Tổng quan nghiên cứu

Ngô (Zea mays L.) là cây lương thực quan trọng, nuôi sống khoảng 30% dân số thế giới và đứng thứ ba sau lúa mì và lúa gạo. Theo số liệu của USDA năm 2017, Mỹ và Trung Quốc là hai quốc gia sản xuất ngô lớn nhất với sản lượng lần lượt 384 triệu tấn và 219 triệu tấn. Tại Việt Nam, ngô là cây lương thực đứng thứ hai sau lúa, với diện tích gieo trồng khoảng 1,15 triệu ha và sản lượng đạt khoảng 5,23 triệu tấn năm 2016, năng suất trung bình đạt 45,3 tạ/ha. Tuy nhiên, sản lượng ngô trong nước vẫn chưa đáp ứng đủ nhu cầu tiêu thụ do điều kiện canh tác còn nhiều khó khăn và năng suất chưa cao.

Giống ngô lai LVN10 là giống ngô năng suất cao, thích ứng rộng, có trung bình 10-12 hàng hạt/bắp, năng suất trung bình 55-65 tạ/ha, có thể đạt 80-90 tạ/ha khi thâm canh tốt. Đột biến gen fea* (allele của gen FASCIATED EAR2 - FEA2) được phát hiện có khả năng làm tăng số hàng hạt trên bắp ngô, từ 14-16 hàng lên 18-20 hàng, giúp tăng năng suất khoảng 13% mà không ảnh hưởng đến các tính trạng khác.

Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng chỉ thị phân tử để đưa gen fea* vào các dòng bố mẹ của giống ngô lai LVN10 nhằm tăng số hàng hạt và năng suất, từ đó tạo ra giống ngô lai mới có năng suất cao hơn ít nhất 10%. Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 9/2018 đến tháng 10/2020 tại Hà Nội và Thái Bình, với ý nghĩa khoa học là phát triển quy trình chọn lọc dòng bằng chỉ thị phân tử chính xác và nhanh chóng, đồng thời góp phần nâng cao sản lượng ngô trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Gen FEA2 và allele fea*: Gen FEA2 điều khiển kích thước mô phân sinh trên đỉnh sinh trưởng bắp ngô, ảnh hưởng đến số hàng hạt. Đột biến lặn fea* làm giảm hoạt tính gen FEA2, tăng số hàng hạt từ 14-16 lên 18-20 hàng, tăng năng suất khoảng 13% mà không làm thay đổi chiều dài bắp.

  • Chọn giống nhờ chỉ thị phân tử (Marker-Assisted Selection - MAS): Sử dụng các chỉ thị phân tử liên kết với gen mục tiêu để chọn lọc cá thể mang gen mong muốn, giúp tăng hiệu quả và rút ngắn thời gian chọn giống so với phương pháp truyền thống.

  • Lai trở lại có hỗ trợ chỉ thị phân tử (Marker-Assisted Backcrossing - MABC): Phương pháp lai trở lại kết hợp với chọn lọc bằng chỉ thị phân tử nhằm đưa gen mục tiêu vào dòng bố mẹ ưu tú, đồng thời giữ nguyên nền gen gốc. MABC giúp rút ngắn thời gian chọn giống từ 6-8 thế hệ xuống còn 2-3 thế hệ với độ đồng hợp cao (>98%).

Các khái niệm chính bao gồm: allele đột biến, chỉ thị phân tử SSR, PCR, enzyme cắt giới hạn, nền di truyền, quần thể lai trở lại (BC), và các thế hệ lai (BC5F1, BC5F2, BC5F3).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng dòng bố (BL10) và dòng mẹ (ML10) của giống ngô lai LVN10 không mang allele fea*, dòng cho gen fea* (W22) mang allele đột biến fea* từ phòng thí nghiệm của giáo sư Dave Jackson (Mỹ). Các cá thể BC5F1, BC5F2, BC5F3 được sử dụng làm vật liệu nghiên cứu.

  • Phương pháp chọn mẫu: Mỗi tổ hợp lai BC5F1 và BC5F2 gồm 140 cá thể, trồng 10 hàng, mỗi hàng 14 cây. Ở vụ Xuân 2020, chọn 20 cây ưu tú không có bệnh để đánh giá hình thái nông sinh học.

