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农业科技现代化成为农业现代化的强劲引擎

◎本报记者 马爱平

智能农机在田野里奔腾辗转,自动播种、施肥、收割,却不见一人(ren);指尖在屏上轻轻一点,旅行之余也可以给大棚里的(de)蔬菜浇水施肥;没有土壤,没有阳光,植物工厂里的(de)蔬菜依然长得旺盛……科技(keji)与农业融合,描绘着最时尚、最具创造力的(de)现代农业图景。

农业现代化关键是(shi)农业科技(keji)现代化。党的(de)十八大以来,党中央国务院高度重视(shi)农业科技(keji)创新,深入实施“藏粮于地、藏粮于技”战略,全国广大农业科技(keji)工作者坚持“四个面向”,勠力创新攻关,一批引领性、原创性和标志性的(de)重大科技(keji)成果竞相涌现,两系法开启杂交水稻新纪元、首次在实验室实现人(ren)工合成淀粉、“基因剪刀”打破国外垄断、植物工厂“快速育种”实现重要突破,我(wo)国农业科技(keji)创新取得历史性成就,整体实力进入世界前列,高水平农业科技(keji)自立自强迈出坚实步伐,农业科技(keji)现代化已经成为保障粮食安全和重要农产品(chanpin)供给、突破资源环境约束、引领农业农村现代化的(de)强劲引擎。2012年到2021年,我(wo)国粮食总产量由6.1亿吨提高到6.8亿吨,良种增产贡献率由45%提高到50%以上,主要农作物耕种收综合机械化率由57%提高到72%。

重大创新成果 为农业农村高质量发展插上“科技(keji)翅膀”

10年来,广大农业科技(keji)工作者聚焦农业科技(keji)的(de)要害短板,勠力同心、砥砺奋进,农业科技(keji)重大成果不断涌现。育成并推广水稻“宁香粳9号”、小麦“鲁原502”、玉米“京农科728”等一批优质粮食作物新品种,自主培育出京红、京粉系列蛋鸡品种、京海黄鸡、华农温氏一号猪等一批具有较高应用价值的(de)畜禽新品种,畜禽水产品(chanpin)种良种化、国产化比重逐年提升。耐旱小麦配套节水栽培技术节省灌溉水30%左右。玉米膜下滴灌技术、全膜双垄沟播技术等实现水分利用效率提高17%,水稻侧深施肥技术实现肥料利用率提高20个百分点。创制一大批关键高效装备,采棉机整机产品(chanpin)和采棉头等核心部件实现技术突破,科技(keji)支撑筑牢“国家粮仓”迈出坚实步伐。

两系法开启杂交水稻新纪元

如果说三系法杂交水稻为中国开启了自己养活自己的(de)时代,那么两系法杂交水稻则为中国开启了更高产、更优质、更高效的(de)杂交水稻新纪元,确保了我(wo)国杂交水稻技术的(de)领先地位,并推动了世界杂交水稻的(de)快速发展,对(dui)遗传育种学科发展作出巨大贡献。2014年1月10日,由中国工程院院士袁隆平领衔攻关的(de)“两系法杂交水稻技术研究与应用”项目获得了国家科技(keji)进步奖特等奖。

从三系法到两系法,仅一字之别,却带来了杂交水稻技术的(de)飞跃。湖南杂交水稻研究中心牵头并组织全国多单位、多学科针对(dui)三系法存在的(de)配组不自由等问题,利用水稻光温敏核不育新材料,经过20多年的(de)协作攻关,围绕光温敏核不育系育性转换机理、实用光温敏核不育系创制、两系杂交稻组合选育技术、安全高效繁殖制种技术等进行深入研究,创立了实用光温敏核不育系选育理念、鉴定技术、核心种子与原种生产技术;建(jian)立了不育系高产稳产繁殖、安全高产制种技术体系;解决了杂交水稻高产与优质、早熟难协调的(de)技术难题,突破两系杂交粳稻育种与种子生产技术瓶颈;育成了两用不育系170个、配制了两系杂交水稻组合528个,并实现了大面积推广应用;形成了比较完整的(de)两系法杂交水稻理论体系,解决了三系杂交稻的(de)主要限制因素,使水稻杂种优势(youshi)利用进入一个新阶段,带动和促进了我(wo)国油菜、高粱、棉花、玉米、小麦等作物两系法杂种优势(youshi)利用的(de)研究与应用,为现代作物遗传育种学科的(de)发展作出了重大贡献。

