›

Luận án Khai thác nguồn gen ngô địa phương và nhập nội phục vụ chọn tạo giống ngô nếp lai thích ứng với điều kiện canh tác tỉnh Lào Cai

pdf 228 trang yendo 4170
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận án Khai thác nguồn gen ngô địa phương và nhập nội phục vụ chọn tạo giống ngô nếp lai thích ứng với điều kiện canh tác tỉnh Lào Cai", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfluan_an_khai_thac_nguon_gen_ngo_dia_phuong_va_nhap_noi_phuc.pdf

Nội dung text: Luận án Khai thác nguồn gen ngô địa phương và nhập nội phục vụ chọn tạo giống ngô nếp lai thích ứng với điều kiện canh tác tỉnh Lào Cai

  1. HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM LÊ THỊ MINH THẢO KHAI THÁC NGUỒN GEN NGÔ ĐỊA PHƯƠNG VÀ NHẬP NỘI PHỤC VỤ CHỌN TẠO GIỐNG NGÔ NẾP LAI THÍCH ỨNG VỚI ĐIỀU KIỆN CANH TÁC TỈNH LÀO CAI HÀ NỘI - 2015
  2. HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM LÊ THỊ MINH THẢO KHAI THÁC NGUỒN GEN NGÔ ĐỊA PHƯƠNG VÀ NHẬP NỘI PHỤC VỤ CHỌN TẠO GIỐNG NGÔ NẾP LAI THÍCH ỨNG VỚI ĐIỀU KIỆN CANH TÁC TỈNH LÀO CAI Chuyên ngành: Di truyền và Chọn giống cây trồng Mã số: 62.62.01.11 Người hướng dẫn khoa học: 1. GS. TS. Vũ Văn Liết 2. TS. Lê Quý Kha HÀ NỘI - 2015
  3. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng dùng bảo vệ để lấy bất kỳ học vị nào. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Tác giả luận án Lê Thị Minh Thảo i
  4. LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án này, tôi đã nhận được sự quan tâm giúp đỡ của các thầy, cô giáo, các tập thể, cá nhân cùng gia đình, bạn bè đồng nghiệp. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS. Vũ Văn Liết - Học viện Nông nghiệp Việt Nam, TS. Lê Quý Kha, Viện Khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp miền Nam, người thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Viện Nghiên cứu và Phát triển Cây trồng, Khoa Nông học, Bộ môn Di truyền giống, Khoa Công nghệ sinh học thuộc Học Viện Nông nghiệp Việt Nam; Viện Nghiên cứu Ngô; Trường Cao đẳng Cộng đồng Lào Cai đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này. Tôi xin chân thành cảm ơn các Anh, Chị em Phòng Cây trồng cạn - Viện Nghiên cứu và Phát triển Cây trồng, Bộ môn Tạo giống ngô - Viện Nghiên cứu Ngô, Khoa Nông lâm - Trường Cao đẳng Cộng đồng Lào Cai, các em sinh viên khóa 58 chuyên ngành Di truyền và Chọn giống cây trồng đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn Lào Cai, huyện Bảo Thắng, huyện Bát Xát đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận án. Sau cùng tôi xin cảm ơn gia đình đã luôn động viên, khích lệ, tạo mọi điều kiện thuận lợi để giúp tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Tác giả Lê Thị Minh Thảo ii
  5. MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục viết tắt vii Danh mục bảng viii Danh mục biểu đồ xi Danh mục hình xii Trích yếu luận án xiii Thesis abstract xvi Phần 1. Mở đầu 1 1.1. Đặt vấn đề 1 1.2. Mục tiêu nghiên cứu 3 1.3. Những đóng góp mới của luận án 3 1.4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tàI 3 Phần 2. Tổng quan tài liệu 5 2.1. Sản xuất ngô trên thế giới và việt nam 5 2.1.1. Sản xuất ngô trên thế giới 5 2.1.2. Sản xuất ngô của Việt Nam 7 2.2. Nguồn gốc, phân loại, đặc điểm cây ngô nếp 8 2.2.1. Nguồn gốc 8 2.2.2. Phân loại thực vật của ngô nếp 10 2.2.3. Đặc điểm của ngô nếp 10 2.3. Đa dạng di truyền nguồn gen ngô nếp 11 2.3.1. Nghiên cứu đa dạng di truyền nguồn gen cây ngô 11 2.3.2. Đa dạng nguồn gen ngô nếp 15 2.3.3. Nghiên cứu đa dạng nguồn gen ngô ở Việt Nam 17 2.4. Nghiên cứu di truyền ở ngô nếp 18 2.5. Nghiên cứu khả năng chịu hạn ở ngô 21 2.6. Nghiên cứu phát triển dòng thuần 24 2.6.1. Phát triển dòng thuần ngô bằng tự phối và chọn lọc 24 iii
  6. 2.6.2. Phát triển dòng đơn bội kép (DH) 25 2.6.3. Thành tựu nghiên cứu phát triển dòng thuần trên thế giới 27 2.6.4. Nghiên cứu phát triển dòng thuần ở Việt Nam 28 2.7. Nghiên cứu khả năng kết hợp chọn tạo ngô nếp 29 2.8. Thành tựu chọn giống ngô nếp trên thế giới và Việt Nam 32 2.8.1 Những thành tựu đạt được trong nghiên cứu ngô trên thế giới 32 2.8.2. Thành tựu đạt được trong nghiên cứu ngô nếp ở Việt Nam 35 Phần 3. Phương pháp nghiên cứu 40 3.1. Vật liệu, thời gian và địa điểm nghiên cứu 40 3.1.1. Vật liệu nghiên cứu 40 3.1.2. Thời gian, địa điểm nghiên cứu 42 3.1.3. Đặc điểm của giống đối chứng 43 3.2. Nội dung nghiên cứu 44 3.3. Phương pháp thí nghiệm 44 3.3.1. Nội dung 1 44 3.3.2. Nội dung 2 45 3.3.3. Nội dung 3 45 3.3.4. Nội dung 4 48 3.3.5. Nội dung 5 50 3.4. Chỉ tiêu theo dõi các thí nghiệm 51 Phần 4. Kết quả nghiên cứu và thảo luận 56 4.1. Kết quả đánh giá đa dạng kiểu hình của 29 mẫu giống ngô nếp địa phương và nhập nội vụ thu đông 2010 tại Lào Cai 56 4.1.1. Thời gian sinh trưởng của các giống ngô 56 4.1.2. Một số đặc điểm hình thái của các giống ngô nếp 58 4.1.3. Khả năng chống chịu trên đồng ruộng và tỷ lệ đổ gãy của các giống ngô 60 4.1.4. Các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất của các mẫu giống ngô nếp 62 4.1.5. Một số chỉ tiêu đánh giá chất lượng cảm quan của các mẫu giống ngô 64 4.1.6. Phân tích đa dạng dựa trên kiểu hình 29 mẫu giống ngô nếp 65 4.2. Đánh giá đặc điểm hình thái, năng suất các dòng ngô nếp đời thấp vụ xuân 2011 tại Gia Lâm, Hà Nội 66 4.2.1. Thời gian sinh trưởng của các dòng ngô nếp đời thấp 66 iv
  7. 4.2.2. Một số đặc điểm hình thái của các dòng ngô nếp 68 4.2.3. Khả năng chống chịu trên đồng ruộng của các dòng ngô nếp 68 4.2.4. Năng suất và yếu tố cấu thành năng suất của các dòng ngô nếp 69 4.2.5. Một số chỉ tiêu đánh giá chất lượng cảm quan của các dòng ngô nếp 72 4.3. Đánh giá knkh chung của các dòng ngô nếp đời thấp trồng vụ thu đông 2011 tại Lào Cai 73 4.3.1. Một số đặc điểm hình thái của các tổ hợp lai (THL) 73 4.3.2. Khả năng chống chịu sâu bệnh của các THL 75 4.3.3. Năng suất và yếu tố cấu thành năng suất của các THL 75 4.3.4. Năng suất thực thu và chất lượng của các THL 78 4.3.5. Khả năng kết hợp của các dòng ngô nếp 80 4.4. Đánh giá đa dạng di truyền dựa vào đặc điểm hình thái và chỉ thị phân tử ssr của 24 dòng thuần vụ thu đông năm 2012 tại Gia Lâm - Hà Nội 82 4.4.1. Thời gian sinh trưởng và hình thái của 24 dòng ngô nếp thuần 83 4.4.2. Một số đặc điểm hình thái của các dòng ngô nếp 84 4.4.3. Năng suất và yếu tố cấu thành năng suất của 24 dòng thuần 85 4.4.4. Khả năng chống chịu và chất lượng ăn tươi của các dòng thuần 88 4.4.5. Phân tích đa dạng di truyền 24 dòng ngô nếp thuần 89 4.5. Đánh giá khả năng chịu hạn của các dòng ngô nếp thuần bằng thí nghiệm chậu vại vụ thu đông năm 2012 tại Hà Nội 93 4.6. Thí nghiệm đánh giá 6 dòng bố mẹ và 15 thl trên đồng ruộng và trong chậu vại vụ xuân 2013 tại Hà Nội 95 4.6.1. Kết quả đánh giá khả năng chịu hạn của 6 dòng bố mẹ và 15 THL bằng gây hạn nhân tạo 95 4.6.2. Thí nghiệm so sánh khả năng chịu hạn của 6 dòng bố mẹ và 15 THL trên đồng ruộng và trong nhà có mái che vụ Xuân 2013 tại Gia Lâm, Hà Nội 100 4.6.3. Đánh giá ưu thế lai trung bình (Hm%) của các tổ hợp ngô nếp lai vụ Xuân 2013 tại Gia Lâm, Hà Nội 112 4.6.4. Phân tích chọn lọc dòng và THL có khả năng chịu hạn 118 4.6.5. Kết quả phân tích khả năng kết hợp của 24 dòng ngô nếp vụ Xuân 2013 tại Gia Lâm, Hà Nội 123 v
  8. 4.7. Kết quả thí nghiệm so sánh các thl ngô nếp triển vọng vụ thu đông 2013 vụ xuân 2014 tại Lào Cai 125 4.7.1. Thời gian sinh trưởng và phát triển của các THL ngô nếp triển vọng 125 4.7.2. Một số đặc điểm hình thái của THL ngô nếp triển vọng 126 4.7.3. Khả năng chống chịu của các THL ngô nếp triển vọng 126 4.7.4. Năng suất và các yếu tố năng suất của một số THL ngô nếp triển vọng 127 4.7.5. Một số chỉ tiêu đánh giá chất lượng cảm quan của tổ hợp lai triển vọng 130 Phần 5. Kết luận và kiến nghị 132 5.1. Kết luận 132 5.2. Đề nghị 133 Danh mục các công trình đã công bố có liên quan đến luận án 134 Tài liệu tham khảo 135 Phụ lục 143 vi
  9. DANH MỤC VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng Việt CDR Chiều dài rễ CHDCND Cộng hòa dân chủ nhân dân CYMMYT International Maize and Wheat Improvement Center (Trung tâm phát triển ngô và lúa mỳ quốc tế) DH Double Haploid (Dòng đơn bội kép) DT Diện tích DTL Diện tích lá ĐK Đường kính ĐR Đồng ruộng GN Giống nếp THL Tổ hợp lai KLTK Khối lượng thân khô KNKH Khả năng kết hợp NC & PTCT Nghiên cứu và Phát triển cây trồng NS Năng suất NSLT Năng suất lý thuyết NSBT Năng suất bắp tươi NSTT Năng suất thực thu PIC Polymorphic information content (Giá trị thông tin đa hình) PR Phun râu SL Sản lượng STT Số thứ tự TCN Tiêu chuẩn ngành TB Trung bình TĐ -13 Thu Đông 2013 TGST Thời gian sinh trưởng TP Tung phấn TTR Thể tích rễ X - 14 Xuân 2014 vii
  10. DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. So sánh tăng trưởng về diện tích (DT), năng suất (NS) và sản lượng (SL) của ba cây lương thực chính từ năm 1961 đến 2013 5 Bảng 2.2. Diện tích, năng suất và sản lượng ngô toàn cầu giai đoạn 1990 - 2013 6 Bảng 2.3. Diện tích, năng suất và sản lượng ngô của các châu lục năm 2013 6 Bảng 2.4. Diện tích, năng suất và sản lượng ngô của Việt Nam từ 1990 đến 2013 8 Bảng 2.5. Một số đặc tính chất lượng của ngô nếp so với ngô thường 11 Bảng 3.1. Danh sách các mẫu giống ngô nếp do Viện Nghiên cứu và Phát triển cây trồng, Học Viện Nông nghiệp Việt Nam cung cấp 40 Bảng 4.1. Các giai đoạn sinh trưởng phát triển của các mẫu giống ngô 57 Bảng 4.2. Một số đặc điểm hình thái của các giống ngô 59 Bảng 4.3. Khả năng chống chịu sâu bệnh và đổ gãy của các giống ngô 61 Bảng 4.4. Các yếu tố cấu thành năng suất của các mẫu giống ngô nếp 63 Bảng 4.5. Một số chỉ tiêu chất lượng cảm quan của các mẫu giống ngô nếp 64 Bảng 4.6. Các giai đoạn sinh trưởng phát triển của các dòng ngô nếp 67 Bảng 4.7. Một số yếu tố cấu thành năng suất của các dòng ngô nếp 70 Bảng 4.8. Một số yếu tố cấu thành năng suất và năng suất thực thu của các dòng ngô nếp 71 Bảng 4.9. Đặc điểm hình thái của các tổ hợp lai 74 Bảng 4.10. Một số chỉ tiêu về bắp của các THL 76 Bảng 4.11. Các yếu tố cấu thành năng suất của các THL 77 Bảng 4.12. Năng suất bắp tươi và năng suất thực thu của các THL 79 Bảng 4.13. Khả năng kết hợp chung của các dòng ngô nếp 80 Bảng 4.14. Một số đặc điểm nông sinh học của 24 dòng ngô nếp thuần 83 Bảng 4.15. Một số đặc điểm hình thái của các dòng thuần 85 Bảng 4.16. Các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất của 24 dòng ngô nếp 86 Bảng 4.17. Năng suất, yếu tố cấu thành năng suất của 24 dòng ngô nếp thuần 87 Bảng 4.18. Khả năng chống chịu và chất lượng cảm quan của các dòng ngô nếp thuần 88 Bảng 4.19. Số alen và giá trị PIC của các chỉ thị SSR sử dụng trong nghiên cứu nhận biết trên 24 dòng ngô thuần 90 Bảng 4.20. Một số đặc điểm về bộ rễ khi gây hạn của các dòng thuần 94 viii
  11. Bảng 4.21. Đặc điểm về diện tích và khối lượng thân khô của các dòng bố mẹ và các THL trong thí nghiệm vụ Xuân 2013 tại Hà Nội 96 Bảng 4.22. Thể tích rễ và chiều dài rễ của các dòng bố mẹ và THL trong thí nghiệm chậu vại vụ Xuân 2013 tại Hà Nội 98 Bảng 4.23. Một số chỉ tiêu về bộ rễ của các dòng thuần và THL trồng vụ Xuân 2013 tại Hà Nội 99 Bảng 4.24. So sánh các giai đoạn sinh trưởng của các vật liệu thí nghiệm trong nhà có mái che ở 4 thời điểm gây hạn 101 Bảng 4.25. So sánh chiều cao cây của các mẫu giống ngô trong thí nghiệm đồng ruộng và trong nhà mái che 102 Bảng 4.26. So sánh chiều dài bắp của các dòng bố mẹ và THL ngô nếp trong thí nghiệm đồng ruộng và trong nhà mái che 104 Bảng 4.27. So sánh khối lượng 1000 hạt của các dòng và THL ngô nếp trong thí nghiệm đồng ruộng và trong nhà mái che 106 Bảng 4.28. So sánh năng suất thực thu của các dòng và THL ngô nếp trong thí nghiệm đồng ruộng và trong nhà mái che 108 Bảng 4.29. Ưu thế lai của các THL so với trung bình bố mẹ về năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất trong điều kiện đồng ruộng vụ Xuân 2013 tại Gia Lâm, Hà Nội 113 Bảng 4.30. Ưu thế lai của các THL so với trung bình bố mẹ về năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất trong nhà mái che thời điểm gây hạn I (vào chắc) 114 Bảng 4.31. Ưu thế lai của các THL so với trung bình bố mẹ về năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất trong nhà mái che thời điểm gây hạn II (trỗ cờ - phun râu) 115 Bảng 4.32. Ưu thế lai của các THL so với trung bình bố mẹ về năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất trong nhà mái che thời điểm gây hạn III (xoắn nõn) 116 Bảng 4.33. Ưu thế lai của các THL so với trung bình bố mẹ về năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất trong nhà mái che thời điểm gây hạn IV (7 - 9 lá) 117 ix
