Tài liệu So sánh trình tự gen defensin ở một số giống ngô việt nam

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC PHẠM QUANG HUY SO SÁNH TRÌNH TỰ GEN DEFENSIN Ở MỘT SỐ GIỐNG NGÔ VIỆT NAM Chuyên ngành: Công nghệ Sinh học Mã số: 60 42 02 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. NGUYỄN VŨ THANH THANH Thái Nguyên - 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn là công trình nghiên cứu của tôi dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Vũ Thanh Thanh, sự giúp đỡ của các cán bộ Khoa Khoa học sự sống - Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên, Viện Công nghệ Sinh học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chƣa đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những số liệu trong luận văn này. Thái Nguyên, ngày 19 tháng 05 năm 2014 Tác giả luận văn Phạm Quang Huy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Vũ Thanh Thanh, ngƣời đã hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài và hoàn chỉnh luận văn của mình. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Khoa học sự sống - Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và có những góp ý sâu sắc cho tôi trong thời gian học tập và thực hiện đề tài này. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Lê Văn Sơn và các cán bộ, kỹ thuật viên phòng Công nghệ DNA ứng dụng - Viện Công nghệ Sinh học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ tốt nhất để tôi có thể hoàn thành đề tài nghiên cứu này. Cuối cùng, tôi xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới gia đình, đồng nghiệp và bạn bè đã luôn động viên, khích lệ, chia sẻ những khó khăn cùng tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Thái Nguyên, ngày 19 tháng 05 năm 2014 Tác giả luận văn Phạm Quang Huy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv MỤC LỤC Lời cam đoan ............................................................................................................... i Lời cảm ơn .................................................................................................................. i Mục lục ...................................................................................................................... iv Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt ........................................................................... vi Danh mục các bảng trong luận văn .......................................................................... vii Danh mục các hình trong luận văn .......................................................................... viii MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1. Đặt vấn đề ...............................................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ...............................................................................................2 3. Nội dung nghiên cứu ...............................................................................................2 Chƣơng 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ......................................................................3 1.1. CÂY NGÔ ............................................................................................................3 1.1.1. Nguồn gốc và phân loại.....................................................................................3 1.1.2. Đặc điểm sinh học .............................................................................................3 1.1.3. Giá trị dinh dƣỡng của ngô ...............................................................................6 1.1.4. Giá trị kinh tế của cây ngô ................................................................................7 1.1.5. Tình hình sản xuất ngô trên thế giới và Việt Nam ............................................8 1.2. MỌT NGÔ VÀ ẢNH HƢỞNG CỦA NÓ ĐẾN QUÁ TRÌNH BẢO QUẢN NÔNG SẢN ..............................................................................................................13 1.2.1. Côn trùng hại ngô trong quá trình bảo quản nông sản ....................................13 1.2.2. Mọt ngô ...........................................................................................................14 1.3. DEFENSIN VÀ TÍNH KHÁNG MỌT ..............................................................17 