4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
1.5. Kết quả nghiên cứu chọn tạo giống ngô
1.5.1. Kết quả nghiên cứu chọn tạo giống ngô trên thế giới
Cây ngô là cây giao phấn đã tồn tại ở châu Mỹ hàng chục ngàn năm nay, ngay khi Columbus mang ngô về châu Âu, giá trị lƣơng thực của cây ngô đã đƣợc khẳnng định. Nhƣng phải tới thế kỷ XVIII, tức sau khi Columbus mang ngô về châu Âu hơn 2 thế kỷ, loài mới có những phát hiện quan trọng về cây ngô.
Năm 1716, Cotton Mather, là ngƣời đầu tiên tiến hành thí nghiệm về giới tính của cây ngô, đã quan sát thấy đƣợc sự thụ phấn chéo của cây ngô ở
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Masachusettes. Tám năm sau Mather, Paul Đaly đã đƣa ra nhận xét về giới tính của cây ngô và cho rằng gió đã giúp ngô thực hiện quá trình thụ phấn (Ngô Hữu Tình và cộng sự, 1997) [25].
Năm 1766, Koeleviter lần đầu tiên miêu tả hiện tƣợng tăng sức sống của con lai ở cây ngô, khi tiến hành lai các cây trồng thuộc chi Nicotiana, Dianthus, Vurbascum, Mirabilic và Datura với nhau (Stuber, 1994) [43]. Hiện tƣợng ƣu thế lai ở cây ngô đƣợc các nhà khoa học quan tâm từ rất sớm. Thực hành tạp giao đầu tiên ở ngô với mục đích nâng cao năng suất hạt đƣợc thực hiện bởi John Lorain, năm 1812 ông đã nhận thấy rằng việc trộn lẫn các loài ngô khác nhau nhƣ ngƣời da đỏ đã làm sẽ cho năng suất ngô cao hơn. Tuy nhiên ngƣời đầu tiên đƣa ra lý thuyết về hiện tƣợng ƣu thế lai là Charles Darwin vào năm 1871, ông nhận thấy sự hơn hẳn của các cây giao phấn so với các cây tự thụ phấn về chiều cao, tốc độ nẩy mầm của hạt, số quả trên cây, chống chịu với điều kiện bất thuận và năng suất hạt.
Việc nghiên cứu, ứng dụng ƣu thế lai trong chọn tạo giống đƣợc bắt đầu từ năm 1876 bởi nhà nghiên cứu ngƣời Mỹ W. J. Beal. Ông đã thu đƣợc các cặp con lai hơn hẳn các cặp bố mẹ về năng suất từ 10 - 15%.
Năm 1877, Charles Darwin sau khi làm thí nghiệm so sánh hai dạng ngô tự thụ và giao phối đã kết luận: “Chiều cao cây ở dạng ngô giao phấn cao hơn 19% và chín sớm hơn 9% so với dạng tự phối” (Hallauer and Miranda, 1986) [36].
G.H.Shull (1904) đã tiến hành tự thụ cƣỡng bức ở ngô để thu đƣợc các dòng thuần. Năm 1909, Shull công bố các giống ngô lai đơn (single cross) cho năng suất cao hơn hẳn so với các giống ngô khác thời gian đó. Năm 1914, Shull đã đƣa vào tài liệu khoa học thuật ngữ Heterosis để chỉ ƣu thế lai của các giống lai dị hợp tử (CIMMYT, 1990). Những công trình nghiên cứu về ngô lai của Shull đã đánh dấu điểm khởi đầu cho chƣơng trình chọn tạo giống ngô trên thế giới. Để giải thích cơ sở di truyền của ƣu thế lai ngày nay trên thế
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
giới đang tồn tại nhiều thuyết khác nhau và chƣa có thuyết nào giải thích đƣợc toàn diện các mặt biểu hiện của ƣu thế lai, song các thuyết Trội (Bruce, 1910; Collins, 1921; Jone, 1917) và siêu trội (East, 1912; Hull, 1945) nhận đƣợc sự ủng hộ của nhiều nhà khoa học (Ngô Hữu Tình, 1997) [25].