  • Phương pháp phân tích: Tách chiết DNA bằng phương pháp CTAB cải tiến; PCR với cặp mồi dCAPs và SSR để xác định sự có mặt của gen fea* và khảo sát đa hình trên 10 nhiễm sắc thể; sử dụng enzyme cắt giới hạn PstI để phân biệt kiểu gen; điện di trên gel polyacrylamide và agarose để quan sát sản phẩm PCR; đánh giá nền di truyền bằng 31 chỉ thị SSR đa hình giữa ML10 và W22, 26 chỉ thị SSR đa hình giữa BL10 và W22.

  • Timeline nghiên cứu: Từ tháng 9/2018 đến tháng 10/2020, gồm các giai đoạn lai trở lại, chọn lọc phân tử, đánh giá hình thái và năng suất ngoài đồng ruộng tại Hà Nội và Thái Bình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xác định chỉ thị phân tử đa hình: Từ 300 chỉ thị SSR khảo sát, đã xác định được 31 chỉ thị đa hình giữa dòng ML10 và W22, 26 chỉ thị đa hình giữa dòng BL10 và W22, phân bố rải rác trên 10 nhiễm sắc thể. Các chỉ thị này được sử dụng để đánh giá nền di truyền và chọn lọc cá thể mang gen fea*.

  2. Chọn lọc cá thể mang gen fea*: Qua các thế hệ BC5F1, BC5F2, BC5F3, các cá thể mang gen fea* được xác định bằng PCR và enzyme cắt giới hạn PstI với độ đồng hợp cao (>98%), đảm bảo gen đột biến được duy trì trong quần thể lai.

  3. Đánh giá nền di truyền: Các cá thể BC5F1 và BC5F2 mang gen fea* có tỷ lệ nền di truyền giống dòng nhận gen (ML10 hoặc BL10) đạt trên 90%, chứng tỏ hiệu quả của phương pháp MABC trong việc giữ nguyên nền gen gốc.

  4. Đặc điểm hình thái và năng suất: Các dòng BC5F3 mang gen fea* có số hàng hạt tăng thêm 2 hàng so với dòng gốc LVN10, năng suất tăng ít nhất 10%, tương đương với mức tăng 13% năng suất do đột biến fea* gây ra. Ví dụ, năng suất trung bình của các dòng cải tiến đạt 60-70 tạ/ha so với 55-65 tạ/ha của dòng gốc.

Thảo luận kết quả

Việc ứng dụng chỉ thị phân tử SSR và dCAPs kết hợp với phương pháp lai trở lại có hỗ trợ chỉ thị phân tử (MABC) đã giúp rút ngắn thời gian chọn lọc từ 6-8 thế hệ xuống còn 3 thế hệ, đồng thời giữ được nền gen gốc của giống ngô lai LVN10. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ứng dụng MABC trong cải tiến giống ngô, như việc chuyển gen kháng bệnh và tăng năng suất ở các dòng thuần B73 và Mo17.

Số hàng hạt là tính trạng có hệ số di truyền cao (khoảng 0.94), ít chịu ảnh hưởng môi trường, nên việc đưa allele fea* vào dòng bố mẹ đã tạo ra sự cải tiến rõ rệt về năng suất. Các biểu đồ so sánh năng suất cá thể giữa dòng cải tiến BC5F3 và dòng gốc cho thấy sự vượt trội rõ ràng, minh chứng cho hiệu quả của gen fea*.

Ngoài ra, việc sử dụng 31 và 26 chỉ thị SSR đa hình trên 10 nhiễm sắc thể giúp đánh giá chính xác nền di truyền, giảm thiểu các liên kết kéo theo không mong muốn, đảm bảo tính ổn định của giống cải tiến. Kết quả này cũng cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi của công nghệ chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống ngô năng suất cao tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng ứng dụng gen fea*: Khuyến khích các viện nghiên cứu và công ty giống tiếp tục ứng dụng gen fea* trong cải tiến các giống ngô lai khác nhằm tăng số hàng hạt và năng suất, với mục tiêu tăng năng suất ít nhất 10% trong vòng 3-5 năm tới.

  2. Phát triển hệ thống chỉ thị phân tử: Đầu tư xây dựng bộ chỉ thị phân tử SSR đa hình đặc hiệu cho các dòng ngô lai phổ biến tại Việt Nam, giúp nâng cao hiệu quả chọn lọc và rút ngắn thời gian tạo giống mới.

  3. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật PCR, phân tích chỉ thị phân tử và MABC cho cán bộ kỹ thuật và nhà nghiên cứu trong ngành nông nghiệp, nhằm phổ biến và áp dụng rộng rãi công nghệ chọn giống hiện đại.

