4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
1.3.1. Tình hình nghiên cứu chọn tạo giống ngô trên thế giới
Đối với các bộ tộc da đỏ Châu Mỹ, về một phương diện nào đó, ngô đã thuộc về khái niệm con người hơn thực vật, ngô trở thành điểm hội tụ của niềm tin và chủ nghĩa tượng trưng, là món ăn vật chất và tinh thần của người da đỏ của châu lục mới. Cây ngô gắn bó chặt chẽ với cuộc sống của người bản xứ châu Mỹ, được suy tôn như bậc thần thánh, được cúng tế trước khi gieo trồng và sau khi thu hoạch. Thế kỷ 16 và 17 người da trắng tiếp nhận cây ngô từ người da đỏ nhưng cũng không phát hiện được gì hơn so với những người da đỏ đã làm được.
Tuy nhiên phải đến thế kỷ XVIII tức sau khi Columbus mang cây ngô về châu Âu hơn 2 thế kỷ, loài người mới có những phát hiện khoa học quan trọng về cây ngô. Phát hiện đầu tiên là phát hiện về giới tính của cây ngô.
Vào năm 1716, Mather đã quan sát thấy sự thụ phấn chéo ở ngô tại Massachusetts. Trên ruộng ngô vàng có sự thay đổi về mầu hạt bởi giống đỏ và xanh. Tám năm sau công bố của Mather, Paul Dadly đã đưa ra nhận xét về giới tính của cây ngô và ông đã cho rằng gió đã mang phấn ngô cho quá trình thụ tinh (trích theo Ngô Hữu Tình, 2009) [26].
Năm 1760, nhà bác học người Nga, Koelreute đã quan sát và mô tả hiện tượng ưu thế lai thông qua việc lai giữa các chi Nicotinana tabacum và N.robusa. Năm 1766, Koelreute lần đầu tiên miêu tả hiện tượng tăng sức sống của con lai ở ngô khi tiến hành lai các cây trồng thuộc chi Nicotiana. Dianthus, Verbascum, Mirabilis và Datura với nhau, đây là cơ sở để Charles Darwin quan sát thấy hiện tượng ưu thế lai ở ngô vào năm 1871. Ông nhận thấy những cây giao phối phát triển cao hơn các cây tự phối 20% (trích theo Ngô Hữu Tình, 2009) [26].
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Vào nửa cuối thế kỷ 19, các phương pháp cải tạo ngô đã mang tính chất khoa học chứ không trông chờ vào sự may rủi. Công trình cải tạo giống ngô đã được Beal thực hiện vào năm 1877, ông đã thấy sự khác biệt về năng suất giống lai so với giống bố mẹ. Năng suất của con lai vượt năng suất của giống bố mẹ về năng suất từ 25% (trích theo Ngô Hữu Tình, 2009) [26].
Năm 1877, Charles Darwin sau khi làm thí nghiệm so sánh hai dạng ngô tự phụ và giao phối và đi tới kết luận: “Chiều cao cây ở dạng ngô giao phối cao hơn 19% và chín sớm hơn 9% so với dạng ngô tự phối” (Hallauer và Miranda, 1986) [45].
Để tạo các dòng thuần, Shull (năm 1904) đã áp dụng tự phối cưỡng bức ở ngô. Các thí nghiệm được tiến hành tiếp tục đến năm 1912, ông nhận thấy tự phối dẫn đến sự suy giảm kích thước của cây, giảm sức sống và năng suất. Ông bắt đầu tiến hành lai đơn giữ một số dòng và thấy rằng năng suất và sức sống của giống lai tăng lên đáng kể. Năm 1909, G.H.Shull đã công bố các giống lai đơn (Single cross) cho năng suất cao hơn hẳn so với các giống ngô khac thời gian đó. Năm 1914, chính Shull đã đưa vào tài liệu khoa học thuật ngữ “Heterosis” để chỉ ưu thế lai của các giống lai di hợp tử, những công trình nghiên cứ ngô lai ủa Shull đã đánh dấu sự bắt đầu của chương trình chọn tạo giống ngô (Hallauer, 1988) [46].