1.3.1. Defensin thực vật ............................................................................................17 1.3.2. Ứng dụng trong chuyển gen ............................................................................21 Chƣơng 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................23 2.1. VẬT LIỆU .........................................................................................................23 2.2. HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ ...............................................................................24 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v 2.2.1. Hóa chất ..........................................................................................................24 2.2.2. Thiết bị ............................................................................................................25 2.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................................................25 2.3.1. Phƣơng pháp sinh lí.........................................................................................25 2.3.2. Phƣơng pháp sinh học phân tử ........................................................................26 2.3.3. Phƣơng pháp xác định trình tự nucleotide ......................................................33 2.3.4. Phƣơng pháp xử lý trình tự gen.......................................................................34 2.3.5. Phƣơng pháp xử lý kết quả và tính toán số liệu ..............................................34 2.4. ĐỊA ĐIỂM NGHIÊN CỨU ...............................................................................34 Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................34 3.1. KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG KHÁNG MỌT ......................................34 3.1.1. Đặc điểm hình thái, khối lƣợng của các giống ngô nghiên cứu ......................34 3.1.2. Kết quả đánh giá khả năng kháng mọt ............................................................35 3.2. KẾT QUẢ PHÂN LẬP GEN DEFENSIN ........................................................37 3.2.1. Kết quả tách chiết RNA tổng số, tổng hợp cDNA ..........................................37 3.2.2. Kết quả nhân gen defensin1 ............................................................................39 3.2.3. Kết quả tinh sạch sản phẩm PCR ....................................................................39 3.2.4. Kết quả tách dòng gen .....................................................................................40 3.2.5. Kết quả chọn dòng gen ....................................................................................41 3.2.6. Kết quả tách plasmid tái tổ hợp .......................................................................42 3.3. KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH TRÌNH TỰ GEN DEFENSIN ....................................43 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .....................................................................................47 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................48 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ABA Abscisic acid bp base pair (cặp bazơ) cDNA complementary DNA cs cộng sự DEPC diethyl pyrocarbonate DNA deoxyribosenucleic acid dNTP deoxynucleoside triphosphate EDTA Ethylene diamine tetraacetic acid E. coli Escherichia coli IPTG Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside kb kDa mRNA kilo base kilo Dalton messenger ribonucleic acid OD Optical density PCR Polymerase chain reaction (Phản ứng chuỗi trùng hợp) RNA Ribonucleic acid SDS Sodium dodecyl sulfate TAE Tris-acetate-EDTA X-gal 5-bromo-4-chloro-3-indolyl-β-D-galacto-pyranoside Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN VĂN Bảng 1.1. Tỉ lệ các bộ phận hạt ngô và thành phần hóa học của chúng .....................6 Bảng 1.2. Sản xuất ngô trên thế giới giai đoạn 1961 - 2012 ......................................9 Bảng 1.3. Tình hình sản xuất ngô của một số nƣớc trên thế giới năm 2012 ............10 Bảng 1.4. Tình hình sản xuất ngô ở Việt Nam từ 1975 - 2012 ................................11 Bảng 1.5. Một số hoạt tính sinh học của defensin thực vật ......................................19 