Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử nhằm tăng số hàng hạt cho giống ngô lai LVN 10

Luận văn thạc sĩ phân tích nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử để đưa gen fea làm tăng số hàng hạt vào các dòng bố mẹ giống, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp

• Tác giả: Phạm Thùy Chi
• Người hướng dẫn: PGS. Ts Khuất Hữu Trung
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Chỉ Thị Phân Tử Để Tăng Số Hàng Hạt Trong Giống Ngô Lai LVN 10
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• MỤC LỤC
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Lý do chọn đề tài
• 0.2. Mục đích nghiên cứu
• 0.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 0.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU. TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ CHỌN TẠO GIỐNG NGÔ TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM
• 1.1. Tình hình sản xuất ngô trên thế giới và Việt Nam
• 1.1.1. Sản xuất ngô trên thế giới
• 1.1.2. Sản xuất ngô tại Việt Nam
• 1.2. Phương pháp chọn tạo giống ngô
• 1.2.1. Phương pháp chọn tạo giống ngô trên thế giới
• 1.2.2. Nghiên cứu chọn tạo giống trong nước
• 1.3. GIỚI THIỆU VỀ GIỐNG NGÔ LVN10
• 1.4. KHÁI QUÁT VỀ GEN FEA*
• 1.4.1. Các nghiên cứu trên thế giới về QTLs quy định tính trạng năng suất ngô và gen liên quan đến số hàng hạt trên bắp ngô
• 1.4.2. Gen FEA2 và allele fea*
• 1.5. SỬ DỤNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ TRONG PHÉP LAI TRỞ LẠI
• 1.5.1. Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống cây trồng
• 1.5.2. Phương pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử kết hợp với lai hồi giao (Marker Assisted Backcrossing - MABC)
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Vật liệu nghiên cứu
• 2.2. Máy móc thiết bị sử dụng
• 2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.3.1. Bố trí thí nghiệm lai trở lại (BC)
• 2.3.2. Các phương pháp sinh học phân tử
• 2.3.2.1. Phương pháp tách chiết DNA- CTAB
• 2.3.2.2. Phương pháp PCR bằng mồi dCAPs
• 2.3.2.3. Phương pháp sử dụng enzyme cắt giới hạn PstI
• 2.3.2.4. Phương pháp PCR với mồi SSR
• 2.3.2.5. Phương pháp điện di trên gel poly-acrylamide
• 2.3.2.6. Phương pháp điện di trên gel Agarose
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả xác định chỉ thị đa hình giữa các dòng ML10, BL10 và dòng W22 trên 10 NST
• 3.2. Kết quả xác định chỉ thị phân tử đa hình ngoài vùng gen fea* giữa dòng ML10 và dòng W22
• 3.3. Kết quả xác định chỉ thị phân tử đa hình ngoài vùng gen fea* giữa dòng BL10 và dòng W22
• 3.4. Kết quả chọn lọc các cá thể trong quần thể BC5F1 mang gen fea* bằng phương pháp chỉ thị phân tử
• 3.5. Kết quả chọn lọc các cá thể trong quần thể BC5F1 ở dòng ML10
• 3.6. Kết quả chọn lọc các cá thể trong quần thể BC5F1 ở dòng BL10
• 3.7. Kết quả đánh giá nền di truyền các cá thể mang gen fea* trong quần thể BC5F1
• 3.8. Kết quả đánh giá nền di truyền các cá thể mang gen fea* trong quần thể BC5F1 ở dòng lai ML10
• 3.9. Kết quả đánh giá nền di truyền các cá thể mang gen fea* trong quần thể BC5F1 ở dòng lai BL10
• 3.10. Kết quả chọn lọc các cá thể trong quần thể BC5F2 mang gen fea* bằng chỉ thị phân tử
• 3.11. Kết quả chọn lọc các cá thể trong quần thể BC5F2 ở dòng ML10
• 3.12. Kết quả chọn lọc các cá thể trong quần thể BC5F2 ở dòng BL10
• 3.13. Đặc điểm hình thái nông sinh học của các dòng BC5F3 mang gen fea* trong vụ Thu Đông năm 2019
• 3.14. Đặc điểm hình thái nông học của các dòng BC3F3
• 3.15. Đánh giá sơ bộ về năng suất của các dòng cải tiến BC5F3 và dòng bố mẹ gốc
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về giống ngô lai LVN10