  12. Bảng 4.34. Ưu thế lai của các THL so với trung bình bố mẹ về chỉ số chịu hạn vụ Xuân 2013 tại Gia Lâm, Hà Nội 118 Bảng 4.35. Chỉ số chọn lọc và các đặc điểm hình thái của các dòng ngô được chọn trong thí nghiệm đồng ruộng 119 Bảng 4.36. Chỉ số chọn lọc và các đặc điểm hình thái của các dòng ngô được chọn trong thời điểm gây hạn I (vào chắc) 120 Bảng 4.37. Chỉ số chọn lọc và các đặc điểm hình thái của các dòng ngô được chọn trong thời điểm gây hạn II (trỗ cờ - phun râu) 121 Bảng 4.38. Chỉ số chọn lọc và các đặc điểm hình thái của các dòng ngô được chọn trong thời điểm gây hạn III (xoắn nõn) 122 Bảng 4.39. Chỉ số chọn lọc và các đặc điểm hình thái của các dòng ngô được chọn trong thời điểm gây hạn IV (7 - 9 lá) 123 Bảng 4.40. Khả năng kết hợp chung 123 Bảng 4.41. Giá trị KNKH riêng của 6 dòng ngô nếp 124 Bảng 4.42. Thời gian sinh trưởng và phát triển của các THL ngô nếp 125 Bảng 4.43. Chiều cao cây, chiều cao đóng bắp của các THL ngô nếp 126 Bảng 4.44. Tỷ lệ đổ rễ, đổ thân và nhiễm bệnh của các THL ngô nếp 127 Bảng 4.45. Chiều dài, đường kính bắp và số hàng hạt/bắp của các THL ngô nếp 128 Bảng 4.46. Số hạt/hàng, khối lượng 1000 hạt và năng suất lý thuyết của các THL ngô nếp 129 Bảng 4.47. Năng suất thực thu của các THL ngô nếp triển vọng 130 Bảng 4.48. Một số chỉ tiêu chất lượng của các tổ hợp lai triển vọng 131 x
  13. DANH MỤC BIỂU ĐỒ Biểu đồ 4.1. Khả năng kết hợp chung về năng suất hạt của 30 dòng tự phối ngô nếp đời thấp 81 Biểu đồ 4.2. Khả năng kết hợp chung về năng suất bắp tươi của 30 dòng 81 Biểu đồ 4.3. KNKH chung của sáu dòng ngô nếp vụ Xuân 2013 tại Gia Lâm - Hà Nội 124 xi
  14. DANH MỤC HÌNH Hình 4.1. Cây phân nhóm cách biệt kiểu hình của 29 giống ngô 65 Hình 4.2. Sơ đồ phân nhóm tương đồng của 24 dòng ngô nếp thuần dựa trên kiểu hình 89 Hình 4.3. Sản phẩm DNA điện di với mồi Phi 053 91 Hình 4.4. Sản phẩm DNA điện di với mồi Phi 032 91 Hình 4.5. Sơ đồ phân nhóm tương đồng của 24 dòng ngô nếp thuần bằng 19 chỉ thị SSR 92 Hình 4.6. Tương quan giữa P1000 hạt với năng suất đồng ruộng 110 Hình 4.7. Tương quan giữa chiều dài bắp với năng suất đồng ruộng 110 Hình 4.8. Tương quan giữa đường kính bắp với năng suất đồng ruộng 110 Hình 4.9. Tương quan giữa hàng hạt/bắp với năng suất đồng ruộng 110 Hình 4.10. Tương quan giữa hạt/hàng với năng suất đồng ruộng 111 Hình 4.11. Tương quan giữa giữa tỷ lệ hạt/bắp với năng suất đồng ruộng 111 Hình 4.12. Tương quan giữa chỉ số chịu hạn với năng suất trong nhà có mái che thời vụ I 111 Hình 4.13. Tương quan giữa chỉ số chịu hạn với năng suất trong nhà có mái che thời vụ I 111 Hình 4.14. Tương quan giữa chỉ số chịu hạn với năng suất trong nhà có mái che thời vụ III 112 Hình 4.15. Tương quan giữa chỉ số chịu hạn với năng suất trong nhà có mái che thời vụ IV 112 xii
  15. TRÍCH YẾU LUẬN ÁN 1. Tóm tắt mở đầu: - Tên tác giả: Lê Thị Minh Thảo - Tên luận án: Khai thác nguồn gen ngô địa phương và nhập nội phục vụ chọn tạo giống ngô nếp lai thích ứng với điều kiện canh tác tỉnh Lào Cai - Chuyên ngành: Di truyền và chọn giống cây trồng - Mã số: 62 62 01 11 - Tên cơ sở đào tạo: Học viện Nông nghiệp Việt Nam 2. Nội dung bản trích yếu 2.1. Mục đích và đối tượng nghiên cứu của luận án: 2.1.1. Mục đích của luận án - Lựa chọn được nguồn gen ngô nếp địa phương chất lượng, có khả năng chịu hạn làm nguồn vật liệu tạo giống ngô nếp lai năng suất cao, chất lượng. - Chọn tạo được một số dòng thuần triển vọng làm nguồn vật liệu cho công tác lai tạo 2.1.2. Đối tượng của luận án Một số dòng ngô nếp địa phương và nhập nội 2.2. Các phương pháp nghiên cứu đã sử dụng: - Đánh giá đa dạng kiểu hình nguồn gen ngô nếp địa phương. Thí nghiệm đồng ruộng được bố trí theo phương pháp theo khối ngẫu nhiên (RCBD). - Phương pháp Phát triển dòng thuần từ vật liệu ưu tú thực hiện bằng phương pháp tự thụ phấn cưỡng bức theo phương pháp của Shull (1909) có cải tiến theo Ngô Hữu Tình (2009) - Phương pháp đánh giá đa dạng di truyền bằng chỉ thị phân tử SSR: Đánh giá đa dạng và phân nhóm di truyền 24 dòng thuần sử dụng chỉ thị SSR với 19 cặp mồi, các cặp mồi đã được tác giả Marilyn và cs. (2002) công bố. Phân tích di truyền bằng sử dụng chỉ thị phân tử ADN: Tách chiết ADN theo phương pháp CTAB của Doyle and Doyle (1990). Phản ứng PCR theo phương pháp của Chen et al. (2006) có cải tiến tùy theo chỉ thị. Điện di sản phẩm PCR trên gel polyacrylamide. Soi và chụp ảnh gel bằng máy chụp ảnh gel DigiDoc-It. - Phương pháp đánh giá khả năng chịu hạn bằng thí nghiệm chậu vại: Thí nghiệm đánh giá khả năng chịu hạn trồng trong chậu plastic theo phương pháp của Camacho and Caraballo (1994). - Phương pháp đánh giá khả năng chịu hạn của 6 dòng bố mẹ và 15 THL trong nhà có mái che theo phương pháp của Zaidi, 2002 - Lai tạo: tạo các THL bằng phép lai dialen theo mô hình của griffing 4 - Đánh giá các THL triển vọng thí nghiệm so sánh giống theo RCBD 2.3. Các kết quả, phát hiện chính và kết luận: 2.3.1. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn * Ý nghĩa khoa học Khai thác nguồn gen ngô nếp địa phương và nhập nội, chất lượng cao, thích nghi với đều kiện khó khăn về nước tưới để phát triển vật liệu di truyền cho chọn giống ngô nếp lai năng suất cao, thích ứng với điều kiện canh tác nhờ nước trời miền núi phía Bắc, Việt Nam. xiii
  16. Phát triển vật liệu di truyền ngô nếp và tổ hợp ngô nếp lai kết hợp nguồn gen bản địa và ngoại lai nhằm nâng cao đa dạng di truyền của ngô nếp Việt Nam. * Ý nghĩa thực tiễn - Xây dựng cơ sở dữ liệu và thông tin chi tiết của 29 nguồn vật liệu di truyền ngô nếp có mức đa dạng cao phục vụ cho nghiên cứu chọn tạo giống ngô nếp ở Việt Nam - Xác định dược sáu dòng thuần có khả năng sử dụng trong chương trình chọn tạo giống ngô nếp lai có đặc điểm nông sinh học tốt, khả năng chịu hạn phù hợp cho chọn tạo giống cho các điều kiện canh tác ngô nhờ nước trời. - Chọn tạo được một tổ hợp ngô nếp lai có triển vọng về năng suất, khả năng chịu hạn, thích nghi cho điều kiện canh tác khó khăn về nước tưới 2.3.1. Kết luận 1) Kết quả luận án thấy rằng tập đoàn trong nước và nhập nội đủ tính đa dạng có khả năng thích ứng với điều kiện đồi núi, đáp ứng yêu cầu phát triển dòng thuần, từ đó phát triển được những dòng thuần triển vọng. Các dòng thuần triển vọng có tính đa dạng cao đủ để chọn tạo ra tổ hợp ngô nếp lai mới thích ứng cho vùng núi nói chung và Lào Cai nói riêng. 2) Nghiên cứu đã đánh giá 29 giống ngô nếp địa phương và nhập nội về đặc điểm nông sinh học và phân tích đa dạng di truyền của các mẫu giống dựa trên một số tính trạng cho thấy với hệ số tương đồng 0,05 các giống được chia thành 5 nhóm di truyền. Mức độ đa dạng cao của các mẫu giống có tiềm năng sử dụng cho chương trình tạo giống ngô nếp lai 3) Đánh giá các dòng tự phối thế hệ S3 đến S5 về các đặc điểm nông sinh học, khả năng chống chịu đồng ruộng khá, năng suất và yếu tố cấu thành năng suất suy giảm nhiều so với đối chứng. Hai dòng tự phối có năng suất suy giảm nhỏ hơn GN64.4.2.3.4 phát triển từ Phon sa may II, CHDCND Lào (30,17 tạ/ha) và GN47.2.4.4.3.5 phát triển từ Nếp hai tháng, Yên Bái (32,44 tạ/ha). Chất lượng cảm quan tốt của các dòng vẫn giữ được như mẫu giống gốc ban đầu. 4) Đánh giá khả năng kết hợp chung của các dòng thế hệ S3 đến S5 đã xác định được 11 dòng có khả năng kết hợp tốt với tính trạng năng suất bắp tươi và 12 dòng có khả năng kết hợp tính trạng năng suất hạt. Những dòng có KNKH chung được sử dụng để phát triển dòng thuần. Đánh giá 24 dòng thuần phát triển từ các dòng tự phối S3 đến S5 về đặc điểm nông sinh học đã chọn được 6 dòng ưu tú là I5 , I7 , I8 , I9 , I15 và I23 để thử KNKH riêng tạo giống ngô nếp lai. 5) Đã lựa chọn được 6 THL có khả năng chịu hạn tốt, có khả năng sinh trưởng và phát triển tốt, có tỷ lệ % về năng suất giảm ít nhất trong cả 4 thời điểm gây hạn là các THL I5 × I9, I5 × I15, I5 × I23, I7 × I8, I7 × I9 và I15 × I23. Đã lựa chọn được 3 dòng I5, I7 và I15 là những dòng có KNKH riêng cao. 6) Đánh giá THL triển vọng tại Lào Cai trong 2 vụ, năng suất đạt từ 42,67 đến 53,59 trong vụ Thu Đông 2013 và từ 42,27 đến 54,95 trong vụ Xuân 2014. Tổ hợp lai I5 × I15 có năng suất cao nhất trong cả 2 vụ, Thu Đông đạt 53,69 tạ/ha và vụ Xuân đạt 54,95 tạ/ha. Đây là tổ hợp ngô nếp lai có tiềm năng cho canh tác nhờ nước trời tại Lào Cai. xiv
  17. THESIS ABSTRACT 1. Information - PhD student name: Le Thi Minh Thao - Name of the thesis: Exploitation of local and introduced genetic resource of corn for breeding hybrid sicky corns adating to condition of cultivation in Laocai Province. - Major: Plant Genetics and Breeding - Code: 62 62 01 11 - Training institution: Vietnam National University of Agriculture 2. Dissertation synopis 2.1. Purpose and subject of dissertation 2.1.1. Purpose of dissertation Developing the local and introduced genetic corn resource for breeding hybrid sicky corns with high yield and quality Introducing some prospects of corn lines for using as materials in breedding hybride corn. 2.1.2. Subject of dissertation Some lines of local and introduced corn 2.2. Method - Phenotype analysis of local corn genetic resource: The field experiments were designed according to Random complete Block Design (RCBD) method. - Developping pure lines by self pollination as method of Shull (1909) improved by Ngo Huu Tinh (2009) - Applicatiom of SSR marker in genetic diversity analysis: genetic diversity evaluation and genetic claster of 24 corn lines by using 19 primers of SSR markers published by Marilyn et al. (2002) - Application of DNA marker in genetic analysis: DNA extraction was as CTAB method published by Doyle and Doyle (1990). PCR was according to method of Chen et al. (2006) improved based on each of marker. PCR products were analysed by electrophoresis on polyacrylamide gel and read by DigiDoc-It. - Data processing in genetic analysis by SSR markers: Polymorphic Information Content (PIC) was calculated as formula of Weir et al. (1996). Analysis of genetic correlation and pedigree tree were as NTSYSpc2.1 - Evaluation of dought and salinity tolerance in pots: experiments were set up in plastic post as method of Camacho and Caraballo (1994). - Evaluation of dought tolerance of 6 parent limes and 15 hybrid combination were set up in green house - Crossing hybrid combination by using crossing – dialen as griffing 4 model - Evaluation and comparation of promising hybrid combination according to RCBD method 2.3. Major Results and conclusion 2.3.1. Scentific and practical signification * Scentific signification Exploitation of local and introduced genetic resource of sticky corns with high quality, adapting to difficult condition of irrigation to develop genetic materials for breeding sticky corn with high yield, suitable for condition of cultivation depended on rainfall of the northern mountain of Vietnam. xv
  18. - Develping the sticky corn materials and hybride sticky corn combination combined local – introduced genetic resource to aim increasing the genetic divesity of sticky corn in Vietnam. * Practical signification Database and detail genetic information of 29 sticky line corns with high diversity for breeding sticky corn in Vietnam Indicated 6 corn lines holding good drought tolerance and higher genetic diversity for using as parents to create hybrid corn, the results of thesis have showed some promissing hybide corn combination with high yield, good quality and high capacity of drought tolerance adating to condition of cultivation depended on rainfall. Some promising sticky corn combination indicated with higher yield and good drought tolerance adating to condition of cultivation depended on rainfall. 2.3.1. Conclusion 1) The results of thesis showed that the local and introduced genetic corn resource is enough diversity to develop promising lines and hybrid combination of cornr sadapting to condition of the mountain areas of Lao Cai Province in specially and that of Vietnam in generally. 2) Genotyping and phenotyping 29 local and introduced lines of sticky corn, at similarity coefficient of 0.5, 29 corn lines were divided in to 5 groups. The high genetic diversity of corn materials is high potential of oustanding hybrid in breeding sticky hybrid combination of corn. 3) Evaluation of S3 – S5 self crossedcorn lines in agronomic characteristics, field resistant capacity, yield component and decline of seed yield compared to controlling. 2 self crossed corn lines showed the lower decline compared to GN64.4.2.3.4 line developped from Phon sa may II line (seed yield of 3.017 tons/ha), and GN47.2.4.4.3.5 line developped from Nep Hai Thang (3.244 tons/ha). The seed quality of these lines were maintained as original lines. 4) Evaluation of the pool combination of corn lines from S3 to S5, the results showed 11 corn lines had got good pool combination of fresh corncob yield, and 12 lines had got good pool combination of seed yield. These lines were used to develop pure lines. Evaluation of 24 corn lines developed from S3 – S5 self crossed lines from in agronomic characterictics, 6 oustanding corn lines such as I5 , I7 , I8 , I9 , I15 and I23 were selected to test the capacity of private conbination for breeding hybrid sticky corn. 5) 6 hybrid sticky corn combination such as THL I5 × I9, I5 × I15, I5 × I23, I7 × I8, I7 × I9 và I15 × I23 were selected with seed yield of 4.267 – 5.359 tons/ha in autumn – winter season, the lowest decline of seed yield in all of 4 period of drought treatments. 3 corn lines such as I5, I7 and I15 were selected with higher separate combination. 6) Evaluation of 6 promising hybrid corn combination in Lao cai provinc, the seed yield of these showed from 4.267 to 5.359 tons/ha in autumn – winter season and from 4.227 to 5.495 tons/ha in spring season. The combination of I5 × I15 had got highest seed yield reaching 5.369 tons/ha in autumn – winter season and 5.495 tons/ha in spring season. These hybrid corn combinations showed the high potential of corn production in the cultivation condition of Lao Cai province. xvi
