Tổng quan luận án

Công trình nghiên cứu "Nghiên cứu phát triển nguồn vật liệu phục vụ chọn tạo giống ngô nếp lai chất lượng cao và giàu hàm lượng anthocyanin" được NCS. Phạm Quang Tuân thực hiện tại Học viện Nông nghiệp Việt Nam (năm 2019), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Thế Hùng và PGS. TS. Nguyễn Việt Long, thuộc chuyên ngành Di truyền và chọn giống cây trồng (mã số: 9.11).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Ngô nếp (Zea mays L. ceratina Kulesh) là cây lương thực và cây thực phẩm có giá trị kinh tế tại khu vực châu Á. Nội nhũ ngô nếp chứa thành phần tinh bột gần như 100% là amylopectin, tạo độ dẻo đặc trưng phù hợp với thị hiếu tiêu dùng ăn tươi. Tại Việt Nam, diện tích ngô nếp chiếm từ 8% đến 15% tổng diện tích trồng ngô cả nước và có xu hướng gia tăng nhằm phục vụ nhu cầu chuyển đổi cơ cấu cây trồng, tăng vụ và nâng cao thu nhập.

Bên cạnh các chỉ tiêu truyền thống như năng suất và tính chống chịu, chất lượng ăn tươi (độ mỏng vỏ hạt, độ ngọt, độ dẻo) và giá trị dinh dưỡng chức năng (đặc biệt là hàm lượng các hợp chất chống oxy hóa tự nhiên như anthocyanin) trở thành tiêu chí quan trọng trong chọn tạo giống. Anthocyanin tập trung nhiều ở các dòng ngô hạt màu sẫm (tím, đỏ, đen), có hoạt tính sinh học có lợi cho sức khỏe. Tuy nhiên, tại thời điểm nghiên cứu, công tác chọn tạo giống ngô nếp tại Việt Nam chủ yếu tập trung vào các giống nếp trắng thụ phấn tự do hoặc giống lai thông thường; các giống ngô nếp tím giàu anthocyanin thương mại (như giống Fancy 111 nhập khẩu từ Thái Lan) có giá thành hạt giống rất cao (từ 400.000 đến 500.000 đồng/kg) và phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn cung nước ngoài. Đồng thời, trong nước chưa có các công bố hoàn chỉnh về phương pháp lai cải thiện tính trạng chất lượng về độ ngọt (độ Brix) trên nền di truyền ngô nếp tím. Do đó, việc nghiên cứu phát triển nguồn vật liệu khởi đầu, tạo dòng tự phối thuần và tổ hợp lai ngô nếp tím năng suất, chất lượng cao, giàu anthocyanin là yêu cầu thực tiễn cấp bách.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 2 mục tiêu cụ thể:

  1. Đánh giá và chọn lọc vật liệu di truyền ngô nếp có năng suất, chất lượng và giàu anthocyanin phục vụ chọn tạo giống ngô nếp lai cho các tỉnh miền Bắc, Việt Nam.
  2. Khai thác và cải tiến nguồn vật liệu ngô nếp trong nước và nhập nội, chọn tạo giống ngô nếp tím lai có chất lượng cao và giàu anthocyanin cho các tỉnh miền Bắc, Việt Nam.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Gồm 56 dòng tự phối ngô được kế thừa từ chương trình thu thập, đánh giá và phát triển nguồn gen ngô của Viện Nghiên cứu và Phát triển cây trồng - Học viện Nông nghiệp Việt Nam (giai đoạn 2008 - 2015). Cơ cấu nguồn vật liệu gồm:
    • 45 dòng ngô nếp tím (ký hiệu từ NT1 đến NT45);
    • 09 dòng ngô nếp trắng (ký hiệu từ NT46 đến NT54);
    • 02 dòng ngô ngọt (ký hiệu Đ1 và Đ2). Các dòng có nguồn gốc đa dạng từ Trung Quốc, Hàn Quốc, Thái Lan, Mỹ và các giống địa phương Việt Nam, ở các thế hệ tự phối ban đầu gồm S3 (18 dòng), S4 (26 dòng), S6 (01 dòng) và S8 (11 dòng).
  • Phạm vi thời gian: Từ năm 2015 đến năm 2018, triển khai qua các vụ Xuân (tháng 1 - 5), Hè Thu (tháng 7 - 9) và Thu Đông (tháng 8 - 12).
  • Phạm vi không gian:
    • Thí nghiệm đồng ruộng chọn lọc dòng và đánh giá tổ hợp lai: Viện Nghiên cứu và Phát triển cây trồng - Học viện Nông nghiệp Việt Nam (Gia Lâm, Hà Nội).
    • Thí nghiệm trong phòng: Phân tích chỉ thị phân tử, hóa sinh, chất lượng tại Phòng thí nghiệm JICA - Trung tâm Nghiên cứu cây trồng Việt - Nhật.
    • Thí nghiệm khảo nghiệm sinh thái các tổ hợp lai triển vọng: Triển khai tại 3 vùng sinh thái đại diện miền Bắc và Bắc Trung Bộ gồm xã Văn Yên (huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên), xã Đông Xuyên (huyện Tiền Hải, tỉnh Thái Bình) và Trung tâm Giống cây trồng Nghệ An (TP. Vinh, tỉnh Nghệ An).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước được tác giả tổng quan