Giống ngô LVN10 là một trong những giống ngô lai nổi bật tại Việt Nam, được phát triển với mục tiêu nâng cao năng suất và chất lượng. Giống này có khả năng thích ứng tốt với nhiều vùng sinh thái khác nhau, cho năng suất cao từ 55-65 tạ/ha, và có thể đạt tới 80-90 tạ/ha trong điều kiện thâm canh tốt. Đặc điểm nổi bật của LVN10 là số hàng hạt trên bắp, trung bình từ 10-12 hàng. Việc tăng số hàng hạt không chỉ giúp cải thiện năng suất mà còn nâng cao giá trị kinh tế cho nông dân. Do đó, nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử để đưa gen fea* vào giống ngô này là rất cần thiết nhằm tối ưu hóa năng suất và chất lượng sản phẩm.

1.1. Tình hình sản xuất ngô tại Việt Nam

Ngô là cây lương thực quan trọng tại Việt Nam, đứng thứ hai sau lúa gạo. Tuy nhiên, sản lượng ngô vẫn chưa đáp ứng đủ nhu cầu tiêu thụ trong nước. Theo thống kê, năng suất ngô trung bình cả nước chỉ đạt khoảng 45,3 tạ/ha, thấp hơn nhiều so với các nước phát triển. Việc áp dụng công nghệ mới trong sản xuất ngô, đặc biệt là công nghệ di truyền, sẽ giúp cải thiện năng suất và chất lượng giống ngô. Việc nghiên cứu và phát triển giống ngô lai LVN10 với sự hỗ trợ của chỉ thị phân tử sẽ là bước tiến quan trọng trong việc nâng cao sản lượng ngô tại Việt Nam.

II. Ứng dụng chỉ thị phân tử trong nghiên cứu

Chỉ thị phân tử là công cụ mạnh mẽ trong việc chọn lọc giống cây trồng, giúp xác định các gen có liên quan đến tính trạng mong muốn. Trong nghiên cứu này, gen fea* được xác định là gen có khả năng làm tăng số hàng hạt trên bắp ngô. Việc sử dụng phương pháp lai trở lại có hỗ trợ của chỉ thị phân tử (MABC) cho phép chuyển gen fea* vào các dòng bố mẹ của giống ngô LVN10 một cách hiệu quả. MABC giúp tăng cường độ đồng hợp của các dòng lai, từ đó cải thiện năng suất và chất lượng sản phẩm. Nghiên cứu này không chỉ có giá trị khoa học mà còn có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc phát triển giống ngô năng suất cao tại Việt Nam.

2.1. Phương pháp lai trở lại MABC

MABC là phương pháp hiện đại trong chọn giống cây trồng, cho phép chuyển giao các tính trạng mong muốn từ dòng cho gene sang dòng nhận gene. Phương pháp này giúp tăng cường tính đồng hợp của các dòng lai qua từng thế hệ, từ đó nâng cao khả năng sản xuất. Việc áp dụng MABC trong nghiên cứu này sẽ giúp tạo ra các dòng ngô cải tiến mang gen fea*, từ đó tăng số hàng hạt và năng suất cho giống ngô LVN10. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn góp phần vào an ninh lương thực quốc gia.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc đưa gen fea* vào các dòng bố mẹ của giống ngô LVN10 đã mang lại những cải thiện đáng kể về số hàng hạt và năng suất. Các dòng BC5F1 và BC5F2 mang gen fea* cho thấy sự gia tăng rõ rệt về số hàng hạt, từ đó nâng cao năng suất so với dòng gốc. Việc sử dụng chỉ thị phân tử trong nghiên cứu này đã chứng minh được tính hiệu quả trong việc chọn lọc các cá thể mang gen mong muốn. Kết quả này không chỉ có ý nghĩa trong việc phát triển giống ngô mà còn mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tương tự trong tương lai.

3.1. Đánh giá nền di truyền

Đánh giá nền di truyền của các cá thể mang gen fea* cho thấy sự đồng hợp cao, đạt trên 98%. Điều này cho thấy khả năng ổn định của gen trong các thế hệ lai. Việc xác định nền di truyền chính xác sẽ giúp các nhà nghiên cứu và nông dân có thể lựa chọn được các dòng giống phù hợp, từ đó nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Kết quả này khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống ngô tại Việt Nam.

Nội dung chính

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.