  19. PHẦN 1. MỞ ĐẦU 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngô (Zea mays L., 2n = 2x = 20) đã trở thành cây trồng nông nghiệp dẫn đầu trong các cây ngũ cốc quan trọng trên thế giới, nó được sử dụng làm lương thực, thức ăn chăn nuôi, năng lượng và công nghiệp khác (Mandal, 2014). Cây ngô có vai trò quan trọng trên toàn cầu, vì vậy sản xuất ngô trên thế giới không ngừng tăng lên cả về diện tích, năng suất và sản lượng. Tính đến năm 2014, tổng sản lượng ngô toàn cầu đã đạt mức 999,83 triệu tấn vượt qua cả sản lượng lúa mỳ (726,32 triệu tấn) và lúa nước (476,13 triệu tấn) (FAOSTAT, 2015). Việt Nam, trong thời gian 15 năm gần đây, tỷ lệ diện tích trồng ngô lai tăng lên tới 95%, tốc độ phát triển nhanh trong lịch sử ngô lai thế giới đã làm thay đổi những tập quán canh tác lạc hậu, góp phần đưa nghề trồng ngô nước ta đứng trong hàng ngũ những nước tiên tiến về ngô lai ở Châu Á. Năm 1996 diện tích trồng ngô ở nước ta đạt 615.200 ha, năng suất 2,5 tấn/ha và sản lượng 1,54 triệu tấn, đến năm 2015 diện tích trồng ngô đạt 1,25 triệu ha, năng suất 4,5 tấn/ha, sản lượng 5,63 triệu tấn (Tổng cục Thống kê, 2015). Ngô Nếp (Zea mays L.subsp. ceratina) là dạng ngô đặc thù được công bố lần đầu tiên ở Trung Quốc năm 1909. Sau đó, ngô nếp được phát hiện ở nhiều nơi khác thuộc Châu Á (Collins, 1920; Kuleshov, 1954). Ngô nếp có nhiều đặc điểm tuyệt vời về thành phần tinh bột của nó và được sử dụng chủ yếu làm lương thực, cho thị trường ăn tươi, làm thức ăn chăn nuôi, đặc biệt amyopectin trong ngô nếp được sử dụng trong ngành công nghiệp dệt may, keo dán giấy công nghiệp. Do vậy cây ngô nếp ngày càng phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu. Nhiều nước Đông Nam Châu Á như Việt Nam, ngô nếp có vai trò quan trọng sử dụng làm lương thực, làm thực phẩm và ăn tươi cho người dân, đặc biệt nhân dân vùng núi. Các giống ngô nếp có thời gian sinh trưởng từ trồng đến thu hoạch bắp tươi ngắn hơn, do vậy tránh được bất thuận sinh học và phi sinh học tốt hơn, nâng cao hiệu quả sản xuất trên đơn vị diện tích (Dang, 2010). Ở Việt Nam, diện tích trồng ngô nếp thời gian qua tăng khá nhanh, hiện chiếm khoảng 10% diện tích trồng ngô của cả nước, chủ yếu lá giống thụ phấn tự do và một số giống lai không quy ước (Phạm Đồng Quảng, 2005b). 1
  20. Ngô nếp có một ưu điểm lớn nhất là cấu trúc tinh bột đặc biệt của nó với hàm lượng amylopectin cao (95 - 98%), có thể sử dụng ngô nếp rộng rãi trong ngành công nghiệp. Nghiên cứu nguồn gốc, canh tác và sử dụng ngô nếp trên thế giới có thể đóng góp để phát triển nghiên cứu mới về tạo giống, trồng trọt và công nghệ chế biến tinh bột. Sự tăng trưởng sản xuất ngô không đồng đều giữa các nước và các vùng, theo Zaidi (2002), một tỷ lệ lớn của diện tích ngô thế giới (khoảng 100 triệu hectare) được trồng ở các nước đang phát triển và một số nước phát triển ở Đông Nam Châu Á, Mỹ La Tinh và Châu Phi. Trong tổng 100 triệu ha có khoảng 80% diện tích ngô ở môi trường vùng thấp của Châu Á, độ cao trung bình và Á nhiệt đới. Khoảng 80% của tổng số diện tích trồng ngô ở các nước đang phát triển là ở Trung Quốc. Vùng nhiệt đới và á nhiệt đới ngô được trồng chủ yếu ở vùng nghèo và kém thuận lợi và trên đất dốc, nơi phải đối mặt với rất nhiều biến động của thời tiết, các điều kiện khắc nghiệt rất khác nhau về áp lực sinh học và phi sinh học. Yếu tố phi sinh học như hạn, đất nghèo dinh dưỡng, độ ẩm lớn (sũng nước), đất chua, kiềm và đất dốc. Bất kỳ một yếu tố khó khăn trở ngại nào nêu trên cũng là một tổ hợp tạo ra môi trường bất thuận cho phát triển ngô. Ngày nay điều kiện bất thuận do biến đổi khí hậu đang là yếu tố hạn chế đến sản xuất nông nghiệp, trong đó có sản xuất ngô. Hạn và thiếu nước là yếu tố gây ảnh hưởng nghiêm trọng nhất đến sản xuất ngô, nó ảnh hưởng đến cây con, sinh trưởng sinh dưỡng. quang hợp, phát triển của rễ, trỗ cờ, tung phấn, phun râu và kết quả giảm hoặc thiệt hại nghiêm trọng năng suất ngô của những vùng có điều kiện bất thuận hạn (Aslam et al., 2013). Tỉnh Lào Cai có địa hình núi cao chiếm trên 84% diện tích đất tự nhiên. Ngô là cây lương thực chính của nhiều cộng đồng dân tộc ít người, sản xuất ngô nếp chủ yếu làm thực phẩm như làm bánh, mèn mén, luộc, nướng, ngô bung. Canh tác ngô chủ yếu dựa vào nước trời, với điều kiện khí hậu, thời tiết khắc nghiệt, lượng mưa phân bố không đều, hạn hán xảy ra thường xuyên, địa hình chia cắt mạnh. Năm 2013 tổng diện tích sản xuất ngô toàn tỉnh đạt 34.658 ha, năng suất còn thấp đạt 33,31 tạ/ha (Sở Nông nghiệp và PTNT Lào Cai, 2014a). Sản xuất ngô nếp chiếm khoảng 6%, tập trung chủ yếu là giống ngô nếp địa phương (Sở Nông nghiệp và PTNT Là Cai, 2014b). Giống ngô nếp địa phương thụ phấn tự do rất đa dạng về độ lớn bắp, dạng bắp, màu sắc hạt và chất lượng ăn uống. Chính vì thế có thể sử dụng làm vật liệu phát triển giống ưu thế lai với chất lượng tốt và thích nghi với điều kiện địa 2
  21. phương (Lertrat and Thongnarin, 2006). Nguồn gen ngô nếp địa phương của Việt Nam cũng có mức đa dạng cao, chất lượng phù hợp với tiêu dùng của địa phương, thích ứng cao với điều kiện môi trường nghèo dinh dưỡng và canh tác nhờ nước trời (Vũ Văn Liết và Đồng Huy Giới, 2006) cần thiết được khai thác phát triển giống ngô nếp lai năng suất cao, chất lượng tốt phục vụ tiêu dùng và nâng cao hiệu quả sản xuất. Người dân qua một thời gian dài đã chọn lọc các giống ngô thích nghi với điều kiện canh tác địa phương, tạo ra sự đa dạng nguồn gen cây ngô. Tuy nhiên các giống ngô địa phương năng suất thấp, các giống mới và giống ngô nếp lai năng suất cao nhưng kém thích nghi với điều kiện địa phương. Việc lựa chọn được giống ngô nếp lai có chất lượng, năng suất và khả năng chống chịu là một vấn đề vô cùng cần thiết. 1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Khai thác nguồn vật liệu ngô nếp địa phương và nhập nội, chọn giống ngô nếp lai có năng suất cao, chất lượng tốt và thích ứng với điều kiện canh tác khó khăn về nước tưới của điều kiện miền núi miền Bắc nói chung và tỉnh Lào Cai nói riêng 1.3. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN - Đánh giá nguồn gen ngô nếp địa phương và nhập nội xác định được 6 giống ngô nếp GN5, GN12, GN19, GN40, GN47, GN64 có chất lượng cao, có khả năng thích nghi tốt với điều kiện khó khăn về nước tưới ở Lào Cai. - Đánh giá mức độ đa dạng dựa trên kiểu hình và chỉ thị phân tử SSR đã nhận biết các dòng thuần có mức độ đa dạng cao, đã phát triển được 6 dòng thuần có độ đồng đều cao, đặc điểm nông sinh học phù hợp, chất lượng tốt, thích ứng với điều kiện canh tác nhờ nước trời của Lào Cai đưa vào lai tạo giống ngô nếp lai mới. - Chọn tạo được một tổ hợp ngô nếp lai triển vọng từ nguồn ngô nếp địa phương và nhập nội, có năng suất và chất lượng cao, có khả năng chịu hạn khá, thích hợp cho điều kiện canh tác nhờ nước trời của tỉnh Lào Cai. 1.4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI * Ý nghĩa khoa học - Khai thác nguồn gen ngô nếp địa phương và nhập nội, chất lượng cao, thích nghi với đều kiện khó khăn về nước tưới để phát triển vật liệu di truyền cho 3
  22. chọn giống ngô nếp lai năng suất cao, thích ứng với điều kiện canh tác nhờ nước trời miền núi phía Bắc Việt Nam. - Phát triển vật liệu di truyền ngô nếp và tổ hợp ngô nếp lai kết hợp nguồn gen bản địa và ngoại lai nhằm nâng cao đa dạng di truyền của ngô nếp Việt Nam. Một hướng nghiên cứu đã được thực hiện rộng rãi đối với ngô thường trên thế giới và Việt Nam nhưng chưa có nghiên cứu đối với ngô nếp * Ý nghĩa thực tiễn - Xây dựng cơ sở dữ liệu và thông tin chi tiết của 29 nguồn vật liệu di truyền ngô nếp có mức đa dạng cao phục vụ cho nghiên cứu chọn tạo giống ngô nếp ở Việt Nam - Xác định dược sáu dòng thuần có khả năng sử dụng trong chương trình chọn tạo giống ngô nếp lai có đặc điểm nông sinh học tốt, khả năng chịu hạn phù hợp cho chọn tạo giống cho các điều kiện canh tác ngô nhờ nước trời. - Chọn tạo được một tổ hợp ngô nếp lai có triển vọng về năng suất, khả năng chịu hạn, thích nghi cho điều kiện canh tác khó khăn về nước tưới 4
  23. PHẦN 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1. SẢN XUẤT NGÔ TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 2.1.1. Sản xuất ngô trên thế giới Ngô (Zea mays L.) được trồng trên 184,19 triệu hectare ở 166 quốc gia và vùng lãnh thổ, trong đó 43,65% (80,4 triệu ha) diện tích ngô trồng ở các nước nghèo và các nước đang phát triển (FAOSTAT, 2014). Ngô được sử dụng làm lương thực, thực phẩm, đã cung cấp khoảng 15 - 56% tổng lượng calo cho con người ở khoảng 25 quốc gia đang phát triển. Sự tiêu thụ ngô bình quân đầu người cao đặc biệt ở Đông, Nam Phi và Trung Mỹ. Ngô cũng quan trọng đối với một số nước nghèo ở Tây Phi, châu Á, Nam Mỹ. Theo ước tính của FAO, ở Châu Phi ngô cung cấp ít nhất 1/5 tổng lượng calo và 17 - 60% protein hàng ngày cho con người ở 12 quốc gia (Krivanek et al., 2007). Ngô vừa là cây lương thực vừa là cây thức ăn cho gia súc chính vì thế diện tích và sản lượng ngô trên thế giới tăng không ngừng trong những thập kỷ qua, ngô là cây trồng có tốc độ tăng trưởng về diện tích năng suất cao nhất trong các cây lương thực chủ yếu. Năm 1961, năng suất ngô trung bình của thế giới chưa đến 19,4 tạ/ha, năm 2013 đạt 55,2 tạ/ha tăng 2,8 lần, trong khi lúa nước tăng 2,4 lần và lúa mỳ tăng 3,0 lần. Sản lượng ngô năm 1961 thấp hơn lúa mỳ và lúa nước, nhưng năm 2013 đã tăng hơn 4,96 lần so với 1961 vượt qua lúa nước 1,3 lần và vượt lúa mỳ 1,4 lần (FAOSTAT, 2014). Bảng 2.1. So sánh tăng trưởng về diện tích (DT), năng suất (NS) và sản lượng (SL) của ba cây lương thực chính từ năm 1961 đến 2013 1961 2013 Cây trồng DT NS SL DT NS SL (tr.ha) (tạ/ha) (tr.tấn) (tr.ha) (tạ/ha) (tr.tấn) Ngô 105,55 19,423 205,02 184,19 55,200 1,016,73 Lúa 115,36 18,693 215,64 164,72 45,271 745,70 Lúa mỳ 204,20 10,889 222,35 218,46 32,646 713,18 Nguồn: FAOSTAT (2014) 5
  24. Diện tích ngô toàn cầu năm 2013 so với năm 1961 tăng 1,74 lần, lúa nước tăng 1,43 lần và lúa mỳ tăng 1,07 lần; sản lượng ngô toàn cầu tăng 4,96 lần, lúa nước 3,46 lần và lúa mỳ tăng 3,21 lần. Số liệu cho thấy ngô tăng trưởng dẫn đầu trong ba cây ngũ cốc chính. Giai đoạn 1990 đến nay, diện tích, năng suất và sản lượng ngô toàn cầu liên tục tăng để đáp ứng nhu cầu của con người. Bảng 2.2. Diện tích, năng suất và sản lượng ngô toàn cầu giai đoạn 1990 - 2013 Diện tích Năng suất Sản lượng Năm (triệu ha) (tấn/ha) (triệu tấn) 1990 131,30 3,68 483,37 2000 137,00 4,32 592,47 2006 146,94 4,81 706,83 2007 158,22 4,99 789,52 2008 161,16 5,13 826,81 2009 158,81 5,16 819,21 2010 161,76 5,19 840,31 2011 172,20 5,15 887,54 2012 178,50 4,88 872,79 2013 184,19 5,51 1.016,73 Nguồn: FAOSTAT (2014) Sản xuất ngô ở các châu lục có sự khác nhau về diện tích, năng suất và sản lượng, diện tích lớn nhất là châu Mỹ tiếp theo là châu Á, nhưng năng suất cao nhất là châu Mỹ, châu Đại Dương và châu Âu. Bảng 2.3. Diện tích, năng suất và sản lượng ngô của các châu lục năm 2013 Diện tích Năng suất Sản lượng (triệu ha) (tạ/ha) (triệu tấn) Châu Á 59,39 51,238 304,31 Châu Mỹ 70,70 73,918 522,62 Châu Phi 35,01 20,449 71,61 Châu Âu 18,97 61,902 117,45 Châu Đại Dương 0,10 70,831 0,72 Toàn cầu 184,19 55,200 1.016,73 Nguồn: FAOSTAT (2014) 6