  4. Thử nghiệm và đánh giá ngoài đồng ruộng: Thực hiện các thử nghiệm đa địa điểm để đánh giá tính ổn định năng suất và khả năng thích nghi của các dòng ngô cải tiến mang gen fea* trong điều kiện canh tác thực tế, đảm bảo tính khả thi trước khi đưa ra thị trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và cán bộ chọn tạo giống: Nghiên cứu quy trình ứng dụng chỉ thị phân tử và MABC trong cải tiến giống ngô, áp dụng vào các chương trình chọn giống cây trồng khác.

  2. Doanh nghiệp sản xuất giống cây trồng: Áp dụng công nghệ chọn lọc phân tử để rút ngắn thời gian tạo giống mới, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm giống ngô.

  3. Cán bộ kỹ thuật nông nghiệp và khuyến nông: Hiểu rõ về công nghệ chọn giống hiện đại để tư vấn, hướng dẫn nông dân áp dụng giống ngô năng suất cao, phù hợp với điều kiện địa phương.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành Sinh học thực nghiệm, Công nghệ sinh học: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật phân tử và ứng dụng trong chọn tạo giống cây trồng, phục vụ học tập và nghiên cứu khoa học.

Câu hỏi thường gặp

  1. Gen fea có ảnh hưởng đến các đặc tính khác của ngô không?*
    Gen fea* chỉ làm tăng số hàng hạt trên bắp mà không ảnh hưởng tiêu cực đến chiều dài bắp hay các tính trạng nông học khác, giúp tăng năng suất khoảng 13% mà vẫn giữ được đặc tính ưu việt của giống gốc.

  2. Phương pháp MABC giúp gì trong chọn giống ngô?
    MABC giúp đưa gen mục tiêu vào dòng bố mẹ ưu tú nhanh chóng, giữ nguyên nền gen gốc, rút ngắn thời gian chọn giống từ 6-8 thế hệ xuống còn 2-3 thế hệ, tăng hiệu quả và độ chính xác trong chọn lọc.

  3. Làm thế nào để xác định cá thể mang gen fea?*
    Sử dụng kỹ thuật PCR với cặp mồi dCAPs đặc hiệu và enzyme cắt giới hạn PstI để phân biệt kiểu gen đồng hợp trội, dị hợp và đồng hợp lặn của gen fea*, giúp chọn lọc chính xác các cá thể mang gen đột biến.

  4. Tại sao chọn số hàng hạt làm mục tiêu cải tiến?
    Số hàng hạt có hệ số di truyền cao (khoảng 0.94), ít chịu ảnh hưởng môi trường, nên cải tiến gen liên quan đến tính trạng này sẽ mang lại hiệu quả bền vững và rõ rệt về năng suất.

  5. Có thể áp dụng công nghệ này cho các cây trồng khác không?
    Công nghệ chọn giống nhờ chỉ thị phân tử và MABC đã được áp dụng thành công cho nhiều cây trồng như lúa, đậu tương, và có tiềm năng mở rộng cho các cây trồng khác nhằm cải tiến các tính trạng phức tạp.

Kết luận

  • Ứng dụng chỉ thị phân tử SSR và dCAPs kết hợp với phương pháp lai trở lại có hỗ trợ chỉ thị phân tử (MABC) đã thành công trong việc đưa gen fea* vào các dòng bố mẹ của giống ngô lai LVN10.
  • Các dòng cải tiến mang gen fea* có số hàng hạt tăng thêm 2 hàng, năng suất tăng ít nhất 10% so với giống gốc.
  • Phương pháp MABC giúp rút ngắn thời gian chọn giống, giữ nguyên nền gen gốc với độ đồng hợp cao (>98%).
  • Bộ chỉ thị phân tử đa hình trên 10 nhiễm sắc thể được thiết kế và sử dụng hiệu quả để đánh giá nền di truyền và chọn lọc cá thể.
  • Tiếp tục thử nghiệm đa địa điểm và chuyển giao công nghệ là bước tiếp theo cần thực hiện để đưa giống ngô cải tiến ra thị trường, góp phần nâng cao sản lượng ngô quốc gia.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp giống cần phối hợp triển khai nhân rộng ứng dụng gen fea* và công nghệ chọn giống phân tử để phát triển giống ngô năng suất cao, bền vững tại Việt Nam.