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngô (Zea mays L.) thuộc chi Zea, tông Androppogoneae, họ Poaceae, bộ Poales. Ngô là cây ngũ cốc quan trọng trong nền kinh tế toàn cầu vì nó nuôi sống ít nhất 30% dân số thế giới và là cây lƣơng thực đứng thứ 3 sau lúa mì và lúa. Ngô là nguồn cung cấp lƣơng thực và an ninh dinh dƣỡng chủ yếu cho hàng triệu ngƣời ở các nƣớc đang phát triển, đặc biệt là ở Châu Phi và Châu Mỹ Latinh.

Ngô có thể đƣợc sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau nhƣ đƣợc dùng làm thực phẩm, thức ăn chăn nuôi và sản xuất công nghiệp (nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu sinh học). Theo số liệu thống kê của USDA (United States Department of Agriculture) (tháng 1 năm 2017), Mỹ và Trung Quốc vẫn là hai cƣờng quốc sản xuất ngô lớn nhất thế giới với sản lƣợng lần lƣợt là 384 triệu tấn và 219 triệu tấn (http://worldofcorn. Năng suất trung bình ngô của Mỹ là 11. Ở Việt Nam, ngô là cây lƣơng thực quan trọng đứng thứ 2 sau cây lúa và là cây màu quan trọng nhất đƣợc trồng ở nhiều vùng sinh thái khác nhau, đa dạng về mùa vụ gieo trồng và hệ thống canh tác.

Cây ngô không những cung cấp lƣơng thực cho ngƣời, làm thức ăn cho vật nuôi mà còn giúp xóa đói giảm nghèo tại các tỉnh có điều kiện kinh tế khó khăn. Tuy nhiên, ngô lại chỉ đƣợc trồng ở những khu vực không có lợi cho việc trồng cây công nghiệp. Do ngô chủ yếu đƣợc gieo trồng trong điều kiện không thuận lợi nên sản lƣợng mặt hàng này của Việt Nam đang rất thấp.Theo số liệu thống kê của tổng cục thống kê (http://www.vn/) năm 2016, năng suất ngô trung bình cả nƣớc vào khoảng 45,3 tạ/ha, sản lƣợng đạt khoảng 5,23 triệu tấn trên diện tích gieo trồng khoảng 1,15 triệu ha. Theo thống kê của FAO, Hoa Kỳ và Trung Quốc là hai nƣớc sản xuất ngô hàng đầu thế giới với lần lƣợt là 377,5 triệu tấn và 224,9 triệu tấn.

Luan van 2 Sản xuất ngô cả nƣớc qua các năm không ngừng tăng về diện tích,năng suất, sản lƣợng: năm 2001 tổng diện tích ngô là 730.000 ha, đến năm 2005 đã tăng lên 1 triệu ha, năm 2010 diện tích ngô cả nƣớc là 1126,9 nghìn ha, năng suất đạt 40,9 tạ/ha, sản lƣợng trên 4,6 triệu tấn. Tính đến thời điểm năm 2016, diện tích cả nƣớc gieo trồng giảm chủ yếu do hạn hán không gieo trồng đƣợc, năng suất ngô năm 2016 đạt 46 tạ/ha (tăng 1,2 tạ/ha so với 2015). Sản lƣợng ƣớc đạt 5,1 triệu tấn. Năm 2020 , sản lƣợng chỉ còn 4,5 triệu tấn do giảm mạnh diện tích gieo trồng cả nƣớc ảnh hƣởng của mƣa, bão, lũ lụt tại các địa phƣơng phía Bắc.

[1] Giống ngô LVN10 của Viện nghiên cứu Ngô, là giống ngô cho năng suất cao nhất hiện nay ở nƣớc ta, màu sắc và dạng hạt đẹp, độ đồng đều cao, chịu hạn, chịu chua phèn, chống đổ tốt, ít nhiễm sâu bệnh. Đây là giống thích ứng với mọi vùng sinh thái trong cả nƣớc. Giống LVN10 có trung bình 10-12 hàng hạt/bắp, bắp dài 18-22cm, năng suất trung bình 55-65 tạ/ha, thâm canh tốt có thể đạt 80-90 tạ/ha.[2] Do có nhiểu đặc tính tốt và năng suất cao mà LVN10 đƣợc trồng khá phổ biến ở nƣớc ta. Nhận thấy tiềm năng phát triển của chúng, chúng tôi chọn cách tiếp cận tăng năng suất ngô hơn nữa bằng cách làm tăng số hàng hạt trên một bắp ngô nhờ sử dụng đột biến fea* có khả năng làm giảm họat tính của gen kiểm soát sự phân chia của đỉnh sinh trƣởng ở bắp ngô.[3] FEA2 (FASCIATED EAR2) là gene điều khiển kích thƣớc mô phân sinh, do đó có ảnh hƣởng đến số hàng hạt trên bắp ngô.

