Tăng 18% sản lượng ngô, giảm 27% lượng đạm thất thoát?

Các nhà nghiên cứu đã lập bản đồ cơ sở di truyền của giống ngô có năng suất cao hơn và sử dụng tài nguyên hiệu quả hơn, đồng thời ước tính rằng sản lượng toàn cầu có thể tăng đáng kể nếu các tổ hợp tính trạng ưu tú được người nông dân tiếp cận trên quy mô lớn.

Việc phát triển các giống ngô kết hợp năng suất cao với khả năng sử dụng dinh dưỡng hiệu quả hơn và khả năng chống chịu điều kiện bất thuận có thể giúp tăng sản lượng ngô toàn cầu đồng thời giảm thất thoát đạm, theo nghiên cứu mới.

Được công bố trên tạp chí Science Bulletin, nghiên cứu này đánh giá tiềm năng của các giống ngô “xanh và hiệu quả” (green and efficient- G&E) trong việc hỗ trợ sản xuất cây trồng bền vững hơn. Nghiên cứu do Xiangyuan Wan và Xun Wei thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Bắc Kinh chủ trì, với sự tham gia của các nhà nghiên cứu từ Đại học Nông nghiệp Trung Quốc, Đại học Chiết Giang, Đại học Wageningen & Research và Trung tâm Cải tiến Ngô và Lúa mì Quốc tế.

Xác định các tính trạng ưu tiên trong chọn tạo giống ngô

Các nhà nghiên cứu phân loại 48 tính trạng của cây ngô thành bốn nhóm: Khả năng kháng bệnh và sâu hại, khả năng chống chịu các stress môi trường, cải thiện kiến trúc cây và sử dụng dinh dưỡng hiệu quả.

Các tính trạng này bao gồm khả năng kháng côn trùng, chịu hạn và chịu nhiệt, hiệu quả sử dụng đạm (NUE), cũng như kiến trúc cây gọn, phù hợp với canh tác ở mật độ dày.

Để xác định các mục tiêu cho cải tiến nhiều tính trạng, nhóm nghiên cứu đã tích hợp 27.516 nucleotide tính trạng định lượng (quantitative trait nucleotides - QTNs) và 3.272 locus tính trạng định lượng (quantitative trait loci-QTL) thành các cụm di truyền. Kết quả phân tích đã xác định 293 vùng hệ gen cùng chi phối cả bốn nhóm tính trạng.

Trong số 524 gen đã được báo cáo trước đây có liên quan đến các tính trạng này, 227 gen nằm trong 98 cụm chung. Các nhà nghiên cứu xác định những cụm này là các vùng hệ gen ưu tiên cho việc lập bản đồ tinh vi, chỉnh sửa gen, nghiên cứu đa omics và chọn giống phân tử.

Các tính trạng phức tạp vẫn chưa được chú trọng đúng mức

Nhóm nghiên cứu cũng tổng hợp dữ liệu về 539 giống ngô trên toàn thế giới mang một hoặc nhiều tính trạng G&E. Phần lớn các giống này được phát triển thông qua lai tạo giống hoặc biến đổi gen.

Các giống hiện có chủ yếu tập trung vào những tính trạng tương đối dễ đưa vào sản xuất, chẳng hạn như khả năng kháng côn trùng và khả năng chống chịu thuốc diệt cỏ. Trong khi đó, các tính trạng phức tạp hơn, như hiệu quả sử dụng đạm và khả năng chịu lạnh hoặc chịu mặn, vẫn chưa được quan tâm nhiều.

Các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy rằng các giống ngô thương mại hiện nay hiếm khi kết hợp từ ba tính trạng G&E trở lên.

Các giống G&E làm tăng năng suất trong các nghiên cứu ngoài đồng ruộng

Một phân tích tổng hợp (meta-analysis) bao gồm 1.709 quan sát đồng ruộng từ 96 nghiên cứu cho thấy các giống ngô G&E làm tăng năng suất trung bình 10,1% và sau khi hiệu chỉnh thống kê, mức tăng đạt 12,7%.

Kết quả khác nhau tùy theo khu vực, công nghệ chọn giống và tính trạng. Các giống kết hợp khả năng kháng côn trùng và chịu hạn cho mức tăng năng suất đặc biệt cao trong những nghiên cứu được phân tích.

Các giống này cải thiện hiệu quả sử dụng đạm - tức khả năng chuyển hóa lượng đạm được cây hấp thụ thành hạt - thêm 16,7%. Tuy nhiên, hiệu quả hấp thu đạm của cây lại giảm 13%, cho thấy cần cải thiện khả năng tạo hạt mà không làm suy yếu khả năng của hệ rễ trong việc hấp thu đạm từ đất.

Mô hình toàn cầu dự báo lợi ích về sản lượng và môi trường

Ứng dụng 561.359 quan sát về đất và khí hậu, các nhà nghiên cứu đã mô hình hóa những tác động tiềm năng nếu các giống ngô G&E ưu tú được áp dụng rộng rãi.

Trong kịch bản các giống ngô G&E ưu tú được áp dụng rộng khắp, năng suất ngô toàn cầu có thể tăng 18,1%, tương đương tăng thêm 145,78 triệu tấn hạt/năm. Lượng đạm phản ứng bị thất thoát có thể giảm 26,6%, tương đương 1,49 triệu tấn/năm.

Các nhà nghiên cứu cho rằng những con số này thể hiện tiềm năng sinh học tối đa được ước tính. Khi điều chỉnh để phản ánh mức độ áp dụng hiện nay tại các khu vực có hiệu quả sản xuất thấp hơn, mức tham chiếu trong ngắn hạn tăng năng suất khoảng 9% và giảm thất thoát đạm phản ứng 13%.

Thu hẹp khoảng cách giữa chọn giống và ứng dụng trên đồng ruộng

Nghiên cứu xác định một số rào cản khiến các giống ngô cải tiến chưa thể phát huy hết tiềm năng. Các nhà nghiên cứu vẫn chưa tạo ra được những giống thương mại có khả năng kết hợp ổn định từ ba tính trạng G&E trở lên, trong khi nhiều giống thử nghiệm vẫn chưa được đưa vào sản xuất thương mại tại những khu vực có thể hưởng lợi nhiều nhất từ chúng.

Các giống cũng cần được kết hợp với chế độ bón phân, mật độ gieo trồng, biện pháp quản lý sâu bệnh và điều kiện thị trường phù hợp để phát huy hết ưu điểm.

Các nhà nghiên cứu kết luận rằng để đạt được tiến bộ, cần có sự phối hợp giữa lĩnh vực di truyền học, chọn tạo giống cây trồng, quản lý và quy định, hệ thống cung ứng hạt giống và quản lý canh tác. Chọn lọc dựa trên hệ gen, chỉnh sửa gen, sinh học tổng hợp và các thử nghiệm đồng ruộng đa môi trường có thể giúp các nhà chọn tạo giống kết hợp nhiều tính trạng có lợi. Đồng thời, các chính sách và hỗ trợ thị trường sẽ cần thiết để đưa các loại hạt giống cải tiến đến tay người nông dân tại những khu vực có nhu cầu cao.

Nguyễn Tiến Hải theo Seedworld.com