Tài liệu Nghiên cứu tạo dòng ngô đơn bội kép (dh) bằng phương pháp in vivo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM ------- [ \ ------- NGUYỄN THỊ THU HÀ NGHIÊN CỨU TẠO DÒNG NGÔ ĐƠN BỘI KÉP (DH) BẰNG PHƯƠNG PHÁP IN VIVO LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI – 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM ------- [ \ ------- NGUYỄN THỊ THU HÀ NGHIÊN CỨU TẠO DÒNG NGÔ ĐƠN BỘI KÉP (DH) BẰNG PHƯƠNG PHÁP IN VIVO CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÃ SỐ: 60.42.02.01 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐỒNG HUY GIỚI PGS.TS. VŨ VĂN LIẾT HÀ NỘI – 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: - Luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi; - Số liệu sử dụng trong luận văn được là trung thực; - Thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc và có độ chính xác cao nhất trong phạm vi hiểu biết của tôi. Hà Nội, ngày 22 tháng 12 năm 2014 Tác giả luận văn Học viên Nguyễn Thị Thu Hà Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp   Page i  LỜI CẢM ƠN Trước tiên, cho tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả quý thầy cô giảng dạy và công tác tại Ban quản lý Đào tạo, Viện Nghiên cứu và phát triển cây trồng, Bộ môn Sinh học, Khoa Công nghệ sinh học, Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội đã luôn quan tâm, tạo điều kiện giúp đỡ và ủng hộ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình. Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn và kính trọng sâu sắc tới TS. Đồng Huy Giới – Phó trưởng khoa CNSH, Trưởng bộ môn Sinh học – Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội; PGS.TS Vũ Văn Liết – Giám đốc Viện Nghiên cứu và phát triển cây trồng đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài, đánh giá kết quả và hoàn thành luận văn đồng thời bồi dưỡng cho tôi những kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm quý báu. Với tình cảm sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban lãnh đạo, Cán bộ công nhân viên trong Bộ môn Sinh học - Khoa Công nghệ sinh học, Bộ môn Cây trồng cạn - Viện Nghiên cứu và phát triển cây trồng, đặc biệt ThS. Phạm Quang Tuân và sinh viên Vũ Thị Quế đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực tập. Cuối cùng, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến toàn thể gia đình, bạn bè, anh em, đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi về mọi mặt, động viên khuyến khích tôi hoàn thành luận văn này! Hà Nội, ngày 22 tháng 12 năm 2014 Học viên Nguyễn Thị Thu Hà Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp   Page ii  MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................... vi DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ vii DANH MỤC HÌNH .................................................................................................. ix MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1 Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................1 2 Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................2 Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ......................................................................3 1.1. Vai trò của cây ngô trong nền kinh tế ..............................................................3 1.2. Tình hình sản xuất và sử dụng ngô trên thế giới và trong nước ......................4 1.2.1. Tình hình sản xuất và sử dụng ngô trên thế giới .............................................4 1.2.2. Tình hình sản xuất và sử dụng ngô trong nước ...............................................7 1.3. Hiện tượng ưu thế lai và ứng dụng trong chọn tạo giống ngô .........................9 1.3.1. Hiện tượng ưu thế lai .......................................................................................9 1.3.2. Ý nghĩa của ưu thế lai ......................................................................................9 1.3.3. Cơ sở di truyền của ưu thế lai ..........................................................................9 1.3.4. Ưu thế lai - lịch sử nghiên cứu và ứng dụng trong chọn tạo giống ngô ........11 1.4. Dòng thuần và những