Bảng 1.6. Một số thực vật chuyển gen defensin .......................................................21 Bảng 2.1. Danh sách 10 giống ngô làm vật liệu nghiên cứu ....................................23 Bảng 2.2. Danh mục các thiết bị sử dụng .................................................................25 Bảng 2.3. Thành phần phản ứng tổng hợp cDNA ....................................................27 Bảng 2.4. Cặp mồi nhân gen defensin1 ....................................................................28 Bảng 2.5. Thành phần phản ứng nhân gen ...............................................................29 Bảng 2.6. Thành phần phản ứng gắn gen vào vector ...............................................31 Bảng 2.7. Thành phần phản ứng colony PCR ..........................................................33 Bảng 3.1. Hình thái và khối lƣợng hạt của 10 mẫu ngô ...........................................34 Bảng 3.2. Lƣợng ngô hao hụt theo thời gian của 10 giống ngô nghiên cứu ............36 Bảng 3.3. Phổ hấp thụ RNA ở bƣớc sóng 260nm và 280nm của 2 mẫu ngô nghiên cứu .............................................................................................................................38 Bảng 3.4. Sự sai khác về trình tự nucleotide của gen defensin1 của 2 giống ngô TQ1, CB2 và các trình tự có mã số JF797205 và HG792392 trên NCBI.................44 Bảng 3.5. Hệ số tƣơng đồng nucleotide của gen defensin1 ở 2 giống ngô TQ1, CB2 và các trình tự có mã số JF797205 và HG792392 trên NCBI ..................................45 Bảng 3.6. Sự sai khác về trình tự amino acid suy diễn của protein defensin1 ở 2 giống ngô TQ1, CB2 và các trình tự có mã số JF797205 và HG792392 trên NCBI.46 Bảng 3.7. Hệ số tƣơng đồng amino acid suy diễn của protein defensin1 ở 2 giống ngô TQ1, CB2 với JF797205, HG792392 trên NCBI ..............................................46 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii DANH MỤC CÁC HÌNH TRONG LUẬN VĂN Hình 1.1. Mọt ngô Sitophilus zeamais trƣởng thành và tác hại của chúng ..............16 Hình 1.2. Hai lớp defensin thực vật..........................................................................18 Hình 2.1. Hình thái hạt của 10 mẫu ngô thí nghiệm ................................................24 Hình 2.2. Cấu trúc vector pBT .................................................................................31 Hình 3.1. Biểu đồ biểu diễn lƣợng thức ăn hao hụt theo thời gian ở các mẫu ngô nghiên cứu .................................................................................................................37 Hình 3.2. Hình ảnh điện di kết quả PCR nhân gen defensin1 ..................................39 Hình 3.3. Hình ảnh điện di sản phẩm làm sạch gen defensin1 .................................40 Hình 3.4. Hình ảnh điện di sản phẩm colony PCR...................................................41 Hình 3.5. Hình ảnh điện di tách plasmid tái tổ hợp. .................................................43 Hình 3.6. So sánh trình tự nucleotide của gen defensin1 ở TQ1, CB2 với JF797205, HG792392 .................................................................................................................44 Hình 3.7. So sánh trình tự amino acid suy diễn của giống TQ1, CB2 với JF797205, HG792392 trên NCBI ...............................................................................................46 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1 MỞ ĐẦU 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngô là cây ngũ cốc quan trọng trên thế giới với sản lƣợng hàng năm cao hơn cả lúa mì và lúa gạo. Ở Việt Nam, cây ngô đƣợc đánh giá là cây trồng có vai trò hết sức quan trọng trong cơ cấu cây trồng ở nƣớc ta. Ngô là cây màu đƣợc trồng ở nhiều vùng sinh thái khác nhau, đa dạng về mùa vụ gieo trồng và hệ thống canh tác. Cây ngô không chỉ cung cấp lƣơng thực cho ngƣời, vật nuôi mà còn là cây trồng xóa đói giảm nghèo tại các tỉnh có điều kiện kinh tế khó khăn. Sản xuất ngô cả nƣớc không ngừng tăng về diện tích, năng suất, sản lƣợng qua các năm. Trong những năm tới, ngô vẫn là cây ngũ cốc có vai trò quan trọng ở nƣớc ta. Có nhiều nguyên nhân khiến cho năng suất ngô hiện nay tại các tỉnh miền núi phía Bắc hiện thấp hơn nhiều so