Ưu thế lai là hiện tượng tăng sức sống qua lai đã được nghiên cứu bởi nhiều nhà khoa học trên thế giới. Tuy nhiên để giải thích cơ sở di truyền của ưu thế lai ngày nay trên thế giới đang tồn tại nhiều thuyết khác nhau song các thuyết trội (Bruce, 1910; Collins, 1921; Jones,1917) và thuyết siêu trội (East, 1992; Hull, 1945) nhận được nhiều sự ủng hộ của nhiều nhà khoa học. Các nhà khoa học đã nhất quán rằng ưu thế lai là hiện tượng tổ hợp lai có sức sống mạnh hơn bố mẹ , sinh trưởng và phát triển nhanh hơn , cho năng suất và phẩm chất cao hơn bố mẹ của chúng (Takajan, 1977) [21].
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Trong khi cặp lai giữa hai dòng không họ hàng rất khỏe và năng suất cao thì bản thân các dòng vừa nho bé, yếu, năng suất thấp. Các dòng như vậy rất khó sản xuất hạt giống. Vì vậy, Jones đã nghiên cứu và phát triển kỹ thuật mới để ngô lai có thể áp dụng được vào sản xuất. Sau ba năm (vào năm 1917), ông đã phát minh ra phương pháp lai kép. Đây là một bước ngoặt quan trọng trong công cuộc cải tạo giống ngô, nhờ phát minh này giá thành hạt giống giảm, việc áp dụng ưu thế lai vào trồng trọt và chăn nuôi được phát minh nhanh chóng.
Các giống ngô lai ngày càng được trồng rộng rãi và phổ biến, trong đó các giống ngô lai đơn có ưu thế lai cao nhất nhưng do quá trình sản xuất hạt giống cho năng suất thấp nên giá thành hạt giống lai đơn rất cao. Vì vậy, người ta tiến hành tạo các giống ngô lai 3, lai kép cho năng suất hạt giống cao, giá thành hạt giống rẻ , ưu thế cao (trích theo Ngô Hữu Tình và cs, 1997) [27].
Vào những năm 60 của thế kỷ 20 các nhà khoa học đã nghiện cứu ngô trên thế giới đã phát triển được nhiều dòng đơn thuần ưu tú, tạo cơ hội cho việc sử dụng giống lai đơn vào sản xuất thay thế cho lai kép vì lai đơn đồng đều hơn và cho năng suất cao hơn lai kép. Chỉ trong vòng 10 năm lai kép đã bị thay thế gần như hoàn toàn bởi lai đơn và lai đơn cải tiến.
Tiến bộ khoa học về ngô lai được phổ biến và mở rộng nhanh chóng ở Mỹ và các nước tiên tiến phát triển khác. Năm 1933, ngô lai ở vùng vành đai ngô ở Mỹ chỉ chưa đầy 1% nhưng 10 năm sau đã đạt 78%. Đến năm 1965, 100% diện tích ngô vùng vành đai và 95% diện tích ngô toàn nước Mỹ đã trồng ngô lai. Chính nhờ thay thế các giống thụ phấn tự do bằng các giông ngô lai mà năng suất của Mỹ năm 1981 đã đạt 68.8 tạ/ha, tăng 4,6 lần so vời năm 1933.
Kế tục sự nghiệp vẻ vang và sáng tạo của thế hệ cha anh đi trước, các nhà khoa học Hoa Kỳ đương đại như: Sprague, Duvick, Hallauer đã có nhiều
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
thành tích được cả thế giới ghi nhận, Hallauer đã tạo và chuyển giao hơn 30 dòng thuần. Dòng thuần của Hallauer được sử dụng nhiều nhất trong các giống lai thương mại ở phía Bắc vùng vành đai ngô Hoa Kỳ, ở vùng ôn đới Châu Âu và Trung Quốc (trích theo Ngô Hữu Tình, 2009) [26].