  1. Nguồn gốc, tiến hóa và phân loại ngô nếp: Tác giả điểm lại học thuyết trung tâm phát sinh thực vật của Vavilov (1887-1943); nguồn gốc thuần hóa ngô từ cỏ dại teosinte ở Trung Mỹ (Boncalo, 1570; Benz, 2001; Piperno & Flannery, 2001; Lia et al., 2007; Hake & Ross-Ibarra, 2015). Ngô nếp (Zea mays L. ceratina) lần đầu tiên được Collins (1909) phát hiện và mô tả từ nguồn mẫu tại Thượng Hải, Trung Quốc. Zheng et al. (2013) phân tích 108 mẫu nguồn gen locus waxy và khẳng định ngô nếp bắt nguồn từ ngô đá thông qua đột biến gen đơn.
  2. Đa dạng di truyền nguồn gen ngô và ngô nếp quốc tế:
    • Đánh giá đa dạng dòng thuần và quần thể CIMMYT bằng chỉ thị SSR (Warburton et al., 2002; Xia et al., 2005).
    • Nghiên cứu 22 giống ngô bản địa Tứ Xuyên - Trung Quốc bằng 41 chỉ thị SSR thu được 211 băng đa hình (Xiang et al., 2010).
    • Đánh giá đa dạng di truyền tại Ấn Độ (Patil et al., 2012; Savita et al., 2015) và Hàn Quốc (Sa et al., 2010 với 84 dòng thuần; Kim et al., 2012 phát triển 20 chỉ thị SNP).
    • Đánh giá di truyền hàm lượng phenolics và chất chống oxy hóa trên các dòng ngô màu (Mahan et al., 2013 với hệ số di truyền nghĩa hẹp $h^2 = 0,80$).
  3. Đa dạng di truyền nguồn gen ngô nếp tại Việt Nam:
    • Thu thập và đánh giá nguồn gen ngô bản địa tại Điện Biên và các tỉnh miền núi phía Bắc (Vũ Văn Liết & Đồng Huy Giới, 2006; Liet & Thinh, 2009 với 10 mồi RAPD; Liet et al., 2011 với chỉ thị ISSR).
    • Đánh giá phân nhóm 24 dòng ngô nếp S8-S10 và xác định dòng chịu hạn (Lê Thị Minh Thảo và cs., 2015).
    • Sàng lọc tính trạng vỏ hạt mỏng bằng vi trắc kế và chỉ thị SSR trên 48 dòng/giống ngô nếp địa phương (Trần Thị Thanh Hà và cs., 2013).
    • Đánh giá 45 dòng tự phối ngô nếp tím S3-S6 chọn lọc 18 dòng ưu tú (Liet et al., 2015).
  4. Di truyền tính trạng sáp, chất lượng và anthocyanin:
    • Gen Wx nằm trên nhánh ngắn của nhiễm sắc thể số 9 gồm 14 exon; các đột biến mất đoạn wx-D7 (30 bp) và wx-D10 (15 bp) làm suy giảm tổng hợp amylose (Fan et al., 2009; Bao et al., 2012).
    • Định vị 10 QTL kiểm soát độ mỏng vỏ (PER), amylose (AMY), dextrose (DEX) và sucrose (SUC) trên nhiễm sắc thể số 4 qua cặp chỉ thị umc1088 và bnlg1265 (Park et al., 2014; Choe, 2010).
    • Di truyền màu tím ở ngô do các gen a1, c1, p, r và locus R1 trên nhiễm sắc thể số 9 và 10 quy định (Neuffer et al., 1997; Stinard & Sachs, 2002; Harakotr et al., 2014, 2015, 2016).
    • Phương pháp tổ hợp gen ngọt (su, sh2, bt) vào nền ngô nếp (Simla et al., 2009) và cải tiến chất lượng protein bằng alen opaque2 (Stamp et al., 2014).
  5. Phương pháp phát triển dòng thuần và đánh giá khả năng kết hợp: Ứng dụng phương pháp tự phối cưỡng bức của Shull (1908, 1909), phương pháp chọn lọc phả hệ và lai trở lại (Carena & Wanner, 2009; Lamkey et al., 1995; Hussanun et al., 2014) và mô hình phân tích khả năng kết hợp của Griffing (1956).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án tập trung giải quyết tình trạng thiếu hụt nguồn vật liệu dòng thuần ngô nếp tím đồng hợp tử có khả năng kết hợp cao; thiếu quy trình tích hợp giữa phương pháp lai trở lại (backcross) với tự phối cưỡng bức để nâng cao độ ngọt (% Brix) mà vẫn giữ được độ dẻo và hàm lượng anthocyanin; đồng thời tạo ra các tổ hợp lai ngô nếp tím nội địa có năng suất và chất lượng thích nghi với điều kiện sinh thái các tỉnh phía Bắc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khái niệm