Các nhà khoa học đều cho rằng ƣu thế lai là hiện tƣợng con lai có sức sống mạnh hơn bố mẹ, sinh trƣởng và phát triển nhanh hơn, cho năng suất và phẩm chất cao hơn bố mẹ của chúng (Taktajan, 1977) [19].
Năm 1918, Jone đã đề xuất ứng dụng hạt lai kép trong sản xuất để giảm giá thành hạt giống, thành công của sử dụng hạt giống ngô lai kép đã tạo điều kiện cho cây ngô lai phát triển mạnh mẽ ở Mỹ và một số nƣớc phát triển trên thế giới (Ngô Hữu Tình, 1997) [25].
Năm 1966, Trung tâm cải tạo giống ngô và cải tạo lúa mỳ Quốc tế (CIMMYT) đƣợc thành lập tại Mêhicô. Nhiệm vụ của Trung tâm này là nghiên cứu đƣa ra giải pháp, tạo giống ngô thụ phấn tự do làm bƣớc chuyển biến giữa giống địa phƣơng và ngô lai. Hơn 30 năm hoạt động Trung tâm đã góp phần đáng kể vào việc xây dựng, phát triển và cải tiến hàng loạt vốn gen, quần thể và giống ngô trên 80 quốc gia trên thế giới.
Bên cạnh việc tạo ra những ngô lai cho năng suất cao, các nhà chọn tạo giống ngô tại CIMMYT đã nghiên cứu phát triển các giống ngô hàm lƣợng protein cao QPM (Quality Protein Maize). Giống ngô giàu đạm chất lƣợng cao (QPM) đã đƣợc chọn tạo thanh công sau khi khám phá ra đột biến gen lặn Opaque 2 và gen trội không hoàn toàn Floury 2 ở ngô. Những gen này quy định hàm lƣợng đạm, đặc biệt là hàm lƣợng Lizine và Tryptophan, đã giải quyết đòi hỏi của thị trƣờng ngô ngày càng cao theo hƣớng tăng diện tích ở mức độ nhất định đi đôi với tăng năng suất và chất lƣợng.
Giai đoạn đầu nhiều chƣơng trình quốc gia, tổ chức quốc tế, cá nhân tập trung nghiên cứu giống ngô giàu đạm nội nhũ mềm (nội nhũ xốp). Nhƣng các
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
chƣơng trình này đều thất bại vì không nâng cao đƣợc tỷ lệ và chất lƣợng đạm, sâu bệnh nhiều, bắp dễ bị thối, bảo quản trong kho dễ bị sâu mọt phá hại và dễ bị mất sức nảy mầm, lâu khô. Cuộc cách mạng về ngô QPM, nội nhũ cứng chính thức bắt đầu cách đây 21 năm. Các nhà khoa học ở Trung tâm cải tạo giống ngô và lúa mì quốc tế (CIMMYT) và một số nhà tạo giống đã phải tìm ra những hƣớng đi khác. Bằng những phƣơng pháp tạo giống đặc biệt khắc phục những nhƣợc điểm của ngô QPM nội nhũ mềm và xác định đột biến gen Opaque 2 sử dụng có hiệu quả nhất. Các giống ngô QPM có ƣu điểm đặc biệt là hàm lƣợng Triptophan (0,11%), Lysine (0,475%) và Protein (11%) cao hơn rất nhiều so với ngô thƣờng (tỷ lệ này ở ngô thƣờng là 0,05; 0,225 và 9,0%).
Cho đến nay nhiều nƣớc trên thế giới đang tập trung nghiên cứu và ứng dụng các giống ngô QPM nhƣ Mêhicô, Trung Quốc, Việt Nam ...
Ngô lai là một thành tựu khoa học cực kỳ quan trọng trong nền kinh tế thế giới. Ngô lai là “cuộc cách mạng xanh” của nửa đầu thế kỷ 20 đã làm tăng sản lƣợng ngũ cốc một cách rõ rệt. Ngô lai đã tạo ra bƣớc nhảy vọt về sản lƣợng trƣớc lúa mỳ nhiệt đới hàng thập kỷ, song giai đoạn đầu nó chỉ phát huy hiệu quả ở Mỹ và các nƣớc phát triển.
