Tài liệu Phân lập và thiết kế vector biểu hiện gen zmnf yb2 và zmnac1 nhằm đáp ứng khả năng chống chịu với điều kiện hạn hán ở cây ngô​

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT -------------------------- NGUYỄN HỮU KIÊN PHÂN LẬP VÀ THIẾT KẾ VECTOR BIỂU HIỆN GEN ZmNF-YB2 VÀ ZmNAC1 NHẰM ĐÁP ỨNG KHẢ NĂNG CHỐNG CHỊU VỚI ĐIỀU KIỆN HẠN HÁN Ở CÂY NGÔ LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC HÀ NỘI, năm 2014 Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT --------------------------- NGUYỄN HỮU KIÊN PHÂN LẬP VÀ THIẾT KẾ VECTOR BIỂU HIỆN GEN ZmNF-YB2 VÀ ZmNAC1 NHẰM ĐÁP ỨNG KHẢ NĂNG CHỐNG CHỊU VỚI ĐIỀU KIỆN HẠN HÁN Ở CÂY NGÔ Chuyên ngành : Sinh học thực nghiệm Mã số: 60420114 LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Văn Đồng HÀ NỘI, năm 2014 Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn MỤC LỤC Lời cảm ơn…………………………………………………………………………………i Lời cam đoan……………………………………………………………………...………ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT…………………………………..iii DANH MỤC CÁC BẢNG……………………………………………………………......v DANH MỤC CÁC HÌNH……………………………………………………………….vi MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ................................................................................ 4 1.1. Tổng quan về cây ngô ........................................................................................... 4 1.1.1. Nguồn gốc địa lý của cây ngô...................................................................................... 4 1.1.2. Nguồn gốc di truyền của cây ngô................................................................................ 5 1.1.3. Đặc điểm nông sinh học của cây ngô ......................................................................... 6 1.1.4. Vai trò của cây ngô trong nền kinh tế ........................................................................ 6 1.1.5. Tình hình sản xuất ngô trên thế giới và Việt Nam.................................................... 9 1.1.5.1. Tình hình sản xuất ngô trên thế giới .......................................................................... 9 1.1.5.2. Tình hình sản xuất ngô ở Việt Nam ......................................................................... 10 1.2. Tình hình phát triển ngô biến đổi gen trên thế giới và ở Việt Nam ............... 11 1.2.1. Các phương pháp chuyển gen vào ngô .................................................................... 11 1.2.2. Thành tựu và triển vọng của cây ngô biến đổi gen trên thế giới và Việt Nam .... 13 1.3. Ảnh hƣởng của hạn hán đến cây trồng và phản ứng của cây trồng với điều kiện hạn hán ............................................................................................................... 16 1.3.1. Hạn hán và nhu cầu tạo cây trồng kháng hạn ............................................ 16 1.3.2. Khái niệm về tính chiu hạn và phản ứng của cây trồng với điều kiện hạn17 1.4. Tổng quan về gen NF-YB2 và NAC1 ................................................................. 19 1.4.1. Khái niệm và vai trò của các nhân tố phiên mã với điều kiện bất lợi phi sinh học……………………………………………………………………………………...19 1.4.2. Tổng quan về gen NF-YB2 ........................................................................................ 20 1.4.3. Tổng quan về gen NAC1 ............................................................................................ 22 Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Chƣơng 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................... 26 2.1. Vật liệu nghiên cứu ............................................................................................. 26 2.1.1. Vật liệu thực vật ............................................................................................................... 26 2.1.2. DNA plasmid và chủng vi khuẩn ................................................................................... 26 2.1.3. Hóa chất ............................................................................................................................ 