  25. Những nước sản xuất ngô lớn trên thế giới là Mỹ (35,47 triệu ha), Trung Quốc (35,26), Ấn Độ (9,5 triệu ha). Năng suất ngô cao nhất là Mỹ (9,9 tấn/ha), các nước châu Á như Trung Quốc (6,1 tấn/ha), Ấn Độ (2,4 tấn/ha). Việt Nam diện tích ngô là 1,1 triệu ha và năng suất chỉ đạt 4,43 tấn/ha thấp hơn năng suất trung bình của thế giới và châu Á (FAOSTAT, 2014). 2.1.2. Sản xuất ngô của Việt Nam Ngô được đưa vào trồng ở nước ta từ cuối thế kỷ 17 (Ngô Hữu Tình, 1997), đã trở thành cây lương thực quan trọng thứ hai sau lúa gạo, là cây trồng chính để phát triển ngành chăn nuôi và được trồng trên những điều kiện sinh thái khác nhau trên cả nước. Năng suất ngô nước ta trước đây rất thấp so với năng suất ngô thế giới, do sử dụng giống ngô địa phương và áp dụng kỹ thuật canh tác lạc hậu, bên cạnh đó do truyền thống sản xuất lúa nước lâu đời nên cây ngô chưa được chú trọng phát triển, đến năm 1973 mới có những chính sách phát triển ngô ở Việt Nam (Trần Hồng Uy, 2001). Từ giữa những năm 1980 trở lại đây, nhờ hợp tác 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 đưa năng suất lên gần 1,5 tấn/ha vào đầu những năm 1990. Tuy nhiên, ngành sản xuất ngô ở nước ta đã có những bước tiến nhảy vọt là từ đầu những năm 1990 đến nay, gắn liền với việc không ngừng mở rộng giống ngô lai ra sản xuất, đồng thời cải thiện các biện pháp kỹ thuật canh tác theo đòi hỏi của giống mới. Nhờ việc sản xuất giống dễ dàng, giá giống rẻ, giống lai có năng suất cao và thích ứng rộng, các giống ngô lai không quy ước đã được người trồng ngô chấp nhận và nhanh chóng mở rộng diện tích. Năm 1991, diện tích trồng giống ngô lai chưa đến 1% trên hơn 400 nghìn hecta trồng ngô, năm 2004 diện tích trồng ngô cả nước là hơn 990 nghìn ha, năng suất đạt 34,9 tạ/ha và sản lượng là 3,454 triệu tấn (Tổng cục Thống kê, 2005), tỷ lệ diện tích trồng giống lai là 84% (Phạm Đồng Quảng, 2005b). Diện tích, năng suất và sản lượng ngô tăng nhanh từ 1990 đến 2013. Diện tích từ 431,6 nghìn hecta lên 1.172,6 nghìn hecta (tăng 2,7 lần), năng suất từ 1,55 lên 4,42 tấn/ha (tăng 2,8 lần) và sản lượng từ 671 nghìn tấn lên 5.193 nghìn tấn (tăng 7,7 lần). Ngô nếp (Zea mays L. var. ceratina) là cây trồng cung cấp sản phẩm cho thị trường ăn tươi và là cây có giá trị kinh tế từ hơn một thế kỷ qua của các nông hộ nhỏ ở các nước châu Á như Thái Lan, Việt Nam, Lào, Myanmar, Trung Quốc, Đài loan và Hàn Quốc. 7
  26. Bảng 2.4. Diện tích, năng suất và sản lượng ngô của Việt Nam từ 1990 đến 2013 Diện tích Năng suất Sản lượng Năm (nghìn ha) (tấn/ ha) (nghìn tấn) 1990 431,8 1,55 671,0 2000 730,2 2,74 2005,9 2010 1126,4 4,09 4606,8 2011 1122,1 4,32 4835,7 2012 1182,1 4,29 4803,1 2013 1172,6 4,42 5193,5 Nguồn: FAOSTAT (2014) Diện tích trồng ngô nếp ở Việt Nam trong thời gian qua cũng tăng khá nhanh, hiện nay chiếm từ 8 - 12% diện tích trồng ngô của cả nước. Một số giống ngô nếp hiện đang được sử dụng nhiều trong sản xuất như giống ngô nếp thụ phấn tự do như VN2, VN6, một số giống ngô nếp lai như MX2, MX4, MX10 chủ yếu có nguồn gốc từ nước ngoài (Bộ Nông nghiệp & PTNT, 2014). 2.2. NGUỒN GỐC, PHÂN LOẠI, ĐẶC ĐIỂM CÂY NGÔ NẾP 2.2.1. Nguồn gốc Một số bằng chứng chỉ ra rằng ngô được thuần hóa từ loài cỏ Mexican hoang dại teosinte (Zea mays ssp. Parviglumis hoặc ssp mexicana). Bằng chứng khảo cổ học chứng minh rằng thời gian thuần hóa ngô vào khoảng 5.000 đến 10.000 năm trước đây, mặc dù nguồn gốc gần đây của ngô từ teosinte, những cây này khác biệt sâu sắc về hình thái. Một điểm khác biệt chủ yếu là teosinte điển hình có nhánh cờ dài trên đỉnh bông cờ trong khi ngô có nhánh đỉnh cờ ngắn bằng bắp. Phân tích di truyền nhận thấy rằng teosinte branched 1 (tb1) như là một gen tương hợp rộng điều khiển sự khác biệt này (Wang et al., 1999). Các nhà thực vật học thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20 bắt đầu nghiên cứu mối quan hệ tiến hóa của Teosinte đến ngô trồng, nghiên cứu trong nhiều năm từ 1700 đến 1990 và từ 1990 đến nay đã tóm tắt mối quan hệ tiến hóa của ngô từ teosinte. Nguồn gốc ngô nếp: Nhà thực vật học Collins (1909) trồng một dạng mới của ngô thu thập từ Trung Quốc và báo cáo mô tả ngô nếp đầu tiên. Báo cáo ghi rõ dạng ngô có nhiều nội nhũ sáp hơn các giống ngô khác. Sau đó ngô nếp được phát hiện ở các vùng khác của Châu Á, ngoài ra còn một số tác giả có quan điểm khác, nhưng cơ bản đều thống nhất rằng ngô nếp có nguồn gốc từ Trung Quốc. 8
  27. Nguồn gốc địa lý: Nhà thực vật học Collins, ngô nếp được phát hiện ở Trung Quốc vào đầu những năm 1900. Từ khi phát hiện ra ngô nếp ở Trung Quốc, ngô nếp cũng đã được tìm thấy ở nhiều nơi khác ở Đông Nam Á như Miến Điện, Philippine (Collins, 1909). Những nghiên cứu gần đây cho thấy các giống ngô nếp bản địa có ở Trung Quốc, nó phân bố chủ yếu ở vùng Tây Nam, đặc biệt ở Vân Nam, Quảng Châu và Quảng Tây (Huang and Rong, 1998; Tian et al., 2009). Tỉnh Vân Nam là nguồn gốc của nhiều loài cây trồng quan trọng với mức độ đa dạng rất cao. Một vài nghiên cứu gợi ý rằng ngô nếp Trung Quốc có nguồn gốc từ Vân Nam và Quảng Tây, nó phù hợp với hình thái, kiểu nhân, isozymes và chỉ thị DNA (Zeng et al., 1981, 1994; Liu et al., 2005). Ngô nếp có mức độ đa dạng cao về các tính trạng nông học như chiều cao cây, thời gian sinh trưởng, đặc điểm kinh tế, chống chịu sâu bệnh và năng suất, yếu tố cấu thành năng suất ở vùng Vân Nam, Quảng Châu và Quảng Tây. Phân tích đa dạng bằng chỉ thị phân tử SSR, Liu et al. (2005) đã kết luận Vân Nam và Quảng Châu có thể là Trung tâm đa dạng và nguồn gốc của ngô nếp. Nguồn gốc tiến hóa của ngô nếp một số nghiên cứu cho rằng ngô nếp là một đột biến tự nhiên ở ngô rau đã phát hiện ở Trung Quốc năm 1909 (Collins, 1909; Tian et al., 2009). Cây ngô biểu hiện những tính trạng khác thường, các nhà tạo giống ở Mỹ một thời gian dài sử dụng các tính trạng này là chỉ thị những gen ẩn trong các chương trình chọn tạo giống ngô. Năm 1922 các nhà nghiên cứu đã phát hiện nội nhũ của ngô nếp chỉ chứa amylopectin và không có amylose đối ngược với các giống ngô thường, Đến khi người Nhật cung cấp dòng ngô nếp thì amylopectin được sử dụng chủ yếu từ ngô nếp. Colins (1909) và một nhà khoa học đã xác định rằng: ngô nếp bắt nguồn từ ngô tẻ, do một đột biến đơn gen, gen trội Wx thành gen lặn wx, vì vậy ngô nếp có thể ở nhiều vùng khác nhau trên trái đất. Gen Waxy mã hóa cho enzyme granule - bound starch synthase (GBSS = protein waxy) đây là một trong những isoenzyme chính xúc tác sự tổng hợp amylose từ ADP glucose, được biểu hiện ở nội nhũ và hạt phấn. Ở ngô tẻ, isoenzyme GBSS có hoạt tính mạnh và sản phẩm của nó chủ yếu là amylose, một phần ADP glucose không thể được chuyển hóa hoàn toàn thành amylopeptin bởi enzyme starch branching (SBE), hàm lượng amylopectin được tích lũy trong nội nhũ tới gần 100% và biểu hiện kiểu hình là ngô nếp. 9
  28. 2.2.2. Phân loại thực vật của ngô nếp Ngô thuộc chi Zea thuộc tộc Andropogoneae trong họ phụ Panicoideae, họ Poaceae. Hiện nay, có 86 chi trong tộc Andropogoneae (USDA, 2005). Phân loại theo hệ thống phân loại thực vật của Cơ quan bảo tồn tài nguyên thiên nhiên, Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ, phân loại ngô thuộc họ Poaceae, chi Zea L., loài ngô Zea mays L. Sinh học loài Zea mays L. ssp mays (maize or corn) của cơ quan kiểm soát công nghệ gen của Úc (2008) đưa ra hệ thống phân loại loài và loài phụ, chi Zea, Loài Zea có số nhiễm sắc thể 2n = 20, ngoại trừ Z. perennis (teosinte lâu năm 2n = 40). Ngô nếp (Zea mays L.subsp. ceratina Kulesh) là một trong những loài phụ chính của loài Zea mays L. Hạt ngô nếp nhìn bề ngoài tương tựa như ngô đá, bề mặt bóng hơn lớp ngoài cùng của mặt cắt nội nhũ không có lớp sừng như ở ngô tẻ, có tính chất quang học giống như sáp, do vậy còn có tên gọi là ngô sáp. Khi nấu chín có độ dẻo, mùi vị thơm ngon. Ngô nếp có hạt tròn và ngắn, màu vàng, trắng đục hoặc tím, màu của mày hạt chủ yếu là trắng. Ba thứ thường gặp là var.alboceratina với màu hạt trắng, mày trắng; var.lutecoceratina với mày hạt vàng, mày trắng; var.rubroceratina với màu hạt tím, mày trắng hoặc tím, tiềm năng năng suất thấp (USDA, 2005; Ngô Hữu Tình, 2009a). 2.2.3. Đặc điểm của ngô nếp Ngô nếp (Zea mays L.subsp. Ceratina Kulesh). Ba thứ thường gặp chủ yếu của ngô nếp là: var. Alboceratina với màu hạt trắng, mày trắng; var. Luteoceratina với màu hạt vàng, mày trắng; var. Rubrocertina với màu hạt tím, mày trắng hoặc tím. Là dạng ngô tẻ do biến đổi tinh bột mà thành, ở ngô nếp tinh bột dạng amylopectin trên 99% trong khi ngô khác chỉ chứa 72 - 76% amylopectin và 24 - 28% amylase. Amylopectin là dạng của tinh bột có cấu trúc phân tử gluco phân nhánh dựa trên liên kết α.1-4 và α.1-6, ngược lại amyloza nhỏ hơn có cấu trúc phân tử gluco mạch thẳng khối lượng phân tử của chúng từ 1 đến 3 triệu. Khi cho tinh bột ngô nếp vào dung dịch KI thì nó chuyển thành màu cà phê đỏ, trong khi tinh bột của ngô thường thì chuyển thành màu xanh tím. Các nhà khoa học ở Đại học tổng hợp Ohio - Hoa Kỳ đã phân tích và đưa ra tiêu chuẩn dinh dưỡng của ngô nếp so với một số loại ngô khác, trong đó % protein cao tương đương với ngô giàu protein. Những giống nếp lai và các giống nếp thường, với đặc điểm dẻo, thơm ngon rất thông dụng ở châu Á như: Hàn Quốc, Philippin, Thái Lan, Trung Quốc, Việt Nam và nhiều quốc gia. 10
  29. Bảng 2.5. Một số đặc tính chất lượng của ngô nếp so với ngô thường Hàm lượng các chất Loại ngô Dầu Protein Tinh bột Năng lượng (%) (%) (%) (kcal/kg) Thường (răng ngựa) 4,2 - 4,8 7,7 - 8,2 71,3 - 73,4 1777 - 1795 Hàm lượng dầu cao 7,2 - 8,2 8,0 - 9,0 66,2 - 67,9 1851 - 1869 Giàu lysine 4,0 - 4,5 7,3 - 8,5 70,5 - 72,2 1770 - 1785 Nếp 3,2 - 3,6 8,9 - 10,1 73,1 - 73,3 1747 - 1758 Trong hàm lượng protein các axit amin có tỷ lệ cao là Albumin, Globulin, G3-Glutelin và Tryptophan (Zilic et al., 2011) có giá trị cao làm lương thực và thức ăn chăn nuôi. 2.3. ĐA DẠNG DI TRUYỀN NGUỒN GEN NGÔ NẾP Đa dạng di truyền là toàn bộ các đặc điểm di truyền của một loài hoặc một chi (Rauf et al., 2010). Sự mất đa dạng di truyền ở bất kì một quần thể nào có thể hạn chế cơ hội sống sót của quần thể đó và đòi hỏi con người phải đầu tư nhiều trong hoạt động sản xuất nông nghiệp để đảm bảo sản xuất có kết quả tốt (Trethowan and Kazi, 2008). Nhiều nhà nghiên cứu chỉ ra giá trị của đa dạng di truyền trong việc cung cấp hàng rào di truyền chống chịu bất thuận sinh học và phi sinh học (Adeyemo et al., 2012). Nghiên cứu đa dạng di truyền là yếu tố quyết định thành công trong lai giống thực vật. Đa dạng di truyền giúp nhận biết khả năng kết hợp có ý nghĩa của nguồn vật liệu cây bố mẹ trong lai giống để tạo ra con lai có tiềm năng di truyền tối đa (Aremu, 2011). Trong nghiên cứu đa dạng di truyền có thể sử dụng nguồn dữ liệu khác nhau để đánh giá như dữ liệu về hình thái, dữ liệu hóa sinh và dữ liệu phân tử. 2.3.1. Nghiên cứu đa dạng di truyền nguồn gen cây ngô Các công cụ sử dụng trong nghiên cứu đa dạng di truyền cây ngô khá phổ biến gồm chỉ thị hình thái và chỉ thị phân tử DNA. Nghiên cứu đa dạng di truyền cây ngô sử dụng chỉ thị hình thái Cây ngô biểu hiện đa dạng rất cao về đặc điểm hình thái và sinh lý. Sự tồn tại lâu dài của cây ngô được tác động bởi nhiều thế hệ loài người ở các vùng miền trên trái đất đã làm tăng mức độ khác biệt, thay đổi đặc tính của cây ngô. Đa dạng di truyền của cây ngô được thể hiện ở tất cả các tính trạng của cây, bông cờ và bắp, loài phụ (ngô đá, ngô răng ngựa, ngô nếp, ngô thường, ngô nổ, ngô 11
  30. bọc, ngô bột). Đặc biệt sự biến động lớn nhất ở cây ngô thể hiện ở cấu trúc nội nhũ của hạt, vì vậy việc phân loại thực vật cây trồng một phần dựa vào đặc điểm của hạt (Ngô Công Tùng, 2014). Ngày nay cùng với sự ra đời và phát triển của ứng dụng chỉ thị phân tử thì chỉ thị hình thái vẫn được cho là không thể thiếu trong nghiên cứu đa dạng di truyền cây ngô, phục vụ công tác lưu giữ, bảo tồn sự đa dạng di truyền nguồn gen cho các chương trình tạo giống ngô lai. Ranatunga et al. (2009) đã phân tích đa dạng di tryền của 43 dòng ngô thông qua 8 tính trạng chất lượng và 10 tính trạng số lượng. Tám tính trạng chất lượng dùng trong nghiên cứu gồm: màu của mày bao phấn, mày râu, màu lá, lớp lông bẹ lá, dạng bắp, màu hạt, dạng hạt, dạng đỉnh hạt. Trong 8 tính trạng, tính trạng lớp lông bẹ lá không cho kết quả đa hình trong số 43 dòng ngô, tính trạng màu râu, dạng bắp, màu hạt, dạng đỉnh hạt, dạng hạt có mức độ khác nhau về kiểu hình rất dễ nhận nhận thấy. Kết quả phân tích 43 dòng ngô thông qua các tính trạng số lượng tạo thành 2 nhóm chính: Nhóm một gồm 19 kiểu gen và nhóm hai gồm 24 kiểu gen. Hệ số tương đồng di truyền dao động từ 0.22 - 0.78. Mười tính trạng số lượng dùng đánh giá đa dạng di truyền 43 dòng ngô gồm: số nhánh cờ, chiều cao cây, chiều cao đóng bắp, ngày trỗ cờ, ngày phun râu, dài bắp, đường kính bắp, số hàng hạt, số hạt/hàng, khối lượng nghìn hạt. Kết quả 43 nguồn gen ngô phân thành 2 nhóm, nhóm một gồm 39 kiểu gen và nhóm hai gồm 4 kiểu gen. Khuất Hữu Trung (2009) cũng đã tiến hành nghiên cứu đa dạng di truyền ở mức hình thái 78 dòng ngô thuần chọn tạo bằng phương pháp nuôi cấy bao phấn. Kết quả phân tích đã chỉ ra hệ số tương đồng di truyền giữa các cặp dòng ngô trong cả tập đoàn dao động 0.13 - 0.52. 78 dòng ngô được phân thành 4 nhóm khác nhau. Nghiên cứu đa dạng di truyền cây ngô sử dụng chỉ thị phân tử Sử dụng chỉ thị phân tử trong phân tích đa dạng di truyền cây ngô được thực hiện bởi các kỹ thuật khác nhau, mỗi kỹ thuật có ưu điểm và nhược điểm riêng. Lựa chọn loại chỉ thị phân tử nào trong đánh giá đa dạng di truyền sẽ phụ thuộc vào độ chính xác, mức độ phức tạp của từng kỹ thuật, giá thành và điều kiện trang thiết bị của từng phòng thí nghiệm. 12