通过技术转让与合作,两系法杂交水稻技术已在美国推广应用,并较当地主栽品种增产20%以上。两系法杂交水稻为我(wo)国种业开拓国际市场,参与国际种业科技(keji)竞争提供了核心技术支撑。

单倍体育种技术让玉米育种进入“高铁”时代

2020年9月,在位于山西农业大学东阳试验基地的(de)“十三五”国家重点研发计划项目“玉米杂种优势(youshi)利用技术与强优势(youshi)杂交种创制”成果展示(zhanshi)现场,记者发现,不同玉米田块的(de)长势大有不同,其中强优势(youshi)玉米杂交种长势颇为喜人(ren)。

“现代农作物育种技术有几个里程碑式的(de)发展,该项目在杂交诱导单倍体育种上的(de)多项原创性突破是(shi)玉米杂种优势(youshi)利用技术新的(de)里程碑,对(dui)我(wo)国农业技术革命将起到重大的(de)推进作用。”中国工程院院士、中国农业大学教授戴景瑞告诉记者,单倍体快速育种技术大大提高了新材料的(de)创制速度。过去,选育1个玉米自交系,要连续自交8代或更长时间(shijian);现在使用这项技术,快则1年,2代就可以选育出纯合自交系,进而用于优良杂交种的(de)组配,显著提升了育种效率。

中国农业大学国家玉米改良中心的(de)陈绍江团队(tuandui)(dui)针对(dui)玉米单倍体技术开展了长达20余年的(de)持续研究,相继在关键单倍体诱导基因、单倍体诱导与加倍的(de)技术上取得了突破,创建(jian)了高效的(de)育种技术体系。该技术作为现代种业的(de)“高铁技术”,大幅提升了我(wo)国种业科技(keji)的(de)竞争力。2021年,该研究团队(tuandui)(dui)在国际知名期刊《植物生物技术杂志》上发表最新研究成果,首次建(jian)立了番茄单倍体诱导系统,为创建(jian)单双子叶作物通用的(de)跨物种单倍体快速育种技术体系奠定了基础。

从二氧化碳到淀粉的(de)全合成引领传统种植模式革命性变革

满足碳水爱好(hao)必须靠种地吗?二氧化碳和氢气在一起会发生怎样的(de)反应?中国科学院天津工业生物技术研究所在人(ren)工合成淀粉方面取得重要进展。该所研究人(ren)员提出了一种颠覆性的(de)淀粉制备方法,不依赖植物光合作用,以二氧化碳、电解产生的(de)氢气为原料,成功生产出淀粉,在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的(de)从头合成,使淀粉生产从传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能,取得原创性突破。相关研究成果2021年9月24日在线发表于《科学》杂志。

研究团队(tuandui)(dui)采用了一种类似“搭积木”的(de)方式,联合中科院大连化学物理研究所,利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下还原成碳一(C1)化合物,然后通过设(she)计构建(jian)碳一聚合新酶,依据化学聚糖反应原理将碳一化合物聚合成碳三(C3)化合物,最后通过生物途径优化,将碳三化合物又聚合成碳六(C6)化合物,再进一步合成直链和支链淀粉(Cn化合物)。

“这一人(ren)工途径的(de)淀粉合成速率是(shi)玉米淀粉合成速率的(de)8.5倍,为创建(jian)新功能的(de)生物系统提供了新的(de)科学基础。”论文第一作者、中科院天津工业生物技术研究所副研究员蔡韬说。

重大动植物疫病防治技术为农业生物安全织上“防护网”