Có thể nói ngô lai đã thành công rực rỡ ở Mỹ. Các nhà di truyền, cải lƣơng giống ngô của Mỹ đã sớm thành công trong việc chọn lọc và lai tạo giống loại cây trồng này. Cuối thế kỷ 19, Mỹ đã có 770 giống ngô chọn lọc, cải lƣơng. Theo E.Rinke (1979) việc sử dụng giống ngô lai ở Mỹ đã đƣợc bắt đầu từ năm 1930, giống lai ba và lai kép đƣợc sử dụng đến năm 1957, sau đó giống lai đơn cải tiến và lai đơn, chiếm 80 - 85% tổng số giống lai (Trần Hồng Uy, 1985) [31].
Để tạo ra các giống ngô lai tốt, các nhà khoa học Mỹ luôn quan tâm đến vật liệu khởi đầu trong tạo giống là dòng thuần. Kết quả điều tra của Bauman năm (1981) [32] cho thấy các nhà tạo giống ở Mỹ đã sử dụng 15% quần thể
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
có nguồn di truyền rộng, 16% quần thể có nền di truyền hẹp, 14% quần thể của các dòng ƣu tú, 39% tổ hợp lai của các dòng ƣu tú và 17% quần thể hồi giao để tạo dòng.
Các giống ngô lai này ngày càng đƣợc phát triển mạnh mẽ ở tất cả các quốc gia trồng ngô. Trong đó các giống ngô lai đơn có ƣu thế lai cao nhất nhƣng do quá trình sản xuất hạt giống cho năng suất thấp nên giá thành hạt giống lai đơn rất cao. Vì vậy ngƣời ta tiến hành lai tạo các giống ngô lai 3, lai kép cho năng suất hạt giống cao mà giá thành lại rẻ, ƣu thế lai cao (Nguyễn Thế Hùng, Phùng Quốc Tuấn, 1997) [11].
Với sự phát triển của khoa học và công nghệ, công tác chọn tạo giống cây trồng ở thế kỷ 21 đã đƣợc trợ giúp bởi nhiều kỹ thuật mới, các phƣơng pháp nghiên cứu sinh học hiện đại đã ra đời, nhanh chóng trở thành công cụ hữu hiệu để cải tạo năng suất cây trồng. Những kỹ thuật mới này tập trung chủ yếu vào hai lĩnh vực: nuôi cấy mô tế bào và kỹ thuật tái tổ hợp ADN. Hai kỹ thuật trên đã mở ra tiềm năng ứng dụng rộng lớn trong cải tạo giống cây trồng, góp phần cùng nhân loại trả lời câu hỏi làm thế nào để giải quyết đủ lƣơng thực cho loài ngƣời ở thế kỷ 21.
Kỹ thuật nuôi cấy bao phấn invitro đã đƣợc ứng dụng vào công tác chọn tạo dòng thuần, thụ tinh trong ống nghiệm để khôi phục nguồn gen trong tự
nhiên, sử dụng súng bắn gen và chuyển gen thông qua vi khuẩn A.
tumefaciens, ứng dụng các kỹ thuật RAPD, SSP để phân tích đa dạng di truyền và phân nhóm ƣu thế lai của giống (Trần Thị Thêm, 2007) [29].
Tiến bộ kỹ thuật công nghệ sinh học hiện đại đƣợc áp dụng vào công tác chọn tạo giống đã giúp các nhà khoa học tạo ra những giống ngô chuyển gen. Ngô biến đổi gen đƣợc đƣa vào canh tác đại trà từ năm 1996, mang lại lợi ích ổn định, đã đóng góp một lƣợng ngô đáng kể làm nhiên liệu sinh học và thức ăn gia súc ở Mỹ. Năm 2007, diện tích trồng ngô chuyển gen trên thế giới đã
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
đạt 35,2 triệu ha; riêng ở Mỹ đã lên đến 27,4 triệu ha (Phan Xuân Hào, 2008) [10]. Trong những năm gần đây ngô biến đổi gen có mức tăng đáng kể ở các thị trƣờng truyền thống nhƣ: Mỹ, Canada, Achentina, Nam Phi, Tây Ban Nha, Philippin và Hondura. Ngoài ra còn có các thị trƣờng quan trọng khác mới quan tâm, phát triển các giống ngô chuyển gen nhƣ: Braxin, Mêhicô, Ai Cập, Kenia, Nigeria Trung quốc, Ấn Độ, Thái Lan....
