khi dân số tăng lên 30% tương đương 9 tỷ người vào năm 2050 [60].

Theo Tổ chức Quản lý Hạn - NDMP (2011), khi tổng hợp các điều kiện khí hậu, dự báo sẽ xuất hiện những hiện tượng thời tiết cực đoan như rất lạnh trong mùa đông, rất nóng ở nhiều vùng vào mùa hè, hay thay đổi về cường độ cũng như phân bổ lượng mưa trên nhiều vùng của thế giới, phổ biến là biểu hiện của sự hạn chế về nước. Theo Matthew và cộng sự [114], dự báo đến năm 2050, tình trạng thiếu nước nghiêm trọng ở ngũ cốc sẽ tăng từ 18 - 25%. Điều này cũng được Ngân hàng Phát triển Châu Á (ADB) báo cáo, nếu xu hướng biến đổi khí hậu đến năm 2050 sẽ ảnh hưởng đến sản lượng của những cây trồng chủ yếu ở vùng nhiệt đới, đặc biệt Nam Á: ngô giảm 17%, lúa mì giảm 12%, gạo giảm 10% do biến đổi khí hậu gây ra bởi thời tiết cực đoan. Theo CIMMYT, bất thuận phi sinh học gây suy giảm năng suất, trong đó hạn là một trong những yếu tố chính.

Theo thống kê, thiệt hại hàng năm của sản lượng ngô thế giới bởi hạn là lớn, năm 1992 thiệt hại 19,0 triệu tấn ngô (15%) năm 1997 thiệt hại 20,4 triệu tấn (17%), năm 2002 thiệt hại 24 triệu tấn [53]. Theo ISAAA, năm 2012 tổng sản lượng ngô giảm 15%, năng suất giảm 21% bởi hạn gây ra, tương đương với 120 triệu tấn ngũ cốc, hạn gây thiệt hại bình quân 8%/năm tổng sản lượng ngô thế giới trong 20 năm (từ năm 1985 - 2005) [58], [83]. Dự báo đến năm 2025, những vùng bán khô hạn và khô hạn sẽ chịu ảnh hưởng nhiều hơn của biến đổi khí hậu, cả về thời gian, không gian, sẽ thường xuyên phải đối mặt với khô hạn trầm trọng hơn; nhiều diện tích đất bị khô hạn mới sẽ xuất hiện, hay mở rộng thêm trên khắp các châu lục, trong đó phần lớn tập trung ở châu Phi và châu Á. Các tác động trước mắt và lâu dài của biến đổi khí hậu đang đe dọa đến hầu hết 160 triệu ha ngô trên toàn cầu [58].

Hạn ảnh hưởng đến sản xuất ngô ở một số nước, như ở Mỹ năm 1934 hạn xảy ra trên diện rộng bao phủ gần 80% diện tích. Năm 2012 ảnh hưởng của hạn được cho là cao hơn nhiều và tồi tệ nhất trong 50 năm qua, tác động đến 26 trong 52 tiểu bang, chiếm ít nhất 55% diện tích [83]. Do hạn hán nên sản lượng luan an 9 ngô của Mỹ năm 2012 chỉ đạt 273,8 triệu tấn, giảm 13% so với năm 2011 (313,9 triệu tấn).