为有效从家禽源头控制H7N9病毒,中国农业科学院哈尔滨兽医研究所陈化兰院士团队(tuandui)(dui)利用成熟的(de)疫苗研发平台,及时创制出重组禽流感病毒(H5+H7)二价灭活疫苗,在我(wo)国10家高致病性禽流感疫苗定点生产企业(qiye)转化生产和应用,获得国家一类新兽药证书,极大地降低了H7N9病毒在家禽中的(de)流行和传播。更重要的(de)是(shi),疫苗的(de)应用在阻断人(ren)感染H7N9病毒中发挥了立竿见影的(de)效果。我(wo)国H7N9流感的(de)成功防控已成为从动物源头控制人(ren)畜共患传染病的(de)典范。

我(wo)国草地贪夜蛾、非洲猪瘟等重大动植物疫病综合防治技术取得重大进展。草地贪夜蛾、非洲猪瘟等发生后,科技(keji)部通过国家重点研发计划及时部署应急研发项目,组织开展联合攻关。中国农业科学院第一时间(shijian)掌握草地贪夜蛾入侵信息,明确成灾规律,研发出一批监测预警和综合防控的(de)技术与产品(chanpin),全面支撑了“虫口夺粮”阻击战,被联合国粮农组织向全球推荐。在全球首次解析非洲猪瘟病毒三维结构,完成基因缺失疫苗第二阶段临床试验,亚单位疫苗实验室研究进展顺利。

我(wo)国科研人(ren)员还创建(jian)了以生物多样性利用为核心,以生态抗灾、生物控害、化学减灾为目标的(de)小麦条锈病菌源基地综合治理技术体系。

智慧农业为农业现代化装上“加速器”

在科技(keji)部国家重点研发计划“智能农机装备”重点专项的(de)支持下,我(wo)国全面推进农机装备关键核心技术创新,突破信息感知、决策智控、精量播栽、高效收获等智能化理论与关键核心技术,研制了智能重型拖拉机、智能施药、智能收获、果菜茶生产、畜禽水产养殖、农产品(chanpin)产地处理等领域的(de)智能农机装备,推动我(wo)国农机装备科技(keji)进步和产业发展。

关键核心技术自主化,破解完全依赖进口、受制于人(ren)的(de)瓶颈。基于“北斗”的(de)农机自动导航与作业精准测控技术体系,实现了农机高精度导航定位、水肥药精量施用、作业智能测控、远程运维管理。畜禽养殖智能化精细生产技术及系统,实现了畜禽动物生理生态监测、生长调控。智能农业机械动力装备技术体系,推进农用动力装备节能减排、绿色发展。

主导装备智能化,构建(jian)了自主研发的(de)智能农机装备技术及产品(chanpin)体系。智能谷物联合收获技术装备、高效智能采棉机,引领收获装备智能化升级。免耕精量播种技术装备、无人(ren)机植保作业装备,实现种肥药智能施用。果蔬多源信息融合超大型分选成套装备,实现了智能分级。

薄弱环节机械化,补齐农业生产综合效率与整体水平“短板”。丘陵山地、水田、园艺拖拉机等专用拖拉机,为现代农业生产提供绿色高效动力。农田残膜清理、农田激光平地、节能深松等技术装备,助力高标准农田建(jian)设(she)。饲料、区域特色作物高效收获技术装备,解决了青饲与牧草、青稞、枸杞、大枣、橡胶、茶叶等生产薄弱环节“无机可用”“无机好(hao)用”的(de)难题。超级稻高速插秧,果园、甘蔗、油菜、蔬菜高效生产技术装备,提升了全程机械化水平。目前,小麦基本实现全程机械化,水稻、玉米综合机械化率超过80%,农机深松作业信息化监测率超过90%,丘陵山地、农产品(chanpin)加工、畜牧养殖机械化率超过35%。

重大基础研究突破 为抢占世界农业科技(keji)制高点奠定坚实基础

10年来,我(wo)国农业基础研究领域连续取得突破性重要进展,在基因组学、重要功能基因解析、重大病虫害灾变机制等领域取得一系列创新成果。在基础理论方面,我(wo)国开创了水稻研究从传统遗传图谱向全基因组水平转变的(de)先河,发现并克隆了耐高温、耐旱、高产、抗病等一批具有重要育种价值和自主知识产权的(de)新基因,打破国外关键基因垄断。在方法工具方面,中国农业大学赖锦盛创新团队(tuandui)(dui)开发出我(wo)国自主挖掘且拥有专利的(de)基因编辑系统。在机理机制方面,发现植物抵御病毒的(de)关键免疫蛋白,为高效绿色防控提供新策略。中国农业科学院张友军团队(tuandui)(dui)发现“植物和动物之间存在功能性基因水平转移”机理,这是(shi)现代生物学诞生100多年来,首次研究证实植物和动物之间存在功能性基因水平转移现象。

异源四倍体野生稻快速从头驯化新策略开辟全新育种方向

驯化作物总要经历千百年历史。而面对(dui)日益急迫的(de)粮食危机,如何根据人(ren)类需要,迅速驯化野生稻?中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士研究团队(tuandui)(dui)首次提出了异源四倍体野生稻快速从头驯化的(de)新策略,旨在最终培育出新型多倍体水稻作物,从而大幅提升粮食产量并增加作物环境变化适应性。这一研究成果于2021年2月4日在国际学术期刊《细胞》长文发表。

为攻克创制多倍体水稻新作物的(de)难题,李家洋院士所带领的(de)研究团队(tuandui)(dui)首次提出异源四倍体野生稻快速从头驯化的(de)新策略,并将其划分为四个阶段:第一阶段,收集并筛选综合性状最佳的(de)异源四倍体野生稻底盘种质资源;第二阶段,建(jian)立野生稻快速从头驯化技术体系;第三阶段,品种分子设(she)计与快速驯化;第四阶段,新型水稻作物推广应用。

该团队(tuandui)(dui)攻克技术瓶颈,成功创制了落粒性降低、芒长变短、株高降低、粒长变长、茎秆变粗、抽穗时间(shijian)不同程度缩短的(de)各种基因编辑源四倍体野生稻材料,证明该团队(tuandui)(dui)提出的(de)异源四倍体野生稻快速从头驯化策略高度可行。本项研究为未来粮食危机应对(dui)提出了一种新的(de)可行策略,开辟了全新的(de)作物育种方向,是(shi)该领域的(de)一项重大突破性进展,未来四倍体水稻新作物的(de)成功培育有望对(dui)世界粮食生产带来颠覆性的(de)革命。

重要基因挖掘充实了现代生物育种“材料库”

随着全球气候变暖趋势加剧,高温胁迫成为制约世界粮食生产安全的(de)最主要因素之一。据报道,平均气温每升高1℃,会造成水稻、小麦、玉米等粮食作物3%—8%左右的(de)减产。中国科学院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣研究团队(tuandui)(dui)与上海交通大学林尤舜研究团队(tuandui)(dui)合作在这一领域取得新突破,成功分离克隆了水稻高温抗性新基因位点TT3,并阐释了其调控高温抗性的(de)新机制。相关成果2022年6月17日在《科学》杂志上发表。

节水抗旱稻是(shi)指既有水稻的(de)高产优质特性,又有旱稻的(de)节水抗旱特性的(de)一类水稻品种类型。在国家“863计划”等项目支持下,上海市农业生物基因中心罗利军研究团队(tuandui)(dui)围绕水旱稻的(de)遗传分化、节水抗旱的(de)遗传与分子机制、节水抗旱稻品种培育和配套技术等方面进行系统研究,挖掘了水稻抗旱基因OsRINGzf1,选育了“旱优73”等节水抗旱稻新品种,大大拓展了水稻种植区域,该项目获得2020年度国家科技(keji)进步奖一等奖。