26 2.1.4. Các thiết bị máy móc........................................................................................................ 27 2.1.5. Địa điểm nghiên cứu ....................................................................................................... 27 2.2. Phƣơng pháp ....................................................................................................... 27 2.2.1. Phương pháp tìm kiếm dữ liệu và thiết kế mồi đặc hiệu cho gen ZmNF-YB2 và ZmNAC1 ..................................................................................................................................... 27 2.2.2. Phương pháp tổng hợp cDNA........................................................................................ 28 2.2.3. Tách dòng gen ZmNF-YB2 và ZmNAC1 từ cDNA của giống NTCB ...................... 32 2.2.4. Thiết kế vector siêu biểu hiện gen ZmNF-YB2 và ZmNAC1 ..................................... 37 2.2.5. Khảo sát khả năng tiếp nhận gen ZmNF-YB2 và ZmNAC1 của một số dòng ngô Việt Nam ...................................................................................................................................... 42 2.2.6. Các chỉ tiêu theo dõi và đánh giá ................................................................................... 43 Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................................... 44 3.1. Kết quả tách chiết RNA tổng số từ giống NTCB ............................................. 44 3.2. Kết quả phân lập gen ZmNF-YB2 và ZmNAC1 từ cDNA của giống NTCB .. 45 3.3. Thiết kế vector siêu biểu hiện pZY:CaMV35S::ZmNF-YB2 và pZY:CaMV5S::ZmNAC1 ........................................................................................... 51 3.4. Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận gen của một số dòng ngô Việt Nam sử dụng vector pZY:CaMV35S::ZmNFYB2 và pZY:CaMV35S::ZmNAC1 ................ 55 3.4.1. Kết quả biến nạp gen ZmNF-YB2 và ZmNAC1 vào các dòng ngô ........................... 55 3.4.2. Kết quả phân tích các cây mang gen ZmNF-YB2 và ZmNAC1 bằng kỹ thuật PCR……………………………………………………………………………………...59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................... 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................ 63 PHỤ LỤC………………………………………………………………………………68 Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn i Lời cảm ơn Trước hết. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô và cán bộ công tác tại Viện Sinh thái và Tài nguyên Sinh vật đã dạy dỗ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập tại viện. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Văn Đồng, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và hỗ trợ tôi trong suốt quá trình công tác cũng như trong thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. Nhân dịp này, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các cán bộ, anh, chị, em trong Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ Tế bào Thực vật, Viện Di truyền Nông nghiệp đã giúp đỡ và động viên tôi trong quá trình công tác và nghiên cứu khoa học vừa qua. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã nhiệt tình động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu khoa học cũng như trong cuộc sống. Luận văn này được thực hiện từ nguồn kinh phí từ đề tài “Nghiên cứu tạo giống ngô chịu hạn bằng công nghệ gen” thuộc chương trình đề tài cấp nhà nước về lĩnh vực CNSH Nông nghiệp. Xin chân thành cảm ơn! Hà nội, tháng năm 2014 Nguyễn Hữu Kiên Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ii Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đã trực tiếp thực hiện các nghiên cứu trong luận văn này. Mọi kết quả thu được nguyên bản, không chỉnh sửa hoặc sao chép từ các nghiên cứu khác, các số liệu, sơ đồ kết quả của luận văn này chưa từng được công bố. Mọi dữ liệu hình ảnh, biểu đồ và trích dẫn tham khảo trong luận văn đều được thu thập và sử dụng từ nguồn dữ liệu mở hoặc với sự đồng ý của tác giả. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với những lời cam đoan trên! Tác giả Nguyễn Hữu Kiên Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AS Acetosyringone A.tumefaciens Agrobacterium tumefaciens BAP 6-Benzyl Amino Purine (Benzyladeninpurin) Bp Base pair cDNA Complementary DNA Cs Cộng sự CTAB Cetyl Trimethyl Ammonium Bromide DNA Deoxyribonucleic Acid DEPC Diethyl pyrocarbonate dNTP Deoxyribonucleotide triphosphate E.coli Escherichia coli EDTA Ethylen dimine tetra acetic acid g/l Gam/lít IPTG Isopropylthio-beta-D-galactoside Kb Kilobase kDa KiloDalton Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iv LB Luria Bertani mg/l Miligam/lít NTCB Ngô tẻ cao bằng OD Optical density PCR Polymerase Chain Reaction RNA Ribonucleic Acid Rnase Ribonuclease SDS Sodium dodecyl sulphate TAE Tris-Acetic acide-EDTA Taq polymerase Thermus aquaticus polymerase TE Tris-EDTA X-Gal 5-brom-4-chloro-3-indolyl-β-D-galactosidase Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Dự báo nhu cầu ngô thế giới đến năm 2020 ....................................................... 9 Bảng 1.2. Diện tích, năng suất, sản lượng ngô trên thế giới 2009 – 2012 ........................ 10 Bảng 1.3. Sản xuất ngô Việt Nam từ năm 2009 – 2012 ..................................................... 11 Bảng 2.1. Trình tự các cặp mồi sử dụng trong nghiên cứu ............................................... 27 Bảng 2.2. Thành phần phản ứng ........................................................................................ 29 Bảng 2.3. Thành phần phản ứng ........................................................................................ 31 Bảng 2.4. Thành phần phản ứng tổng hợp cDNA .............................................................. 31 Bảng 2.5. Thành phần phản ứng PCR gen ZmNF-YB2 và ZmNAC1 từ cDNA ................. 32 Bảng 2.6. Chu trình nhiệt phản ứng PCR .......................................................................... 33 Bảng 2.7. Thành phần phản ứng gắn 3’A Overhang ......................................................... 34 Bảng 2.8. Thành phần phản ứng gắn đoạn gen vào vector tách dòng .............................. 35 Bảng 2.9. Thành phần phản ứng PCR từ khuẩn lạc .......................................................... 36 Bảng 2.10. Thành phần phản ứng cắt enzyme giới hạn ..................................................... 37 Bảng 2.11. Thành phần phản ứng cắt DNA plasmid ......................................................... 38 Bảng 2.12. thành phần phản ứng loại nhóm 5’ phosphatase ............................................ 39 Bảng 2.13. Thành phần phản ứng gắn đoạn gen vào vector ............................................. 39 Bảng 2.14. Thành phần phản ứng cắt plasmid pZY:CaMV35S ......................................... 40 Bảng 3.1. Kết quả tách chiết RNA tổng số của giống NTCB ............................................. 44 Bảng 3.2. Kết quả biến nạp vector pZY:CaMV35S::ZmNF-YB2 và pZY:CaM35S::ZmNAC1 vào 3 dòng ngô Việt Nam ........................................................... 56 Bảng 3.3. Kết quả phân tích các dòng ngô chuyển gen ZmNF-YB2 và ZmNAC1 thế hệ T0 của 3 dòng ngô sử dụng biến nạp ....................................................................................... 59 Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Cơ chế đáp ứng của thực vật trong điều kiện hạn hán ...................................... 19 Hình 2.1. Vector plasmid pGEM-T Easy mở vòng ............................................................ 35 Hình 2.2. Bản đồ cấu trúc vector biểu hiện pZY:CaMV35S .............................................. 38 Hình 3.1. Kết quả điện di kiểm tra RNA tổng số ............................................................... 45 Hình 3.2. Kết quả khuếch đại gen ZmNF-YB2 từ cDNA ................................................... 46 Hình 3.3.a. Kết quả PCR gen ZmNAC1 từ các cDNA; b. Kết quả PCR đoạn gen ZmNAC1 dự kiến sau khi xử lý với sorbitol 12 giờ ............................................................................ 