  • Học thuyết ưu thế lai (Heterosis): Sự gia tăng sức sống, năng suất và khả năng chống chịu ở thế hệ F1 khi lai giữa các dòng tự phối thuần có khoảng cách di truyền xa và khả năng kết hợp cao (Shull, 1908).
  • Mô hình khả năng kết hợp: Sử dụng mô hình phân tích phương sai di truyền của Griffing (1956) để ước lượng khả năng kết hợp chung (GCA - phản ánh hiệu ứng gen cộng tính) và khả năng kết hợp riêng (SCA - phản ánh hiệu ứng gen không cộng tính/trội và át gen).
  • Di truyền phân tử tính trạng chất lượng: Ứng dụng chỉ thị phân tử SSR để nhận diện đa dạng di truyền và các vùng QTL liên kết với tính trạng vỏ hạt mỏng (umc2118, bmc1325).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Luận án kết hợp đồng thời phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đồng ruộng, phân tích sinh học phân tử và phân tích hóa sinh định lượng:

[56 dòng tự phối ban đầu (S3-S8)]
                                            [Vụ Thu Đông 2017]                [Vụ Xuân 2018]
                                                    [Khảo nghiệm 3 vùng sinh thái]
                                                    (Thái Nguyên, Nghệ An, Thái Bình)
                                                      Chọn 2 THL triển vọng:
                                                      THL30 (NT46 x T27)
                                                      THL35 (NT46 x T36)
  1. Phương pháp bố trí thí nghiệm đồng ruộng:
    • Thực hiện theo phương pháp khối ngẫu nhiên hoàn chỉnh (RCBD) của Gomez & Gomez (1984), lặp lại 3 lần.
    • Các chỉ tiêu nông sinh học, thời gian sinh trưởng, sâu bệnh hại và năng suất được theo dõi theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 01-66:2011/BNNPTNT.
  2. Phương pháp phân tích phòng thí nghiệm:
    • Tách chiết và tinh sạch DNA: Áp dụng phương pháp của Nobou Kobayashi (1998) có cải tiến.
    • Phân tích chỉ thị SSR và dò QTL: Sử dụng 10 cặp mồi SSR đa hình (phi065, phi299852, phi101049, phi223376, phi083, phi109275, phi423796, phi328175) và 2 cặp mồi liên kết QTL vỏ mỏng (umc2118, bmc1325).
    • Đo độ dày vỏ hạt: Sử dụng vi trắc kế cơ học cầm tay (micrometer) theo phương pháp của Wolf et al.
    • Đo hàm lượng đường hòa tan (% Brix): Sử dụng khúc xạ kế đo dịch chiết hạt ở giai đoạn thu hoạch bắp tươi (sau thụ phấn 18 - 22 ngày).
