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    農業科技現代化成為農業現代化的強勁引擎

    智能農機在田野里奔騰輾轉,自動播種、施肥、收割,卻不見一人;指尖在屏上輕輕一點,旅行之余也可以給大棚里的澆水施肥;沒有土壤,沒有陽光,植物工廠里的依然長得旺盛……科技與農業融合,描繪著最時尚、最具創造力的現代農業圖景。

    農業現代化關鍵是農業科技現代化。黨的十八大以來,黨中央國務院高度重視農業科技創新,深入實施“藏糧于地、藏糧于技”戰略,全國廣大農業科技工作者堅持“四個面向”,勠力創新攻關,一批引領性、原創性和標志性的重大科技成競相涌現,兩系法開啟雜交水稻新紀元、首次在實驗室實現人工合成淀粉、“基因剪刀”打破國外壟斷、植物工廠“快速育種”實現重要突破,我國農業科技創新取得歷史性成就,整體實力進入世界前列,高水平農業科技自立自強邁出堅實步伐,農業科技現代化已經成為保障糧食安全和重要農產品供給、突破資源環境約束、引領農業農村現代化的強勁引擎。2012年到2021年,我國糧食總產量由6.1億噸提高到6.8億噸,良種增產貢獻率由45%提高到50%以上,主要農作物耕種收綜合機械化率由57%提高到72%。

    重大創新成農業農村高質量發展插上“科技翅膀”

    10年來,廣大農業科技工作者聚焦農業科技的要害短板,勠力同心、砥礪奮進,農業科技重大成不斷涌現。育成并推廣水稻“寧香粳9號”、小麥“魯原502”、玉米“京農科728”等一批優質糧食作物新品種,自主培育出京紅、京粉系列蛋雞品種、京海黃雞、華農溫氏一號豬等一批具有較高應用價值的畜禽新品種,畜禽水產品種良種化、國產化比重逐年提升。耐旱小麥配套節水栽培技術節省灌溉水30%左右。玉米膜下滴灌技術、全膜雙壟溝播技術等實現水分利用效率提高17%,水稻側深施肥技術實現肥料利用率提高20個百分點。創制一大批關鍵高效裝備,采棉機整機產品和采棉頭等核心部件實現技術突破,科技支撐筑牢“國家糧倉”邁出堅實步伐。

    兩系法開啟雜交水稻新紀元

    說三系法雜交水稻為中國開啟了自己養活自己的時代,那么兩系法雜交水稻則為中國開啟了更高產、更優質、更高效的雜交水稻新紀元,確保了我國雜交水稻技術的領先地位,并推動了世界雜交水稻的快速發展,對遺傳育種學科發展作出巨大貢獻。2014年1月10日,由中國工程院院士袁隆平領銜攻關的“兩系法雜交水稻技術研究與應用”項目獲得了國家科技進步獎特等獎。

    從三系法到兩系法,僅一字之別,卻帶來了雜交水稻技術的飛躍。湖南雜交水稻研究中心牽頭并組織全國多單位、多學科針對三系法存在的配組不自由等問題,利用水稻光溫敏核不育新材料,經過20多年的協作攻關,圍繞光溫敏核不育系育性轉換機理、實用光溫敏核不育系創制、兩系雜交稻組合選育技術、安全高效繁殖制種技術等進行深入研究,創立了實用光溫敏核不育系選育理念、鑒定技術、核心種子與原種生產技術;建立了不育系高產穩產繁殖、安全高產制種技術體系;解決了雜交水稻高產與優質、早熟難協調的技術難題,突破兩系雜交粳稻育種與種子生產技術瓶頸;育成了兩用不育系170個、配制了兩系雜交水稻組合528個,并實現了大面積推廣應用;形成了比較完整的兩系法雜交水稻理論體系,解決了三系雜交稻的主要限制因素,使水稻雜種優勢利用進入一個新階段,帶動和促進了我國油、高粱、棉花、玉米、小麥等作物兩系法雜種優勢利用的研究與應用,為現代作物遺傳育種學科的發展作出了重大貢獻。

    通過技術轉讓與合作,兩系法雜交水稻技術已在美國推廣應用,并較當地主栽品種增產20%以上。兩系法雜交水稻為我國種業開拓國際市場,參與國際種業科技競爭提供了核心技術支撐。