47 Hình 3.4.a. Kết quả điện điện di kiểm tra sản phẩm PCR từ khuẩn lạc mang gen ZmNFYB2; b. Kết quả kiểm tra sản phẩm PCR khuẩn lạc mang gen ZmNAC1 .......................... 49 Hình 3.5. Cấu trúc vector siêu biểu hiện pZY:CaMV35S::ZmNF-YB2 ............................. 52 Hình 3.6. Cấu trúc vector siêu biểu hiện pZY:CaMV35S::ZmNAC1 ................................ 52 Hình 3.7.a. Kết quả PCR gen ZmNF-YB2 sử dụng cặp mồi 35S-F/ZmNF-YB2Asc-R; b. Kết quả PCR khuẩn lạc sử dụng cặp mồi 35S-F/ZmNAC1BamHI-R................................. 53 Hình 3.8.a. Kết quả cắt vector pZY:CaMV35S::ZmNF-YB2 bằng enzyme giới hạn AscI; b. Kết quả cắt vector pZY:CaMV35S::ZmNAC1 bằng enzyme giới hạn BamHI ............... 54 Hình 3.9. Quy trình biến nạp gen ZmNF-YB2 và ZmNAC1 vào các dòng ngô Việt Nam . 59 Hình 3.10. Kết quả phân tích PCR gen chọn lọc (Bar) của các cây ngô chuyển genZmNFYB2 thế hệ To ...................................................................................................................... 60 Hình 3.11. Kết quả phân tích PCR gen đích ZmNF-YB2 của các cây ngô chuyển gen thế hệ To ................................................................................................................................... 60 Hình 3.12. Kết quả phân tích PCR gen chọn lọc (Bar) của các cây ngô chuyển gen ZmNAC1 thế hệ To ............................................................................................................. 61 Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 1 MỞ ĐẦU Ngô có tên khoa học (Zea mays L.) là một trong ba cây lương thực quan trọng nhất trên thế. So với lúa mì và lúa gạo thì ngô đứng thứ ba về diện tích, thứ hai về năng suất nhưng thứ nhất về sản lượng, ngô được trồng ở hơn 100 quốc gia trên thế giới tập trung ở các nước Mỹ, Trung Quốc, Braxin, Mehicô, Pháp và Ấn Độ [65].Tính đến năm 2012 diện tích trồng ngô thế giới vào khoảng 177,38 triệu ha, năng suất 4,92 tấn/ha, sản lượng đạt 872 triệu tấn. Theo dự đoán vào năm 2020, nhu cầu ngô sẽ tăng lên 50% với hơn 800 triệu tấn một năm hiện nay và có thể vượt qua cả lúa gạo và lúa mì [44]. Hiện nay, các giống ngô biến đổi gen chiếm 26% tổng diện tích cây ngô trên thế giới [66]. Nông nghiệp hiện đang sử dụng 70% nguồn nước ở các nước đang phát triển và 86% nguồn nước đối với các nước phát triển trong khi đó nguồn nước ngọt đang ngày càng trở nên khan hiếm do hiện tượng biến đổi khí hậu, vì vậy các giống ngô chịu hạn và có khả năng sử dụng nước hiệu quả đang được coi là hướng ưu tiên nghiên cứu nhằm phát triển giống ngô trong tương lai. Cả hai phương pháp chọn giống truyền thống và chọn giống bằng công nghệ sinh học đều đang được áp dụng để chọn tạo ra các giống cây trồng có khả năng chịu hạn. Trong đó nghiên cứu chọn tạo giống ngô biến đổi gen chịu hạn là một hướng nghiên cứu rất được chú trọng trên thế giới. Những nghiên cứu về phản ứng của cây trồng đối với điều kiện trồng trọt thiếu nước ngày càng trở nên quan trọng trong bối cảnh khí hậu trái đất thay đổi dẫn đến diện tích khô hạn ngày một tăng [43]. Khi gặp điều kiện thiếu nước, cây trồng thường có những phản ứng sinh lý chung, phức tạp để thích nghi và tồn tại. Điều kiện thiếu nước sẽ làm cho thực vật đóng các khí khổng, giảm hô hấp và quang hợp, giảm thể tích nước trong các mô thực vật, quá trình sinh trưởng chậm lại, hệ rễ phát triển xuyên sâu và lan rộng để hút nước.... [34]. Các nghiên cứu về khả năng chịu hạn và chọn giống ngô chuyển gen chịu hạn đang được đồng loạt tiến hành ở nhiều phòng thí nghiệm, bởi công ty giống trên thế giới, ở nhiều mức độ khác nhau, từ nghiên cứu cơ chế cơ bản cho đến nghiên cứu ứng dụng chuyển gen Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 2 tạo giống mới. Tuy nhiên, khả năng chịu hạn là một tính trạng phức tạp, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng một chiến lược chọn tạo cây ngô chịu hạn biến đổi gen hiệu quả là chiến lược sử dụng cùng một lúc nhiều gen chịu hạn hiệu quả hoặc sử dụng một