    • Xác định hàm lượng anthocyanin tổng số: Phương pháp đo quang phổ pH vi sai (differential pH method) theo Huỳnh Thị Kim Cúc và cs.
    • Đánh giá cảm quan ăn tươi: Thang điểm đánh giá độ ngọt, độ dẻo, độ thơm, màu sắc hạt theo tiêu chuẩn UPOV (2010) và Ki Jin Park et al.
  3. Phương pháp tạo dòng và lai thử:
    • Tự phối cưỡng bức (selfing) theo Shull (1908, 1909).
    • Lai trở lại (backcrossing) kết hợp tự phối theo Kendall R. Lamkey et al.
    • Chọn lọc dòng theo chỉ số mục tiêu (Hazel, 1943).
    • Đánh giá khả năng kết hợp chung (GCA) qua lai đỉnh và khả năng kết hợp riêng (SCA) qua lai luân phiên không có con lai thuận nghịch theo phương pháp 4, mô hình IV của Griffing (1956).
  4. Phương pháp xử lý số liệu: Phân tích phương sai (ANOVA), hệ số biến động ($CV%$), sai khác nhỏ nhất có ý nghĩa ($LSD_{0,05}$) trên phần mềm IRRISTAT 5.0; phân tích di truyền số lượng theo chương trình của Nguyễn Đình Hiền (1995); phân tích đa dạng di truyền và vẽ cây phân nhóm UPGMA bằng phần mềm NTSYSpc 2.1.

Nội dung chính theo từng chương

Phần 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Phần này làm rõ cơ sở lý luận về ưu thế lai từ các nghiên cứu kinh điển của Shull (1908, 1909), tổng quan bức tranh sản xuất ngô toàn cầu theo FAOSTAT (2016) và thực trạng sản xuất ngô nếp tại Việt Nam. Tác giả chỉ rõ các hạn chế nội tại của nguồn giống trong nước (chủ yếu là nếp trắng, độ ngọt thấp, thiếu hụt giống nếp tím giàu anthocyanin chọn tạo nội địa) để xác lập mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.

Phần 2. Tổng quan tài liệu

Chương tổng quan gồm 7 nội dung lớn:

  • Nguồn gốc, phân loại thực vật và đặc điểm nông học của ngô và ngô nếp.
  • Tình hình sản xuất, tiêu thụ ngô nếp trên thế giới và tại Việt Nam.
  • Các nghiên cứu về đa dạng di truyền nguồn gen ngô nếp quốc tế (Trung Quốc, Hàn Quốc, CIMMYT, Mỹ, Thái Lan) và trong nước bằng chỉ thị hình thái và phân tử (RAPD, ISSR, SSR, SNP).
  • Cơ chế di truyền tính trạng nội nhũ sáp (wx), độ dày vỏ hạt, độ ngọt, chất lượng protein và các hoạt chất sinh học (anthocyanin, phenolic, hoạt tính chống oxy hóa DPPH, FRAP, TEAC).
  • Cơ sở lý thuyết và các phương pháp phát triển dòng thuần ngô (tự phối, phả hệ, lai trở lại).
  • Cơ sở di truyền và phương pháp đánh giá khả năng kết hợp GCA, SCA trong chọn giống ưu thế lai.
  • Thành tựu chọn tạo giống ngô nếp lai và ngô nếp tím giàu anthocyanin trên thế giới và ở Việt Nam.