Năm 1966, trung tâm cải tạo giống ngô và lúa mì quốc tế (CIMMYT) được thành lập tại Meexico. Từ khi thành lập đến nay, CIMMYT đã xây dựng, cải thiện và phát triển khối lượng lớn nguồn nguyên liệu, vốn gen, các giống thí nghiệm, cung cấp cho khoảng hơn 80 nước trên thế giới thông qua mạng lưới khảo nghiệm giống Quốc tế. Các nguồn nguyên liệu mà chương trình ngô CIMMYT cung cấp cho các nước là cơ sở cho chương trình tạo dòng và giống lai. Trung tâm này đã nghiên cứu đưa ra giải pháp, tạo giống ngô thụ phấn tự do (OPV) làm bước chuyển tiếp giữa giống địa phương và ngô lai. Dòng thuần là nguyên liệu được sử dụng trong chọn tạo giống ngô lai cũng được chú trọng. Theo điều tra của Bauman năm 1981, ở Mỹ các nhà tạo giống đã sử dụng 15% quẩn thể có nguồn di truyền rộng, 16% từ quần thể có nền di truyền hẹp, 14% từ quần thể của các nguồn ưu tú, 39% từ tổ hợp lai của các dòng ưu tú và 17% từ quần thể hồi giao để tạo dòng (Bauman, 1981) [39].
Bên cạnh đó các nhà chọn tạo giống ngô tại CIMMYT còn nghiên cứu phát triển các giống ngô hàm lượng protein cao QPM (Quality Protein Maize). Cách đây hơn 3 thế kỷ, những nghiên cứu về ngô QPM đã được tiến hành sau khi khám phá ra đột biến gen lặn Opapue 2 và gen trội không hoàn toàn Floury 2 ở ngô. Ngững gen này quy định hàm lượng đạm và đặc biệt là hàm lượng Lisine và Tryptophan, đã giải quyết đòi hỏi của thị trường ngô ngày càng cao theo hướng tăng diện tích ở mức độ nhất định đi đôi với năng suất và tăng hàm lượng, chất lượng đạm. Lúc đầu, nhiều chương trình quốc gia với sự tài trợ về tài chính to lớn của nhà nước, các tổ chức quốc tế và tư nhân đã tập trung nghiên cứu giống ngô giàu đạm nội nhũ mềm (còn gọi là nội nhũ xốp). Chương trình này đã thất bại vì không nâng cao được tỷ lệ và
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
chất lượng đạm, sâu bệnh nhiều, bắp dễ bị thối, bảo quản trong kho dễ bị sâu mọt phá hoại và hạt dễ bị mất sức nảy mầm và lâu khô. Cuộc cách mạng về ngô QPM, nội nhũ cứng chính thức mới được bắt đầu cách đây 20 năm. Các nhà khoa học ở Trung tâm cải tạo giống ngô và lúa mỳ quốc tế (CIMMYT) và một số nhà tạo giống trên thế giới đã phải tìm ra những hướng đi khác. Các nhà khoa học bằng phương pháp tạo giống đặc biệt đã khắc phục những nhược điểm của các giống ngô QPM nội nhũ mềm và xác định được gen sử dụng có hiệu quả nhất là Opaque 2. Các giống ngô QPM có ưu điểm đặc biệt là hàm lượng Triptophan (0,11%), Lysine (0,475%) và Protein (11%) cao hơn rất nhiều so với ngô thường (tỷ lệ này ở ngô thường là 0,05; 0,225 và 9,0%). Từ năm 1997, ngô QPM đã được chuyển giao đến hàng triệu người nông dân và những người tiêu dùng. Ngô chất lượng Protein cao đem lại hiệu quả lớn khi sử dụng làm thức ăn cho chăn nuôi và làm lương thực chống suy dinh dưỡng cho người nghèo, góp phần tích cực vào việc xóa đói giảm nghèo cho các nước đang phát triển.