nghiên cứu phát triển dòng thuần...............................12 1.4.1. Dòng thuần .....................................................................................................12 1.4.2. Những nghiên cứu phát triển dòng thuần ở ngô ............................................12 Chương 2. VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU......... 24 2.1. Vật liệu nghiên cứu ........................................................................................24 2.2. Nội dung nghiên cứu......................................................................................25 2.3. Thời gian và địa điểm nghiên cứu .................................................................25 2.3.1. Thời gian nghiên cứu: ....................................................................................25 2.3.2. Địa điểm nghiên cứu: .....................................................................................25 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp   Page iii  2.4. Phương pháp nghiên cứu ...............................................................................26 2.4.1. Thí nghiệm 1: Đánh giá đặc điểm nông sinh học, chống chịu và năng suất của dòng UH400 trong điều kiện trồng tại Gia Lâm - Hà Nội...............26 2.4.2. Thí nghiệm 2: Lai và xác định tỷ lệ kích tạo đơn bội ....................................28 2.4.3. Thí nghiệm 3: Đa bội hóa bằng Colchicine với tất cả các hạt được cho là đơn bội (Hạt có màu ở nội nhũ và phôi không màu) .................................29 2.4.4. Thí nghiệm 4: Đánh giá đặc điểm nông sinh học, khả năng chống chịu và năng suất của các dòng đơn bội kép trong điều kiện vụ Xuân 2014 tại Gia Lâm, Hà Nội .......................................................................................31 2.5. Phương pháp tính và xử lý số liệu .................................................................31 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................32 3.1. Đánh giá đặc điểm nông sinh học, khả năng chống chịu và năng suất của dòng kích tạo đơn bội UH400 trong điều kiện vụ xuân 2013 tại Gia Lâm, Hà Nội. ...........................................................................................................32 3.1.1. Tỷ lệ nảy mầm và các giai đoạn sinh trưởng của dòng kích tạo đơn bội UH400 ............................................................................................................32 3.1.2. Đặc điểm nông sinh học.................................................................................34 3.1.3. Khả năng chống chịu đồng ruộng ..................................................................37 3.1.4. Các chỉ tiêu về năng suất ...............................................................................38 3.2. Đặc điểm của các dòng ngô dùng làm mẹ và khả năng kích tạo đơn bội của dòng UH400 ......................................................................................39 3.2.1. Đặc điểm nông sinh học của các dòng mẹ tự phối ........................................39 3.2.2. Đánh giá khả năng kích tạo đơn bội của dòng UH400 trên các dòng mẹ ............ 45 3.3. Tạo dòng đơn bội kép bằng colchicine ..........................................................50 3.4. Đánh giá đặc điểm nông sinh học, khả năng chống chịu và năng suất của các dòng đơn bội kép trong điều kiện vụ Xuân 2014 tại Gia Lâm, Hà Nội ............................................................................................................58 3.4.1. Tỷ lệ nảy mầm và các giai đoạn sinh trưởng của các dòng đơn bội kép .......58 3.4.2. Đặc điểm nông sinh học của các dòng đơn bội kép.......................................59 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp   Page iv  3.4.3. Khả năng chống chịu đồng ruộng của các dòng ngô đơn bội kép trong điều kiện vụ Xuân 2014 tại Gia Lâm, Hà Nội ...............................................62 3.4.4. Các chỉ tiêu về năng suất của các dòng đơn bội kép trong điều kiện trồng vụ Xuân 2014 tại Gia Lâm, Hà Nội .....................................................64 KẾT LUẬN ..............................................................................................................66 1. Kết luận ..........................................................................................................66 2. Đề nghị ...........................................................................................................66 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................67 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp   Page v  DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Tên viết tắt Tên viết đầy đủ 1 CDB Chiều dài bắp 2 CHLB Cộng hòa liên bang 3 CIMMYT Trung tâm cải tiến giống ngô và lúa mì Quốc tế 4 CS Cộng sự 5 CV% Hệ số biến động 6 DH Double haploid 7 DMSO Dimethyl sulfoxide 8 ĐKB Đường kính bắp 9 FAO Tổ chức lương thực và nông nghiệp liên hiệp quốc 10 G-PR Thời gian từ gieo đến phun râu 11 G-TP Thời gian từ gieo đến tung phấn 12 KNKH Khả năng kết hợp 13 NN&PTNT Nông nghiệp và phát triển nông thôn 14 NSLT Năng suất lý thuyết 15 P100 Trọng lượng 100 hạt 16 STT Số thứ tự 17 TCN Tiêu chuẩn ngành 18 TGST Thời gian sinh trưởng 19 TL CĐB/CC Tỷ lệ cao đóng bắp/cao cây 20 TP-PR Khoảng cách tung phấn – phun râu Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp   Page vi  DANH MỤC BẢNG STT Tên bảng Trang 1.1. Thành phần hóa học của hạt ngô so với gạo phân tích trên 100g.....................3 1.2. Diện tích, năng suất, sản lượng sản xuất ngô một số năm trên thế giới ...........5 1.3 Diện tích, năng suất và sản lượng của 3 cây lương thực chính (ngô, lúa nước, lúa mỳ) trên thế giới năm 2013 ..............................................................5 1.4. Phân bố diện tích, năng suất và sản lượng ngô theo vùng năm 2013 ..............6 1.5. Một số dòng kích tạo đơn bội và tỉ lệ kích tạo đơn bội của chúng.................19 2.1. Nguồn gốc và một số đặc điểm đặc trưng của dòng kích tạo đơn bội UH400.............................................................................................................24 2.2. Nguồn gốc vật liệu ngô dùng làm dòng mẹ trong thí nghiệm ........................24 3.1. Tỷ lệ nảy mầm và thời gian sinh trưởng của dòng kích tạo đơn bội UH400 trong điều kiện trồng tại Gia Lâm, Hà Nội ........................................33 3.2. Một số đặc điểm nông sinh học của dòng kích tạo đơn bội UH400...............35 3.3. Khả năng chống đổ và mức độ nhiễm sâu bệnh hại của dòng kích tạo đơn bội UH400 trong điều kiện vụ Xuân tại Gia Lâm, Hà Nội .....................37 3.4. Năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất của dòng kích tạo UH400 trong điều kiện vụ Xuân tại Ga Lâm - Hà Nội ...............................................38 3.5: Tỉ lệ mọc và thời gian qua các giai đoạn sinh trưởng của các dòng ngô tự phối dùng làm dòng mẹ trong điều kiện vụ Xuân năm 2013 tại Gia Lâm, Hà Nội ...................................................................................................40 3.6: Đặc điểm nông sinh học của các dòng ngô tự phối dùng làm dòng mẹ trong điều kiện vụ Xuân năm 2013 tại Gia Lâm, Hà Nội...............................42 3.7. Khả năng chống chịu sâu bệnh hại của các dòng ngô tự phối dùng làm dòng mẹ trong vụ Xuân năm 2013 tại Gia Lâm, Hà Nội ...............................44 3.8. Tỉ lệ kích tạo đơn bội của UH400 với các dòng mẹ tự phối ..........................46 3.9. Đánh giá khả năng kết hợp của các dòng mẹ tự thụ với dòng bố kích tạo đơn bội UH400 .........................................................................................49 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp   Page vii  3.10. Tỷ lệ nảy mầm và khả năng tạo đơn bội kép sau xử lý với colchicine hạt đơn bội của các phép lai kích tạo ..............................................................51 3.11. Tỷ lệ nảy mầm và thời gian sinh trưởng của các dòng đơn bội kép trong điều kiện trồng tại Gia Lâm, Hà Nội .....................................................58 3.12. Một số đặc điểm nông sinh học của các dòng đơn bội kép trong điều kiện vụ Xuân 2014 tại Gia Lâm, Hà Nội ........................................................60 3.13. Mức độ nhiễm sâu bệnh hại của các dòng đơn bội kép trong điều kiện vụ Xuân 2014 tại Ga Lâm - Hà Nội................................................................62 3.14. Năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất của các dòng đơn bội kép trong điều kiện vụ Xuân 2014 tại Gia Lâm, Hà Nội ......................................64 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp   Page viii  DANH MỤC HÌNH STT Tên hình Trang 1.1. Nhận biết hạt đơn bội thông qua chỉ thị hình thái .........................................21 3.1. Hình thái hạt dòng CUA sau khi kích tạo đơn bội với dòng UH400 ............47 3.2. Hình thái hạt của dòng D56 sau khi kích tạo đơn bội với dòng UH400 (ký hiệu là trong thí nghiệm là UA)...............................................................47 3.3. Hình thái phôi và nội nhũ hạt của 3 dạng hạt sau khi kích tạo đơn bội với dòng UH400 ............................................................................................47 3.4. Tủ thúc nảy mầm hạt đơn bội ........................................................................52 3.5. Hạt nảy mầm ..................................................................................................52 3.6. Cắt đỉnh mầm để xử lý Colchicine ................................................................52 3.7. Chuẩn bị xử lý colchicine ..............................................................................52 3.8. Rửa hạt bằng nước sạch .................................................................................52 3.9. Hạt đơn bi sau khi được xử lý colchicine được trồng ra khay ươm trong nhà lưới .................................................................................................53 3.10. Cây sống sau khi xử lý colchicine .................................................................53 3.11. Cây chết sau khi xử lý cochicine ...................................................................53 3.12. Cây đơn bội kép giai đoạn từ 5-7 lá...............................................................53 3.13. Cây đơn bội và cây đơn bội kép sau khi xử lý Colchicine được đưa ra ngoài đồng ruộng ...........................................................................................56 3.14. Ruộng thí nghiệm cây sau khi đã xử lý colchicine ........................................56 3.15. Cây đơn bội sau khi xử lý cochicine..............................................................56 3.16. Cây đơn bội kép sau xử lý colchicine ............................................................56 3.17. Bông cờ hữu dục của cây đơn bội kép ...........................................................56 3.18. Cây đơn bội và cây đơn bội kép ở giai đoạn trổ bông ...................................56 3.19. Bông cờ tung phấn của cây đơn bội kép sau khi xử lý colchicine ................57 3.20. Bông cờ bất dục của dòng đơn bội sau khi xử lý colchicine .........................57 3.21. Các dòng ngô đơn bội kép giai đoạn 7-9 lá thật ............................................61 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp   Page ix  MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài Ngô (Zea mays L.) là một trong năm loại cây ngũ cốc quan trọng và là cây trồng có tiềm năng năng suất cao. Trên thế giới, ngô được xếp hàng thứ 2 về diện tích sản xuất và đứng thứ nhất về năng suất cũng như sản lượng cây trồng lấy hạt. Tại Việt Nam, ngô là cây lương thực đứng vị trí thứ hai sau cây lúa và có khả năng thích ứng rộng với nhiều vùng sinh thái khác nhau. Trong hạt ngô còn chứa hàm lượng dinh dưỡng cao đặc biệt như tinh bột, các axit amin không thay thế (Leusin, Isoleusin, Tyrosin, Threonin, Lyzin....) Những năm gần đây, nhu cầu sử dụng ngô cho công nghiệp thực phẩm và chế biến ngày càng tăng, đặc biệt là trong công nghiệp chế biến thức ăn chăn nuôi. Tuy nhiên, công tác sản xuất ngô chưa đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ của cả nước. Một phần hạn chế là do năng suất, chất lượng ngô giống thấp và sâu bệnh hại. Để tạo được các giống ngô lai có năng suất cao, ổn định và thích nghi với các vùng sinh thái khác nhau thì yêu cầu số một phải là có bố mẹ có độ đồng hợp tử cao, khả năng kết hợp cao