Phần 3. Vật liệu, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Trình bày chi tiết danh mục 56 dòng tự phối ngô ban đầu, quy trình triển khai các nội dung nghiên cứu qua từng vụ thí nghiệm từ 2015 đến 2018, các công thức bố trí thí nghiệm đồng ruộng theo Gomez (1984), quy trình phân tích SSR, kỹ thuật đo vi trắc kế vỏ hạt, phương pháp pH vi sai đo anthocyanin, khúc xạ kế đo Brix, phương pháp lai phân tích GCA/SCA theo Griffing IV và các phần mềm thống kê sinh học (IRRISTAT 5.0, NTSYSpc 2.1).

Phần 4. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu của luận án được trình bày qua 5 tiểu mục chính:

4.1. Đánh giá, sàng lọc nguồn vật liệu ngô nếp ban đầu

  • Đánh giá kiểu hình: Khảo sát 56 dòng tự phối vụ Xuân 2015 tại Gia Lâm ghi nhận sự biến động lớn về thời gian sinh trưởng, đặc điểm nông sinh học, khả năng chống chịu sâu bệnh (bệnh đốm lá lớn, đốm lá nhỏ, gỉ sắt, rệp cờ, sâu đục thân), các yếu tố cấu thành năng suất và chất lượng ăn tươi.
  • Đánh giá phân tử và QTL vỏ mỏng: Sử dụng 2 chỉ thị phân tử SSR (umc2118 và bmc1325) đã xác định các dòng mang đoạn QTL liên kết tính trạng vỏ hạt mỏng. Phân tích đa dạng di truyền với 10 chỉ thị SSR thu được hệ số thông tin đa hình (PIC) cao, phân chia 56 dòng thành các nhóm di truyền rõ rệt trên phần mềm NTSYSpc 2.1.
  • Kết quả chọn lọc: Đã tuyển chọn được 18 dòng ngô nếp tím ưu tú nhất đáp ứng đồng thời các tiêu chuẩn về sinh trưởng, vỏ mỏng, năng suất và màu sắc hạt để chuyển sang bước đánh giá GCA.

4.2. Đánh giá khả năng kết hợp chung (GCA) của 18 dòng ngô nếp tím ưu tú

  • Thiết lập thí nghiệm lai đỉnh trong vụ Thu Đông 2015 tại Gia Lâm.
  • Đánh giá các tổ hợp lai đỉnh về đặc điểm nông sinh học, khả năng chống chịu, các yếu tố cấu thành năng suất, chất lượng cảm quan và giá trị hiệu ứng GCA.
  • Kết quả phân tích phương sai di truyền đã xác định được 09 dòng tự phối có hiệu ứng GCA cao và có ý nghĩa thống kê ($P < 0,05$) đối với ba tính trạng mục tiêu: năng suất bắp tươi, độ Brix (%) và hàm lượng anthocyanin tổng số.

4.3. Phát triển dòng thuần ngô nếp

  • Phương pháp tự phối cưỡng bức: Tự phối liên tục 9 dòng ưu tú từ thế hệ S3-S5 đến thế hệ S6-S7 trong vụ Xuân 2016, thu được 40 dòng tự phối thuần. Đánh giá 40 dòng này về nông sinh học, độ mỏng vỏ và chất lượng ăn tươi, luận án đã chọn lọc được 08 dòng ngô nếp tím ưu tú có thời gian thu hoạch bắp tươi ngắn (74 - 81 ngày), năng suất bắp tươi đạt tới 4,54 tấn/ha, độ Brix đạt từ 11,8% đến 13,5% và hàm lượng anthocyanin đạt tới 226,0 mg/100g.
  • Phương pháp lai trở lại kết hợp tự phối để cải tiến độ ngọt: Lai hồi giao giữa các dòng ngô nếp tím với 2 dòng ngô ngọt cho gen (Đ1, Đ2), tiến hành tự phối 3 thế hệ đến $BC_2F_4$ (vụ Xuân 2017) thu được 45 dòng. Đánh giá và chọn lọc được 20 dòng ngô nếp ưu tú, trong đó có 8 dòng nổi bật (D1, D2, D3, D5, D6, D7, D13, D16) có độ Brix tăng từ 2,0% đến 4,0% so với vật liệu ban đầu.