Ngô là cây trồng đầy triển vọng của loài ngƣời trong thế kỷ 21. Các nhà khoa học trên thế giới vẫn không ngừng nghiên cứu, chọn tạo ra những giống ngô mới ƣu việt hơn đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con ngƣời.
1.5.2. Kết quả nghiên cứu chọn tạo giống ngô ở Việt Nam
Cây ngô đƣợc di cƣ vào Việt Nam từ thế kỷ thứ 17, song do chiến tranh kéo dài nên công tác nghiên cứu bắt đầu muộn hơn so với các quốc gia khác trên thế giới.
Những năm đầu sau khi hòa bình lập lại ở miền Bắc các nhà khoa học của học Viện Nông Lâm đã tiến hành điều tra các loài phụ và giống ngô địa phƣơng, thu thập mẫu giống ở hầu hết các tỉnh. Trên cơ sở những kết quả đánh giá các giống ngô địa phƣơng các nhà khoa học đã rút ra đƣợc các giống tốt phục vụ sản xuất nhƣ: Gié Bắc Ninh, ngô Việt Trì, ngô Vạn Xuân .... (Ngô Hữu Tình, 2009) [27].
Việt Nam tiếp cận với ngô lai không phải là muộn, ngay từ những năm 60 Học Viện Nông Lâm đã bắt đầu công tác tạo dòng thuần cho chƣơng trình ngô lai, nhƣng do sự thay đổi tổ chức của hệ thống nghiên cứu nông nghiệp, đặc biệt do thiếu những vật liệu di truyền phù hợp nên chƣơng trình bị gián đoạn.
Đến năm 1973, Trạm nghiên cứu ngô Sông Bôi đƣợc thành lập, các nhà khoa học tiến hành duy trì, đánh giá vật liệu chọn tạo dòng thuần, đồng thời khảo nghiệm các giống nhập nội và đã xác định đƣợc giống lai đơn MVSC 660 cho năng suất cao, phù hợp với điều kiện gieo trồng ở miền Bắc (Ngô Hữu Tình, 2009) [27].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Sau ngày miền Nam hoàn toàn đƣợc giải phóng công tác nghiên cứu ngô không còn lẻ tẻ, tự phát mà đƣợc chỉ đạo tập trung thông qua các đề tài, dự án nhà nƣớc. Nhƣng do điều kiện chiến tranh kéo dài, mặt khác do vật liệu khởi đầu của chúng ta còn nghèo nàn và không phù hợp, vì vậy ngô lai đã không phát huy đƣợc vai trò của nó. Phải đến những năm đầu của thập kỷ 90 công tác chọn tạo giống ngô lai mới phát triển, góp phần đƣa cây ngô nƣớc ta đứng vào hàng ngũ những nƣớc nghiên cứu ngô tiên tiến ở Châu Á.
Từ năm 1990 đến nay công tác chọn tạo giống ngô ở Việt Nam đã thu đƣợc những thành tựu to lớn, đó là:
* Chọn tạo giống ngô thụ phấn tự do (TPTD)
- Giai đoạn năm 1991-1995 chọn tạo đƣợc 2 giống TPTD là Q2 và VN1. Ba giống ngô TPTD khác đƣợc phép khu vực hóa là CV-1, MSB-49, giống ngô đƣờng TSB-3, giống ngô nếp mới ngắn ngày chất lƣợng cao nhƣ VN-2...
Hiện nay, Viện Nghiên cứu ngô đang bảo tồn 616 mẫu giống ngô thụ phấn tự do. Trong đó nguồn địa phƣơng 463 giống, nguồn nhập nội 127 giống, còn lại là các quần thể tự tạo theo chƣơng trình chọn tạo giống.