    單倍體育種技術讓玉米育種進入“高鐵”時代

    2020年9月,在位于山西農業大學東陽試驗基地的“十三五”國家重點研發計劃項目“玉米雜種優勢利用技術與強優勢雜交種創制”成展示現場,記者發現,不同玉米田塊的長勢大有不同,其中強優勢玉米雜交種長勢頗為喜人。

    “現代農作物育種技術有幾個里程碑式的發展,該項目在雜交誘導單倍體育種上的多項原創性突破是玉米雜種優勢利用技術新的里程碑,對我國農業技術革命將起到重大的推進作用!敝袊こ淘涸菏、中國農業大學教授戴景瑞告訴記者,單倍體快速育種技術大大提高了新材料的創制速度。過去,選育1個玉米自交系,要連續自交8代或更長時間;現在使用這項技術,快則1年,2代就可以選育出純合自交系,進而用于優良雜交種的組配,顯著提升了育種效率。

    中國農業大學國家玉米改良中心的陳紹江團隊針對玉米單倍體技術開展了長達20余年的持續研究,相繼在關鍵單倍體誘導基因、單倍體誘導與加倍的技術上取得了突破,創建了高效的育種技術體系。該技術作為現代種業的“高鐵技術”,大幅提升了我國種業科技的競爭力。2021年,該研究團隊在國際知名期刊《植物生物技術雜志》上發表最新研究成,首次建立了番茄單倍體誘導系統,為創建單雙子葉作物通用的跨物種單倍體快速育種技術體系奠定了基礎。

    從二氧化碳到淀粉的全合成引領傳統種植模式革命性變革

    滿足碳水愛好必須靠種地嗎?二氧化碳和氫氣在一起會發生怎樣的反應?中國科學院天津工業生物技術研究所在人工合成淀粉方面取得重要進展。該所研究人員提出了一種顛覆性的淀粉制備方法,不依賴植物光合作用,以二氧化碳、電解產生的氫氣為原料,成功生產出淀粉,在國際上首次實現了二氧化碳到淀粉的從頭合成,使淀粉生產從傳統農業種植模式向工業車間生產模式轉變成為可能,取得原創性突破。相關研究成2021年9月24日在線發表于《科學》雜志。

    研究團隊采用了一種類似“搭積木”的方式,聯合中科院大連化學物理研究所,利用化學催化劑將高濃度二氧化碳在高密度氫能作用下還原成碳一(C1)化合物,然后通過設計構建碳一聚合新酶,依據化學聚糖反應原理將碳一化合物聚合成碳三(C3)化合物,最后通過生物途徑優化,將碳三化合物又聚合成碳六(C6)化合物,再進一步合成直鏈和支鏈淀粉(Cn化合物)。

    “這一人工途徑的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍,為創建新功能的生物系統提供了新的科學基礎!闭撐牡谝蛔髡、中科院天津工業生物技術研究所副研究員蔡韜說。

    重大動植物疫病防治技術為農業生物安全織上“防護網”

    為有效從家禽源頭控制H7N9病毒,中國農業科學院哈爾濱獸醫研究所陳化蘭院士團隊利用成熟的疫苗研發平臺,及時創制出重組禽流感病毒(H5+H7)二價滅活疫苗,在我國10家高致病性禽流感疫苗定點生產企業轉化生產和應用,獲得國家一類新獸藥證書,極大地降低了H7N9病毒在家禽中的流行和傳播。更重要的是,疫苗的應用在阻斷人感染H7N9病毒中發揮了立竿見影的效。我國H7N9流感的成功防控已成為從動物源頭控制人畜共患傳染病的典范。

    我國草地貪夜蛾、非洲豬瘟等重大動植物疫病綜合防治技術取得重大進展。草地貪夜蛾、非洲豬瘟等發生后,科技部通過國家重點研發計劃及時部署應急研發項目,組織開展聯合攻關。中國農業科學院第一時間掌握草地貪夜蛾入侵信息,明確成災規律,研發出一批監測預警和綜合防控的技術與產品,全面支撐了“蟲口奪糧”阻擊戰,被聯合國糧農組織向全球推薦。在全球首次解析非洲豬瘟病毒三維結構,完成基因缺失疫苗第二階段臨床試驗,亞單位疫苗實驗室研究進展順利。

    我國科研人員還創建了以生物多樣性利用為核心,以生態抗災、生物控害、化學減災為目標的小麥條銹病菌源基地綜合治理技術體系。

    智慧農業農業現代化裝上“加速器”

    在科技部國家重點研發計劃“智能農機裝備”重點專項的支持下,我國全面推進農機裝備關鍵核心技術創新,突破信息感知、決策智控、精量播栽、高效收獲等智能化理論與關鍵核心技術,研制了智能重型拖拉機、智能施藥、智能收獲、茶生產、畜禽水產養殖、農產品產地處理等領域的智能農機裝備,推動我國農機裝備科技進步和產業發展。

    關鍵核心技術自主化,破解完全依賴進口、受制于人的瓶頸;凇氨倍贰钡霓r機自動導航與作業精準測控技術體系,實現了農機高精度導航定位、水肥藥精量施用、作業智能測控、遠程運維管理。畜禽養殖智能化精細生產技術及系統,實現了畜禽動物生理生態監測、生長調控。智能農業機械動力裝備技術體系,推進農用動力裝備節能減排、綠色發展。

    主導裝備智能化,構建了自主研發的智能農機裝備技術及產品體系。智能谷物聯合收獲技術裝備、高效智能采棉機,引領收獲裝備智能化升級。免耕精量播種技術裝備、無人機植保作業裝備,實現種肥藥智能施用。蔬多源信息融合超大型分選成套裝備,實現了智能分級。

    薄弱環節機械化,補齊農業生產綜合效率與整體水平“短板”。丘陵山地、水田、園藝拖拉機等專用拖拉機,為現代農業生產提供綠色高效動力。農田殘膜清理、農田激光平地、節能深松等技術裝備,助力高標準農田建設。飼料、區域特色作物高效收獲技術裝備,解決了青飼與牧草、青稞、枸杞、大棗、橡膠、茶葉等生產薄弱環節“無機可用”“無機好用”的難題。超級稻高速插秧,園、甘蔗、油、高效生產技術裝備,提升了全程機械化水平。目前,小麥基本實現全程機械化,水稻、玉米綜合機械化率超過80%,農機深松作業信息化監測率超過90%,丘陵山地、農產品加工、畜牧養殖機械化率超過35%。

    重大基礎研究突破 為搶占世界農業科技制高點奠定堅實基礎

    10年來,我國農業基礎研究領域連續取得突破性重要進展,在基因組學、重要功能基因解析、重大病蟲害災變機制等領域取得一系列創新成。在基礎理論方面,我國開創了水稻研究從傳統遺傳圖譜向全基因組水平轉變的先河,發現并克隆了耐高溫、耐旱、高產、抗病等一批具有重要育種價值和自主知識產權的新基因,打破國外關鍵基因壟斷。在方法工具方面,中國農業大學賴錦盛創新團隊開發出我國自主挖掘且擁有專利的基因編輯系統。在機理機制方面,發現植物抵御病毒的關鍵免疫蛋白,為高效綠色防控提供新策略。中國農業科學院張友軍團隊發現“植物和動物之間存在功能性基因水平轉移”機理,這是現代生物學誕生100多年來,首次研究證實植物和動物之間存在功能性基因水平轉移現象。

    異源四倍體野生稻快速從頭馴化新策略開辟全新育種方向

    馴化作物總要經歷千百年歷史。而面對日益急迫的糧食危機,如何根據人類需要,迅速馴化野生稻?中國科學院遺傳與發育生物學研究所李家洋院士研究團隊首次提出了異源四倍體野生稻快速從頭馴化的新策略,旨在最終培育出新型多倍體水稻作物,從而大幅提升糧食產量并增加作物環境變化適應性。這一研究成于2021年2月4日在國際學術期刊《細胞》長文發表。

    為攻克創制多倍體水稻新作物的難題,李家洋院士所帶領的研究團隊首次提出異源四倍體野生稻快速從頭馴化的新策略,并將其劃分為四個階段:第一階段,收集并篩選綜合性狀最佳的異源四倍體野生稻底盤種質資源;第二階段,建立野生稻快速從頭馴化技術體系;第三階段,品種分子設計與快速馴化;第四階段,新型水稻作物推廣應用。

    該團隊攻克技術瓶頸,成功創制了落粒性降低、芒長變短、株高降低、粒長變長、莖稈變粗、抽穗時間不同程度縮短的各種基因編輯源四倍體野生稻材料,證明該團隊提出的異源四倍體野生稻快速從頭馴化策略高度可行。本項研究為未來糧食危機應對提出了一種新的可行策略,開辟了全新的作物育種方向,是該領域的一項重大突破性進展,未來四倍體水稻新作物的成功培育有望對世界糧食生產帶來顛覆性的革命。

    重要基因挖掘充實了現代生物育種“材料庫”

    隨著全球氣候變暖趨勢加劇,高溫脅迫成為制約世界糧食生產安全的最主要因素之一。據報道,平均氣溫每升高1℃,會造成水稻、小麥、玉米等糧食作物3%—8%左右的減產。中國科學院分子植物科學卓越創新中心林鴻宣研究團隊與上海交通大學林尤舜研究團隊合作在這一領域取得新突破,成功分離克隆了水稻高溫抗性新基因位點TT3,并闡釋了其調控高溫抗性的新機制。相關成2022年6月17日在《科學》雜志上發表。

    節水抗旱稻是指既有水稻的高產優質特性,又有旱稻的節水抗旱特性的一類水稻品種類型。在國家“863計劃”等項目支持下,上海市農業生物基因中心羅利軍研究團隊圍繞水旱稻的遺傳分化、節水抗旱的遺傳與分子機制、節水抗旱稻品種培育和配套技術等方面進行系統研究,挖掘了水稻抗旱基因OsRINGzf1,選育了“旱優73”等節水抗旱稻新品種,大大拓展了水稻種植區域,該項目獲得2020年度國家科技進步獎一等獎。

    2022年7月22日,《科學》雜志發表了中國農業科學院作物科學研究所周文彬研究員團隊牽頭的研究論文,該團隊通過承擔國家重點研發計劃“糧食作物產量與效率層次差異及其豐產增效機理”項目,歷時7年,在水稻中研究發現了水稻高產基因(OsDREB1C),該基因能夠同時提高光合作用效率和氮素利用效率,顯著提高水稻產量,并縮短生育期。

    “基因剪刀”為生物育種創新提供新工具

    “不與農學結合的生物技術就不是真正的生物技術”,賴錦盛教授感慨地說。他敏銳地找準方向,以玉米和大豆兩大主要農作物為研究對象,開展分子設計育種的基礎研究。2010年以來,賴錦盛教授團隊在國際頂尖雜志接連發表一系列高水平論文,不斷深化對生物育種的認識。

    十年磨劍酬壯志,為的是不再“卡脖子”,志在打贏“翻身仗”。2018年7月30日,賴錦盛教授課題組在玉米基因組學研究上取得重要進展,研究成在《自然·遺傳》上在線發表,我國玉米基因組學研究更加自信地走在世界最前沿。2021年,賴錦盛教授團隊自主開發的兩把屬于中國的“基因剪刀”——Cas12i和Cas12j獲得專利授權,彌補了我國在基因編輯核心工具領域的技術空白,一舉打破國外對該項技術的壟斷。

    “基因剪刀”,是一種形象的說法,也就是利用某些能夠切割病毒遺傳物質的Cas蛋白,即CRISPR-Cas,對目標基因進行一定剪切,從而實現復雜精準的基因編輯。Cas蛋白有93個之多,德國和美國的兩位學者因發現CRISPR-Cas9“基因剪刀”而于2020年共同榮獲諾貝爾化學獎。一直以來,該領域技術及原始核心專利為西方少數國家所壟斷。近年來,我國一批科學家奮力耕耘,在植物基因編輯研究領域不斷開疆拓土。事實充分說明,中國實現高水平科技自立自強路在腳下。

    植物工廠育種加速器破解植物周年加代繁育瓶頸

    沒有陽光、雨水和土壤,能種出糧食來嗎?農業科學家說:“能,而且長得更快!”2021年10月,在國家“十三五”科技創新成就展上,一幢泛著紅紫色柔光的玻璃小屋格外亮眼。這是中國農業科學院都市農業研究所植物工廠創新團隊研制的一座植物工廠。四層栽培架上,一排排水稻青苗齊整整扎在特殊的營養液里,在顆顆彩色LED節能燈的“撫觸”下,正奮力拔節。