4.4. Đánh giá khả năng kết hợp riêng (SCA) và chọn lọc tổ hợp lai triển vọng

  • Thực hiện lai luân phiên 9 dòng ngô nếp ưu tú theo mô hình Griffing IV tạo ra 36 tổ hợp lai (THL) trong vụ Thu Đông 2016.
  • Đánh giá SCA về khối lượng 1000 hạt, năng suất bắp tươi, độ Brix và hàm lượng anthocyanin tổng số.
  • Đánh giá chỉ thị phân tử liên kết QTL vỏ mỏng (umc2118, bmc1325) và khảo nghiệm so sánh 15 THL ưu tú tại Gia Lâm vụ Xuân 2017 đã sàng lọc được 07 tổ hợp lai ngô nếp tím ưu tú gồm: THL2, THL8, THL22, THL26, THL30, THL35 và THL36.

4.5. Thử nghiệm các tổ hợp lai tại một số vùng sinh thái

Tiến hành khảo nghiệm 7 THL ưu tú cùng giống đối chứng tại 3 vùng sinh thái (Thái Nguyên, Nghệ An, Thái Bình) qua 2 vụ (Thu Đông 2017 và Xuân 2018). Luận án đã lựa chọn được 02 tổ hợp lai triển vọng nhất: THL30 (NT46 $\times$ T27) và THL35 (NT46 $\times$ T36).

Chỉ tiêu nông học / Hóa sinh THL30 (NT46 $\times$ T27) THL35 (NT46 $\times$ T36)
Chiều cao cây trung bình (cm) 171 - 195 171 - 195
Thời gian từ gieo đến thu bắp tươi vụ Xuân (ngày) 82 - 85 82 - 85
Thời gian từ gieo đến thu bắp tươi vụ Thu Đông (ngày) 84 - 90 84 - 90
Mức độ nhiễm sâu bệnh đồng ruộng (điểm 1 - 5) Điểm 1 - 2 (nhiễm nhẹ) Điểm 1 - 2 (nhiễm nhẹ)
Năng suất bắp tươi TB 3 vùng - Vụ Xuân (tạ/ha) 133 - 145 (13,3 - 14,5 tấn/ha) 133 - 145 (13,3 - 14,5 tấn/ha)
Năng suất bắp tươi TB 3 vùng - Vụ Thu Đông (tạ/ha) 107 - 142 (10,7 - 14,2 tấn/ha) 107 - 142 (10,7 - 14,2 tấn/ha)
Độ Brix dịch hạt - Vụ Xuân (%) 12,6 - 13,7 12,6 - 13,7
Độ Brix dịch hạt - Vụ Thu Đông (%) 12,5 - 13,6 12,5 - 13,6
Hàm lượng Anthocyanin tổng số - Vụ Xuân (mg/100g) 117 - 165 117 - 165
Hàm lượng Anthocyanin tổng số - Vụ Thu Đông (mg/100g) 118 - 162 118 - 162

Phần 5. Kết luận và đề nghị

Tổng kết toàn bộ các chỉ tiêu kỹ thuật, số lượng dòng thuần và tổ hợp lai tạo ra; đồng thời đưa ra đề nghị tiếp tục khảo nghiệm diện rộng và hoàn thiện quy trình canh tác cho 2 tổ hợp lai triển vọng THL30 và THL35.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt khoa học

  1. Xác lập hệ thống dữ liệu khoa học về đánh giá, sàng lọc và phân nhóm nguồn gen ngô nếp tím, ngô nếp trắng và ngô ngọt làm vật liệu khởi đầu cho chương trình chọn tạo giống ngô nếp ưu thế lai tại Việt Nam.
  2. Ứng dụng thành công phương pháp tích hợp giữa tự phối cưỡng bức và phương pháp lai trở lại (backcross) để cải tiến tính trạng chất lượng (% Brix), khắc phục nhược điểm độ ngọt thấp của các dòng ngô nếp tím truyền thống.
  3. Chứng minh hiệu quả của việc kết hợp chỉ thị phân tử SSR (dò QTL kiểm soát tính trạng vỏ hạt mỏng) với đánh giá kiểu hình và phân tích khả năng kết hợp (GCA, SCA) theo mô hình Griffing IV trong việc rút ngắn thời gian chọn dòng bố mẹ ưu tú.