*Chọn tạo và được công nhận nhiều giống ngô lai có thời gian sinh trưởng khác nhau phục vụ cho các vùng và mùa vụ trong cả nước
Trong những năm 1992-1994, Viện nghiên cứu ngô đã lai tạo ra các giống ngô lai không quy ƣớc là: LS-5, LS-6, LS-8, bộ giống ngô lai này gồm những giống chín sớm, chín trung bình và chín muộn, cho năng suất từ 3-7 tấn/ha, thích ứng với nhiều vùng trong cả nƣớc, dễ sản xuất hạt giống, giá giống rẻ. Đây là bƣớc chuyển tiếp quan trọng từ giống thụ phấn tự do sang giống lai quy ƣớc.
Từ năm 1994 đến nay, Viện nghiên cứu ngô đã lai tạo đƣợc nhiều giống ngô lai có tiềm năng năng suất cao (10 - 12 tấn), có thời gian sinh trƣởng khác nhau phục vụ cho các vùng và mùa vụ trong cả nƣớc. Trong đó lai tạo giống
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
có thời gian sinh trƣởng ngắn là những kết quả có ý nghĩa lớn đối với cuộc cách mạng mùa vụ của nƣớc ta.
- Nhóm giống dài ngày: (LVN10 đƣợc công nhận quốc gia năm 1994), LVN98 (2002), HQ2000 (2004),…
+ Nhóm giống trung ngày: LVN12 công nhận năm 1995, LVN17 (1999), T9 (2004), VN8960( 2004), LCH 9(2004), LVN 145( 2007),…
+ Nhóm giống ngắn ngày: LVN20 công nhận năm 1998, LVN25 (2000), LVN99 (2004),V98 - 1 (2004), VN6 (2005),…
Phần lớn giống ngô mới đang đƣợc mở rộng nhanh ra sản xuất, đặc biệt là các giống ngô LVN 99, LVN 9, VN 8960, LVN 145,...
Hiện nay nhiều tổ hợp lai có triển vọng với tiềm năng năng suất hơn 10 tấn/ha đang đƣợc sản xuất và thử nghiệm trên phạm vi cả nƣớc nhƣ: LVN14, LVN15, SC184, TB61, TB66, VN885, SX2017, SX2004, TT04B-1...
Nhờ nỗ lực không ngừng trong nghiên cứu và chuyển giao tiến bộ kỹ thuật trong sản xuất, đến năm 2009 giống ngô lai do Việt Nam chọn tạo đã chiếm 65% diện tích trồng ngô của cả nƣớc.
Cùng với việc ứng dụng ƣu thế lai trong quá trình chọn tạo giống, các nhà khoa học nghiên cứu ngô ở Việt Nam bƣớc đầu đạt đƣợc một số kết quả trong công tác chọn giống bằng công nghệ sinh học: tạo dòng thuần từ nuôi cấy bao phấn; dùng chỉ thị phân tử phân tích đa dạng di truyền, phân nhóm ƣu thế lai, lập bản đồ gen chịu hạn, tạo dòng kháng khô vằn, chọn các dòng ƣu tú sử dụng trong tạo giống ngô lai có hàm lƣợng protein cao (PQM) thông qua kỹ thuật nuôi cấy bao phấn nhƣ: C126, C130, C136, C138, C147, C155… (Bùi Mạnh Cƣờng và cs, 2006) [5].
Thông qua việc áp dụng công nghệ sinh học trong chọn tạo giống ngô đã xác định đƣợc 62 nguồn vật liệu có tỷ lệ tạo phôi trên 15% và tái sinh trên 12% cho công tác chọn tạo dòng bằng nuôi cấy bao phấn và đã tạo ra đƣợc 114 dòng bằng phƣơng pháp này, một số dòng đã tham gia vào chƣơng trình lai thử.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Không chỉ chú trọng công tác chọn tạo giống mới mà các nhà khoa học còn quan tâm đến nghiên cứu cải thiện các biện pháp kỹ thuật canh tác cho phù hợp với yêu cầu của giống để tăng hiệu quả của quá trình sản xuất. Trong vòng 20 năm qua các nhà khoa học đã nghiên cứu hoàn thiện và chuyển giao thành công quy trình kỹ thuật trồng ngô trên nền đất ƣớt. Xây dựng qui trình