  31. Trung tâm cải lương ngô và lúa mỳ Quốc tế (CIMMYT) đang lưu giữ 17.000 mẫu nguồn gen ngô (Zea mays L.) và teosinte (Zea mays, một số loài phụ), một số họ hàng hoang dại của ngô. 17 quần thể ngô CIMMYT và 57 dòng tự phối đã được đặc điểm hóa bằng chỉ thị SSR. Các chỉ thị SSR được lựa chọn ra từ hầu hết các bin trong bản đồ gen ngô đã được kiểm tra lặp đi lặp lại, tự động. 85 SSR đã được tìm để lặp lại và tự động dễ dàng đã được chạy trên tất cả các vật liệu trong nghiên cứu. 53 trong số 85 SSR này đã được phân biệt hoàn toàn và đã được sử dụng để mô tả di truyền thông thường. Bảy quần thể tạo giống đã được dự đoán trên cơ sở phả hệ và nhóm giống ưu thế lai. Đa dạng di truyền trong mỗi quần thể có sự đa dạng cao hơn giữa các quần thể, cho thấy rằng các quần thể không đồng nhất tại mức phân tử. Các dòng tự phối cũng thể hiện đa dạng di truyền ở mức cao, các nhà tạo giống CIMMYT đã thành công trong tổ hợp di truyền vào trong nguồn vật liệu di truyền ngô CIMMYT. Các dòng có quan hệ với nhau do phả hệ đã tập hợp cùng với nhau. Nguồn gốc và nhóm di truyền quần thể không liên kết tạo thành các cluster trên cơ sở chỉ thị SSR. Một kết quả có mức độ đa dạng cao trong quần thể nguồn của các dòng tự phối (Marilyn et al., 2002). Trong chương trình chọn tạo giống ngô, phân tích đa dạng di truyền tập đoàn dòng thuần, xác định độ thuần về mặt di truyền của các dòng bố mẹ có ý nghĩa rất quan trọng đối với nhà chọn tạo giống. Những thông tin về di truyền sẽ cung cấp cho các nhà tạo giống những cơ sở khoa học trong việc dự đoán những tổ hợp lai có khả năng cho ưu thế lai cao. Trong sinh học phân tử có rất nhiều chỉ thị phân tử được dùng để phân tích đa dạng di truyền như: RFLP, AFLP, RAPD, SSR Tuy nhiên, chỉ thị SSR được các nhà nghiên cứu coi là một trong những chỉ thị có độ tin cậy cao, đánh giá chính xác và đầy đủ các thông tin phả hệ của tập đoàn dòng cần nghiên cứu (Phan Xuân Hào và cs., 2004). Xia et al. (2005) đã sử dụng chỉ thị phân tử SSR để nghiên cứu 73 dòng ngô Á nhiệt đới, 22 dòng trung du nhiệt đới, 11 dòng đất cao nhiệt đới và 10 dòng đất thấp nhiệt đới của CIMMYT đã được chọn để mô tả. Vật liệu di truyền vùng ôn đới đại diện bằng 12 dòng của Mỹ, 1 dòng của Canada và 8 dòng của châu Âu. Tác giả đã có những nhận xét là đặc điểm đa dạng di truyền của nguồn gen ngô (Zea mays L.) có tầm quan trọng to lớn với chương trình tạo giống ưu thế lai. Mục đích của nghiên cứu này là i) khám phá đa dạng di truyền của các dòng ngô vùng cao và trung du nhiệt đới và á nhiệt đới của CIMMYT bằng chỉ 13
  32. thị phân tử SSR, ii) nhận biết các tester phù hợp cho cá dòng ngô tự phối mới, iii) so sánh các dòng ngô này với các dòng ngô ưu tú của Mỹ và châu Âu, iv) sử dụng chỉ thị và thông tin phả hệ như một hướng dẫn cho biết về mối quan hệ giữa ưu thế lai giữa các dòng ngô của CIMMYT (CMLs) và tiềm năng sử dụng chúng trong chương trình tạo giống toàn cầu. Các dòng tự phối trong nghiên cứu kiểm tra bằng 79 chỉ thị SSR. Các dòng ngô CIMMYT có nguồn gốc từ 35 quần thể rộng và vốn gen có hỗn hợp nguồn gốc khác nhau. Tổng số 566 allen đã nhận biết (trung bình 7,2 trong phạm vi 2 đến 16 alen/locus). Khoảng cách Roger cải tiến (MRD) giữa các cặp dòng đạt trung bình 0,78 trong phạm vi từ 0,45 đến 0,93. Phương pháp nhóm cặp không trong số sử dụng trung bình số học (UPGMA) phân tích đám biểu hiện không rõ, điều này phản ánh các quần thể và vốn gen ngô rất cao, trung du nhiệt đới và Á nhiệt đới của CYMMYT là một tổ hợp hỗn hợp và cũng chỉ ra rằng một số lượng lớn các biến dị đã hợp thành trong nguồn gen ngô CYMMYT. Các nhóm ưu thế lai ôn đới phân chia trên cơ sở chỉ thị và ngô CYMMYT đã có di truyền khác biệt với các dòng ngô ôn đới. Nguồn gen ngô của Mỹ có nền di truyền hẹp, vì thế khả năng thích nghi với điều kiện bất thuận sinh học và phi sinh học xuất hiện là rất kém. Để tăng tiềm năng thích ứng rộng các nhà tạo giống đã sử dụng nguồn gen nhiệt đới để tăng đa dạng di truyền. Đã có nhiều dòng thuần ngô nhiệt đới ưu tú sử dụng trong các chương trình tạo giống ngô, nhưng còn thiếu thông tin để lựa chọn chúng làm bố mẹ cho các tổ hợp lai. Chọn giống với nguồn gen ngoại, trong môi trường ôn đới là rất khó khăn, do vậy sử dụng nguồn gen ngoại nhiệt đới là rất cần thiết (Paul and Major, 2008). Adeyamo et al. (2012) đánh giá đa dạng di truyền của 38 dòng ngô nhiệt đới sử dụng 85 chỉ thị SSR. 75/85 chỉ thị SSR dùng để đánh giá cho kết quả đa hình ở 38 dòng ngô và khuyếch đại tổng số 297 allen. Giá trị PIC thu được từ các mồi cho đa hình dao động từ 0.17 - 0.84 với giá trị trung bình 0.56. Số allen đa hình trên một locus dao động trong khoảng từ 2 - 11, trung bình là 3.96. Giá trị khoảng cách di truyền trong tất cả các cặp dòng ngô từ 0.007 - 0.59, với giá trị trung bình 0.45. Kết quả phân tích đám dựa trên dữ liệu SSR chia 38 dòng ngô thành 2 nhóm chính phù hợp với nguồn gốc của dòng. Cây ngô có mức độ đa dạng rất lớn là cơ hội để nâng cao mức độ đa dạng di truyền của chương trình nghiên cứu chọn tạo giống ngô. Đa dạng nguồn gen ngô toàn cầu đã đóng góp vào các chương trình cải tiến ngô tạo giống năng suất 14
  33. cao, chống chịu bất thuận, kháng bệnh hoặc cải thiện chất lượng dinh dưỡng (Prasanna, 2012). 2.3.2. Đa dạng nguồn gen ngô nếp Đa dạng hình thái theo chỉ số đa dạng của Shannon-Weaver, sử dụng phân tích đa dạng của 13.500 mẫu nguồn gen ngô bản địa và 3258 dòng tự phối đang bảo tồn ở Trung Quốc. Trong đó mẫu nguồn gen ngô nếp đa dạng nhất ở Vân Nam là 315, Quảng Tây là 269 và Quảng Đông là 170, Hắc Long Giang 43, Tứ Xuyên 43, Hồ Bắc 33. Kết quả chứng minh rằng đa dạng kiểu hình liên quan chặt chẽ với nguồn địa lý sinh thái. Kết quả nghiên cứu chứng minh các nguồn gen ngô bản địa đa dạng hơn, điều này chỉ ra rằng bảo tồn nguồn gen bản địa có ý nghĩa vô cùng quan trọng cho chiến lược tạo giống ngô ở Trung Quốc (Li et al., 2002). Đa dạng di truyền nguồn gen ngô nếp cũng đã được nghiên cứu đánh giá cung cấp thông tin quan trọng cho chương trình tạo mối quan hệ di truyền giữa các vật liệu chọn giống ưu tú có ý nghĩa quan trọng đối giống ngô nếp lai. Park et al. (2008) cho rằng hiểu biết về đa dạng và với cải tiến cây trồng. Đối với ngô, thông tin di truyền đặc biệt có lợi trong lai tạo giống ưu thế lai, phân nhóm di truyền các dòng thuần và bảo hộ quyền tác giả. Sử dụng kỹ thuật chỉ thị phân tử SSR để nghiên cứu đa dạng và mối quan hệ di truyền giữa 76 mẫu nguồn gen ngô nếp của Hàn Quốc, đại diện cho mẫu nguồn gen thu thập ở tất các các vủng trong cả nước. Nghiên cứu sử dụng 30 chỉ thị SSR đã nhận biết tổng số 127 allele, trung bình 4,2 allele trên một locus. Đa dạng gen của 30 chỉ thị rất biến động trong phạm vi từ 0,125 đến 0,795 với trung bình là 0,507. Các dòng thuần phân thành 2 nhóm di truyền gồm nhóm 1 là 63 dòng và nhóm 2 là 13 dòng với hệ số đồng hình 36,5%. Nghiên cứu chỉ ra rằng chỉ thị phân tử SSR hữu ích trong nghiên cứu đa dạng di truyền và chương trình chọn giống ngô nếp lai ở Hàn Quốc. Thông tin đa dạng di truyền và mối quan hệ di truyền giữa các dòng thuần ưu tú là rất cần thiết để cải tiến và tạo giống mới trong chương trình tạo giống ngô. Các nhà nghiên cứu Hàn Quốc đã nghiên cứu mối quan hệ và đa dạng di truyền của 84 dòng thuần ngô nếp sử dụng 50 chỉ thị phân tử SSR. Tổng số allele thu được là 269 trên tất cả các locus, phạm vi 2 đến 13 allel trên 15
  34. một locus và trung bình là 5,38 allele. Giá trị đa dạng gen rất biến động từ 0,383 đến 0,923 và trung bình là 0,641. Phân nhóm di truyền cho kết quả nhóm 1 gồm 33 dòng và nhóm 2 là 51 dòng, các dòng thuần ngô nếp không đồng nhất với nguồn gốc phát triển của chúng về phả hệ và vùng địa lý. Phân tích đa dạng các dòng thuần thu thập ở Hàn Quốc và Trung Quốc tại 50 locus SSR biểu hiện giá trị số allele trung bình (4,9) và đa dạng gen (0,638) của các dòng thuần ngô nếp Hàn Quốc so với các dòng thuần ngô nếp Trung Quốc (3,5 và 0,563). Những thông tin đa dạng di truyền rất có lợi cho chương trình tạo giống ngô nếp của Hàn Quốc (Kyu et al., 2010). Ngô nếp có nhiều đặc điểm thành phần tinh bột tuyệt vời và có giá trị kinh tế cao, nó đã được trồng rất lâu đời ở Trung Quốc. Sản xuất và tiêu thụ ngô nếp ngày càng tăng trong những thập kỷ gần đây. Mặc dù vậy, nguồn gốc và tiến hóa của ngô nếp vẫn còn chưa được hiểu rõ ràng. Zheng et al. (2013) đã nghiên cứu đa dạng di truyền nguồn gen ngô nếp bao gồm các giống bản địa và các dòng thuần bằng chỉ thị phân tử SSR, kết quả cho thấy mức đa dạng rất cao của nguồn gen ngô nếp Trung Quốc. Phân tích nguồn gốc và tiến hoá ngô nếp bằng giải trình tự 108 mẫu và 52 trình tự từ GenBank của locus waxy trong số nguồn gen của chi Zea. Sự giảm rõ ràng mức đa dạng nucleotide ở locus waxy trong ngô nếp Trung Quốc nhưng không giảm trong ngô thường. Di truyền hình thái chỉ ra rằng ngô nếp Trung Quốc có nguồn gốc từ ngô đá và hầu hết các dòng thuần ngô nếp hiện đại biểu hiện nguồn gốc và quá trình tiến hóa độc lập so với nguồn gen Tây Nam Trung Quốc. Kết quả này chỉ ra rằng các tính trạng nông học đã được cải tiến nhanh chóng do quá trình chọn lọc theo nhu cầu của con người tạo nên sự đa dạng cao của ngô nếp. Nhận biết tính trạng chất lượng và đa dạng di truyền nguồn gen ngô nếp Trung Quốc đã được Wang et al. (2013) phân tích 165 mẫu nguồn gen bao gồm cả giống bản địa và dòng thuần bằng chỉ thị phân tử SSR. Kết quả cho thấy mức độ đa dạng di truyền rất rộng về đặc điểm bắp, chất lượng tinh bột ở nguồn gen ngô nếp Trung Quốc. Tổng số 281 allele đã tìm thấy trong 60 locus SSR, với phạm vi từ 2 đến 9 allele/chỉ thị, trung bình là 4,68 allele/chỉ thị qua tất cả các kiểu gen. Giá trị PIC từ 0,332 đến 0,860. Thông tin đa dạng rất có lợi để lựa chọn các vật liệu có khoảng cách di truyền xa nhất cho nghiên cứu di truyền và lai tạo giống. 16
  35. 2.3.3. Nghiên cứu đa dạng nguồn gen ngô ở Việt Nam Ở Việt Nam, sử dụng chỉ thị phân tử đặc biệt là chỉ thị SSR trong đánh giá đa dạng di truyền và dự đoán ưu thế lai đang được Viện Nghiên cứu Ngô tiếp tục nghiên cứu và phát triển, hỗ trợ phương pháp truyền thống trong công tác chọn tạo giống ngô lai, góp phần nhanh chóng xác định tổ hợp lai ưu tú phục vụ sản xuất (Nguyễn Trịnh Hoàng Anh, 2014). Phan Xuân Hào và Bùi Mạnh Cường (2004) đã sử dụng 41 mồi SSR để phân tích đa dạng di truyền 88 dòng ngô, bao gồm 51 dòng Việt Nam, 1 dòng Mỹ (Mo17), 36 dòng từ CYMMYT. Tất cả các dòng đều có tỷ lệ dị hợp tử ở mức cho phép <20%. Các dòng của Việt Nam có độ thuần di truyền cao (tỷ lệ dị hợp trung bình 4,48%). Đã xác định được sơ đồ phả hệ giữa các dòng trong tập đoàn nghiên cứu. Tất cả các dòng được chia thành 2 nhóm lớn, nhóm 1 gồm 4 dòng, 3 dòng Việt Nam (VNL5, VNL11, VNL71) và nhóm 2 gồm 84 dòng. Ngô Minh Tâm và Bùi Mạnh Cường (2009) phân tích đa hình di truyền 8 dòng ngô có nguồn gốc khác nhau trong tập đoàn vật liệu của Viện Nghiên cứu Ngô sử dụng 36 chỉ thị SSR. Kết quả khảo sát đánh giá các tổ hợp lai trên đồng ruộng chỉ ra mối tương quan giữa khoảng cách di truyền với con lai F1 ở 8 dòng ngô. Khuất Hữu Trung và cs. (2009) nghiên cứu đa dạng di truyền của 78 dòng ngô thuần được tạo ra bằng phương pháp nuôi cấy bao phấn thế hệ F1 của 4 nguồn vật liệu khác nhau bằng 32 mồi SSR. Kết quả cho thấy hệ số PIC của 32 mồi SSR nằm trong khoảng 0.22 đến 0.6, trung bình 0.37. Khoảng cách di truyền giữa các cặp dao động từ 0 - 0.82. Kết quả phân tích cũng cho thấy trong tổng số 78 dòng, hai dòng có mức độ di hợp tử lớn hơn 15%; 76 dòng còn lại được phân thành 5 nhóm ưu thế lai khác nhau. Dựa vào khoảng cách di truyền giữa các dòng thuần và kết quả phân nhóm tác giả đã kết luận sự đa dạng di truyền giữa các dòng thuần từ nuôi cấy bao phấn phụ thuộc vào nền di truyền của nguồn vật liệu ban đầu, ít phụ thuộc vào dòng cảm ứng mang gen tạo phôi và tái sinh cây. Đinh Công Chính và Bùi Mạnh Cường (2010) đã phân tích đa dạng di truyền và khả năng kết hợp 30 dòng ngô nếp thuần, trong đó có 22 dòng được tạo ra từ nuôi cấy bao phấn có nguồn gốc Việt Nam, Trung Quốc, Thái Lan. 8 dòng được rút dòng trực tiếp từ pool1, pool2, pool3, pool4 có nguồn gốc bản địa. Kết quả cho thấy 30 dòng ngô nếp khá đa dạng và phong phú, phân thành 4 nhánh cách biệt với khoảng 17