Có thể nói, ngô lai là một trong những thành tựu khoa học nông nghiệp cực kỳ quan trọng trong nền kinh tế thế giới, nó đã làm thay đổi không những bức tranh về ngô của quá khứ mà làm thay đổi cả quan niệm các nhà hoạch định chiến lược, các nhà quản lý kinh tế và với từng người dân. Ngô lai là “một cuộc cách mạng xanh” của nửa thế kỷ XX, tạo ra bước nhảy vọt về sản lượng lương thực, sang thế kỷ 21 ngô sẽ là cây lương thực đầy triển vọng trong chiến lược sản xuất lương thực và thực phẩm (trích theo Ngô Hữu Tình, 2009) [26].
Nhờ ứng dụng rộng rãi ưu thế lai trong công tác chọn tạo giống, đồng thời không ngừng cải thiện các biện pháp kỹ thuật canh tác mà các ngành sản xuất ngô trên thế giới có được những thành tựu đáng ghi nhận. Đặc biệt, những năm gần đây với sự phát triển của khoa học công nghệ, công tác chọn tạo giống cây trồng thế kỷ XXI được trợ giúp bởi nhiều kỹ thuật mới. Một số
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
lượng lớn các phương pháp công nghệ sinh học hiện đại ra đời, nhanh chóng trở thành công cụ hữu hiệu để cải tạo năng suất cây trồng. Những kỹ thuật này tập trung vào hai lĩnh vực: nuôi cấy mô tế bào và tái tạo tổ hợp AND. Hai kỹ thuật trên đã mở ra tiền năng ứng dụng rộng lớn trong cải tạo giống cây trồng.
Vấn đề cải tạo giống cây trồng dựa trên kỹ thuật nuôi cấy các bộ phận cây đã được đề cập đến cách đây 3 thế kỷ. Công trình nghiên cứu nuôi cấy mô đầu tiên là của Haberlant (1902), ông cho rằng tế bào là một nhân tố không thể thiếu của cơ thể, nó có thể cung cấp những thông tin về mối tương tác, quan hệ giữa chúng cũng như bổ sung những nhân tố ảnh hưởng tới sự hình thành cơ thể đa bào, tuy nhiên nghiên cứu của ông chỉ dừng lại ở cơ sở lý luận. Đến năm 1922, Kotte và các sinh viên của Haberlant ở Đức đã công bố những thành công trong nuôi cấy mô đỉnh chồi.
Việc lựa chọn các bộ phận của cây và kỹ thuật nuôi cấy mô phụ thuộc vào đối tượng, mục đích của các nhà nghiên cứu. Việc ứng dụng công nghệ sinh học hiện đại vào công tác chọn tạo giống ngô của các nhà khoa học trên thế giới đã đạt được những thành công lớn đó là tạo dòng thuần bằng phương pháp nuôi cấy bao phấn. Thụ tinh trong ống nghiệm đã thành công trong việc khôi phục nguồn gen tự nhiên. Hiện nay kỹ thuật nuôi cấy bao phấn là một trong những hướng nghiên cứu tạo dòng thuần invitro có nhiều triển vọng (trích theo Trần Thị Thêm, 2006) [23].
Với mục đích chống sâu bệnh, tăng năng suất, các nhà nghiên cứu chọn tạo giống đã thực hiện quá trình chuyển đổi di truyền. Ví dụ như loại ngô Novartis, mang thêm gen lấy từ vi khuẩn Bacillus thuringensis, có khả năng sản sinh một độc tố. Độc tố này là một chất sát trùng sinh hóa học, có tính chất tiêu diệt bướm ống (pyrale) là một loại sâu cánh phấn (lepidoptere) mà ấu trùng phá hại bắp. Lợi ích loại bắp này là tự nó chống lại sâu bọ, không cần dùng thuốc hóa học.