    創新團隊以人工光植物工廠為手段,在詳盡分析水稻苗期、分蘗期、拔節期、抽穗期、開花期、灌漿期等各個生育階段生物學特性基礎上,創制出水稻不同生育期環境—營養動態協同調控技術,構建了大幅度縮短水稻生育期的技術途徑,成功實現水稻種植60天左右收獲的重大突破,將傳統大田環境下120天以上的水稻生育周期縮短了一半,大幅提升水稻育種效率。

    創新團隊首席科學家楊其長說,這座植物工廠如同一臺水稻育種加速器,有望實現每年6茬以上的水稻“快速育種”,栽培層數甚至可以達到10層以上。此外,創新團隊正致力于將植物工廠用在小麥加速育種上,目前可實現小麥從秧苗移栽到植物工廠后34天孕穗,39天抽穗,65天成熟收獲,與傳統大田環境下平均180天的生長周期相比縮短了三分之二。楊其長說,未來,依靠植物工廠,可為水稻和其他作物的加代育種和高效栽培提供新的技術路徑。

    組織實施機制改革 為農業科技創新注入新的活力

    10年來,我國農業科技體制機制改革不斷完善,產學研用融合不斷加深,創新激勵政策持續走實,農業科技創新活力和動力得到充分激發。通過實施“揭榜掛帥”、部省聯動、青年科學家項目等新機制,不斷探索農業科技領域新型舉國體制。針對重大技術瓶頸和產品制約,實行“揭榜掛帥”機制,創新不問出身。設置青年科學家項目,鼓勵自由探索,推動青年科技人才脫穎而出。設置科技型中小企業項目,擇優支持中小企業科技創新。在動物育種、林木育種、耕地質量監測等方向,實施長周期支持機制。

    部省聯動新機制著力解決區域農業重大現實難題

    農業具有明顯的區域性特征,協同解決農業生產中的區域性重大現實難題是保障國家糧食安全的必然要求。順應農業產業特點和科研規律,“十四五”農業農村領域國家重點研發計劃探索實施部省聯動組織實施機制?萍疾亢陀嘘P省份聯合論證、聯合投入、聯合推進,中央和地方按1∶1匹配經費,統籌全國科技資源和優勢力量,將區域性重大科技問題上升到國家層面來解決,推動“問題從生產中產生,成到生產中檢驗”,實現了管理聯動、政策聯動、資源聯動。

    2021—2022年,科技部與28個省份聯動實施了“環渤海鹽堿地耕地質量與產能提升技術模式及應用”“長江中下游坡耕地紅黃壤與中低產稻田產能提升技術模式及應用”等55個項目,深受科研一線和地方好評。2021年,科技部與山西省聯動實施了“有機旱作農業耐瘠抗逆節水增效技術模式與應用”項目,支持區域創新力量聯合國家級優勢單位協同開展有機旱作農業關鍵技術攻關,共同把有機旱作農業創新成落實到黃土大地。

    青年科學家項目激勵青年科技人員勇闖“無人區”

    為加大青年科技人才培養力度,科技部在國家重點研發計劃中探索實施青年科學家項目機制,鼓勵青年人員在基因編輯等基礎科學領域自由探索。作為受項目資助的青年科學家之一,中國農業大學農學院小麥研究中心“90后”教授、博士生導師宗媛表示,國家對青年科學家的支持和關注讓自己更有底氣、有勇氣放手去驗證心中的設想,身上的重擔也讓自己面對成時更加清醒。

    提到自己對青年科學家責任的理解,宗媛說:“青年科學家要敢于挑戰‘無人區’的科學問題和技術瓶頸,大膽創新,在美好時代發揮自己的價值,為未來農業發展勾勒出更美好的藍圖。希望我能夠用自己在植物基因組編輯領域的一技之長,推進植物精準設計育種和智能育種的早日實現,為保障我國種業安全、糧食安全貢獻自己的力量!

    展望未來,科技讓農業“更智慧”,農村“更便捷”,一幅農業科技繪就的多彩畫卷徐徐展開:在無人農場的數字大田,早上太陽升起來了,倉庫門自動打開后,無人駕駛農機根據大數據就能分析出農田作物生長和健康狀況,隨后自動判斷和進行相應的耕作、噴灑農藥、除草作業,完成后再自動回到停車場,農民全程可在線上操作,云計算、物聯網、大數據、功能農業、智慧農業……揮動“科技的翅膀”,精耕“希望的田野”。

    原標題:《農業科技現代化成為農業現代化的強勁引擎》

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