  36. cách di truyền là 0,60. Xác định được 7 dòng có khả năng kết hợp chung và phương sai khả năng kết hợp riêng cao là N1, N2, N10, N11, N14, N17, N18. Nghiên cứu đánh giá 22 dòng thuần ngô nếp, các tác giả đã nhận biết 4 dòng có mức đồng hợp cao Waxy4, Waxy 9, Waxy16, Waxy 17 (tỷ lệ dị hợp dưới 7%) và 5 dòng biểu hiện dị hợp cao (trên 20%) là các dòng Waxy 12, Waxy 14, Waxy 18, Waxy 21, Waxy 22. Chỉ thị phân tử SSR nhận biết mức độ đa hình cao giá trị thông tin di truyền PIC bằng 0,46. Phân nhóm các dòng thuần bằng phương pháp UPGMA cho thấy hệ số đồng hình bằng 0,38 và các dòng được phân thành 6 nhóm cho thấy mức độ đa dạng của các dòng thuần ngô nếp nghiên cứu (Nguyen et al., 2012). 2.4. NGHIÊN CỨU DI TRUYỀN Ở NGÔ NẾP Những nghiên cứu về gen điều khiển nội nhũ sáp đã được nhiều nghiên cứu đề cập và chứng minh. Từ những năm 1960 các nhà nghiên cứu Ấn Độ đã có những nghiên cứu tóm tắt số liệu thu được qua 5 năm với những allele wx mới nhất. Hai đột biến wxm-1 và wxm-6 của hệ thống Ac-Ds và wxm-8 của hệ thống Spm đã được Mc Clintock khám phá dò tìm chức năng gen. Những đột biến này được xem là đột biến yếu tố điều khiển. Các allele đột biến wx được khám phá là gen lặn, phân lập các allele wx trong một thí nghiệm có lẫn tạp các allele wx tiêu chuẩn. Allel wxC của Đại học cornell là allele wx lặn được sử dụng trong thí nghiệm. Trên cơ sở phân tích di truyền có xấp xỉ 24 allele, ba allel là yếu tố điều khiển, m-1 và m-6 của hệ thống Ac-Ds và m-8 của hệ thống Spm tổ hợp với mỗi allele khác và hầu hết các allele wx. Hai allele B7 và C34 không tổ hợp với bất kỳ allele wx nào. Locus Waxy (Wx) ở ngô quyết định hàm lượng amylose của mô hạt phấn và nội nhũ. Locus có một số allele đột biến do nguyên nhân lồng các yếu tố điều khiển sao mã. Các tác giả sử dụng đặc tính của các allele yếu tố điều khiển để nhận biết locus Wx và sản phẩm gen của chúng. Các tác giả đã chứng minh locus Wx mã hóa polypetide tinh bột mạch vòng 58kd. Đột biến gây ra bởi yếu tố phân tách (Dissociation - Ds) điều khiển có thể do sự lồng đoạn xấp xỉ 2,4 kb tại locus Wx (Shure et al., 1983). Hơn 40 allele đột biến locus waxy (wx) của ngô phân tích bằng chỉ thị phân tử. Những nghiên cứu được xác định kiểu hình không ổn định, đột biến allele wx do nguyên nhân lồng đoạn hoạt hóa chuyển đổi ngô (Ac) (maize transposable activator) và nguyên tử phân tách (Ds) (dissociation). Trong nghiên 18
  37. cứu này các tác giả sử dụng phân tích Southern blot trong 22 dòng che lấp allele wx với kiểu hình không ổn định. Trong các đột biến, 17 allele nằm trong vùng tự đột biến, 4 allele tạo ra do tia gamma và 1 gây ra bằng ethyl methanesulfonate. Trong 22 allele này đã tìm thấy 13 allens lồng đoạn hoặc xóa đoạn trong đơn vị sao mã wx. Những đoạn lồng kích thước trong phạm vi 150 bp (base pairs) đến 6.1 kb (kilobases). Đã có 6 xóa đoạn đã được nhận biết, hai điểm phân giới trong gen wx. 9 alleles khác không quan sát thấy vết trong hoặc xung quanh đơn vị sao mã. Những chứng minh có mặt của lồng đoạn và xóa đoạn trong kiểu hình đột biến là không đa hình. Kết luận này là cơ sở cho 2 phát hiện (i) một khảo sát dòng thuần chứng minh đa hình đơn trong đơn vị sao mã, trong khi tất cả các vết biến đổi trong đơn vị sao mã (ii) có sự tương quan giữa vị trí này trên bản đồ vật lý và vị trí liên quan trên bản đồ di truyền cấu trúc của locus này (Wessler and Varagona, 1985). Ngô nếp có rất ít hoặc hàm lượng amylose thấp (<5%) trong tinh bột của hạt, đột biến làm vô hiệu gen trội Wx. Do vậy đã được tập trung nghiên cứu di truyền, hai dạng allele wx là wx-D7 và wx-D10 đã được nhận biết. Các tác giả Trung Quốc nghiên cứu đã nhận biết 10 mẫu nguồn gen mang allele wx-D7 hoặc wx-D10 trong 325 mẫu nguồn gen ngô nếp. Chiều dài đầy đủ của DNAs chứng minh rằng có 6 trong 10 mẫu nguồn gen đã nhận biết mang allele wx thay đổi mạch nhánh, trong khi 4 mẫu còn lại có kiểu sao mã wx dạng dại. Trong 6 mẫu nguồn gen mang allele wx, một mẫu có allele wx-D7, 2 mẫu có allele wx-D10, các mẫu khác bị xóa đoạn thứ 10 và thứ 11 phần exon, một mẫu tạo vùng chuyển mã rất dài, do phần thứ 2 và 12 của exon bị xóa. Các mẫu ngô nếp có mặt duy nhất allele wx có thể sử dụng trong chương trình tạo giống ngô nếp và nghiên cứu điều khiển di truyền (Jian et al., 2012) Ngô (Zea mays L.) là loài cây trồng được tập trung nghiên cứu. Di truyền của một số tính trạng và bộ genome của nó được biết khá rõ. Một số yếu tố cho đặc điểm mấu chốt của ngô trong các loài cây giao phấn là: có giá trị đa dạng di truyền và biến dị đã được nhận biết trên 10 NST của nó, hỗ trợ thụ phấn để nhận được số hạt lớn hơn và hỗ trợ để thu được con cái khác nhau. Cũng đã nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng ở cây ngô này, cũng như kết quả và hầu hết các phương pháp chọn giống ở cây giao phấn đều được phát triển trên cơ sở nghiên cứu ở cây ngô. Khoảng 300 biến chủng ngô đã được ghi nhận ở vùng Tây Bán cầu. Brieger et al. (1958) đã mô tả và đánh giá tiềm năng 19
  38. di truyền của các biến chủng ngô ở Brazil và khu vực liền kề. Xấp xỉ 50% các biến chủng này thích nghi với vùng thấp (0 - 1000 m), 10% ở vùng trung bình (1000 - 2000 m) và 40% ở vùng có độ cao > 2000 m. Gần đây nhờ trợ giúp của marker phân tử cấu trúc của locus waxy (wx+) xác định bằng phân tích trình tự hai genome và tách cDNA, vùng mã hóa gồm 3,718 bp và tổ hợp của 14 exons và 13 introns nhỏ. Vùng exons và vùng promoter là giàu G/C (60 - 80%). Hiện nay tất cả ba phân tích sao mã waxy được phát hiện ở các vị trí polyadenylation khác nhau và tương ứng với vết polyadenylation (bổ sung phiên mã ARN). Phần nhỏ nhất của những mRNAs này có 2,263 nucleotides. Phân tích Northern blot cho thấy biểu hiện đặc thù mô của locus do điều khiển sao mã. Vị trí lồng tất cả các yếu tố sao mã tạo ra đột biến waxy đã được phân tích chính xác trong locus. Giải trình tự N-terminal sequencing của đột biến protein wx+ đã nhận biết peptide sao mã đặc thù amyloplast của 72 aminoacid (Ralf et al., 1986). Ngày nay nhờ chỉ thị phân tử, nhiều nghiên cứu di truyền đã lập được bản đồ gen điều khiển nội nhũ sáp. Nghiên cứu của các nhà khoa học Hàn Quốc lập bản đồ liên kết di truyền của ngô sử dụng các chỉ thị phân tử SSR và SNP sử dụng dòng tái hợp (RIL) quần thể F7:8 từ tổ hợp lai ngô nếp (KW7) và ngô răng ngựa (Mo17). Tổng số 465 chỉ thị trong đó 459 chỉ thị SSR và 6 chỉ thị SNP đã đưa vào 10 nhóm liên kết 2.656.5 cM trung bình khoảng cách di truyền giữa các chỉ thị là 5,7 cM và số locus/nhóm liên kết trong phạm vi 39 đến 55. Chỉ thị SSR (85,4%) và chỉ thị SNP (83,3%) biểu hiện tỷ lệ phân ly theo di truyền Menden. Phân tích liên kết của SNP liên quan đến gen tổng hợp tinh bột trong hạt (ae1, bt2, sh1, sh2, su1, và wx1), tất cả 6 locus lập bản đồ thành công và liên kết chặt với chỉ thị SSR trên nhiễm sắc thể số 3 (sh2), NST số 4 (su1 và bt2), NST số 5 (ae1), và NST số 9 (sh1 và wx1). Kết quả chỉ ra rằng có thể sử dụng chỉ thị SSR trợ giúp trong chương trình tạo giống ngô (Kyu et al., 2010). Nghiên cứu ở mức phân tử để ứng dụng trong chọn giống ngô nếp (nội nhũ sáp): Enzime granule-bound starch synthase (GBSS) là enzyme tổng hợp amylase ở hạt tinh bột khi enzyme này không hoạt động trong hạt tinh bột sẽ hầu hết là amylopectin và rất ít hoặc không có amylase và đó là loại hình ngô nếp. Những nghiên cứu trước đây đã nhận biết hai allele nội nhũ sáp (nếp) ở cây kê (Sorghum bicolor L. Moench), đặc điểm biểu hiện khi vắng mặt của (waxya; wxa) hoặc có mặt của (waxyb; wxb) của protein GBSS trong nội nhũ của hạt. Để mô tả 20
  39. hai allel này nghiên cứu đã kiểm tra cấu trúc nội nhũ bằng kính hiển vi điện tử lớp mỏng scanning electron microscopy (SEM). Thí nghiệm hoạt động của enzyme GBSS đã nhận DNA liên kết với đột biến của gen GBSS (Sb10g002140) wxa là allel có mặt trong BT x 630 và RT x 2907 có một số lượng lớn trong exon thứ 3, nó phù hợp với không có protein GBSS của nghiên cứu trước, allel wxb có mặt trong B9307 và BT x ARG1 chứa một đột biến sai lệch đã sửa đổi glutamine 268 với histidine dẫn đến sửa đổi enzyme tổng hợp tinh bột. Trong wxb hoạt động của GBSS nhỏ hơn dòng B lúa mỳ thường là 25% và GBSS hoạt động không tìm thấy trong wxa. Cả hai allele có khả năng ứng dụng tạo giống kê hàm lượng amylase trong tinh bột thấp, có mặt hoặc vắng mặt protein GBSS. Ứng dụng marker PCR trong chọn giống phân tử để phát triển giống kê có amylase thấp (Scott et al., 2009). Kiểu hình của ngô nếp đã được chứng minh kết quả từ giảm đáng kể sự tổng hợp amylose do đột biến hoặc thêm vào một dạng gen mã hóa (Wx) enzym synthase biến đổi tinh bột tổng hợp trong ngô và cây ngũ cốc khác (Saito Nakamura, 2005). Trong Ngô nếp, gen lặn duy nhất (wx) nằm trên vai ngắn của nhiễm sắc thể 9, chịu trách nhiệm tạo ra nội nhũ dạng sáp của hạt. Gen wx là gen lấn át các gen khác để tạo tinh bột dạng nhỏ (Jian et al., 2012). 2.5. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU HẠN Ở NGÔ Sự ấm lên toàn cầu có khả năng tăng tác động đến hạn hán ở nhiều khu vực trồng ngô trên thế giới. Crosson and Anderson (1992) kết luận rằng sản xuất và sản lượng ngô sẽ bị ảnh hưởng kép bởi hai yếu tố là CO2 và nhiệt độ bất thuận. Một nghiên cứu mô hình mô phỏng năng suất ngô với những chuỗi thay đổi khí hậu toàn cầu của Rosenzweig et al. (1995) đã minh chứng rõ ràng hơn về giảm sản lượng cây trồng 9 - 10% ở châu Á trong thời gian tới, trong khi năng suất ở các vĩ độ cao hơn lại có khuynh hướng tăng. Giảm năng suất là kết quả tác động của nhiệt độ thúc đẩy sinh trưởng phát triển của cây trồng nhanh hơn, chín ép và giảm độ ẩm đất, giảm năng suất nặng nề hơn ở sa mạc Saharan châu Phi đến 17% (Muchena and Iglesias, 1995). Nhận biết và phát triển giống ngô chịu hạn bằng kỹ thuật đánh giá sàng lọc một lượng lớn vật liệu cần chi phí lớn. Sự tồn tại của cây con xác định sự sống sót của cây hai lá mầm đã dự đoán khả năng chịu hạn, nhưng chưa có những báo cáo phương pháp đánh giá ở cây họ hòa thảo C4 như ngô. Các cây 21
  40. con của 62 dòng ngô tự phối và lai đỉnh, được đánh giá về các chỉ tiêu như khả năng nảy mầm, khả năng sống sót và tồn tại phát triển sau một loạt chu kỳ hạn. Kết quả đã nhận biết có sự khác nhau giữa các kiểu gen của các dòng tự phối và tổ hợp lai sau 13 đến 18 ngày trồng. Các kiểu gen bị ảnh hưởng ở mức có nghĩa với phương sai thí nghiệm 6%. Đặc biệt có 3 dòng tự phối tỷ lệ sống sót có ý nghĩa, và 14 tổ hợp lai tồn tại phát triển. Mặc dù vậy không nhận thấy có sự tương quan giữa dòng tự phối và tổ hợp lai về khả năng chịu hạn thời kỳ cây con. Kết quả này chỉ ra rằng phản ứng với bất thuận của cây con có lợi hơn như là một tham số sàng lọc thứ cấp của tổ hợp lai hơn là dòng thuần. Thí nghiệm đồng ruộng trong điều kiện hạn chế tưới cho thấy cơ chế chịu hạn ở giai đoạn cây con độc lập với phản ứng hạn của ngô ở thời kỳ ra hoa trong nghiên cứu này (Meeks et al., 2013). Mặc dù chọn lọc kiểu hình đã có hiệu quả nâng cao năng suất ngô dưới điều kiện hạn. Công tác chọn giống trợ giúp nhờ genomic (genomics-assisted breeding - GAB) bằng chọn lọc nhờ chỉ thị phân tử (MAS) hoặc chọn lọc genome rộng (GWS), và kỹ nghệ di truyền (GE) để tăng thích nghi và cải tiến tính chịu hạn nâng cao sản lượng ngô trong điều kiện độ ẩm thấp (Tuberosa et al., 2013) Rahman et al. (2011) nghiên cứu chịu hạn ở ngô chỉ ra rằng tính trạng số lượng là một tính trạng quan trọng nhất nhưng phức tạp ở cây trồng, các tác giả nghiên cứu locus tính trạng số lượng (QTL) ảnh hưởng đến khả năng chịu hạn ở ngô. Hai dòng thuần ngô và những dòng tiến bộ của chúng đã được đánh giá các tính trạng liên quan đến khả năng chịu hạn. Sử dụng marker RFLP để xây dựng bản đồ liên kết di truyền để nhận biết các QTL liên quan đến tính trạng chịu hạn. Đã tìm thấy 22 QTL có ảnh hưởng tối thiểu đến 1 tính trạng chịu hạn và tối đa là 9 tính trạng chịu hạn. Một QTL nhận biết điều khiển hàm lượng đường giải thích 52,2% phương sai kiểu hình nằm trên NST số 6. Một QTL nhận biết điều khiển tính trạng mật độ rễ, khối lượng khô của rễ, sinh khối rễ, lượng nước liên kết và nồng độ ABA trong lá nằm trên NST số 1 và số 7 đóng góp 24; 0,2; 0,4; 7 và 19% phương sai kiểu hình tương ứng. 3 QTL điều khiển năng suất hạt đã được nhận biết nằm trên NST số 1, 5 và 9 giải thích 75% biến dị kiểu hình quan sát được. Trong khi đó 4 QTL được dò tìm thấy trên NST số 1, 3 và 9 cùng điều khiển tiềm năng thẩm thấu và giải thích 50% phương sai kiểu hình. Chín QTL điều khiển diện tích bề mặt lá nằm trên NST số 3 và số 9 có mức phương sai kiểu hình rất lớn từ 25,8 đến 42,2%. Bốn tập hợp QTL chính nhận biết trên NST số 1; 22
