当代科技核心领域中的高新农业技术

2011-02-09宫国安赵彩云

种子科技 2011年10期

关键词：作物水稻植物

宫国安，钱朗，赵彩云

（大连市农业科学研究院，辽宁大连 116036）

当代科技核心领域中的高新农业技术

宫国安，钱朗，赵彩云

（大连市农业科学研究院，辽宁大连 116036）

创新是社会进步与发展的源动力，科技发展推动了社会转型、经济转型和思维转型等，近代和当代核心科技的发展衍生对现代农业的支撑作用越来越强，说明农业和各大科技领域之间的相互渗透和相互促进作用。本文就当代八大科技领域中几个领域涉及到农业高新技术做系统阐述,说明了当代科技和未来科技在造就农业高新技术产业升级的地位和作用。

核心领域；生物技术；基因工程；克隆；细胞器；分子标记

以领域划分，将当代科技分为八大领域，分别为信息技术、生物技术、空间技术、新材料、新能源、海洋开发、环境保护、管理科技技术，现就生物技术、空间技术等核心领域中高新农业技术阐述如下：

1 生物技术

生物技术是八大领域的核心技术，也是高新农业技术的核心。1958年DNA被确定为双螺旋结构后，20世纪70年代以DNA重组为核心的生物技术开始发展，现在全球每年有1万项新技术中，其中1/3是生物技术。

我国农业生物技术发展趋势主要体现在以下几方面：生物技术与常规技术的结合越来越紧密；作物分子育种体系正在形成；转基因植物发展十分迅猛，产业化步伐不断加快；农作物杂种优势利用进入新阶段；动物体细胞克隆技术体系已经形成，进入实用阶段；利用动植物生物反应器生产特殊药物和功能性食品；分子诊断技术和基因工程疫苗成为畜禽重大疫病防治的重要手段；生物农药和生物肥料成为产业化的重点；农林生物质能的开发利用方兴未艾。近年来，我国在农业生物技术领域中取得了一些重大突破。利用水稻遗传多样性和分子标记技术选配品种（组合），控制稻瘟病发生，超级杂交水稻在我国大规模种植推广[1]。我国已建立了成熟的水稻、小麦、大豆、棉花的分子标记辅助育种技术平台[2]，在利用分子标记辅助育种方面居于国际领先水平。结合基因组学和转基因技术的发展，我国获得了一系列优质、丰产、抗病、抗虫新品种。转基因棉花、玉米、水稻等在国内优势比较明显；转基因抗病毒小麦已经培育成功；高致病性禽流感等畜禽疫苗陆续研制成功；一些控制重要农艺性状的功能基因已经克隆和研发正有待于运用，这些基因包括增产、营养高效利用、抗病抗虫、抗旱、抗盐、延缓植株衰老、改变植株形态和生育期、提高光合作用效率等[1]。

1.1 基因工程（DNA重组）

定义为把基因片段在体外切割和别的基因序列相拼接而成的新的生命体，其代表行业为转基因农业和生物医学两个领域。遗传学家研究证明，纯遗传增产可达30%～40%，采用杂交育种、倍性育种、诱变育种等基本上还是品种间或亚种间杂交，而生物工程将打破这个界限，实现产量的陡增。利用基因人们可以改良果蔬品种提高品质，更多的转基因植物和动物、食品将问世，可以在新世纪里培育出超级作物。目前，转基因大豆、玉米、棉花、油菜的种植面积分别为6 580万公顷、3 730万公顷、1 550万公顷和590万公顷，分别同种作物占全部面积的70%、24%、46%和20%。我国转基因主要农作物虽未放开生产经营市场，但转基因作物有很多种，数量居世界第四位。