với bình quân chung của cả nƣớc mặc dù điều kiện đất đai, khí hậu tại vùng này thuận lợi cho việc trồng ngô hơn nhiều vùng sinh thái khác. Một trong số đó là sâu bệnh hại ngô, với mức thiệt hại ƣớc tính hàng năm từ 10 - 30%. Theo Lê Doãn Diên [4] ở Việt Nam, tổn thất do côn trùng gây ra cho ngũ cốc trong bảo quản là khoảng 10%. Tổn thất sau thu hoạch đối với cây ngô là khá lớn, trung bình từ 13 - 15%; đặc biệt tại các tỉnh vùng Trung du miền núi phía Bắc, việc sản xuất ngô trong vụ Xuân thƣờng gặp rất nhiều khó khăn cho việc thu hái, bảo quản, sơ chế ngô trong điều kiện mƣa kéo dài trong giai đoạn cuối vụ thu hoạch. Ngô nếu không đƣợc bảo quản hoặc bảo quản không đúng quy trình sẽ giảm chất lƣợng nghiêm trọng. Thông thƣờng giá ngô giảm 10 - 20% sau khoảng 3 - 6 tháng tồn trữ nếu bị nhiễm mọt và nấm mốc. Đây là một tổn thất rất lớn đối với đồng bào dân tộc ở vùng núi phía Bắc vì ngô là nguồn thu nhập quan trọng của các gia đình. Để giảm thiểu thiệt hại do mọt gây ra, hiện nay có một số biện pháp phòng trừ nhƣ chọn lọc cây sạch bệnh làm giống; vệ sinh đồng ruộng, luân canh cây trồng; vệ sinh nhà kho, phơi sấy hàng hóa; sử dụng các loài thiên địch có ích trong tự nhiên; sử dụng biện pháp hóa học khi mật độ dịch hại quá cao... Tuy nhiên, các biện Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2 pháp nêu trên không mang lại hiệu quả thật sự cao mà còn tốn kém công sức, tiền của. Vì vậy, việc tạo ra các giống ngô chuyển gen có khả năng kháng sâu bệnh, đặc biệt là có khả năng kháng mọt hết sức có ý nghĩa. Có nhiều chất có vai trò quan trọng trong bảo vệ cây trồng chống lại các tác nhân gây bệnh và côn trùng. Theo những nghiên cứu đã đƣợc công bố, defensin thực vật có liên quan đến đặc tính kháng mọt của hạt. . Xuất phát từ vấn đề nêu trên, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài “So sánh trình tự gen defensin ở một số giống ngô Việt Nam”. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU So sánh trình tự nucleotide của gen defensin ở một số giống ngô địa phƣơng có khả năng kháng mọt khác nhau. 3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Đánh giá khả năng kháng mọt của một số giống ngô. - Khuếch đại, chọn dòng và xác định trình tự gen defensin1 của 2 giống ngô (trong đó có 1 giống kháng mọt tốt, 1 giống kháng mọt kém). - So sánh trình tự gen defensin1 của 2 giống ngô nghiên cứu với trình tự đã công bố trên ngân hàng gen NCBI. - So sánh trình tự amino acid suy diễn của protein defensin1 ở 2 giống ngô nghiên cứu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3 Chƣơng 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. CÂY NGÔ 1.1.1. Nguồn gốc và phân loại Cây ngô có tên khoa học Zea mays L., là cây nông nghiệp một lá mầm thuộc chi Maydeae, họ Hòa thảo Poaceae, bộ Hòa thảo Poales. Tên gọi “ngô” trong tiếng Anh là “maize”, dựa trên từ “maíz” (trong tiếng Tây Ban Nha) có nguồn gốc từ cách gọi “mahiz” trong tiếng Taíno [58]. Có nhiều giả thuyết khác nhau về nguồn gốc cây ngô dựa trên những kết quả nghiên cứu về khảo cổ học, di truyền học, thực vật học và địa lý học... Những nghiên cứu gần đây cho rằng quá trình thuần hóa ngô ban đầu diễn ra ở Mexico, sau đó việc gieo trồng lan rộng ra khu vực Bắc Mỹ. Ngô đƣợc đƣa tới châu Âu (Tây Ban Nha) lần đầu tiên vào năm 1494, là kết quả của chuyến thám hiểm lần thứ hai của Columbus. Đầu thế kỷ XVI, bằng đƣờng thủy với các tàu của Bồ Đào Nha, Tây Ban Nha, Ý đã đƣa cây ngô đến hầu hết các nơi trên thế giới [58]. Ở Việt Nam, cây ngô có nguồn gốc từ Trung Quốc, đƣợc trồng vào khoảng thế kỷ XVII (theo “Vân Đài loại ngữ” của Lê Quý Đôn). Tuy nhiên, do là một nƣớc có truyền thống sản xuất lúa nƣớc nên trong thời gian đầu ngô ít đƣợc chú ý mà chỉ phát triển trong những năm gần đây. 1.1.2. Đặc điểm sinh học Các giống ngô ở Việt Nam có những đặc điểm nhƣ chiều cao cây, thời gian sinh trƣởng, khả năng thích nghi với điều kiện ngoại cảnh và chống chịu sâu bệnh khác nhau. Dựa vào đặc điểm hạt (có mày hay không có mày), hình thái bên ngoài, cấu trúc nội nhũ của hạt mà ngô đƣợc phân thành các loài phụ: ngô bọc, ngô đá, ngô răng ngựa, ngô đƣờng, ngô nổ, ngô bột, ngô nếp, ngô đƣờng bột, ngô bán răng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4 ngựa. Từ các loài phụ căn cứ vào màu sắc hạt và màu sắc lõi ngô để phân