Đóng góp về mặt thực tiễn

  1. Đánh giá toàn diện bộ sưu tập 56 nguồn vật liệu di truyền ngô nếp và ngô ngọt.
  2. Phát triển và chọn lọc được 08 dòng ngô nếp tím tự phối thuần (S6-S7) mang các đặc tính nông học tốt, vỏ mỏng, năng suất khá và hàm lượng anthocyanin cao (lên tới 226,0 mg/100g).
  3. Tạo ra 20 dòng ngô nếp cải tiến ($BC_2F_4$) có độ Brix tăng từ 2,0% đến 4,0% so với vật liệu gốc (tiêu biểu là các dòng D1, D2, D3, D5, D6, D7, D13, D16).
  4. Tạo ra 36 tổ hợp lai và tuyển chọn được 02 tổ hợp lai ngô nếp tím triển vọng: THL30 (NT46 $\times$ T27) và THL35 (NT46 $\times$ T36) có năng suất bắp tươi cao (10,7 - 14,5 tấn/ha), chống chịu sâu bệnh tốt, độ Brix đạt 12,5 - 13,7%, hàm lượng anthocyanin ổn định (117 - 165 mg/100g), có khả năng thích ứng tại các vùng sinh thái miền Bắc và Bắc Trung Bộ.

Kiến nghị, giải pháp đề xuất

  • Đề nghị tiếp tục đưa 2 tổ hợp lai ngô nếp tím THL30 và THL35 vào hệ thống khảo nghiệm sản xuất diện rộng (khảo nghiệm VCU và DUS) tại các vùng sinh thái khác nhau để tiến tới công nhận giống lưu hành phục vụ sản xuất.
  • Đề nghị nghiên cứu hoàn thiện quy trình kỹ thuật canh tác (mật độ, phân bón, thời vụ) và kỹ thuật sản xuất hạt lai F1 cho 2 tổ hợp lai triển vọng này.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Phạm vi khảo nghiệm sinh thái các tổ hợp lai mới chỉ tập trung tại 3 tỉnh thuộc miền Bắc và Bắc Trung Bộ (Thái Nguyên, Thái Bình, Nghệ An) trong 2 vụ (Thu Đông 2017 và Xuân 2018), chưa bao quát toàn bộ các tiểu vùng sinh thái nông nghiệp trên cả nước.
  • Nguồn vật liệu ngô nếp tím ban đầu có sự phân ly về độ ngọt và độ dày vỏ hạt, đòi hỏi nhiều chu kỳ tự phối và lai hồi giao để cố định hoàn toàn các tổ hợp gen mong muốn.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tiếp tục khảo nghiệm sinh thái đa môi trường ở quy mô lớn hơn, bao gồm các tỉnh miền núi phía Bắc và vùng Đồng bằng sông Hồng.
  • Ứng dụng các công cụ chỉ thị phân tử mật độ cao (như chỉ thị SNP) để giải mã sâu hơn cấu trúc di truyền và lập bản đồ các gen quy định con đường sinh tổng hợp anthocyanin ở các dòng ngô nếp tím chọn tạo.
  • Hoàn thiện công nghệ sau thu hoạch, bảo quản và chế biến sâu các sản phẩm từ bắp tươi và chiết xuất anthocyanin làm thực phẩm chức năng.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các đối tượng và hoạt động chuyên môn sau:

  1. Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Di truyền - Chọn giống cây trồng, Cây lương thực, Công nghệ sinh học nông nghiệp: Tham khảo cơ sở lý thuyết, phương pháp bố trí thí nghiệm lai đỉnh, lai luân phiên Griffing IV, kỹ thuật tách chiết DNA cải tiến, quy trình dò QTL vỏ mỏng bằng mồi SSR và phương pháp đo quang phổ pH vi sai định lượng anthocyanin.
  2. Các nhà chọn giống tại các viện nghiên cứu, trường đại học và trung tâm giống cây trồng: Tham khảo quy trình thực tế về tích hợp phương pháp lai trở lại cải tiến độ Brix vào dòng tự phối ngô nếp; sử dụng hệ thống số liệu về GCA, SCA của các dòng ngô nếp tím để định hướng các tổ hợp lai mới.
  3. Cơ quan quản lý nông nghiệp, khuyến nông và doanh nghiệp sản xuất giống cây trồng: Tham khảo thông tin đặc tính nông sinh học và tiềm năng năng suất của 2 tổ hợp lai THL30, THL35 phục vụ công tác phát triển sản phẩm ngô nếp ăn tươi chất lượng cao tại địa phương.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguồn vật liệu ban đầu của luận án gồm những dòng nào và có nguồn gốc từ đâu?