Bommert và cộng sự đã phát hiện ra 4 đột biến điểm ở gene FEA2, trong đó có một đột biến lặn fea* làm giảm hoạt tính của gene FEA2 và tăng số hàng hạt trên bắp nhƣng không gây ảnh hƣởng đến các tính trạng khác trên bắp ngô. Cho đến nay, ở Việt Nam chƣa tìm thấy kết quả nghiên cứu nào trong nƣớc công bố về tăng năng suất ngô bằng cách tăng số hàng hạt. Các gen quy định số hàng hạt trên bắp mới bắt đầu đƣợc phát hiện và làm rõ chức năng. Luan van 3 Do đó mà nguồn vật liệu mang những đột biến tiềm năng trong việc tăng năng suất ngô bằng cách tăng số hàng hạt là chƣa phổ biến và khó tiếp cận.

Việc sử dụng chỉ thị phân tử ở ngô đã đƣợc sử dụng rất thành công trên thế giới để chọn tạo giống ngô nhƣng chƣa đƣợc áp dụng ở Việt Nam. Do vậy, việc ứng dụng chỉ thị phân tử trong việc nghiên cứu đƣa gen fea* làm tăng số hàng hạt của các dòng ngô bố mẹ ƣu tú sẽ nhanh chóng tạo ra giống ngô lai có năng suất cao phục vụ cho sản xuất là thực sự cần thiết. Bằng cách lai tạo chuyển đột biến lặn fea* vào các dòng bố mẹ của tổ hợp lai ngô LVN10 thông qua phƣơng pháp lai trở lại (MABC: marker assisted backcross) có thể cải tiến năng suất của giống ngô này. MABC đã đƣợc áp dụng cho lai tạo ngô trên thế giới [4], là phƣơng pháp lai chuyển một vài tính trạng ƣu việt (đã biết chỉ thị phân tử) từ dòng cho gene sang dòng nhận gene (là dòng muốn cải tiến) bằng lai trở lại có sử dụng chỉ thị phân tử để chọn lọc con lai.

Qua mỗi thế hệ lai trở lại (backcross-BC), trong hệ gene của cây lai thành phần gene (genetic component) của cây cho gene sẽ giảm đi một nửa 50% (F1) , 75% (BC1), 87. Vì thế, độ giống nhau của cây lai so với dòng nhận gene sẽ tăng dần qua các thế hệ BC. Dòng BC6F1, BC6F2 mang di truyền của giống ngô LVN10, mang thêm gen đột biến fea* có độ đồng hợp cao (>98%) cho năng suất cao hơn so với dòng bố, mẹ. Tổ hợp lai F1 giữa các dòng bố mẹ cải tiến mang gen fea* se cho năng suất vƣợt trội giống ngô lai LVN10.

Chính vì vậy chúng tôi tiến hành đề tài “Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử để đƣa gen fea* làm tăng số hàng hạt vào các dòng bố, mẹ giống ngô lai LVN10 phục vụ công tác tạo giống ngô lai năng suất cao”. Mục đích nghiên cứu Mục tiêu chung : Đánh giá khả năng làm tăng hàng hạt và tăng năng suất của gen fea* trong giống ngô LVN10 phục vụ chọn tạo giống ngô mới có Luan van 4 năng suất cao hơn. Mục tiêu cụ thể : Cải tiến đƣợc dòng bố mẹ của LVN10 mang gen fea* bằng phƣơng pháp chỉ thị phân tử và lai trở lại, từ đó chọn đƣợc dòng bố mẹ cải tiến ƣu tú, lai tạo đƣợc dòng F1 mới tăng lên 2 hàng hạt, năng suất cao hơn giống LVN10 thƣơng mại hiện nay ít nhất 10% 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu: dòng ngô LVN10 của Việt Nam và 2 dòng bố mẹ Thời gian nghiên cứu: từ tháng 09/2018 tới tháng 10/2020.

Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu thực nghiệm ngoài đồng ruộng tiến hành tại ruộng ngô Đông Anh, Hà Nội và ruộng ngô tại Viện nghiên cứu cây trồng- Tập đoàn Thái Bình Seed. Các thí nghiệm sinh học phân tử đƣợc thực hiện, tại Bộ môn Kỹ thuật di truyền, Viện Di truyền Nông nghiệp. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Thiết kế các chỉ thị phân tử để xác định gen đích và các gen đồng hợp có mặt trong nền di truyền của cá thể chính xác hơn so với chọn lọc rút dòng bằng mắt thƣờng, từ đó xây dựng quy trình nghiên cứu trên các thí nghiệm tƣơng tự để chọn lọc dòng hiệu quả. Phƣơng pháp chọn lọc dòng dựa trên chỉ thị phân tử nhanh và chính xác hơn, khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm của phƣơng pháp chọn lọc dòng truyền thống.

Ý nghĩa thực tiễn: Chọn đƣợc dòng bố mẹ cải tiến LVN10 mang gen fea*, từ đó lai tạo đƣợc dòng F1 mới tăng lên 2 hàng hạt, năng suất cao hơn giống LVN10 thƣơng mại, năng suất tăng ít nhất 10%. Góp phần làm tăng sản lƣợng ngô cả nƣớc và tạo ra một giống ngô mới đƣa ra thị trƣờng, tạo tiền đề cho các nghiên cứu lai tạo giống ngô mới ở Việt Nam. Luan van 5 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ CHỌN TẠO GIỐNG NGÔ TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM 1.

Tình hình sản xuất ngô trên thế giới và Việt Nam 1. Sản xuất ngô trên thế giới Ngô là cây ngũ cốc nuôi sống gần 1/3 dân số thế giới. Ở các nƣớc trồng ngô, nó đƣợc sử dụng làm lƣơng thực với các mức độ khác nhau. Đặc biệt ngô là cây lƣơng thực đóng vai trò chủ lực tại các nƣớc Nam Á (42.3%) và Châu Phi (75%) [5].

Ngoài việc đƣợc sử dụng làm lƣơng thực, ngô ngày nay còn có thể đƣợc sử dụng nhƣ là nguồn thực phẩm cho con ngƣời với nhiều cách chế biến khác nhau, hoặc thức ăn cho gia súc và tạo sinh khối, hay trong công nghiệp sản xuất cồn, bánh kẹo, tinh bột. Gần đây, ngô còn đƣợc chú trọng hơn trong công nghiệp vì đƣợc sử dụng làm nguyên liệu sản xuất xăng sinh học thay thế cho các nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt dần. Theo số liệu thống kê của FAOSTAT năm 2018, Mỹ vẫn đứng đầu trong các cƣờng quốc sản suất ngô trên thế giới với sản lƣợng 392.5 triệu tấn (million metric tons) và đóng vai trò rất quan trọng đóng góp cho nên kinh tế nƣớc này. Khoảng 20% sản lƣợng ngô hàng năm đƣợc Mỹ xuất khẩu.

Diện tích chuyên canh cho cây ngô ở Mỹ là khoảng 96 triệu ha phân bố ở hầu hết các bang của Mỹ. Cƣờng quốc thứ hai là Trung Quốc với sản lƣợng là 257. Mặc dù lúa gạo là thực phẩm chính của quốc gia này, nhƣng mấy năm trở lại đây, sản lƣợng ngô đã tăng lên là do nhu cầu sử dụng ngô trong chăn nuôi tăng lên. Hơn 25 năm qua, sản lƣợng ngô đã tăng 125%, trong khi sản lƣợng lúa chỉ tăng 7%, và hiện nay, khoảng 60% lƣơng thực đƣợc sử dụng cho chăn nuôi.

Brazil cũng là cƣờng quốc thứ ba trong sản xuất ngô với sản lƣợng hàng năm đạt gần 83 triệu tấn (million metric tons). Tiếp theo là Ấn Độ, với sản lƣợng ngô hàng Luan van 6 năm là 42,3 triệu tấn.Tiếp theo trong bảng xếp hạng là Argentina (40 triệu tấn), Ukraine (39.2 triệu tấn), Mexico (32,6 triệu tấn), Indonesia (19 triệu tấn, đứng đầu trong các nƣớc ASEAN, sau đó là Philippines và Việt Nam), Pháp (17,1 triệu tấn), và Nam Phi (15,5 triệu tấn) [6].