利用细胞工程与分子生物学相结合，实现野生稻优异基因转导栽培稻，是拓宽栽培遗传基础的重要资源库。正常杂交将产生杂交不实、杂交不育和后代难以利用等问题[1]，原生质体融合可以克服非AA染色体组和栽培稻杂交的不亲和性，花药培养可以加速后代的纯化与稳定，分子生物学技术可以跟踪目的基因的导入，打破连锁障碍，促进有利基因重组，提高材料的利用性。再如根瘤菌可以固氮，根据不完全统计，全世界农业土壤里生物固氮量大约9 000万吨，其中3 500万吨为豆科作物固定。利用遗传工程技术，把固氮菌的固氮nif基因运载到禾本作物的体内，使之具有固氮能力，可大大节省能源。科学家指出，这项研究的经费只有上述氮肥工厂投资总额的0.1%～1.0%[3]，

1.2 细胞器工程和克隆技术（clone）

因细胞培养不能实现基因重组，因而属于无性繁殖。如在植物中把一种植物的细胞器移植到另一种植物细胞质中去，也可以改变这种植物的遗传特性。近年来，作物的高光效育种在株型结构育种成效很大，但在生理功能高光效育种方面进展很小。数十年来，有关将C3植物C4化进展曲折。但自从1974年发现C3植物中存在C4途径为不争事实[4]，尽管C4途径在C3植物中的作用机理及在植物光合作用中比例尚不清，C3植物中存在C4途径的发现为通过诱导、基因工程技术提高C3作物中C4途径酶的表达能力是今后作物高光效育种的一个新的突破点[5]。相信在不久的将来，在C3植物中筛选出C4光合酶系统表达能力强的种质，或运用分子生物学手段将C3作物C4化，通过有目的的遗传改造，一定能培育出超高产的高光效品种。

克隆技术就是一种典型的质核杂交，自然界中如番茄等自然克隆繁殖。通过人工诱导DNA克隆，农业上可以培养出大量的抗旱、抗倒伏、抗病虫的优良新品种，大大丰富了遗传学的内涵。

1.3 国际水稻基因组计划

目前，全球水稻种植面积1.5亿公顷，年总产6亿吨以上稻米。目前水稻已建立了较高密度的遗传图[1]，为寻找水稻抗病、抗逆性基因，优选育种、提高产量打下良好的基础，也为研究水稻功能基因组学即功能染色体DNA芯片的绘制、功能基因的鉴定、基因组水平上基因注释相关软件开发及平台建立起重要基础作用。

科学家们发现，玉米、小麦、高粱等大宗农作物生物学功能基因在水稻染色体上全能找到，即绘制了水稻DNA芯片并澄清功能基因，那么玉米、小麦等作物基因序列迎刃而解。这种禾本科植物在基因排序上存在同线性关系，使其成为谷类作物中重要的研究发育生物学、分子生物学及基因组学的单子叶模式植物，届时粮食作物可以在基因层次上调控，对于提高粮食产量和品质、预防病虫害起到事半功倍之效。

2 空间技术

是指探索、开发和利用空间的技术，始于上世纪50年代。空间技术的开发利用至今，人类对宇宙空间认识逐步深化，空间生命科学研究得到快速发展，航天诱变育种已成为生命科学研究中的重要组成部分，取得了令人瞩目的成就。这是常规育种技术、空间技术、生物技术三位一体的新的育种技术，和常规育种技术相比，具有不同作物、不同品种变异频率高、变异幅度大、变异范围广、育种周期短、突破几率高等优势与特点[6]。育种技术的创新带来丰厚的品种创新回报，20年来我国参与诱变作物达几十种，共计九大类393个品系，育出有特点特性的新品种500余份，通过国家或省级鉴定的新品种达70多个，其中太空稻品种增产达20%，小麦达15%左右。明显提高了农作物产量，改善了农产品质量，优化了农作物抗性，并为航天育种的产业化发展奠定了坚实基础。国外主要航天大国利用返回式卫星和太空站开展该项工作早于我国，据资料介绍已培育出100多个农作物新品种[6]。

仿照空间部分等离子体环境而制成的等离子体种子处理机，让种子接受不同能量的光辐射、电磁辐射、带电粒子轰击，这种综合作用低强度、微剂量、短时间，从而激活了种子生命力，加速酶的转化，增加可溶性糖和可溶性蛋白[7]，促进基因的表达，使其当代增产[8,9]。经个别部门试验得出每公顷作物增产200～300千克。如经过本课题试验，可使玉米增产3.2%左右，抗病性提高23.8%；另有报道，蔬菜作物增产可达10%～30%不等。

离子注入技术是近年来应用于作物育种的一种新尝试性实验技术。经离子注入的玉米亲本种子经本课题连续几年分离，已呈现出在育性、品质、产量、株高、生育期等质量性状和数量性状的连续变异（负向变异居多），表现出和Co60r近似但途径原理不一样的衍生技术，可作为常规育种的辅助手段，以提高筛选、诱导的多用途性质[10]。

通过通讯卫星产生的农业遥测遥感技术在世界各地得到广泛应用。如作物估产，我国利用遥感技术精确度可达90%；日本、德国等国普遍采用航空黑白红外和彩色红外技术及热红外扫描等方法早期辨别小麦、马铃薯和水稻等病虫害，已是空间技术应用于农业信息的预报预防的成熟技术。

3 信息技术

定义为接受、传递、处理信息的技术。它是一种工具，在八大领域中起战略作用。信息技术在农业上也起到重要工具作用，重大科研项目如计算机平台搭建、生物统计、数据处理等，从科研到生产管理上可做到由高成本转向低成本，由低效率转向高效率，由成本边际递增转向成本边际递减。如美国、欧盟等的智能机器人，在犁地时可同时测出土壤的种类和养分含量，同时制定出最佳方案；西班牙早已研制出能判断水果是否成熟并决定是否采摘的摘水果机器人；英国早已研究出依靠一台摄像机如图象分析软件能确定哪个蘑菇该摘，属哪个等级，每分钟可摘数十个，速度是人工的2倍。总之，信息技术是现代农业向后农业时代发展智能化支撑的重要工具。

4 海洋微生物

海洋微生物有两大特点，一是多样性是研究开发的基础；二是生境复杂的微生物能耐受海洋特有的高盐、高压、低氧、低光照等极端条件，生活环境的特异性导致海洋微生物在物种基因组成和生态功能上具有多样性。海洋微生物抗病、抗肿瘤活性物质的筛选和一些耐压、耐盐碱、耐低光照等极端条件微生物的开发，将通过基因工程方法[11]，使现有农作物耐盐碱（开发盐碱地），耐低温等，促进早熟、丰产，可提高复种指数，将具有不可限量的开发价值。

诸上所述，八大领域中核心领域的突出发展，带给农业的将是高新技术开发和应用，届时传统农业将被打破，一个能满足人类需求的可持续发展农业（各行业）就此诞生。

[1]郭龙彪,程式华,钱前.水稻基因组测序和分析的研究进展[J].中国水稻科学,2004,(6).

[2]杨宇，陈瑞阳.水稻基因组测序的研究进展[J].遗传，2001,（6）.

[3]刘世强.《实用遗传学》[M].辽宁科技出版社,1985.

[4]李卫华,郝乃斌,戈巧英,等.C3植物中C4途径的研究进展[J].植物学通报,1999,(2).

[5]侯爱菊,徐德昌.植物高光效基因工程育种[J].中国生物工程杂志,2005,(9）.

[6]李培夫.航天诱变育种技术在作物育种上的应用[j].种子科技,2006,24(1):35～36.

[7]王世恒，祝水金，张雅，等.航天搭载茄子种子对其SPI生物学特性和SOD活性的影响[J].核农学报，2004,15（4）：307～310.

[8]武志海,迟丽华，边少峰，等.等离子体处理对玉米幼苗抗逆性的影响[J].玉米科学，2007,15(5):111～113.

[9]李学慧，曹阳，胡铁军，等.等离子体电磁处理大豆种子生物效应研究[J].稀有金属，2003,27（5）：655～656.

[10]焦浈，秦广雍，曹刚强，等.离子注入在生命科学中的应用研究[J].核农学报，2003,17（5）：354～357.

[11]焦芳婵,毛雪,李润植.植物抗逆性的基因工程改良[J].世界农业，2001，（5）：38～39.