gen điều khiển có tác dụng điều khiển nhiều gen tham gia quá trình chịu hạn [14]. Khả năng chịu hạn ở cây trồng nói chung và ở ngô nói riêng là tính trạng được kiểm soát bởi nhiều gen. Những công trình nghiên cứu về cơ chế phân tử của khả năng chịu hạn của thực vật trong những năm gần đây đã chỉ ra rằng: các gen tham gia vào quá trình chịu hạn của thực vật được chia thành hai nhóm: Nhóm1- gen điều khiển (gen tổng hợp protein điều khiển quá trình phiên mã - transcription factor, kinase...) và Nhóm 2- gen chức năng (gen tham gia vào quá trình tổng hợp photphatase, protease, late embryogenesis abundant (LEA), các protein sinh tổng hợp amino acid, đường: proline, mannitol, sorbitol làm cho thực vật tạo ra hàng loạt phản ứng sinh hoá và sinh lí để tồn tại và thích nghi) [25]. Xuất phát từ những vấn đề và yêu cầu cấp thiết này, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài “Phân lập và thiết kế vector biểu hiện gen ZmNF-YB2 và ZmNAC1 nhằm đáp ứng khả năng chống chịu với điều kiện hạn hán ở cây ngô”. Mục đích của đề tài Phân lập và thiết kế vector nhằm tăng cường sự biểu hiện của gen ZmNF-YB2 và ZmNAC1 phục vụ cho công tác chọn tạo các dòng ngô biến đổi gen có khả năng chiu hạn. Yêu cầu của đề tài - Phân lập gen ZmNF-YB2 và ZmNAC1 từ giống ngô Tẻ Cao Bằng. - Thiết kế các vector siêu biểu hiện gen ZmNF-YB2 và ZmNAC1. - Khảo sát khả năng tiếp nhận gen ZmNF-YB2 và ZmNAC1 đối với các dòng ngô chọn lọc Việt Nam. Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 3 Ý nghĩa của đề tài Ý nghĩa khoa học - Thực hiện đề tài này giúp chúng tôi có thêm kinh nghiệm, kiến thức về các kỹ thuật phân lập, tách chiết gen, thiết kế vector biểu hiện gen từ vật liệu, đối tượng quan tâm, ngoài ra còn cung cấp thêm hiểu biết về các kỹ thuật chuyển nạp gen vào thực vật mà công nghệ sinh học hiện đại đang áp dụng. - Kết quả nghiên cứu của để tài sẽ cung cấp các vật liệu khởi đầu cho việc nghiên cứu chức năng gen ZmNF-YB2 và ZmNAC1. Ý nghĩa thực tiễn Ngoài ý nghĩa về khoa học, vấn đề nghiên cứu trong đề tài của chúng tôi còn có ý nghĩa trong thực tiễn. Việc thiết kế thành công các vector biểu hiện mang gen ZmNF-YB2 và ZmNAC1 phục vụ cho việc chuyển gen vào các giống ngô Việt Nam bước đầu tạo thuận lợi cho công tác chọn tạo giống ngô chống chịu các bất lợi phi sinh học nói chung ở Việt Nam. Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 4 Chƣơng 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Tổng quan về cây ngô 1.1.1. Nguồn gốc địa lý của cây ngô Căn cứ vào những nghiên cứu về nguồn gốc cây trồng của Vavilov (1926) đã chứng minh rằng: Miền Trung Nam Mexico là Trung tâm phát sinh thứ nhất và vùng núi Andet thuộc Peru là Trung tâm phát sinh thứ 2 của cây ngô [59]. Năm 1948 người ta đã tìm thấy hóa thạnh của phấn ngô được khai quật ở Bellar Arter – Mexico, điều này đã khẳng định những nhận định của Vavilov là đúng đắn. Từ đây, bằng nhiều con đường ngô đã phân bố ra hầu hết các nước thuộc Châu Mỹ, lên phía Bắc, sang phía Tây của Hoa Kỳ và vượt đại dương đến các đảo thuộc vịnh Caribe. Dưới sự tác động mạnh mẽ của con người trong công tác chọn tạo giống, cây ngô đã nhanh chóng thích nghi với nhiều vùng sinh thái khác nhau và đã hình thành một vùng “vành đai ngô” nổi tiếng của Mỹ với các giống ngô lai đầu tiên. Từ Peru cây ngô đã lan truyền xuống phía Nam Chile, đến Ecuador, Columbia và nhiều vùng thuộc nước Brazil. Cây ngô được đưa vào Châu Âu từ sau chuyến thám hiểm của Colombus năm 1493. Ở đây người ta đã nhanh chóng nhận ra giá trị lương thực của nó, nên cây ngô đã được trồng rộng rãi và nhanh chóng lan truyền ra các nước trong châu lục. Vào khoảng 1521 cây ngô được đưa vào Ấn Độ, Indonesia và năm 1575 ngô được nhập vào Trung Quốc. Theo nhà bác học Lê Quý Đôn, cây ngô được đưa vào Việt Nam từ cuối thế kỷ 17 (thời Khang Hy) do ông Trần Thế Vinh đi sứ Trung Quốc về và được trồng đầu tiên ở Sơn tây và gọi là “ngô”. Nhờ những đặc điểm quý cây ngô sớm được người Việt Nam chấp nhận và mở rộng sản xuất, coi như là một trong các cây lương