thành các thứ. Đây là cách phân loại theo đặc điểm thực vật học, ngoài ra ngô còn đƣợc phân loại theo sinh thái học, nông học, thời gian sinh trƣởng và thƣơng phẩm [9]. Các giống ngô này đều có những đặc điểm chung về hình thái, giải phẫu. Các bộ phận của cây ngô bao gồm: rễ, thân, lá, hoa (bông cờ, bắp ngô) và hạt. Ngô có hệ rễ chùm tiêu biểu trong bộ rễ các cây họ Hòa thảo. Độ sâu và sự mở rộng của rễ phụ thuộc vào giống, độ phì nhiêu và độ ẩm của đất. Ngô có 3 loại rễ chính: Rễ mầm, rễ đốt và rễ chân kiềng. Rễ mầm (rễ tạm thời, rễ hạt) mọc từ trụ lá mầm, chức năng chính của rễ này là hút nƣớc, thức ăn khi cây còn non. Rễ đốt (rễ phụ cố định) phát triển từ các đốt thấp của thân, mọc vòng quanh các đốt dƣới mặt đất bắt đầu lúc ngô đƣợc 3 - 4 lá. Đây là loại rễ quyết định quá trình sinh trƣởng phát triển của cây ngô, nó giúp cây hút nƣớc và các chất dinh dƣỡng suốt đời sống của cây. Rễ chân kiềng (rễ neo, rễ chống) mọc quanh các đốt thấp sát mặt đất. Rễ này giúp cây chống đỡ và bám chặt vào đất, ngoài ra còn tham gia hút nƣớc và dinh dƣỡng [9]. Thân ngô đặc và khá chắc, có đƣờng kính từ 2 - 4 cm tùy thuộc vào giống, điều kiện sinh thái và chăm sóc. Chiều cao của thân ngô khoảng 1,5 - 4 m. Thân chính của ngô có nguồn gốc từ chồi mầm. Từ các đốt dƣới đất của thân chính có thể phát sinh ra từ 1 - 10 nhánh (thân phụ) với hình dáng tƣơng tự nhƣ thân chính. Thân ngô trƣởng thành bao gồm nhiều lóng (dóng) nằm giữa các đốt và kết thúc bằng bông cờ. Số lóng và chiều dài lóng là chỉ tiêu quan trọng trong việc phân loại các giống ngô. Thân ngô ngoài nhiệm vụ giúp cây đứng vững, là bộ phận dự trữ và vận chuyển chất hữu cơ, ngoài ra còn có khả năng quang hợp để tổng hợp chất hữu cơ [9]. Lá ngô mọc từ mắt trên đốt và mọc đối xứng xen kẽ nhau. Căn cứ vào vị trí và hình thái lá trên cây, lá ngô đƣợc chia thành các nhóm: lá mầm, lá thân, lá ngọn, lá bi. Lá ngô điển hình đƣợc cấu tạo bao gồm các bộ phận: bẹ lá, phiến lá (bản lá), thìa lá (lƣỡi lá, tai lá). Lá ngô là cơ quan làm nhiệm vụ quang hợp, đồng thời làm nhiệm vụ trao đổi khí, hô hấp, dự trữ dinh dƣỡng… Số lƣợng lá, chiều dài, chiều Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 5 rộng, độ dày, lông tơ, màu lá, góc lá và gân lá thay đổi tùy theo từng giống khác nhau. Số lá là đặc điểm khá ổn định ở ngô, có quan hệ chặt với số đốt và thời gian sinh trƣởng. Những giống ngô ngắn ngày thƣờng có 15 - 16 lá, giống ngô trung bình có 18 - 20 lá, giống ngô dài ngày thƣờng có trên 20 lá [9]. Ngô là loại cây có hoa khác tính cùng gốc. Cơ quan sinh sản đực và cái tuy cùng nằm trên một cây song ở những vị trí khác nhau. Bông cờ (hoa đực): nằm ở đỉnh cây, xếp theo chùm gồm một trục chính và nhiều nhánh. Hoa đực mọc thành bông nhỏ gọi là bông chét, bông con hoặc gié. Các gié mọc đối diện nhau trên trục chính hay trên các nhánh. Mỗi bông nhỏ có cuống ngắn và hai vỏ nâu hình bầu dục trên vỏ trấu (mày ngoài và mày trong) có gân và lông tơ. Trong mỗi bông nhỏ có hai hoa: một hoa cuống dài và một hoa cuống ngắn. Một bông nhỏ có thể có một hoặc ba hoa. Ở mỗi hoa có thể thấy dấu vết thoái hoá và vết tích của nhụy hoa cái, quanh đó có ba chỉ đực mang ba nhị đực và hai mày cực nhỏ gọi là vẩy tƣơng ứng với tràng hoa. Bao quanh các bộ phận của một hoa có hai mày nhỏ - mày ngoài tƣơng ứng với lá bắc hoa và mày trong tƣơng ứng với lá đài hoa. Bắp ngô (hoa cái): phát sinh từ chồi nách các lá, song chỉ 1 - 3 chồi khoảng giữa thân mới tạo thành bắp. Hoa có cuống gồm nhiều đốt ngắn, mỗi đốt trên cuống có một lá bi bao bọc. Trên trục đính hoa cái (cùi, lõi ngô), hoa mọc từng đôi bông nhỏ. Mỗi bông có hai hoa, nhƣng chỉ có một hoa tạo thành hạt, còn một hoa thoái hóa. Phía ngoài hoa có hai mày (mày ngoài và mày trong). Ngay sau mày ngoài là dấu vết của nhị đực và hoa cái thứ hai thoái hoá; chính giữa là bầu hoa, trên bầu hoa có núm và vòi nhụy vƣơn dài thành râu [9]. Hạt ngô thuộc loại quả dính gồm 5 phần chính: vỏ hạt, lớp alơron, phôi, nội nhũ và chân hạt. Vỏ hạt là một màng nhẵn bao xung quanh hạt. Lớp alơron nằm dƣới vỏ hạt và bao lấy nội nhũ và phôi. Nội nhũ là phần chính của hạt chứa các tế bào dự trữ chất dinh dƣỡng. Nội nhũ có 2 phần: nội nhũ bột và nội nhũ sừng. Tỷ lệ giữa nội nhũ bột và nội nhũ sừng tùy vào chủng ngô, giống ngô [14]. Phôi ngô chiếm 1/3 