  41. 3; 7 và 9. Một QTL năng suất trên NST số 1 đã nhận thấy liên vùng với QTL tính trạng rễ, sinh khối, tiềm năng thẩm thấu ở trong một vùng khoảng 15 cM. Cơ quan Pioneer Hi-Bred International, headquartered ở Iowa thông báo phóng thích một loạt dòng ngô chịu hạn phục vụ chọn tạo giống ngô ưu thế lai, nghiên cứu đồng ruộng các giống ưu thế lai biểu hiện tăng năng suất 5% trong điều kiện môi trường thiếu nước, trong khi các giống lai không chịu hạn giảm năng suất 15% với kết quả nghiên cứu ước tính tăng thu nhập hàng triệu đô la. Các giống ngô mới của CIMMYT và Mỹ cố gắng phát triển các giống ngô lai chịu hạn thích ứng với các vùng trồng ngô của Châu Á và Châu Phi. Các giống ngô lai mới chịu hạn đang phát triển mạnh diện tích hàng năm tăng 15 - 25% trong 19 triệu ha ngô ở các vùng này mỗi năm (Jeff, 2011). Gemenet et al. (2010) nghiên cứu 203 cá thể của quần thể F2 phát triển từ tổ hợp lai KCB x GBK032357. Trong đó KCB (nguồn gen bản địa mẫn cảm hạn); GBK032357 (nguồn gen bản địa chịu hạn). Quần thể được thí nghiệm đánh giá tập đoàn dưới điều kiện hạn để phân loại kiểu hình chịu hạn và mẫn cảm hạn. Trên cơ sở phương pháp BSA, DNA của 10 F2 cây chịu hạn tốt nhất và 10 cây F2 mẫn cảm hạn nhất dựa trên giá trị ASI tạo thành vốn DNA. Vốn DNA này và DNA của bố mẹ phân tích trên 109 locus. Kết quả đã xác định các chỉ thị phân tử thích hợp đa hình trên 20 cây này đã biểu hiện trên 4 vùng genome liên kết với ASI. Những vùng này gần marker p-umc2189, p-bnlg1179 và p-bnlg1014 trên NST số 1; p-umc1542 trên NST số 2. QTLs phù hợp với khoảng 65% phương sai kiểu hình của ASI. Tương quan kiểu hình có ý nghĩa giữa các tham số ra hoa; năng suất và yếu tố tạo thành năng suất ở mức có ý nghĩa. Sự giao thoa giữa các QTL phù hợp cũng được nhận biết. Ví dụ, markers pumc2189 và p-bnlg1014 biểu hiện liên kết có ý nghĩa với thời gian phun râu (female flowering time (FFT) trong khi markers p-bnlg1179 và p-umc1542 biểu hiện liên kết với cả hai tính trạng số bắp (kernel number - KN) và năng suất (grain yield - GY). Những phát hiện này gợi ý tính đa chiều giữa locus của ASI và FFT, KN và GY. Farhad et al. (2011) đánh giá khả năng chịu hạn của các giống ngô lai FH 421, FH 810, Pioneer 32-F-10, Pioneer 32-W-86, Monsanto 919, Monsanto 6525, NK 8441 & SS 5050 gieo trong chậu vại, điều khiển độ ẩm đất và duy trì sau khi gây hạn ở mức 75% và 100%. Giống ngô lai Monsanto 919 biểu hiện chống chịu tốt ở cả hai mức ẩm biểu hiện qua tính trạng chiều cao cây, diện tích 23
  42. lá/cây, tiềm năng nước và áp suất thẩm thấu tối ưu. Như vậy phản ứng của các kiểu gen rất khác nhau ở các mức thiếu hụt nước. 2.6. NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN DÒNG THUẦN 2.6.1. Phát triển dòng thuần ngô bằng tự phối và chọn lọc Nghiên cứu và công bố về phương pháp phát triển dòng thuần của Shull (1909) đã trở thành phương pháp tiêu chuẩn để phát triển dòng thuần trong tạo giống ngô lai. Nghiên cứu và công bố của Shull về phương pháp phát triển dòng thuần trong tạo giống ngô xuất bản tháng 5 năm 1909 đã trở thành phương pháp tiêu chuẩn phát triển dòng thuần và thúc đẩy tạo giống ngô ưu thế lai. Ông viết trong những năm qua đã mô tả một loạt các thí nghiệm với ngô Ấn độ và đi đến kết luận (i) thông thường một ruộng ngô thể hệ các cá thể nói chung tạo ra từ một sự lai rất phức tạp; (ii) sự suy thoái là do kết quả của tự thụ phấn. Ông đưa ra phương pháp phát triển dòng thuần trong tạo giống ngô. Diện tích, năng suất và sản lượng ngô ưu thế lai tăng nhanh sau năm 1908 và 1909, khi Shull nhà chọn giống người Mỹ công bố một công trình với tiêu đề “Sự tổ hợp của một ruộng ngô”. Những nghiên cứu của ông đã tạo ra sự khởi đầu khai thác ưu thế lai ở cây trồng, đây là một bước nhảy vĩ đại của di truyền học. Nghiên cứu của Shull (1909) đã chỉ ra rằng những dòng ngô thuần suy giảm năng suất và sức sống, nhưng khi lai hai dòng thuần đã tạo ra ưu thế lai có năng suất cao và quần thể lai rất đồng nhất. Phương pháp của ông đưa ra đã trở thành phương pháp tiêu chuẩn của chương trình chọn tạo giống ngô ưu thế lai (Shull, 1909). Chọn tạo giống ngô ưu thế lai của ZP (Maize Research Institute “Zemun Polje”, Republic of Serbia) có nội nhũ tiêu chuẩn. Thời kỳ đầu chọn tạo giống ngô, chọn lọc các giống địa phương thụ phấn tự do đã phân thành 6 nhóm di truyền cơ bản để sử dụng làm nguồn vật liệu. Đầu tiên phát triển dòng thuần từ nguồn là 3 giống địa phương thụ phấn tự do là Vukovarski răng ngựa, Rumski Golden răng ngựa và Sidski răng ngựa tại Viện nghiên cứu ngô năm 1953. Sau khi chọn lọc kiểu hình mỗi giống chọn được hàng trăm bắp. Chọn lọc bắp trên hàng và đánh giá khả năng kết hợp ở các thế hệ tự thụ phấn. Các bố mẹ của lai kép của Mỹ như WF9 x N6, WF9 x 38-11 đã được sử dụng làm các cây thử. Những tổ hợp ngô lai kép đầu tiên của ZP được phát triển như ZP 755, ZP 488, ZP 370 có dạng ngô răng ngựa, các tổ hợp lai này từ bố mẹ là các dòng thuần là V312, V390, V395, V158, V144, R59). Tiềm năng năng suất của các dòng thuần 24
  43. chỉ ra rằng có thể sử dụng chúng làm mẹ của các tổ hợp lai đơn. Bắt đầu từ những năm 1960 và 1970 các tổ hợp lai đơn đầu tiên như ZPSC 1, ZPSC 4, ZPSC 6, ZPSC 3, ZPSC 58c đã được chọn tạo thành công, chứng tỏ rằng nguồn giống ngô địa phương thụ phấn tự do rất có giá trị để phát triển dòng thuần trong chương trình tạo giống ngô ưu thế lai (Drinic et al., 2007). Chọn giống chu kỳ lai trở lại và và thế hệ F2 đã trở thành ưu thế trong chương trình phát triển dòng thuần trong công nghiệp (Zea mays L.) ở Mỹ. Lấn át và liên kết đã được nhận biết có thể là một hạn chế chọn lọc từ F2 và lai trở lại, các tác giả đã nghiên cứu xác định mức độ quan trọng của lấn át gen trong một tổ hợp lai ưu tú và xác định thế hệ phù hợp cho phát triển dòng thuần. Con cái thế hệ thứ 6 phát triển từ hai bố mẹ; P1 (B73) và P2 (B84), thế hệ F2 của [(B73 × B84) F2]; thế hệ BCP1 của [(B73 × B84) × B73]; thế hệ BCP2 của [(B73 × B84) × B84]; và 8 thế hệ F2-Syn (thể hệ F2 giao phối ngẫu nhiên qua 8 thế hệ). Con cái lai thử bằng lai ngẫu nhiên các cây S9 của mỗi thế hệ với dòng thuần Mo17 là cây thử. 100 con lai của F2 × Mo17 và F2-Syn 8 × Mo17 và 50 con lai BCP1 × Mo17 và BCP2 × Mo17, cũng như bố mẹ lai thử được thu hoạch. Thí nghiệm đánh giá tại 4 địa phương trong năm 1990 và 3 địa phương năm 1991. Lấn át gen có ý nghĩa với tính trạng năng suất, độ ẩm hạt, khoảng 18% và 21% phương sai trung bình các thế hệ. Phương sai di truyền và hệ số di truyền của năng suất hạt sắp xếp là F2-Syn 8 > F2 > BCP1 > BCP2. Dưới cường độ chọn lọc thấp (a = 20%), xếp loại các thế hệ là BCP22 > F2 >> F2-Syn 8 > BCPI. Dưới cường độ chọn lọc cao (a = 1%), xếp loại là F2 > F2-Syn 8 > BCP2 > BCP1. Sự lựa chọn giữa F2 và lai trở lại làm nguồn quần thể cơ bản, các tác giả gợi ý rằng tiến bộ rất hạn chế nếu giao phối ngẫu nhiên F2 trước khi chọn lọc và tự phối (Kendall et al., 1994). 2.6.2. Phát triển dòng đơn bội kép (DH) Phương pháp phát triển dòng đơn bộ kép (Double Haploid - DH) trên cơ sở công nghệ sinh học. Phương pháp tạo dòng đơn bội kép bằng phương pháp nuôi cấy noãn ngô. Phương pháp này được nghiên cứu từ đầu những năm 80 (Andre, 1981). Tác giả đã nghiên cứu tạo mô sẹo từ noãn ngô chưa thụ tinh, sau đó tái sinh cây từ callus thu được. Nghiên cứu tạo dòng thuần được tạo ra bằng phương pháp này ở mức phân tử cho thấy cây ngô được tái sinh là do tế bào trứng chưa thụ tinh tự lưỡng bội hóa tạo thành. Sự thành công của kỹ thuật nuôi cấy noãn chưa thụ tinh phụ thuộc rất lớn vào khả năng sinh sản đơn tính cái đại 25
  44. bào tử của các nguồn vật liệu nuôi cấy. Tỷ lệ phản ứng tạo callus và khả năng tái sinh cây không chỉ phụ thuộc vào kiểu gen mà còn phụ thuộc vào điều kiện sinh trưởng, chất lượng của vật liệu và kỹ thuật nuôi cấy nên hiệu quả của quá trình nuôi cấy còn thấp. Vì vậy, phương pháp này chưa được ứng dụng rộng rãi. Phương pháp tạo dòng đơn bội kép bằng kỹ thuật nuôi cấy bao phấn và hạt phấn tách rời. Phương pháp nuôi cấy bao phấn được nghiên cứu từ những năm 1975, sau đó được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và hoàn thiện quy trình. Cấu trúc dạng phôi hình thành từ nuôi cấy hạt phấn tách rời cũng đã được nghiên cứu từ cuối những năm 1980 (Pescitelli et al., 1989). Những nghiên cứu hoàn thiện kỹ thuật nuôi cấy bao phấn và hạt phấn tách rời ở ngô có tầm quan trọng rất lớn trong việc tạo ra các dòng thuần (dòng đơn bội kép) nhằm phục vụ cho công tác tạo giống ngô lai. Chase (1952) quan sát từ đơn bội ở nguồn gen ngô Corn-Belt của Mỹ có tỷ lệ khoảng 0,1%. Đây là tỷ lệ quá thấp để có thể ứng dụng thương mại. Sau đó Coe (1959) tìm ra một dòng thuần gọi là Stock6 có tỷ lệ kích tạo đơn bội đạt tỷ lệ 1 đến 2%. Dòng này trở thành tổ tiên của tất cả các dòng kích tạo phát triển sau này. Những phát hiện của các nhà tạo giống của Mỹ là cơ sở của phương pháp tạo dòng thuận đơn bội kép ở ngô. Sử dụng dòng đơn bội kép (DH) bằng phương pháp gây tạo in vivo tạo đơn bội mẹ là một hướng sử dụng trong chọn tạo giống ngô (Zea mays L.). Tiến bộ chủ yếu của dòng DH trong chọn tạo giống ngô lai là (i) biến dị di truyền tối đa, (ii) đồng hợp hoàn toàn, (iii) nhanh thương mại, (iv) đơn giản, (v) giảm chi phí (vi) tối ưu cho ứng dụng marker. Tài liệu trình bày tóm tắt kỹ thuật tạo đơn bội trên cơ sở thí nghiệm, giải thích trình tự quá trình cơ bản tạo đơn bộ kép DH, mô tả đặc điểm phần mềm để tối ưu quá trình. Các kiểu gen kích tạo tiêu chuẩn khả năng kích tạo đạt tỷ lệ trung bình 8 đến 10%. Rất nhiều chỉ thị hình thái, sinh lý có thể nhận biết hạt hoặc cây đơn bội nhanh và rẻ. Phương pháp lưỡng bộ hóa nhân tạo thành công áp dụng rộng rãi. Gần như hầu hết phôi đơn bội là do thiếu khuyết tế bào giao tử đực. Sau sự loại trừ tế bào trứng NST của tế bào giao tử đực suy thoái ngăn cản các tế bào nguyên thủy. Tỷ lệ kích tạo được điều khiển bởi đa gen. Một chu kỳ phát triển dòng DH có hai giai đoạn đánh giá, lai thử chỉ mất 4 năm nếu có sẵn tập đoàn. Chu kỳ có thể rút ngắn xuống ba năm, nếu ba bước thứ nhất (Tái tổ hợp, kích tạo đơn bội và sản xuất cây DH) được hoàn thành trong một năm. Chọn lọc nhờ marker genome (Genome-wide marker-assisted 26
  45. selection) có thể hiệu quả kết hợp chặt chẽ trong quá trình chọn tạo DH. Để chọn lọc duy trì trong thời gian dài không mất biến dị di truyền cần tối thiểu ảnh hưởng của kích thước quần thể (Ne). Chọn lọc chu kỳ và phát triển dòng cần phối hợp trong một quá trình chọn tạo (Geiger and Gordillo, 2010). Dang et al. (2011) đã công bố công trình nghiên cứu dòng kích tạo hạt đơn bội kép của tổ hợp ngô nếp và ngô chất lượng hạt (Opaque 2) Á nhiệt đới. Nghiên cứu cho rằng sử dụng dòng kích tạo hiện đại trong chọn tạo giống ngô có thể giảm thời gian tạo dòng thuần ưu tú ở ngô. Ở các nước phát triển phương pháp này đã được phổ biến rộng thay thế phương pháp lai lại truyền thống. Mặc dù vậy áp dụng sinh sản đơn tính cái In vivo để kích tạo đơn bội kép vẫn còn giới hạn đối với Châu Âu và nguồn vật liệu di truyền ngô của Mỹ, vật liệu thực vật bên ngoài đưa vào. Sự tin cậy của 3 dòng kích tạo của Đại học Hohenheim (Germany) đã tạo ra con cái đơn bội khi thụ cho ngô Á nhiệt đới. Ba giống ngô nếp lai Trung Quốc và opaque 2 sử dụng làm vật liệu mẹ cho gen (donor), tính lặn đơn bội kép của ngô nếp và opaque 2 có thể cải thiện dinh dưỡng cho nhóm dân tộc ít người ở Đông Nam Châu Á. Mặc dù vậy, nhiều kết quả sai lệch khi kiểm tra dòng tế bào, các hạt được cho là đơn bội trên cơ sở biến màu anthocyanin, do biểu hiện màu đã bị ức chế gần 50% hạt kích tạo từ vật liệu cây bố mẹ này. Trong kết quả nghiên cứu của tác giả trên cơ sở kiểm tra dòng tế bào cho thấy tỷ lệ tạo đơn bội cao 10,2 đến 12,3% và tỷ lệ lưỡng bội khoảng 50%, do vậy tiềm năng tạo đơn bội kép DH đã được khẳng định ở ngô Á nhiệt đới. Tuy nhiên dòng kích tạo đơn bội chính xác nhanh vẫn cần nghiên cứu phát triển. 2.6.3. Thành tựu nghiên cứu phát triển dòng thuần trên thế giới Sản xuất ngô lai ở Mỹ trên cơ sở phát triển và lai giữa các dòng thuần, từ những năm 1920 các nhà tạo giống ở Mỹ đã phát triển hơn 600 dòng thuần. Hầu hết các dòng thuần sử dụng trong các chương trình tạo giống chung chọn 2 hoặc 3 chu kỳ từ các dòng hoặc quần thể tổng hợp có nguồn từ lai giữa các dòng thuần. Các dòng thuần phát triển trước đây không sử dụng trong sản xuất hạt lai ở Mỹ, chúng vẫn được sử dụng rất rộng để phát triển dòng thuần mới, nghiên cứu di truyền và làm vật liệu thử KNKH cho nhiều chương trình tạo giống ngô. Dòng thuần ngô từ nhiều nguồn khác nhau trong và ngoài nước Mỹ đã chỉ ra rằng các dòng thuần vô cùng quan trọng cho chọn tạo giống ngô lai. Một khảo sát được thực hiện vào cuối những năm 1970 đến giữa những năm 1980 về các dòng thuần 27