Nguồn vật liệu gồm 56 dòng tự phối ngô: 45 dòng ngô nếp tím (NT1 - NT45), 9 dòng ngô nếp trắng (NT46 - NT54) và 2 dòng ngô ngọt (Đ1, Đ2). Nguồn gốc từ Trung Quốc, Hàn Quốc, Thái Lan, Mỹ và Việt Nam; ở các thế hệ tự phối ban đầu S3 (18 dòng), S4 (26 dòng), S6 (01 dòng) và S8 (11 dòng), được kế thừa từ Viện Nghiên cứu và Phát triển cây trồng (2008 - 2015).

2. Luận án đã sử dụng những cặp mồi SSR nào để dò tìm QTL quy định tính trạng vỏ hạt mỏng?

Luận án sử dụng 2 cặp mồi chỉ thị phân tử SSR là umc2118 và bmc1325 để dò tìm các locus tính trạng số lượng (QTL) liên kết với độ mỏng vỏ hạt trên 56 dòng ngô thí nghiệm và 15 tổ hợp lai ưu tú.

3. Phương pháp nào được sử dụng để cải tiến độ ngọt (% Brix) cho các dòng ngô nếp?

Tác giả sử dụng phương pháp lai trở lại (backcross) kết hợp tự phối: lai hồi giao giữa các dòng ngô nếp tím ưu tú với 2 dòng ngô ngọt cho gen (Đ1, Đ2), sau đó tự phối 3 thế hệ đến $BC_2F_4$, chọn được 20 dòng ưu tú có độ Brix tăng từ 2,0% đến 4,0% so với ban đầu.

4. Hai tổ hợp lai ngô nếp tím triển vọng nhất của luận án là gì và đạt năng suất bắp tươi bao nhiêu?

Hai tổ hợp lai triển vọng nhất là THL30 (NT46 $\times$ T27) và THL35 (NT46 $\times$ T36). Năng suất bắp tươi trung bình tại 3 vùng sinh thái đạt 133 - 145 tạ/ha (13,3 - 14,5 tấn/ha) trong vụ Xuân và 107 - 142 tạ/ha (10,7 - 14,2 tấn/ha) trong vụ Thu Đông.

5. Hàm lượng anthocyanin và độ Brix của hai tổ hợp lai THL30 và THL35 đạt mức nào?

Trong các vụ khảo nghiệm, hai tổ hợp lai này đạt độ Brix từ 12,5% đến 13,7% và hàm lượng anthocyanin tổng số dao động từ 117 mg/100g đến 165 mg/100g (vụ Xuân: 117 - 165 mg/100g; vụ Thu Đông: 118 - 162 mg/100g).

Kết luận

Luận án đã đánh giá toàn diện 56 dòng vật liệu ngô nếp và ngô ngọt, ứng dụng đồng thời chỉ thị phân tử SSR, kỹ thuật vi trắc kế và phân tích hóa sinh để chọn lọc dòng bố mẹ ưu tú. Thông qua phương pháp tự phối cưỡng bức và lai trở lại kết hợp tự phối đến thế hệ $BC_2F_4$, nghiên cứu đã tạo ra 8 dòng thuần ngô nếp tím giàu anthocyanin và 20 dòng cải tiến có độ Brix tăng từ 2,0% đến 4,0%. Kết quả đánh giá khả năng kết hợp và thử nghiệm đa vùng sinh thái đã xác định được 2 tổ hợp lai ngô nếp tím triển vọng là THL30 (NT46 $\times$ T27) và THL35 (NT46 $\times$ T36) có năng suất bắp tươi cao, độ Brix và hàm lượng anthocyanin ổn định, đáp ứng mục tiêu phát triển giống ngô nếp ăn tươi chất lượng cao tại Việt Nam.