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hiện nay đã có hơn 29 quốc gia trên thế giới có 14 triệu nông hộ trồng cây biến đổi gen với diện tích 130 triệu ha. Nhờ sử dụng các cây trồng biến đổi gen thế giới đã cắt giảm khoảng 0,39 triệu tấn thuốc trừ sâu và giảm khoảng 17,1% các độc hại ra môi trường liên quan đến sử dụng thuốc bảo vệ thực vật (Graham Brookes, 2011) [42].
Hiện nay công nghệ sinh học hiện đại được áp dụng vào công tác chọn giống ngô nên các giống ngô mới ngày càng được trồng rộng rãi và phổ biến. Gần 80% diện tích trồng ngô trên thế giới hiện nay được trồng với giống ngô cải tiến, Trong đó cây ngô biến đổi gen (Bt) có khả năng phát triển rất mạnh trong khu vực phát triển ngô lai. Ngô Bt được đưa vào canh tác đại trà từ năm 1996 mang lại lợi ích ổn định, đã đóng góp một sản lượng ngô đáng kể làm lương thực, nhiên liệu sinh học và thức ăn gia sức ở Mỹ. Đặc biệt ở giai đoạn hiện nay khi diện tích canh tác bị thu hẹp, việc sử dụng ngô biến đổi gen sẽ góp phần đáp ứng nhu cầu ngô toàn cầu. Graham Brookes (2011) [42], cho rằng nếu không sử dụng giống ngô biến đổi gen thì diện tích trồng ngô trên thế giới phải tăng thêm 5,63 triệu ha mới đáp ứng được nhu cầu của xã hội, đây là bài toán vô cùng khó khăn đối với các nhà khoa học cũng như các nhà quản lý.
Năm 2007, diện tích trồng ngô chuyển gen trên thế giới đã đạt 35,2 triệu ha, riêng ở Mỹ đã lên đến 27,4 triệu ha (trích theo Phan Xuân Hào, 2008) [7]. Trong những năm gần dây, ngô biến đổi gen có mức tăng đáng kể ở các thị trường truyền thống Mỹ, Canada, Achentina, Nam Phi, Tây Ban Nha, Philipin và Honduras. Ngoài ra còn thị trường quan trọng khác gồm: Braxin, Mexico, Ai Cập, Kenia, Nigeria, Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan.
Mặc dầu, hiện nay vẫn còn một số quan điểm khác nhau về vấn đề cây trồng biến đổi gen (GMO), nhưng với việc mở rộng nhanh diện tích chỉ sau một thời gian ngắn đã khẳng định ý nghĩa của thành tựu này đối với nhân loại. Năm 1995, cây trồng chuyển gen được trồng với 0,5 triệu ha, năm 2009 đã đạt con số 134 triệu ha ở 25 quốc gia, tức là sau 13 năm tăng gần 80 lần.
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
(ISAA brief 41 – 2009).Với cây ngô, chỉ sau 13 năm áp dụng, năm 2009 diện tích trồng ngô chuyển gen (kháng thuốc trừ cỏ và kháng sâu đục thân) trên thế giới đã đạt 42 triệu ha, riêng ở Mỹ đã lên đến 30 triệu ha, chiếm 85% trong tổng số 35,2 triệu ha ngô của nước này (GMO-COMPASS, 2/2009)[41]. Ở Đông Nam Á, những năm gần đây Philipin cũng đã sử dụng ngô chuyển gen, năm 2009 diện tích ngô chuyển gen là 0,5 triệu ha trong tổng số 2,7 triệu ha trồng ngô của nước này.
Giống ngô chuyển gen đầu tiên ở Mỹ là giống kháng Basta của Dekalb vào năm 1990 (bản quyền số 5 489520); tiếp đó là giống kháng sâu (Bt) của Monsanto vào 1997,các giống của Dow Elanco vào năm 1998; giống kháng vius của Pioneer Hi-Bred và kháng Glufossinate của AgroEvo vào năm 2000