  46. chỉ ra rằng một số dòng thuần vẫn tiếp tục sử dụng tạo giống ngô lai thương mại ở Mỹ. Ví dụ, B73 và Mo17 sử dụng khoảng 28% tổng số giống lai trồng ở Mỹ năm 1979, nhưng giảm xuống 12,8% như của hạt giống của 2 dòng này năm 1985 (James et al., 2002). Từ năm 1991 đến năm 2011 Trung tâm Cải tiến Ngô và Lúa mỳ Quốc tế (CIMMYT) đã phát triển một số lượng dòng thuần rất lớn 539 dòng, trong đó những thành công nhất là: CML144, CML159, CML161, CML163, CML176, CML197, CML202, CML206, CML216, CML247, CML251, CML254, CML264, CML287, CML311, CML312, CML376, CML387, CML395, and CML444. Những dòng triển vọng trong tương lai là CML421, CML448, CML451, CML456, CML465, CML470, CML488, CML491, CML496, CML504, CML505, CML509, và CML511. Các dòng có KNKH tốt, khả năng chống chịu điều kiện bất thuận, chống bệnh được phát triển thành công (CIMMYT, 2011). Trạm thí nghiệm nông nghiệp của Đại học Delaware, Mỹ năm 2012 thông báo phóng thích 3 dòng ngô thuần: DE3, DE4, và DE5. DE3 (DKXL212 : N11a- 191-1-1-1-1-1-1) và DE4 (DKXL212 : N11a-365-1-1-2-1-1-1) từ nguồn chương trình lai nâng cao nguồn gen ngô (GEM) (ngô lai nhiệt đới Brazil Dekalb DKXL212 lai với dòng thuần ưu tú không Stiff Stalk ôn đới N11a) sử dụng phương pháp truyền thống và chọn lọc phả hệ và những thế hệ đầu thử nghiệm năng suất với các bắp S2. Cả hai dòng DE3 và DE4 có sức sống cao và trùng khớp tốt. DE3 thấp hơn so với dòng đối chứng B73Ht. DE5 từ chọn lọc chu kỳ 2 từ nguồn BSSS(R)C11 đã thiết kế lai là DE(BSSS)Co. DE5[DE(BSSS)C2-420- 3-2-1-1-1-1] và phát triển bằng chọn lọc phả hệ, thử nghiệm năng suất chu kỳ 2 với các bắp S1 là lai đỉnh với tester không Stiff Stalk. DE5 cao khoảng 38 cm cao hơn đối chứng B73Ht nhưng có chiều cao đóng bắp tương tự đối chứng (Robin, 2012). 2.6.4. Nghiên cứu phát triển dòng thuần ở Việt Nam Ở Việt Nam, phương pháp nuôi cấy bao phấn ngô bắt đầu được nghiên cứu và ứng dụng trong khoảng 15 năm trở lại đây và đã thu được một số kết quả nhất định (Bùi Mạnh Cường và cs., 1998; Lê Huy Hàm và cs., 1998, 1999). Những nghiên cứu cải tiến quy trình nuôi cấy nhằm nâng cao tỷ lệ tạo phôi và tái sinh cây cũng được đề cập như: xử lý lạnh bao phấn trước và sau khi cấy, cải tiến thành phần muối khoáng trong môi trường nuôi cấy, bổ sung các chất hữu cơ 28
  47. Phương pháp truyền tính cảm ứng thông qua lai nguồn có phản ứng cao với vật liệu Việt Nam đã nâng cao tỷ lệ tái sinh cây lên hàng chục lần. Kết quả nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu ngô giai đoạn 1996 - 1998 cho thấy tỷ lệ phản ứng tạo cấu trúc phôi trung bình chỉ đạt 4%, tỷ lệ tái sinh cây đạt 2,1% bằng việc cải tiến các nguồn vật liệu đã nâng tỷ lệ lên tương ứng 10% và 11%. Đặc biệt đã xác định được một số nguồn vật liệu có tỷ lệ tạo phôi trên 30% và tái sinh cây trên 14%. Hiện nay, hướng nghiên cứu này vẫn được triển khai để tạo dòng có giá trị thương mại (Bùi Mạnh Cường, 2007). Thí nghiệm được tiến hành trên 8 quần thể ngô nếp địa phương đã được chọn lọc với các tính trạng tốt được duy trì tại quỹ gen của Viện Nghiên cứu Ngô, 5 giống ngô nếp lai nhập nội từ Trung Quốc và 17 giống nếp lai nhập nội từ Thái Lan. SW 226-SW290 và 4 tổ hợp lai kép giữa các vật liệu trên. Kết quả khẳng định rằng có thể ứng dụng kỹ thuật nuôi cấy bao phấn trong tạo dòng ngô nếp thuần, nguồn vật liệu nhập nội từ Thái Lan có tỷ lệ tạo phôi, tái sinh cây, cây hữu thụ cao hơn vật liệu nhập nội từ Trung Quốc và vật liệu nhập nội Bản địa của Việt Nam. Tập đoàn dòng thuần được tạo ra từ kỹ thuật nuôi cấy bao phấn có các tính trạng nông học khá ổn định, khả năng chống chịu khá, năng suất khá cao và ổn định, có thể sử dụng trong các thí nghiệm phân tích đa hình di truyền và tạo giống lai (Đinh Công Chính, 2010). 2.7. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KẾT HỢP CHỌN TẠO NGÔ NẾP Khả năng kết hợp chung (GCA) của các dòng ngô nếp, sáu dòng (Suwan 3 x Philippine Glutinous Syn. no.20)-F4-S4 (A) và 4 dòng (Suwan 3 x Tiendam) - F4S4 (B) đã được đánh giá. 24 tổ hợp lai đơn được đánh giá tại Trung tâm nghiên cứu Ngô, Cao lương quốc gia, Nakhon Ratchasima năm 1998. GCA của các tính trạng tính theo mô hình lai đỉnh. Kết quả dòng số A-i82-4-6 có GCA dương ở mức có ý nghĩa (P = 0,01) về bắp, cả lá bi, khối lượng bắp và hàm lượng tinh bột. Tổ hợp lai A-182-4-6 x B-47-1-5 có khối lượng bắp và bột cao nhất (10,669 và 10,475 tấn/ha) và có các đặc điểm nông sinh học, chất lượng tốt cho tiêu dùng (Chatpong et al., 2001). Nhìn chung ngô nếp lai cũng như ngô lai QPM năng suất kém hơn ngô bình thường, giả thuyết này trên cơ sở hàm lượng tinh bột thấp hơn, nội nhũ mềm dẫn đến khối lượng hạt thấp hơn. Chương trình tạo giống ngô nếp của Argentina nhằm tạo giống ngô nếp lai cũng như chất lượng protein. Bắt đầu ở Instituto 29
  48. Fitotécnico de Santa Catalina, Llavallol. Một số dòng thuần đã được phát triển và thử nghiệm, lai tạo tổ hợp lai giữa các dòng tốt nhất trồng và đánh giá, các tổ hợp lai đánh giá phân làm hai loại: ngô nếp lai, ngô lai chất lượng cao. Các THL lai đơn và bố mẹ thí nghiệm ba lần lặp lại, khối ngẫu nhiên hoàn chỉnh, mỗi ô một hàng dài 5,5 m, mật độ 71.500 cây/ha. Thu hoạch khi chín và đánh giá các tính trạng bắp và hạt. Tiềm năng năng suất tính trên các tính trạng như: số bắp/cây, số hạt/bắp, khối lượng hạt/bắp. Năng suất tiềm năng từ 8,9 đến 20,9 tấn/ha, khối lượng 1000 hạt biến động rất lớn từ 200 đến 350 gam và 91 đến 179 gam hạt/bắp. Nhìn chung năng suất thấp hơn khi khối lượng 1000 hạt thấp, bắp nhỏ hoặc số bắp/cây ít hơn. Do vậy năng suất cá thể là yếu tố rất quan trọng cần xem xét. Như vậy, các dòng tự phối khi lựa chọn để tạo ngô lai đơn cần quan tâm đến tính trạng này để có hiệu quả cao. Những thí nghiệm tại nhiều điểm cũng đã thực hiện và cho kết quả phù hợp với thí nghiệm đánh giá cơ bản. Lựa chọn bố mẹ có tiềm năng năng suất cao phát triển lai đơn có năng suất cao, cải thiện hàm lượng tinh bột và protein của các giống ngô lai thích nghi với điều kiện của Argentina (Corcuera and Naranjo, 2003). Tại Hội thảo làm vườn quốc tế lần thứ 27, các nhà khoa học Lertrat and Thongnarin (2006) đã công bố một phương pháp tiếp cận mới cải thiện chất lượng ăn uống của các giống ngô nếp địa phương. Theo các tác giả ngô nếp Waxy hoặc glutinous corn (Zea mays L. var. ceratina), là một đột biến tự nhiên ở ngô rau đã tìm thấy ở Trung Quốc năm 1909, nó được sản xuất thương mại ở Thái Lan và nhiều nước khác ở Châu Á. Các giống ngô nếp địa phương thụ phấn tự do có rất nhiều loại khác nhau về độ lớn bắp, dạng bắp, màu sắc hạt và chất lượng ăn uống. Chính vì thế có thể phát triển giống ưu thế lai với chất lượng tốt. Một chương trình chọn giống ngô nếp ưu thế lai đã được phát triển nhằm tạo ra giống ngô nếp ưu thế lai có chất lượng tốt như chất lượng ăn uống, màu sắc hạt, kích thước bắp tại Trung tâm tạo giống cây trồng cho phát triển nông nghiệp bền vững từ năm 2001. Các giống ngô nếp địa phương của Thái lan, Trung Quốc cùng với các giống ngô siêu ngọt của Thái Lan và Mỹ đã được sử dụng để phát triển quần thể. Đã tạo dòng tự phối và thử khả năng kết hợp nhằm tạo giống ngô lai đơn. Hai tổ hợp ngô nếp lai đơn hạt trắng và hạt hai màu (trắng và vàng) đã phát triển thành giống. Đây là những giống ngô nếp lai đầu tên của kiểu glutinous corn có 75% là ngô nếp và 25% là ngô siêu ngọt có chất lượng ăn tươi ngon. Cả hai giống khả năng kết hạt tốt 12 - 16 hàng hạt/bắp, thời gian sinh trưởng ngắn 60 30
  49. ngày, chiều dài bắp là 17 cm, đường kính 4,2 cm, khối lượng bắp từ 137 đến 139 gam/bắp. Các giống lai này được đưa vào thương mại năm 2007. Thongnarin et al. (2006) đã xác định khả năng kết hợp (GCA và SCA) để nhận biết các dòng có khả năng kết hợp tốt nhất để phát triển giống ngô nếp ưu thế lai. Bốn dòng tự phối làm bố là 241, 246, 303 và 5101, bốn dòng tự phối làm mẹ là 207, 209, 216 và 513. Tổ hợp theo mô hình II được đánh giá trong thí nghiệm RCBD, ba lần nhắc lại, 3 đối chứng trong hai vụ là mùa 2005 (12/2004 - 2/2005) và mùa mưa 2005 (5/2005 - 7/2005) tại khoa Nông nghiệp của Đại học Khon Kaen, Thái Lan. Kết quả xác định được 4 dòng 241, 303, 513 và 216 có giá trị GCA về năng suất và chất lượng đương. Ngoài ra các THL phát triển từ những dòng tự phối này 513 × 241, 216 × 241 và 513 × 303 có năng suất cao và giá trị KNKH riêng về năng suất dương. Những dòng phù hợp làm bố là 241 và 303, dòng 216 và 513 phù hợp làm mẹ. Các tác giả nghiên cứu khả năng kết hợp về các tính trạng chất lượng của ngô nếp, nghiên cứu thực hiện với 6 dòng tự phối ngô nếp (01 dòng mới giới thiệu và 5 dòng của Thượng Hải) đưa vào sơ đồ lai diallen theo mô hình Griffing 4. Thí nghiệm đồng ruộng thực hiện 6 dòng và các tổ hợp lai của chúng. Đánh giá khả năng kết hợp chung (GCA) và khả năng kết hợp riêng (SCA) và thông số di truyền của một số tính trạng chất lượng. Sự sai khác có ý nghĩa cao về GCA và SCA ở tất cả các tính trạng chất lượng trừ tính trạng độ dày vỏ và màu sắc hạt. Tính trạng màu sắc được điều khiển bởi gen hiệu ứng cộng, trong khi các gen cộng và không cộng điều khiển các tính trạng chất lượng khác. Các dòng tự phối P3, P6, P5 và P2 có giá trị GCA cao ở hầu hết các tính trạng, trong khi các dòng P36, P46, P13, P15, P24 và P25 có giá trị SCA cao ở hầu hết các tính trạng (Shen et al., 2009). Một nghiên cứu của các nhà tạo giống ngô nếp Thái Lan thực hiện phân tích khả năng kết hợp của 6 dòng tự phối ngô nếp đưa vào mô hình lai diallel đầy đủ là (KKU-BK, KKU-JP, KKU-UB, KKU-JD, KKU-G2 và KKU-N7) đánh giá con lai F1 và bố mẹ để xác định khả năng kết hợp về tính trạng độ dẻo của nội nhũ. Thí nghiệm đồng ruộng thực hiện trên hai môi trường ở Thái Lan. Mối quan hệ quan trọng ảnh hưởng của gen cộng tính và không cộng đã được xác định và phân tích phương sai tất cả các tham số chỉ ra rằng có sự sai khác ở mức có ý nghĩa giữa các kiểu gen và tương tác kiểu gen với môi trường (GEI). Thành phần phương sai khả năng kết hợp chung (GCA) của các đặc tính tinh bột được xác 31
  50. định có ý nghĩa ở tất cả các tính trạng, trong khi khả năng kết hợp riêng (SCA) có ý nghĩa với tất cả các đặc tính tinh bột, trừ điều kiện nhiệt độ nghiền bột. Hiệu quả gen cộng tính quan trong nhất cho điểm dính của bột; độ lớn phương sai GCA rõ rệt hơn phương sai SCA của những đặc điểm này. Kết quả nhận biết các dòng bố mẹ là KKU-JP và KKU-UB phù hợp cho chương trình tạo giống ngô nếp cải tiến tính trạng độ dẻo của nội nhũ (Danupo et al., 2014). 2.8. THÀNH TỰU CHỌN GIỐNG NGÔ NẾP TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 2.8.1. Những thành tựu đạt được trong nghiên cứu ngô trên thế giới Từ hơn một thập kỷ nay, ngô nếp được trồng và sử dụng như một cây hàng hóa với quy mô nhỏ bởi những nông dân ở một số nước châu Á như Thái Lan, Việt Nam, Lào, Myanma, Trung Quốc, Đài Loan, Hàn Quốc. Ngô nếp được trồng phổ biến ở nhiều địa phương bởi tính dẻo của nó. Chọn tạo ngô nếp có chất lượng phải kết hợp các gen quy định độ ngọt, độ mềm, dẻo, các màu hạt khác nhau và các đặc điểm hữu ích khác vào bắp nếp để đa dạng sản phẩm và tăng tiềm năng thị trường. Theo nghiên cứu của Creech (1965), ngô là một loại cây trồng được nghiên cứu di truyền nhiều hơn các loài cây trồng khác và các gen quy định quá trình tổng hợp carbohydrat đã được tìm thấy. Một vài đột biến trong quá trình tổng hợp carbohydrat đã được khai thác để cải thiện chất lượng ngô nếp. Bốn gen đột biến thường sử dụng là các gen waxy (wx), shrunken-2 (sh2), brittlel (bt) và sugary (su). Gen wx thay đổi thành phần carbohydrat, làm thay đổi độ dẻo của hạt. Hạt chín khô của thể ngô nếp có màu mờ đục. Gen su có ảnh hưởng đến độ mềm và một số tính trạng khác, trong đó có độ mịn. Hạt chín khô của thể đột biến su có nếp nhăn và màu trong mờ. Gen su có tác dụng làm tăng sự tập chung sucrose và tích lũy chuỗi polysarcharide phân nhánh phức tạp. Trong khi gen sh2 và bt tham gia vào việc cắt giảm tinh bột và đường. Hạt chín khô của cả hai thể đột biến này đều co lại, có góc cạnh, mờ đục và giòn. Cả hai gen sh2 và bt có ảnh hưởng đến chất lượng của ngô nếp, đặc biệt là độ ngọt. Gen bt, sh2 và gen su gây ức chế gen wx. Lendrat and Thongnarin (2001) đã nghiên cứu cải thiện chất lượng ngọt của ngô nếp địa phương từ hỗn hợp hạt ngô siêu ngọt. Từ giống ngô nếp địa phương thụ phấn tự do và đa dạng về kích thước, hình dạng bắp, màu hạt và dinh dưỡng, người ta có thể tạo ra một giống ngô lai mới có dinh dưỡng và năng suất 32