thực chính chỉ sau cây lúa nước về mặt diện tích nhưng lại là cây năng suất và giá trị kinh tế cao nhất. Cây ngô có khả năng thích ứng rộng, có thể trồng được nhiều vụ trong năm và trồng được hầu hết các vùng sinh thái khác nhau trong nước, đặc biệt là vùng đất cao không có khả năng tưới tiêu. Đối với vùng núi phía Bắc và Tây Nguyên ngô là cây lương thực chính của đồng bào các dân tộc. Trải qua các Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 5 giai đoạn phát triển, cây ngô ở Việt Nam ngày càng được hoàn thiện và tăng mạnh về diện tích cũng như năng suất. Việc mở rộng diện tích trồng ngô, cùng với sử dụng những giống cho năng suất cao đã góp phần to lớn trong giải quyết nhu cầu lương thực, thực phẩm, làm thức ăn gia súc và sử dụng trong các ngành công nghiệp [7]. 1.1.2. Nguồn gốc di truyền của cây ngô Không giống các cây ngũ cốc khác như lúa mỳ và đại mạch, ngô là những cây được thuần dưỡng và tiến hóa từ cây hoang dại làm cây lương thực từ thời cổ đại, cây ngô không có dạng hoang dại nào được tìm thấy ngày nay. Các nhà khoa học đã chỉ ra ngô là cây trồng cho năng suất cao với cấu trúc sinh sản như hiện nay không thể tồn tại trong điều kiện tự nhiên quá 2 năm. Muốn sống sót trong điều kiện chọn lọc tự nhiên đòi hỏi phải có cơ chế phát tán hạt giống, như kiểu quả dễ vỡ, cấu trúc hình thái kiểu lông cứng dễ vướng vào lông thú hay cấu trúc và kích thước cho phép chuyển động, phát tán theo gió. Nhưng ở ngô không có kiểu cấu tạo vậy. Hạt trưởng thành được giấu kín trong lá bi, khi chúng rơi xuống đất hoặc bị phân hủy hoặc nảy mầm mọc thành cụm, những cụm này có thể không tạo ra con cháu vì độ cạnh tranh giữa các cá thể quá cao. Nếu bị muông thú ăn, hạt dễ dàng bị tiêu hóa mà không được cơ thể động vật thải ra nguyên hạt để nảy mầm, mọc, rồi sinh sản vì những hạt này không được bảo vệ trong vỏ cứng. Nếu không có sự chăm sóc của con người, cây ngô sẽ bị tuyệt chủng qua vài thế hệ [6]. Nguồn gốc di truyền của cây ngô là một đề tài được tranh luận sôi nổi trong suốt 50 năm qua, cho đến nay có nhiều giả thuyết về nguồn gốc di truyền cây ngô và được tóm lược như sau [6]: 1). Là con lai giữa teosinte và thành viên không rõ thuộc chi Andropogoneae. 2). Là con lai nhị bội tự nhiên giữa các loài Á châu thuộc chi Maydeae và Andropogoneae. 3). Là con lai giữa ngô bọc, teosinte và tripsacum. 4). Là con lai của ngô bọc Nam Mỹ và tripsacum Trung Mỹ với teosinte. 5). Ngô, teosinte và tripsacum bắt nguồn riêng từ một dạng tổ tiên chung. 6). Teosinte là nguồn gốc của ngô sau một hoặc nhiều đột biến. Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 6 1.1.3. Đặc điểm nông sinh học của cây ngô Các giống ngô ở Việt Nam có những đặc điểm như chiều cao cây, thời gian sinh trưởng, chống chịu sâu bệnh và thích ứng với các điều kiện ngoại cảnh khác nhau. Song cây ngô có những đặc điểm chung về hình thái, giải phẫu. Các bộ phận của cây ngô bao gồm: rễ, thân, lá, hoa (bông cờ) và hạt. Cơ quan sinh dưỡng của cây ngô gồm có: Rễ, thân, lá làm nhiệm vụ duy trì dinh dưỡng cho cây ngô. Hạt được coi là cơ quan khởi đầu của cây, khi hạt nảy mầm sẽ phát triển thành cây. Hoa ngô thuộc loại đơn tính. Chùm hoa đực phát sinh ở đầu ngọn thân thường gọi là bông cờ. Hoa đực nằm ở đỉnh thân gồm một trụ chính, trụ phân thành nhiều nhánh, nhánh lại được phân thành nhiều nhánh nhỏ. Khi bông cờ chín sẽ bắt đầu tung phấn, thời gian tung phấn khoảng từ 5-8 ngày khi thời tiết ấm. Nếu gặp thời tiết lạnh thời gian tung phấn sẽ dài hơn trong khoảng 8-10 ngày. Hoa cái (bắp ngô) phát sinh từ chồi nách các lá song chỉ 1 – 3 chồi khoảng giữa thân mới tạo thành bắp. Mỗi cây thường có 2-3 bắp, số hạt trên bắp, vị trí đóng bắp, thời gian phun dâu, trỗ cờ,… khác nhau tùy từng giống, điều kiện thời tiết [6]. 