2022年7月22日,《科学》杂志发表了中国农业科学院作物科学研究所周文彬研究员团队(tuandui)(dui)牵头的(de)研究论文,该团队(tuandui)(dui)通过承担国家重点研发计划“粮食作物产量与效率层次差异及其丰产增效机理”项目,历时7年,在水稻中研究发现了水稻高产基因(OsDREB1C),该基因能够同时提高光合作用效率和氮素利用效率,显著提高水稻产量,并缩短生育期。

“基因剪刀”为生物育种创新提供新工具

“不与农学结合的(de)生物技术就不是(shi)真正的(de)生物技术”,赖锦盛教授感慨地说。他(ta)敏锐地找准方向,以玉米和大豆两大主要农作物为研究对(dui)象,开展分子设(she)计育种的(de)基础研究。2010年以来,赖锦盛教授团队(tuandui)(dui)在国际顶尖杂志接连发表一系列高水平论文,不断深化对(dui)生物育种的(de)认识。

十年磨剑酬壮志,为的(de)是(shi)不再“卡脖子”,志在打赢“翻身仗”。2018年7月30日,赖锦盛教授课题组在玉米基因组学研究上取得重要进展,研究成果在《自然·遗传》上在线发表,我(wo)国玉米基因组学研究更加自信地走在世界最前沿。2021年,赖锦盛教授团队(tuandui)(dui)自主开发的(de)两把属于中国的(de)“基因剪刀”——Cas12i和Cas12j获得专利授权,弥补了我(wo)国在基因编辑核心工具领域的(de)技术空白,一举打破国外对(dui)该项技术的(de)垄断。

“基因剪刀”,是(shi)一种形象的(de)说法,也就是(shi)利用某些能够切割病毒遗传物质的(de)Cas蛋白,即CRISPR-Cas,对(dui)目标基因进行一定剪切,从而实现复杂精准的(de)基因编辑。Cas蛋白有93个之多,德国和美国的(de)两位学者因发现CRISPR-Cas9“基因剪刀”而于2020年共同荣获诺贝尔化学奖。一直以来,该领域技术及原始核心专利为西方少数国家所垄断。近年来,我(wo)国一批科学家奋力耕耘,在植物基因编辑研究领域不断开疆拓土。事实充分说明,中国实现高水平科技(keji)自立自强路在脚下。

植物工厂育种加速器破解植物周年加代繁育瓶颈

没有阳光、雨水和土壤,能种出粮食来吗?农业科学家说:“能,而且长得更快!”2021年10月,在国家“十三五”科技(keji)创新成就展上,一幢泛着红紫色柔光的(de)玻璃小屋格外亮眼。这是(shi)中国农业科学院都市农业研究所植物工厂创新团队(tuandui)(dui)研制的(de)一座植物工厂。四层栽培架上,一排排水稻青苗齐整整扎在特殊的(de)营养液里,在颗颗彩色LED节能灯的(de)“抚触”下,正奋力拔节。

创新团队(tuandui)(dui)以人(ren)工光植物工厂为手段,在详尽分析水稻苗期、分蘖期、拔节期、抽穗期、开花期、灌浆期等各个生育阶段生物学特性基础上,创制出水稻不同生育期环境—营养动态协同调控技术,构建(jian)了大幅度缩短水稻生育期的(de)技术途径,成功实现水稻种植60天左右收获的(de)重大突破,将传统大田环境下120天以上的(de)水稻生育周期缩短了一半,大幅提升水稻育种效率。

创新团队(tuandui)(dui)首席科学家杨其长说,这座植物工厂如同一台水稻育种加速器,有望实现每年6茬以上的(de)水稻“快速育种”,栽培层数甚至可以达到10层以上。此外,创新团队(tuandui)(dui)正致力于将植物工厂用在小麦加速育种上,目前可实现小麦从秧苗移栽到植物工厂后34天孕穗,39天抽穗,65天成熟收获,与传统大田环境下平均180天的(de)生长周期相比缩短了三分之二。杨其长说,未来,依靠植物工厂,可为水稻和其他(ta)作物的(de)加代育种和高效栽培提供新的(de)技术路径。

组织实施机制改革 为农业科技(keji)创新注入新的(de)活力

10年来,我(wo)国农业科技(keji)体制机制改革不断完善,产学研用融合不断加深,创新激励政策持续走实,农业科技(keji)创新活力和动力得到充分激发。通过实施“揭榜挂帅”、部省联动、青年科学家项目等新机制,不断探索农业科技(keji)领域新型举国体制。针对(dui)重大技术瓶颈和产品(chanpin)制约,实行“揭榜挂帅”机制,创新不问出身。设(she)置青年科学家项目,鼓励自由探索,推动青年科技(keji)人(ren)才脱颖而出。设(she)置科技(keji)型中小企业(qiye)项目,择优支持中小企业(qiye)科技(keji)创新。在动物育种、林木育种、耕地质量监测等方向,实施长周期支持机制。

部省联动新机制着力解决区域农业重大现实难题

农业具有明显的(de)区域性特征,协同解决农业生产中的(de)区域性重大现实难题是(shi)保障国家粮食安全的(de)必然要求。顺应农业产业特点和科研规律,“十四五”农业农村领域国家重点研发计划探索实施部省联动组织实施机制。科技(keji)部和有关省份联合论证、联合投入、联合推进,中央和地方按1∶1匹配经费,统筹全国科技(keji)资源和优势(youshi)力量,将区域性重大科技(keji)问题上升到国家层面来解决,推动“问题从生产中产生,成果到生产中检验”,实现了管理联动、政策联动、资源联动。

2021—2022年,科技(keji)部与28个省份联动实施了“环渤海盐碱地耕地质量与产能提升技术模式及应用”“长江中下游坡耕地红黄壤与中低产稻田产能提升技术模式及应用”等55个项目,深受科研一线和地方好(hao)评。2021年,科技(keji)部与山西省联动实施了“有机旱作农业耐瘠抗逆节水增效技术模式与应用”项目,支持区域创新力量联合国家级优势(youshi)单位协同开展有机旱作农业关键技术攻关,共同把有机旱作农业创新成果落实到黄土大地。

青年科学家项目激励青年科技(keji)人(ren)员勇闯“无人(ren)区”

为加大青年科技(keji)人(ren)才培养力度,科技(keji)部在国家重点研发计划中探索实施青年科学家项目机制,鼓励青年人(ren)员在基因编辑等基础科学领域自由探索。作为受项目资助的(de)青年科学家之一,中国农业大学农学院小麦研究中心“90后”教授、博士生导师宗媛表示,国家对(dui)青年科学家的(de)支持和关注让自己更有底气、有勇气放手去验证心中的(de)设(she)想,身上的(de)重担也让自己面对(dui)成果时更加清醒。

提到自己对(dui)青年科学家责任的(de)理解,宗媛说:“青年科学家要敢于挑战‘无人(ren)区’的(de)科学问题和技术瓶颈,大胆创新,在美好(hao)时代发挥自己的(de)价值,为未来农业发展勾勒出更美好(hao)的(de)蓝图。希望我(wo)能够用自己在植物基因组编辑领域的(de)一技之长,推进植物精准设(she)计育种和智能育种的(de)早日实现,为保障我(wo)国种业安全、粮食安全贡献自己的(de)力量。”

展望未来,科技(keji)让农业“更智慧”,农村“更便捷”,一幅农业科技(keji)绘就的(de)多彩画卷徐徐展开:在无人(ren)农场的(de)数字大田,早上太阳升起来了,仓库门自动打开后,无人(ren)驾驶农机根据大数据就能分析出农田作物生长和健康状况,随后自动判断和进行相应的(de)耕作、喷洒农药、除草作业,完成后再自动回到停车场,农民全程可在线上操作,云计算、物联网、大数据、功能农业、智慧农业……挥动“科技(keji)的(de)翅膀”,精耕“希望的(de)田野”。 【编辑:房家梁】

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