thể tích của hạt và gồm có các phần: ngù (phần ngăn cách giữa nội nhũ và phôi), lá mầm, trụ dƣới lá mầm, rễ mầm và chồi mầm. Các hạt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 6 ngô có kích thƣớc cỡ hạt đậu Hà Lan, và bám chặt thành các hàng tƣơng đối đều xung quanh một lõi trắng để tạo ra bắp ngô. Mỗi bắp ngô dài khoảng 10 - 25 cm, chứa khoảng 200 - 400 hạt. Màu sắc hạt phụ thuộc đặc tính di truyền của giống và chủng loại, vì vậy hạt ngô có nhiều màu sắc khác nhau nhƣ: trắng, vàng, tím, da cam, đỏ… Số lƣợng hạt trên mỗi bắp ngô phụ thuộc vào giống, điều kiện ngoại cảnh, sinh thái [14]. Quá trình sinh trƣởng, phát triển của cây ngô đƣợc chia thành hai giai đoạn: giai đoạn sinh dƣỡng và giai đoạn sinh thực. Giai đoạn sinh dƣỡng đƣợc tính từ khi gieo đến trổ cờ. Giai đoạn sinh thực đƣợc tính từ trổ cờ đến chín hoàn toàn. Căn cứ vào đặc điểm quá trình sinh trƣởng, phát triển có thể chia ra các giai đoạn sinh trƣởng phát triển quan trọng sau đây: giai đoạn hạt nảy mầm và mọc; giai đoạn từ mọc đến 3 lá; giai đoạn từ 3 lá đến 7 lá; giai đoạn từ 7 lá đến xoắn ngọn; giai đoạn xoắn ngọn đến trổ cờ; giai đoạn từ trổ cờ đến tung phấn, phun râu, thụ tinh; giai đoạn từ thụ phấn đến chín. Trong từng giai đoạn cây ngô yêu cầu các điều kiện khác nhau và mỗi giai đoạn đều có ảnh hƣởng khác nhau đến các yếu tố tạo thành năng suất và chất lƣợng hạt ngô [9]. 1.1.3. Giá trị dinh dưỡng của ngô Hạt ngô có giá trị dinh dƣỡng cao, trong hạt ngô có chứa tƣơng đối đầy đủ các chất dinh dƣỡng cần thiết cho ngƣời và gia súc. Hạt ngô có hàm lƣợng protein và lipid nhiều hơn trong hạt gạo [2]. Thành phần sinh hóa của hạt ngô chịu ảnh hƣởng nhiều của đặc điểm giống, điều kiện khí hậu, đất đai và kỹ thuật canh tác. Bột ngô chiếm 65 - 83%, phôi ngô chiếm khoảng 10% khối lƣợng hạt. Trong phôi có các chất khoáng, vitamin và khoảng 30 - 45% dầu. Bảng 1.1. Tỉ lệ các bộ phận hạt ngô và thành phần hóa học của chúng [10] Các bộ phận của hạt ngô Tỉ lệ (%) Thành phần hóa học (tính theo % chất khô) Tinh bột Protein Lipid Toàn hạt 100 71,5 0,3 4,8 Nội nhũ 82,3 86,4 9,4 0,8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 7 Phôi 11,5 8,2 18,8 34,5 Vỏ 5,3 7,3 3,7 1,0 Mày 0,8 5,3 9,1 3,8 Thành phần chính trong hạt ngô là tinh bột (60 - 70%), chúng tập trung chủ yếu ở nội nhũ. Hàm lƣợng tinh bột ở ngô tẻ nhiều hơn ngô nếp (68% so với 65%) và đƣợc chia thành tinh bột mềm (tinh bột bột) và tinh bột cứng (tinh bột sừng). Ngô nếp đƣợc cấu tạo hoàn toàn từ amylopectin nên có độ dẻo hơn ngô tẻ [10]. Tỷ lệ lipid trong hạt ngô 3,5 - 7%, phần lớn tập trung ở mầm. Trong chất béo của ngô có chứa đến 50% acid linoleic liên kết với các glyceride, acid oleic, acid panmitic, rixinic. Hàm lƣợng lipid là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lƣợng hạt. Protein của ngô đƣợc chia thành ba loại chính: protein hoạt tính (chủ yếu là enzyme), protein cấu tạo và protein dự trữ, trong đó protein dự trữ chiếm tỷ lệ cao nhất. Hàm lƣợng protein dao động từ 8 - 12% ở mỗi giống. Tuy nhiên trong hạt ngô thiếu hai loại amino acid quan trọng là lysin và tryptophan. Vitamin của ngô tập trung ở lớp ngoài hạt ngô và ở mầm. Ngô cũng có nhiều vitamin C, vitamin B (B1, B2, B6...). Vitamin PP hơi thấp cộng với thiếu tryptophan một amino acid có thể tạo vitamin PP. Riêng ngô vàng chứa nhiều carotene (tiền vitamin A) [9]. 1.1.4. Giá trị kinh tế của cây ngô Ngô là cây lƣơng thực quan trọng trong nền kinh tế toàn cầu, bên cạnh lúa gạo và lúa mì. Ngô là cây trồng có tốc độ tăng trƣởng về năng suất cao nhất trong các cây lƣơng thực chủ yếu. Nó là cây trồng điển hình đƣợc ứng dụng nhiều thành tựu khoa học về các lĩnh vực di truyền học, chọn giống, công nghệ sinh học, cơ giới hóa, điện khí hóa và tin học... vào công tác nghiên cứu và sản xuất [14]. Ngô đƣợc sử dụng rộng rãi làm lƣơng thực cho ngƣời. Toàn thế giới sử dụng khoảng 21% sản lƣợng ngô làm lƣơng thực. Các nƣớc có trồng ngô đều sử dụng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 8 ngô với mức độ khác nhau. Các nƣớc ở Đông Nam Phi sử dụng tới 85% sản lƣợng ngô làm lƣơng thực cho ngƣời, các nƣớc Tây Á khoảng 27%, các nƣớc Đông Nam Á dùng 30%, các nƣớc Trung Mỹ và Caribe dùng 61%, các nƣớc châu Âu sử dụng 14% [2], [14]. Phƣơng thức sử dụng ngô làm lƣơng thực, thực phẩm cho ngƣời