1.1.4. Vai trò của cây ngô trong nền kinh tế Cây ngô được toàn thế giới gieo trồng là do vai trò quan trọng của nó trong nền kinh tế. Vai trò đó thể hiện qua các mặt sau: 1.1.4.1. Ngô làm lương thực cho con người Ngô là cây lương thực quan trọng trên toàn thế giới bên cạnh lúa mì và lúa gạo. Tất cả các nước trồng ngô nói chung đều ăn ngô ở mức độ khác nhau. Toàn thế giới (giai đoạn 1995 – 1997) sử dụng 17% sản lượng ngô làm lương thực cho con người, trong đó ở các nước đang phát triển là 30%, các nước phát triển là 4%. Các nước ở Trung Mỹ, Nam Á và châu Phi sử dụng ngô làm lương thực chính. Các nước Đông Nam Phi sử dụng 72% sản lượng ngô làm lương thực chính. Tây Trung Phi 66%, Bắc Phi 45%, Tây Á 23%, Nam Á 75%, Đông Nam Á và Thái Bình Dương 43%, Đông Á 12%, Trung Mỹ và vùng Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 7 Caribe 56%, Nam Mỹ 9%, Đông Âu và Liên Xô cũ 7%, Tây Âu, Bắc Mỹ và các nước phát triển khác 4%. Nếu như ở châu Âu khẩu phần ăn cơ bản là bánh mỳ, khoai tây, sữa; châu Á là cơm (gạo), cá, rau (canh) thì ở châu Mỹ La Tinh là bánh ngô, đậu đỗ và ớt. Vì vậy trên phạm vi thế giới mà nói, ngô sẽ vẫn là cây lương thực rất quan trọng, vì ngô rất phong phú về chất dinh dưỡng. Một số thành phần dinh dưỡng của ngô như sau: - Protein: Ngô có trung bình 10,6% protein, protein chính của ngô là zein, một loại prolamin gần như không có lysine va triptophan. Nếu ăn phối hợp ngô với đậu đỗ và các thức ăn động vật thì giá trị protein trong hạt ngô sẽ tăng lên nhiều. - Lipit: Lipit chiếm 4-5% trong hạt ngô, phần lớn tập trung ở phôi và màng aloron. Trong chất béo của ngô có chứa 50% là axit linoleic, 31% là acid oleic, 13% là axit panmitic và 3% là axit stearic. - Gluxit: Gluxit chiếm khoảng 69% trong hạt ngô chủ yếu là tinh bột. Ở hạt ngô non còn có thêm một số loại đường đơn và đường kép. - Chất khoáng: Ngô nghèo canxi, giàu photpho. - Vitamin: Vitamin của ngô tập trung ở lớp ngoài hạt ngô và ở mầm. Ngô có nhiều vitamin B1, riêng ngô vàng có chứa nhiều carotene (tiền vitamin A) [3]. Mặt khác trong đông y, ngô cũng có giá trị trong điều trị một số bệnh. Dâu ngô và ruột cây ngô có vị ngọt, có tác dụng lợi tiểu, thông mật, cầm máu. 1.1.4.2. Ngô làm thức ăn chăn nuôi Phải nói rằng ngô là cây thức ăn chăn nuôi quan trọng nhất hiện nay. Hầu như 70% tinh bột sử dụng trong chăn nuôi được tổng hợp từ ngô, 71% sản lượng ngô trên thế giới sử dụng làm thức ăn chăn nuôi. Ở các nước phát triển sản lượng ngô chủ yếu được sử dụng cho chăn nuôi như: Mỹ sử dụng 76%, Bồ Đào Nha 91%, Italia 90%, Croatia 95%, Trung Quốc 76%, Thái Lan 96%. Ngoài việc cung cấp chất tinh, cây ngô còn là thức ăn xanh và ủ chua lý tưởng cho đại gia súc, đặc biệt là bò sữa [6]. Hiện nay, Việt Nam cũng dùng ngô làm thức ăn chăn nuôi là chính (khoảng 90%) song tỷ lệ ngô trong tổng số chất tinh chỉ khoảng 50% vì ta còn dùng thêm gạo gẫy, cám, Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 8 bột sắn… Nhu cầu thức ăn chăn nuôi ở nước ta hiện nay là rất lớn khoảng 8 triệu tấn/năm, vì vậy ngô cần thiết đòi hỏi hàng năm là 4 triệu tấn. Nhu cầu ngô sẽ ngày một tăng vì ngành chăn nuôi đang phát triển rất mạnh, kết hợp với ngành thủy sản cũng tiêu thụ một lượng ngô rất lớn làm thức ăn cho nuôi tôm, cá [6]. 1.1.4.3. Ngô làm thực phẩm Những năm gần đây cây ngô còn là cây thực phẩm, người ta dùng bắp ngô bao tử làm rau cao cấp. Nghề này phát triển rất mạnh, mang lại hiệu quả cao ở Thái Lan, Đài Loan. Sở dĩ ngô rau được ưa dùng vì nó sạch và có hàm lượng dinh dưỡng cao. Các loại ngô nếp, ngô đường (ngô ngọt) được dùng làm quả ăn tươi (luộc, nướng) hoặc đóng hộp làm thực phẩm xuất khẩu. Ngoài ra còn có ngô rau để xào với thịt, nấu súp, ngô ngọt để xào, làm kem và sữa ngô… Ở một số nước Mỹ La Tinh và châu Phi người dân còn sử dụng dạng huyền phù của bột ngô làm thức uống hàng ngày trong gia đình [6]. 1.1.4.4. Ngô cung cấp nguyên liệu cho công nghiệp Ngoài việc ngô là nguyên liệu chính cho các nhà máy thức ăn chăn nuôi tổng hợp, ngô còn nguyên liệu cho các nhà máy sản xuất rượu cồn, tinh bột, dầu, glucoza, bánh kẹo,… Ngô đã được sử dụng sản xuất cho khoảng 670 mặt hàng khác nhau liên quan đến ngành công nghiệp lương thực – thực phẩm, công nghiệp dược và công nghiệp nhẹ. Ví dụ nước Mỹ hàng năm sử dụng 18% tổng sản lượng ngô để sản xuất tinh bột, 37% sản xuất cồn và 5,8% sản xuất bánh kẹo [6]. 