thể hiện ưu thế lai cao. Tuy nhiên theo phương pháp truyền thống thường đòi hỏi từ 6-8 thế hệ tự thụ để thu được mức đồng hợp tử mong muốn (Michael Morris và cs, 2003). Việc này yêu cầu một quá trình chọn tạo lâu dài và tốn kém. Hiện nay, nhờ những tiến bộ của khoa học kỹ thuật đặc biệt là công nghệ sinh học và di truyền phân tử, công tác chọn tạo dòng đơn bội kép có độ thuần cao trong thời gian rất ngắn (chỉ còn 1 thế hệ) (Lê Huy Hàm và cs, 2005). Trong khi, phương pháp nuôi cấy tạo dòng đơn bội kép in vitro nuôi cấy bao phấn, nuôi cấy noãn chưa thụ tinh không đạt được những kết quả khả quan. Thì việc tạo dòng đơn bội kép in vivo đã được chứng minh có hiệu quả cao hơn; các công trình nghiên cứu tạo dòng đơn bội kép nhờ sử dụng dòng kích tạo đơn bội và đa bội hóa bằng colchicines được công bố là cho các dòng đơn bội hoàn toàn. Chase (1952) nghiên cứu sự tự đơn bội ở nguồn gen ngô Corn-Belt của Mỹ cho thấy tỷ lệ cây đơn bội trong tự nhiên là 0,1%; một tỷ lệ quá thấp để áp dụng trong thương mại. Sau đó Coe (1959) tìm thấy dòng thuần gọi là Stock6 với tỷ lệ kích tạo 1 - 2%. Đây Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp   Page 1  là dòng kích tạo đơn bội tổ tiên của các dòng kích tạo phát triển sau này. Một số dòng kích tạo hiệu quả hiện nay là RWS và UH400 do Đại học Hohenheim phát triển (Rober và cs., 2005). Đây là dòng lai thích nghi với khí hậu ôn đới của Châu Âu nhưng cũng thích hợp với môi trường nhiệt đới (Rober và cs, 2005; Geiger và cs, 2009; Ming-Tang Chang, Edward H. Coe Jr, 2009). Năm 2012, trường Đại học Hohenheim (CHLB Đức) đã cung cấp cho Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội (nay là Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam) cây kích tạo đơn bội UH400 sử dụng để phát triển dòng ngô đơn bội kép. Từ những thực tiễn trên, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu tạo dòng ngô đơn bội kép (DH) bằng phương pháp In vivo” 2 Mục tiêu nghiên cứu * Mục tiêu chung Nghiên cứu tạo dòng ngô đơn bội kép (sử dụng dòng kích tạo UH400 và colchicine) phục vụ công tác chọn giống ngô ưu thế lai. * Mục tiêu cụ thể + Nghiên cứu đặc điểm của dòng UH400 trong điều kiện Gia Lâm, Hà Nội. + Đánh giá khả năng kích tạo đơn bội của dòng UH400 trên các dòng mẹ khác nhau. + Tạo dòng đơn bội kép (DH) bằng colchicine và đánh khả năng sinh trưởng, phát triển của các dòng đơn bội kép (DH) mới chọn tạo. Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp   Page 2  Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU Cây ngô (Zea mays L.) thuộc chi Zea, họ Hòa thảo (Poaceae), bộ Hòa thảo (Poales), lớp một lá mầm (Monocots) và có bộ nhiễm sắc thể 2n = 20. Cây ngô là cây hàng năm với hệ thống rễ chùm phát triển, là loài cây giao phấn có hoa đơn tính cùng gốc. 1.1. Vai trò của cây ngô trong nền kinh tế Trên thế giới, ngô là một trong những cây ngũ cốc quan trọng, ngô đứng hàng thứ 2 về diện tích sản xuất và đứng thứ nhất về năng suất cũng như sản lượng cây trồng lấy hạt. Các quốc gia đứng đầu về diện tích gieo trồng và sản lượng ngô trên thế giới là Mỹ, Trung Quốc và Braxin. Tại Việt Nam, ngô là cây lương thực quan trọng thứ hai sau cây lúa và là cây màu quan trọng nhất được trồng ở nhiều vùng sinh thái khác nhau, đa dạng về mùa vụ gieo trồng và hệ thống canh tác. Cây ngô không chỉ cung cấp lương thực, thực phẩm cho con người, ngoài ra tất cả các bộ phận của cây ngô từ hạt đến thân lá đều có thể sử dụng để làm thức ăn cho gia súc, gia cầm; làm nguyên liệu cho ngành công nghiệp (rượu ngô, sản xuất ethanol để chế biến xăng sinh học…). Đặc biệt, ngô còn là cây trồng xóa đói giảm nghèo tại các tỉnh có điều kiện kinh tế khó khăn. - Ngô làm lương thực cho con người: Ngô là cây lương thực nuôi sống gần 1/3 số dân trên toàn thế giới. Toàn thế giới sử dụng 21% sản lượng ngô làm lương thực. Chất dinh dưỡng trong ngô phong phú hơn lúa mì và gạo (bảng 1.1). Bảng 1.1. Thành phần hóa học của hạt ngô so với gạo phân tích trên 100g Thành phần hóa học Tinh bột (g) Chất đạm (g) Chất béo (g) Vitamin A (mg) Vitamin B1 (mg) Vitamin B2 (mg) Vitamin C (mg) Năng lượng (calo) Gạo trắng 65.00 8.00 2.50 0.00 0.20 0.00 0.00 340 Ngô vàng 68.2 9.60 5.20 0.03 0.28 0.08 7.70 350 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp   Page 3  - Ngô làm thực phẩm: Các sản phẩm từ ngô như ngô bao tử, hạt ngô non được sử dụng như một loại thực phẩm cao cấp, chúng rất được ưa chuộng do hàm lượng dinh dưỡng cao, chế biến đơn giản và có độ an toàn cao. Ngoài ra, ngô còn được sử dụng để ăn tươi (như luộc, nướng) hoặc có thể sử dụng làm thực phẩm đóng hộp thuận tiện cho bảo quản và xuất khẩu. - Ngô làm thức ăn gia súc: Hạt ngô là nguồn thức ăn giàu dinh dưỡng đối với động vật. Thành phần chất tinh trong thức ăn tổng hợp có nguồn gốc từ ngô chiếm đến 70%. Ngoài cung cấp chất tinh, thân lá cây ngô còn là thức ăn xanh và ủ chua lý tưởng cho đại gia súc, đặc biệt là bò sữa. - Ngô cung cấp nguyên liệu cho công nghiệp: Ngoài cung cấp nguyên liệu chính cho các nhà máy thức ăn gia súc tổng hợp, ngô còn là nguyên liệu cho các nhà máy sản xuất rượu cồn, tinh bột, dầu, glucose, bánh kẹo… - Ngô là nguồn hàng hóa xuất khẩu: Ngô là nguồn hàng hóa xuất khẩu có giá trị kinh tế lớn. Trên thế giới, hàng năm lượng ngô được xuất khẩu đạt trên 70 triệu tấn. Đây có thể được coi là một nguồn lợi cho các quốc gia xuất khẩu ngô như Mỹ, Pháp, Trung Quốc, Thái Lan…. 1.2. Tình hình sản xuất và sử dụng ngô trên thế giới và trong nước 1.2.1. Tình hình sản xuất và sử dụng ngô trên thế giới Ngành sản xuất ngô thế giới tăng liên tục từ đầu thế kỷ 20 đến nay, nhất là trong hơn 40 năm trở lại đây, ngô là cây trồng có tốc độ tăng trưởng về năng suất cao nhất trong các cây lương thực chủ yếu. Theo số liệu thống kê của FAOSTAT, năm 1961 năng suất ngô trung bình của thế giới mới đạt 19,4 tạ/ha, năm 2000 năng suất ngô đã đạt 43,2 tạ/ha, đến năm 2013 năng suất ngô đã tăng trên 55,2 tạ/ha. Bên cạnh đó, diện tích trồng ngô cũng đã tăng nhanh qua các năm từ 105,6 triệu ha (năm 1961) lên 184,2 triệu ha (năm 2013). Sản lượng ngô năm 2013 đạt 1016,7 triệu tấn, tăng gấp 5 lần so với năm 1961 (205,0 tấn) (FAOSTAT, 2014). Như vậy diện tích, năng suất và sản lượng của cây ngô ngày càng tăng và đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể. Trong hơn mười năm gần đây, từ năm 2000 đến năm 2013, diện tích gieo trồng ngô đã tăng 47,2 triệu ha, sản lượng tăng 424,2 triệu tấn. Việc tăng sản lượng ngô, ngoài nguyên nhân tăng diện tích canh tác còn do việc đưa giống mới có năng Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp   Page 4  suất cao vào sản xuất và năng suất đã tăng 12 tạ/ha trong giai đoạn 2000-2013 với tốc độ tăng trưởng năng suất bình quân là 2,1%/năm. Sản lượng thu hoạch ngô hàng năm đã đóng góp một phần đáng kể trong việc đảm bảo an ninh lương thực, giúp xóa đói, giảm nghèo ở nhiều quốc gia trên thế giới. Bảng 1.2. Diện tích, năng suất, sản lượng sản xuất ngô một số năm trên thế giới Năm Diện tích (triệu ha) Năng suất (tạ/ha) Sản lượng (triệu tấn) 1961 105,6 19,4 205,0 2000 137,0 43,2 592,5 2005 147,4 48,4 713,5 2010 161,8 51,9 840,3 2013 184,2 55,2 1016,7 (Nguồn FAOSTAT, 2014) Theo số liệu thống kê của FAOSTAT năm 2014, trong số 3 cây lương thực chủ yếu của thế giới, cây ngô vươn lên đứng thứ hai về diện tích, đứng thứ nhất về cả năng suất và sản lượng. Năm 2013, diện tích ngô trên toàn thế giới đã vượt qua diện tích của lúa nước (164,7 triệu ha) và chỉ đứng sau diện tích của lúa mỳ (218,5 triệu ha). Năng suất trung bình của ngô đạt 55,2 tạ/ha, trong khi năng suất trung bình của lúa nước đạt 45,27 tạ/ha và của lúa mỳ là 32,65 tạ/ha. Sản lượng ngô đã đạt 1016,74 triệu tấn, vượt qua sản lượng của lúa nước với 745,71 triệu tấn và lúa mỳ với 713,18 triệu tấn (FAOSTAT, 2014) Bảng 1.3 Diện tích, năng suất và sản lượng của 3 cây lương thực chính (ngô, lúa nước, lúa mỳ) trên thế giới năm 2013 Cây trồng Diện tích (triệu ha) Năng suất (tạ/ha) Sản lượng (triệu tấn) Ngô 184,19 55,20 1.016,74 Lúa nước 164,72 45,27 745,71 Lúa mỳ 218,46 32,65 713,18 (Nguồn FAOSTAT, 2014) Để có được những thành tựu trên, trước hết là nhờ ứng dụng rộng rãi lý thuyết Ưu thế lai trong công tác chọn tạo giống ngô, đồng thời không ngừng cải tiến Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp   Page 5  và nâng cao các biện pháp kỹ thuật trong canh tác. Đặc biệt, từ 10 năm trở lại đây, cùng với những thành tựu mới trong chọn tạo giống ưu thế lai nhờ kết hợp phương pháp truyền thống với công nghệ sinh học thì việc ứng dụng công nghệ cao trong canh tác cây ngô đã góp phần đưa năng suất và sản lượng ngô thế giới vượt lên trên lúa mỳ và lúa nước. Bảng 1.4. Phân bố diện tích, năng suất và sản lượng ngô theo vùng năm 2013 Diện tích Năng suất Sản lượng (triệu ha) (tạ/ha) (triệu tấn) Toàn cầu 184,192 55,20 1016,736 Châu Phi 35,019 20,45 71,613 Châu Mỹ 70,703 73,92 522,628 Châu Á 59,392 51,24 304,314 Châu Âu 18,974 61,90 117,453 Châu Đại Dương 0,102 70,83 0,726 Australia & New Zealand 0,097 72,86 0,708 Vùng (Nguồn FAOSTAT, 2014) Theo thống kê của FAOSTAT năm 2014, Châu Mỹ là châu lục sản xuất ngô lớn nhất thế giới, đứng đầu cả về diện tích với 70,703 triệu ha (chiếm 38,4% diện tích ngô toàn thế giới), năng suất đạt 73,92 tạ/ha (gấp 1,3 lần năng suất ngô trung bình của thế giới) và sản lượng đạt 522,628 triệu tấn (chiếm 51,4% tổng sản lượng ngô thế giới). Với trên 50% diện tích gieo trồng bằng giống được chọn tạo nhờ công nghệ sinh học, năng suất ngô của nước Mỹ đã đạt 99,70 tạ/ha trên diện tích 35,48 triệu ha đã đưa Mỹ trở thành một trong những quốc gia sản xuất ngô lớn nhất thế giới với sản lượng thu được năm 2013 là 353,70 triệu tấn (chiếm 34,70% tổng sản lượng thế giới). Trung Quốc cũng là một trong những quốc gia có diện tích trồng ngô lớn nhất thế giới với diện tích gieo trồng là 35,28 triệu ha, sản lượng thấp hơn Mỹ nhưng cao hơn sản lượng trung bình thế giới với 61,75 tạ/ha và sản lượng đạt 217,83 triệu tấn (chiếm 21,42% tổng sản lượng thế giới) (FAOSTAT, 2014). Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp   Page 6  1.2.2. Tình hình sản xuất và sử dụng ngô trong nước Ở Việt Nam, cây ngô là cây trồng có từ lâu đời, với nhiều đặc điểm quý, khả năng thích ứng rộng nên cây ngô sớm được người dân chấp nhận nhờ đó trở thành một trong những cây lương thực chính với diện tích và năng suất ngày càng tăng. Năm Diện tích (nghìn ha) Năng suất (tạ/ha) Sản lượng (nghìn tấn) 1961 260,2 11,2 292,2 2000 730,2 27,5 2005,9 2005 1052,6 36,0 3787,1 2010 1126,4 40,9 4606,8 2013 1170,3 44,4 5190,9 (Nguồn FAOSTAT, 2014) Theo thống kê của FAOSTAT, diện tích gieo trồng cũng như năng suất và sản lượng ngô của nước ta không ngừng tăng qua các năm: năm 1961 tổng diện tích ngô nước ta là 260,2 nghìn ha, năm 2000 đã tăng lên đạt 730,2 nghìn ha; đến năm 2013, diện tích ngô cả nước ta đạt 1.170,9 nghìn ha (trong đó có trên 90% diện tích trồng ngô lai). Nhờ việc ứng dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật và việc áp dựng các giống ngô lai trong công tác sản xuất năng suất ngô của nước ta đã tăng lên nhanh chóng. Công tác nghiên cứu và phát triển ngô lai ở nước ta đã được trung tâm cải tạo ngô và lúa mì Quốc tế (CIMMYT), tổ chức lương thực và nông nghiệp liên hiệp quốc (FAO) cũng như các nước trong khu vực đánh giá rất cao. Trong vòng 8 năm, bắt đầu năm 1993 nước ta đã đưa ngô lai vào sản xuất đại trà với 12% diện tích, đến năm 2013 diện tích ngô lai nước ta đã đạt trên 90%. Trong những năm qua nhờ vào sự phát triển của khoa học kỹ thuật, việc áp dụng những công nghệ mới vào sản xuất mà tình hình sản xuất ngô ở nước ta có những thay đổi rõ rệt. Năng suất ngô đã liên tục tăng nhanh với tốc độ cao hơn tốc độ trung bình của thế giới, từ 11,2 tạ/ha năm 1961 (bằng 57,7% năng suất ngô trung bình của thế giới) lên đến 44,4 tạ/ha năm 2013 (bằng 80,4% năng suất ngô trung bình của thế giới). Sản lượng từ đó cũng tăng theo từ 292,2 nghìn tấn năm 1961 lên đến 5190,9 nghìn tấn năm 2013 (FAOSTAT, 2014). Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp   Page 7  Mặc dù đã đạt được những kết quả quan trọng, nhưng sản xuất ngô nước ta vẫn còn nhiều vấn đề đặt ra: 1) Năng suất ngô nước ta vẫn thấp hơn so với năng suất trung bình thế giới (chỉ bằng 80,4%) và rất thấp so với năng suất thí nghiệm; 2) Giá thành sản xuất còn cao; 3) Sản lượng chưa đáp ứng đủ nhu cầu trong nước đang tăng nhanh, hàng năm nước ta vẫn phải nhập khẩu từ khoảng 3 triệu tấn ngô hạt làm nguyên liệu cho chế biến thức ăn chăn nuôi; 4) Sản phẩm ngô còn đơn điệu; 5) Công nghệ sau thu hoạch chưa được chú ý đúng mức, dẫn đến thiệt hại lớn hàng năm. Những năm gần đây, Nhà nước đã có nhiều cơ chế chính sách hỗ trợ giống đã khuyến khích các doanh nghiệp trong và ngoài nước sản xuất, cung cấp giống, giới thiệu các giống ngô lai mới có năng suất cao, chất lượng tốt vào sản xuất, nhiều tiến bộ khoa học kỹ thuật về sản xuất ngô đã được chuyển giao đến người nông dân. Tuy nhiên, do bộ giống ngô lai trong nước còn thiếu cộng với việc áp dụng các tiến bộ kỹ thuật vào sản xuất vẫn còn nhiều hạn chế, với địa hình phức tạp, ít đầu tư thâm canh nên năng suất ngô vẫn còn thấp so với tiềm năng của giống. Năm 2013, năng suất trung bình cả nước đạt 44,4 tạ/ha, sản lượng trên 5,1 triệu tấn so với năng suất ngô thâm canh là 70 - 80 tạ/ha. Theo báo cáo của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (NN&PTNT), trong 9 tháng đầu năm 2014 kim ngạch nhập khẩu ngô làm nguyên liệu chính để sản xuất thức ăn chăn nuôi tăng mạnh cả về lượng và giá trị. Ước tính khối lượng ngô nhập khẩu trong tháng 9/2014 đạt 230 nghìn tấn với giá trị đạt 63 triệu USD, đưa khối lượng nhập khẩu mặt hàng này trong 9 tháng đầu nâm 2014 đạt gần 3,15 triệu tấn, giá trị nhập khẩu đạt 820 triệu USD, tăng gấp 2,4 lần về lượng và 1,9 lần về giá trị so với cùng kỳ năm 2013 (Bộ NN&PTNT, 2014). Do đó, cần đẩy mạnh hơn nữa công tác nghiên cứu tạo cơ cấu giống mới để tạo ra nguồn nguyên liệu thức ăn chăn nuôi nhiều hơn, đáp ứng nhu cầu trong nước. Theo chiến lược nghiên cứu và phát triển cây ngô của Việt Nam đến năm 2020 đã xác định cần đẩy mạnh nghiên cứu về cây ngô góp phần đưa diện tích ngô của cả nước đến năm 2015, phấn đấu đạt 1,3 triệu ha ngô; năng suất đạt trên 50 tạ/ha; sản lượng đạt 6,5 triệu tấn, đến năm 2020 đạt 1.500,000 ha với năng suất bình quân 60 tạ/ha và sản lượng 9,0 triệu tấn, nhầm đảm bảo cung cấp nguyên liệu cho chế biến thức ăn chăn nuôi và các nhu cầu khác trong nước, từng bước tham gia xuất khẩu. Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp   Page 8  1.3. Hiện tượng ưu thế lai và ứng dụng trong chọn tạo giống ngô 1.3.1. Hiện tượng ưu thế lai Ưu thế lai (heterosis) là thuật ngữ để chỉ hiệu quả lai có biểu hiện vượt trội về sức sinh trưởng, sinh sản, tính chống chịu, năng suất và phẩm chất của con lai ở thế hệ thứ nhất so với các dạng bố mẹ của chúng. Hiện tượng này thể hiện rất rõ ở những con lai thu được từ sự giao phối giữa các dòng tự phối với nhau (Hoàng Trọng Phán và cs, 2008). 1.3.2. Ý nghĩa của ưu thế lai Khi lai hai vật liệu với nhau, có thể thu được 3 cây lai với 3 mức biểu hiện khác nhau: (1) tốt hơn hẳn so với bố mẹ, (2) đạt mức trung gian giữa hai bố mẹ và (3) kém hơn so với bố mẹ. Theo nghiên cứu của các nhà khoa học cho thấy chỉ có 37% số tổ hợp lai cho năng suất cao hơn bố mẹ, 46% số tổ hợp lai bằng mức trung gian của bố mẹ và 17% số tổ hợp thấp hơn bố mẹ. Ưu thế lai ở ngô thể hiện rất rõ khi lai giữa các giống và khi lai giữa các dòng tự phối thuần. Kết quả nghiên cứu ở nhiều nước cho thấy trong điều kiện tương tự, ngô lai giữa các giống tăng 10-20%, ngô lai giữa các dòng tự phối thuần tăng 20-30% và hơn nữa so với các giống địa phương tốt nhất. Ứng dụng ưu thế lai là phương pháp chủ yếu, quan trọng nhất trong chọn tạo giống mới. Việc sử dụng các giống có ưu thế lai cao đã làm cho cây trồng có bước nhảy vọt về năng suất cũng như chất lượng, người ta gọi đó là cuộc “cách mạng xanh” trong sản xuất nông nghiệp. 1.3.3. Cơ sở di truyền của ưu thế lai 1.3.3.1. Giả thuyết về tác dụng tương hỗ giữa nhiều gene trội (thuyết tính trội) Giả thuyết về tính trội do Jones đề xướng năm 1917. Tuy nhiên, những ý kiến đầu tiên đưa ra sự xác nhận về tác dụng bổ sung của các gene trội có lợi đối với hiện tượng ưu thế lai lại thuộc về Bruce (1910) rút ra từ các công trình thực nghiệm ở đậu Hà Lan. Giả thuyết này cho rằng, ưu thế lai là kết quả của sự tác động tương hỗ giữa nhiều gene trội có lợi cho sự sinh trưởng. Các tính trạng có lợi cho sự sinh trưởng của cơ thể do nhiều gene trội kiểm soát, còn các gene lặn tương ứng thì có tác dụng Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp   Page 9