rất đa dạng, phụ thuộc vào vùng địa lý và tập quán. Phần đông ngƣời dân các nƣớc Mỹ Latinh ăn ngô dƣới dạng bánh bột ngô. Ở châu Phi ngƣời ta ăn ngô dƣới dạng bánh khô (nhƣ bánh mì ngô của Ai Cập) hoặc ở dạng ƣớt (nhƣ ogi của Nigeria), một số quốc gia châu Á ăn ngô dƣới dạng bánh hoặc bánh đúc nhƣ mèn mén của dân tộc vùng cao Việt Nam. Ngoài ra còn có một số cách dùng phổ biến trên thế giới nhƣ ngô luộc, ngô rang, bỏng ngô [14]... Ngô còn là cây làm thức ăn quan trọng cho gia cầm, gia súc trong phát triển chăn nuôi. Trên 70% chất tinh trong thức ăn tổng hợp của gia súc là ngô. Thân, lá cây ngô đƣợc dùng làm thức ăn xanh hoặc thức ăn ủ chua giàu dinh dƣỡng cho gia súc, đặc biệt là bò sữa. Từ ngô hạt có thể xay vỡ nuôi gia cầm, nghiền thành bột và chế biến thức ăn cho trâu bò, tôm cá... Theo thống kê của Trung tâm Cải tạo ngô và lúa mỳ quốc tế (CIMMYT), giai đoạn 1997 - 1999, thế giới dùng khoảng 66% ngô làm thức ăn chăn nuôi, tƣơng đƣơng 400 triệu tấn/năm [32]. Ngô đƣợc sử dụng nhiều trong công nghiệp nhƣ chế biến thực phẩm, công nghiệp nhẹ... Các loại ngô nếp, ngô đƣờng đƣợc đóng hộp làm thực phẩm xuất khẩu. Bột ngô đƣợc dùng để nấu cồn sản xuất đƣờng glucose, làm môi trƣờng nuôi cấy nấm penicillin, sản xuất acid acetic. Lõi ngô đƣợc chế biến làm chất cách điện, nhựa hóa học. Phôi ngô dùng để ép dầu, phục vụ trong công nghiệp thực phẩm, dƣợc phẩm. Ví dụ, nƣớc Mỹ hàng năm sử dụng 18% tổng sản lƣợng ngô để sản xuất tinh bột, 37% sản xuất cồn và 5,8% sản xuất bánh kẹo [14]. 1.1.5. Tình hình sản xuất ngô trên thế giới và Việt Nam 1.1.5.1. Tình hình sản xuất ngô trên thế giới Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 9 Ngô là cây trồng có địa bàn phân bố rộng, đƣợc gieo trồng rộng khắp trên thế giới với sản lƣợng hàng năm cao hơn bất kỳ cây lƣơng thực nào. Năm 2004, lƣợng ngô đƣợc gieo trồng trên khắp thế giới mang giá trị khoảng 23 tỷ USD [60]. Do điều kiện khí hậu, thổ nhƣỡng, tập quán canh tác dẫn đến diện tích, sản lƣợng và năng suất ngô ở các khu vực có sự chênh lệch nhau. Bảng 1.2. Sản xuất ngô trên thế giới giai đoạn 1961 - 2012 Diện tích Sản lƣợng Năng suất (triệu ha) (triệu tấn) (tạ/ha) 1961 105,56 205,03 19,42 1962 103,50 204,88 19,80 2005 148,16 713,68 48,17 2006 146,96 706,84 48,10 2007 158,53 789,88 49,82 2008 162,87 830,34 50,98 2009 158,85 820,00 51,62 2010 164,31 851,17 51,80 2011 172,05 888,01 51,61 2012 177,38 872,07 49,16 Nguồn: FAOSTAT 2013 [59]. Năm Theo số liệu trong bảng 1.2, sản lƣợng toàn thế giới năm 2012 là trên 872 triệu tấn - hơn cả lúa gạo (719,74 triệu tấn) và lúa mì (670,88 triệu tấn). Năm 1961, năng suất ngô trung bình của thế giới chỉ đạt gần 20 tạ/ha, nhƣng đến năm 2005 năng suất đã đạt đến 48,17 tạ/ha. Năm 2011, diện tích ngô đƣợc gieo trồng là 172,05 triệu ha, năng suất đạt 51,61 tạ/ha. Năm 2012 diện tích ngô là 177,38 triệu ha, tuy tăng so với năm 2011 nhƣng năng suất trung bình lại giảm còn 49,16 tạ/ha [59]. Diện tích trồng ngô giữa các châu lục có sự chênh lệch nhau, trong đó châu Mỹ là khu vực có diện tích trồng ngô lớn nhất (67,66 triệu ha – 2012), chiếm gần Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 10 38,14% diện tích ngô trên toàn thế giới và 47,96% về sản lƣợng. Châu Âu có diện tích trồng ngô thấp, khoảng 10,33% tổng diện tích gieo trồng (18,3 triệu ha) nhƣng luôn đứng thứ hai về năng suất (51,7 tạ/ha). Châu Á đứng thứ hai về diện tích (32,47%) và sản lƣợng (288,8 triệu tấn) nhƣng năng suất thấp hơn một chút (50,2 tạ/ha). Do có nhiều giá trị sử dụng và giá trị kinh tế nên ngô trở thành cây trồng phổ biến ở nhiều quốc gia trên thế giới. Các nƣớc có diện tích ngô lớn có thể kể đến nhƣ Mỹ (35,36 triệu ha), Trung Quốc (34,97 triệu ha), Braxin (14,32 triệu ha), Mexico (6,92 triệu ha) [59]... Bảng 1.3. Tình hình sản xuất ngô của một số nƣớc trên thế giới năm 2012 Diện tích Sản lƣợng Năng suất (triệu ha) (triệu tấn) (tạ/ha) Mỹ 35,36 273,83 77,44 Trung Quốc 34,97 208,23 59,55 Braxin 14,20 71,07 50,06 Ấn Độ 8,40 21,06 25,07 Ý 0,98 8,19 83,58 Hy Lạp 0,18 2,01 109,23 Nguồn: FAOSTAT 2013 [59]. Nƣớc Trên thế giới, Mỹ là nƣớc có diện tích, sản lƣợng, giá trị xuất khẩu ngô lớn nhất. Kết quả trên có đƣợc, trƣớc hết là nhờ sự đầu tƣ cho ngành nông nghiệp, không ngừng cải thiện các kỹ thuật canh tác, đồng thời ứng dụng công nghệ sinh học trong sản xuất. Các giống cây trồng chuyển gen đƣợc tạo ra nhờ công nghệ sinh học đã đƣợc trồng phổ biến, đem lại lợi nhuận nông nghiệp cao. Ở Mỹ chỉ còn sử dụng 48% giống ngô đƣợc chọn tạo theo công nghệ truyền thống và có tới 52% bằng công nghệ sinh học [21]. Trung Quốc đƣợc xem là cƣờng quốc về ngô đứng thứ hai trên thế giới và đứng thứ nhất trong khu vực châu Á. Nền sản xuất ngô ở nƣớc này có sự phát triển rất nhanh, đặc biệt là đối với ngô lai. Các quốc gia xuất khẩu ngô lớn có thể kể đến Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 11 nhƣ Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ..., các nƣớc nhập khẩu ngô chính là Nhật Bản, Hàn Quốc, Malaysia [9]... Một nƣớc khác nhƣ Hy Lạp, Ý, Đức, Israel,... là những nƣớc có năng suất ngô cao nhất thế giới nhờ ứng dụng công nghệ cao trong nông nghiệp. Sản lƣợng ngô trên thế giới tăng nhanh trong những năm gần đây, chủ yếu là tăng năng suất nhờ giống mới và kỹ thuật canh tác tƣới tiêu. Trong giai đoạn hiện nay, ngô cùng với lúa nƣớc, lúa mỳ vẫn là những cây lƣơng thực chiếm vị trí quan trọng nhất, nuôi sống toàn nhân loại. Vì vậy, việc lựa chọn các giống ngô có đặc tính tốt, năng suất cao và biện pháp kỹ thuật canh tác tiên tiến là một trong những giải pháp quan trọng để chống lại khủng hoảng lƣơng thực toàn cầu. 1.1.5.2. Tình hình sản xuất ngô ở Việt Nam Ngô đƣợc đƣa vào nƣớc ta cách đây khoảng 300 năm và trở thành cây lƣơng thực quan trọng thứ hai sau cây lúa. Trong những năm gần đây, nhờ chính sách khuyến khích của Nhà nƣớc và có nhiều tiến bộ kỹ thuật, đặc biệt là về giống, cây ngô đã có những bƣớc tăng trƣởng đáng kể về diện tích, sản lƣợng và năng suất. Bảng 1.4. Tình hình sản xuất ngô ở Việt Nam từ 1975 - 2012 Diện tích Sản lƣợng Năng suất (triệu ha) (triệu tấn) (tạ/ha) 1975 0,267 0,28 10,51 1990 0,432 0,67 15,54 2000 0,730 2,01 27,47 2006 1,033 3,85 37,31 2007 1,096 4,30 39,26 2008 1,440 4,57 31,75 2009 1,089 4,37 40,14 2010 1,126 4,61 40,90 2011 1,121 4,84 43,13 2012 1,118 4,80 Năm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu 42,95 Nguồn: FAOSTAT 2013 [59]. http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 12 Giai đoạn trƣớc đây, sản xuất ngô ở Việt Nam còn nhỏ lẻ và phân tán, chủ yếu là tự cung tự cấp theo nhu cầu của hộ nông dân. Hầu hết diện tích ngô đều đƣợc gieo trồng các giống ngô địa phƣơng, cho nên năng suất thấp. Vào năm 1975, diện tích ngô ở Việt Nam chƣa đến 300 nghìn ha, năng suất chỉ khoảng 10 tạ/ha. Từ những giữa năm 1980, nhờ hợp tác với Trung tâm Cải tạo ngô và lúa mỳ quốc tế (CIMMYT), nhiều giống ngô cải tiến đã đƣợc đƣa vào trồng góp phần nâng cao năng suất. Nếu nhƣ năm 1990, năng suất ngô nƣớc ta mới chỉ bằng 34% so với trung bình thế giới, năm 2000 bằng 59,8% thì đến năm 2012 đã đạt 86,9%. Từ 2006, ngành sản xuất ngô của Việt Nam đã có những bƣớc phát triển đáng kể, diện tích trồng ngô cả nƣớc đạt 1,033 triệu ha, sản lƣợng 3,85 triệu tấn. Năm 2011 là năm tạo dấu ấn ấn tƣợng của ngô Việt Nam, đạt mức sản lƣợng cao nhất từ trƣớc đến nay với 4,84 triệu tấn và năng suất 43,13 tạ/ha. Thành tựu nhảy vọt này có đƣợc là do việc tạo đƣợc các giống ngô lai và mở rộng diện tích trồng ngô lai trong sản xuất, kết hợp áp dụng các biện pháp kỹ thuật canh tác hiện đại. Năm 1991, diện tích trồng ngô lai chƣa đến 1%. Đến năm 2000, tỷ lệ này đã là 63% với diện tích 450 nghìn ha. Năm 2006, giống lai đã chiếm khoảng 90% diện tích ngô cả nƣớc. Việt Nam đã đuổi kịp các nƣớc trong khu vực về trình độ nghiên cứu tạo giống ngô lai và đang ở giai đoạn đầu đi vào công nghệ cao (công nghệ gen, nuôi cấy bao phấn và noãn) [2], [14]. Những vùng trồng ngô lớn ở Việt Nam là khu vực Đông Nam bộ, Tây Nguyên, trung du miền núi phía Bắc, đồng bằng sông Hồng và duyên hải miền Trung [5]. Trong đó, khu vực miền núi phía Bắc trồng chủ yếu là các giống ngô địa phƣơng. Năng suất của các giống ngô địa phƣơng thƣờng thấp, tuy nhiên các giống ngô địa phƣơng vẫn tiếp tục đƣợc quan tâm nghiên cứu vì các ƣu điểm nhƣ khả năng chịu hạn, kháng sâu bệnh tốt và có thể gieo trồng trên nhiều loại đất khác nhau. Bên cạnh những thuận lợi và thành tựu đã đạt đƣợc, ngành ngô Việt Nam còn còn gặp nhiều thách thức. Dù diện tích, năng suất hay sản lƣợng đều tăng nhanh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/