1.1.4.5. Ngô là nguồn hàng hóa xuất khẩu Trên thế giới hàng năm lượng ngô xuất nhập khẩu khoảng 80 – 90 triệu tấn bằng 11,5% tổng sản lượng ngô với giá bình quân trên dưới 100 USD/tấn. Đó là một nguồn lợi lớn của các nước xuất khẩu. Các nước xuất khẩu chính là Mỹ, Argentina, Trung Quốc, Hungary, Nam Phi, Rumania. Các nước nhập khẩu chính là Nhật Bản, Hàn Quốc, Angerie, Mexico, Malaysia, EU, Ai Cập, Iran và Colombia [6]. Tình hình xuất nhập khẩu ngô ở Việt Nam không thể hiện trên số liệu thống kê song hoạt động này cũng có thể xẩy ra bằng con đường tiểu ngạch với khoảng trên dưới Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 9 300.000 tấn/năm. Cụ thể, các nhà máy thức ăn chăn nuôi thì nhập khẩu, một số tỉnh biên giới thì xuất khẩu. Như vậy có thể thấy rằng nhu cầu ngô của thế giới là rất lớn và có chiều hướng tăng nhanh trong những năm tới. Viện Nghiên cứu chương trình lương thực thế giới (IFPRI) dự báo nhu cầu ngô trên thế giới vào năm 2020 lên đến 852 triệu tấn, tăng 45% so với năm 1997 (bảng 1.1). Bảng 1.1. Dự báo nhu cầu ngô thế giới đến năm 2020 Vùng 1997 (triệu tấn) 2020 (triệu tấn) % thay đổi Thế giới 586 852 45 Các nước đang phát triển 295 508 72 Đông Á 136 252 85 Nam Á 14 19 36 Cận Sahara-châu Phi 29 52 79 Mỹ La Tinh 75 118 57 Tây và Bắc Phi 18 28 56 Nguồn: IFPRI, 2003[21] 1.1.5. Tình hình sản xuất ngô trên thế giới và Việt Nam 1.1.5.1. Tình hình sản xuất ngô trên thế giới Trên thế giới, ngô chiếm thứ 3 về diện tích, sản lượng xếp thứ 2 và năng suất cao nhất trong các cây ngũ cốc. Ngành sản xuất ngô trên thế giới tăng liên tục từ đầu thế kỉ 20 đến nay, nhất là trong hơn 40 năm gần đây. Năm 2009 sản lượng ngô trung bình của thế giới là 820 triệu tấn, năm 2010 đã đạt 851 triệu tấn. Năm 2012 theo FAOSTAT, sản lượng ngô trên toàn thế giới đã đạt 872 triệu tấn (bảng 1.2.) [30]. Các kết quả trên đạt được là nhờ ứng dụng rộng rãi thuyết ưu thế lai và cải tiến kĩ thuật canh tác. Đặc biệt từ 10 năm trở lại đây với sự phát triển vượt bậc của công nghệ sinh học đã tạo ra nhiều giống ngô vừa có khả năng chống chịu được các điều kiện ngoại cảnh khắc nghiệt vừa giúp nâng cao năng suất và chất lượng ngô. Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 10 Bảng 1.2. Diện tích, năng suất, sản lượng ngô trên thế giới 2009 – 2012 Diện tích Năng suất Sản lƣợng (triệu ha) (tạ/ha) (triệu tấn) 2009 158,85 51,6 820,0 2010 164,31 51,8 851,17 2011 172,05 51,6 888,01 2012 177,38 49,2 872,07 Năm Nguồn: FAOSTAT, 2014 [65] 1.1.5.2. Tình hình sản xuất ngô ở Việt Nam Ở nước ta ngô được trồng ở hầu hết các địa phương có địa hình đất cao, dễ thoát nước. Những vùng trồng ngô lớn là Đông Nam Bộ, Tây Nguyên, miền núi phía Bắc, Trung du đồng bằng Sông Hồng, Duyên Hải Miền Trung. Trong đó các tỉnh miền núi phía Bắc chủ yếu sử dụng các giống ngô địa phương. Năng suất ngô Việt Nam những năm 1960 đạt 1 tấn/ha, với diện tích hơn 200 nghìn ha [6]. Đến đầu những năm 1980 năng xuất chỉ đạt 1,1 tấn/ha do vẫn trồng các giống ngô địa phương với kĩ thuật thâm canh lạc hậu. Từ giữa những năm 1980, nhờ hợp tác kĩ thuật với Trung tâm Cải tạo Ngô và Lúa mỳ Quốc tế (CIMMYT), nhiều giống ngô cải tiến đã được đưa vào trồng ở nước ta, góp phần nâng năng xuất lên gần 1,5 tấn/ha vào đầu những năm 1990. Tuy nhiên, ngành sản xuất ngô thực sự có những bước tiến nhảy vọt từ đầu những năm 1990 đến nay, gắn liền với việc không ngừng mở rộng các giống ngô lai ra sản xuất, đồng thời cải tiến kĩ thuật canh tác phù hợp với yêu cầu của giống mới. Năm 2009 diện tích trồng ngô ở Việt Nam là 1089,2 nghìn ha, sản lượng đạt 4,37 triệu tấn (bảng 1.3). Năm 2010 diện tích trồng ngô tăng lên 1126,4 nghìn ha, sản lượng đạt 4,61 triệu tấn. Năm 2011 diện tích trồng ngô là 1121,3 nghìn ha, sản lượng đạt 4,84 triệu tấn. Năm 2012 tuy diện tích trồng ngô là 1118, 2 nghìn ha giảm so với năm 2010 và năm 2011 nhưng sản lượng ngô đạt 4,8 tấn cao hơn sản lượng năm 2010. Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn