當代科技核心領(lǐng)域中的高新農(nóng)業(yè)技術(shù)

宮國安，錢 朗，趙彩云

（大連市農(nóng)業(yè)科學研究院，遼寧 大連 116036）

當代科技核心領(lǐng)域中的高新農(nóng)業(yè)技術(shù)

宮國安，錢 朗，趙彩云

（大連市農(nóng)業(yè)科學研究院，遼寧 大連 116036）

創(chuàng)新是社會進步與發(fā)展的源動力，科技發(fā)展推動了社會轉(zhuǎn)型、經(jīng)濟轉(zhuǎn)型和思維轉(zhuǎn)型等，近代和當代核心科技的發(fā)展衍生對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的支撐作用越來越強，說明農(nóng)業(yè)和各大科技領(lǐng)域之間的相互滲透和相互促進作用。本文就當代八大科技領(lǐng)域中幾個領(lǐng)域涉及到農(nóng)業(yè)高新技術(shù)做系統(tǒng)闡述,說明了當代科技和未來科技在造就農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)升級的地位和作用。

核心領(lǐng)域；生物技術(shù)；基因工程；克隆；細胞器；分子標記

以領(lǐng)域劃分，將當代科技分為八大領(lǐng)域，分別為信息技術(shù)、生物技術(shù)、空間技術(shù)、新材料、新能源、海洋開發(fā)、環(huán)境保護、管理科技技術(shù)，現(xiàn)就生物技術(shù)、空間技術(shù)等核心領(lǐng)域中高新農(nóng)業(yè)技術(shù)闡述如下：

1 生物技術(shù)

生物技術(shù)是八大領(lǐng)域的核心技術(shù)，也是高新農(nóng)業(yè)技術(shù)的核心。1958年DNA被確定為雙螺旋結(jié)構(gòu)后，20世紀70年代以DNA重組為核心的生物技術(shù)開始發(fā)展，現(xiàn)在全球每年有1萬項新技術(shù)中，其中1/3是生物技術(shù)。

我國農(nóng)業(yè)生物技術(shù)發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾方面：生物技術(shù)與常規(guī)技術(shù)的結(jié)合越來越緊密；作物分子育種體系正在形成；轉(zhuǎn)基因植物發(fā)展十分迅猛，產(chǎn)業(yè)化步伐不斷加快；農(nóng)作物雜種優(yōu)勢利用進入新階段；動物體細胞克隆技術(shù)體系已經(jīng)形成，進入實用階段；利用動植物生物反應(yīng)器生產(chǎn)特殊藥物和功能性食品；分子診斷技術(shù)和基因工程疫苗成為畜禽重大疫病防治的重要手段；生物農(nóng)藥和生物肥料成為產(chǎn)業(yè)化的重點；農(nóng)林生物質(zhì)能的開發(fā)利用方興未艾。近年來，我國在農(nóng)業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域中取得了一些重大突破。利用水稻遺傳多樣性和分子標記技術(shù)選配品種（組合），控制稻瘟病發(fā)生，超級雜交水稻在我國大規(guī)模種植推廣[1]。我國已建立了成熟的水稻、小麥、大豆、棉花的分子標記輔助育種技術(shù)平臺[2]，在利用分子標記輔助育種方面居于國際領(lǐng)先水平。結(jié)合基因組學和轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展，我國獲得了一系列優(yōu)質(zhì)、豐產(chǎn)、抗病、抗蟲新品種。轉(zhuǎn)基因棉花、玉米、水稻 等在國內(nèi)優(yōu)勢比較明顯；轉(zhuǎn)基因抗病毒小麥已經(jīng)培育成功；高致病性禽流感等畜禽疫苗陸續(xù)研制成功；一些控制重要農(nóng)藝性狀的功能基因已經(jīng)克隆和研發(fā)正有待于運用，這些基因包括增產(chǎn)、營養(yǎng)高效利用、抗病抗蟲、抗旱、抗鹽、延緩植株衰老、改變植株形態(tài)和生育期、提高光合作用效率等[1]。

1.1 基因工程（DNA重組）

定義為把基因片段在體外切割和別的基因序列相拼接而成的新的生命體，其代表行業(yè)為轉(zhuǎn)基因農(nóng)業(yè)和生物醫(yī)學兩個領(lǐng)域。 遺傳學家研究證明，純遺傳增產(chǎn)可達30%～40%，采用雜交育種、倍性育種、誘變育種等基本上還是品種間或亞種間雜交，而生物工程將打破這個界限，實現(xiàn)產(chǎn)量的陡增。利用基因人們可以改良果蔬品種提高品質(zhì)，更多的轉(zhuǎn)基因植物和動物、食品將問世，可以在新世紀里培育出超級作物。目前，轉(zhuǎn)基因大豆、玉米、棉花、油菜的種植面積分別為6 580萬公頃、3 730萬公頃、1 550萬公頃和590萬公頃，分別同種作物占全部面積的70%、24%、46%和20%。我國轉(zhuǎn)基因主要農(nóng)作物雖未放開生產(chǎn)經(jīng)營市場，但轉(zhuǎn)基因作物有很多種，數(shù)量居世界第四位。

利用細胞工程與分子生物學相結(jié)合，實現(xiàn)野生稻優(yōu)異基因轉(zhuǎn)導(dǎo)栽培稻，是拓寬栽培遺傳基礎(chǔ)的重要資源庫。正常雜交將產(chǎn)生雜交不實、雜交不育和后代難以利用等問題[1]，原生質(zhì)體融合可以克服非AA染色體組和栽培稻雜交的不親和性，花藥培養(yǎng)可以加速后代的純化與穩(wěn)定，分子生物學技術(shù)可以跟蹤目的基因的導(dǎo)入，打破連鎖障礙，促進有利基因重組，提高材料的利用性。再如根瘤菌可以固氮，根據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界農(nóng)業(yè)土壤里生物固氮量大約9 000萬噸，其中3 500萬噸為豆科作物固定。利用遺傳工程技術(shù)，把固氮菌的固氮nif基因運載到禾本作物的體內(nèi)，使之具有固氮能力，可大大節(jié)省能源?？茖W家指出，這項研究的經(jīng)費只有上述氮肥工廠投資總額的0.1%～1.0%[3]，

1.2 細胞器工程和克隆技術(shù)（clone）

因細胞培養(yǎng)不能實現(xiàn)基因重組，因而屬于無性繁殖。如在植物中把一種植物的細胞器移植到另一種植物細胞質(zhì)中去，也可以改變這種植物的遺傳特性。近年來，作物的高光效育種在株型結(jié)構(gòu)育種成效很大，但在生理功能高光效育種方面進展很小。數(shù)十年來，有關(guān)將C3植物C4化進展曲折。但自從1974年發(fā)現(xiàn)C3植物中存在C4途徑為不爭事實[4]，盡管C4途徑在C3植物中的作用機理及在植物光合作用中比例尚不清，C3植物中存在C4途徑的發(fā)現(xiàn)為通過誘導(dǎo)、基因工程技術(shù)提高C3作物中C4途徑酶的表達能力是今后作物高光效育種的一個新的突破點[5]。相信在不久的將來，在C3植物中篩選出C4光合酶系統(tǒng)表達能力強的種質(zhì)，或運用分子生物學手段將C3作物C4化，通過有目的的遺傳改造，一定能培育出超高產(chǎn)的高光效品種。

克隆技術(shù)就是一種典型的質(zhì)核雜交，自然界中如番茄等自然克隆繁殖。通過人工誘導(dǎo)DNA克隆，農(nóng)業(yè)上可以培養(yǎng)出大量的抗旱、抗倒伏、抗病蟲的優(yōu)良新品種，大大豐富了遺傳學的內(nèi)涵。

1.3 國際水稻基因組計劃

目前，全球水稻種植面積1.5億公頃，年總產(chǎn)6億噸以上稻米。目前水稻已建立了較高密度的遺傳圖[1]，為尋找水稻抗病、抗逆性基因，優(yōu)選育種、提高產(chǎn)量打下良好的基礎(chǔ)，也為研究水稻功能基因組學即功能染色體DNA芯片的繪制、功能基因的鑒定、基因組水平上基因注釋相關(guān)軟件開發(fā)及平臺建立起重要基礎(chǔ)作用。

科學家們發(fā)現(xiàn)，玉米、小麥、高粱等大宗農(nóng)作物生物學功能基因在水稻染色體上全能找到，即繪制了水稻DNA芯片并澄清功能基因，那么玉米、小麥等作物基因序列迎刃而解。這種禾本科植物在基因排序上存在同線性關(guān)系，使其成為谷類作物中重要的研究發(fā)育生物學、分子生物學及基因組學的單子葉模式植物，屆時糧食作物可以在基因?qū)哟紊险{(diào)控，對于提高糧食產(chǎn)量和品質(zhì)、預(yù)防病蟲害起到事半功倍之效。

2 空間技術(shù)

是指探索、開發(fā)和利用空間的技術(shù)，始于上世紀50年代。空間技術(shù)的開發(fā)利用至今，人類對宇宙空間認識逐步深化，空間生命科學研究得到快速發(fā)展，航天誘變育種已成為生命科學研究中的重要組成部分，取得了令人矚目的成就。這是常規(guī)育種技術(shù)、空間技術(shù)、生物技術(shù)三位一體的新的育種技術(shù)，和常規(guī)育種技術(shù)相比，具有不同作物、不同品種變異頻率高、變異幅度大、變異范圍廣、育種周期短、突破幾率高等優(yōu)勢與特點[6]。育種技術(shù)的創(chuàng)新帶來豐厚的品種創(chuàng)新回報，20年來我國參與誘變作物達幾十種，共計九大類393個品系，育出有特點特性的新品種500余份，通過國家或省級鑒定的新品種達70多個，其中太空稻品種增產(chǎn)達20%，小麥達15%左右。明顯提高了農(nóng)作物產(chǎn)量，改善了農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化了農(nóng)作物抗性，并為航天育種的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。國外主要航天大國利用返回式衛(wèi)星和太空站開展該項工作早于我國，據(jù)資料介紹已培育出100多個農(nóng)作物新品種[6]。

仿照空間部分等離子體環(huán)境而制成的等離子體種子處理機，讓種子接受不同能量的光輻射、電磁輻射、帶電粒子轟擊，這種綜合作用低強度、微劑量、短時間，從而激活了種子生命力，加速酶的轉(zhuǎn)化，增加可溶性糖和可溶性蛋白[7]，促進基因的表達，使其當代增產(chǎn)[8,9]。經(jīng)個別部門試驗得出每公頃作物增產(chǎn)200～300千克。如經(jīng)過本課題試驗，可使玉米增產(chǎn)3.2%左右，抗病性提高23.8%；另有報道，蔬菜作物增產(chǎn)可達10%～30%不等。

離子注入技術(shù)是近年來應(yīng)用于作物育種的一種新嘗試性實驗技術(shù)。經(jīng)離子注入的玉米親本種子經(jīng)本課題連續(xù)幾年分離，已呈現(xiàn)出在育性、品質(zhì)、產(chǎn)量、株高、生育期等質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀的連續(xù)變異 （負向變異居多），表現(xiàn)出和Co60r近似但途徑原理不一樣的衍生技術(shù)，可作為常規(guī)育種的輔助手段，以提高篩選、誘導(dǎo)的多用途性質(zhì)[10]。

通過通訊衛(wèi)星產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)遙測遙感技術(shù)在世界各地得到廣泛應(yīng)用。如作物估產(chǎn)，我國利用遙感技術(shù)精確度可達90%；日本、德國等國普遍采用航空黑白紅外和彩色紅外技術(shù)及熱紅外掃描等方法早期辨別小麥、馬鈴薯和水稻等病蟲害，已是空間技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)信息的預(yù)報預(yù)防的成熟技術(shù)。

3 信息技術(shù)

定義為接受、傳遞、處理信息的技術(shù)。它是一種工具，在八大領(lǐng)域中起戰(zhàn)略作用。信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)上也起到重要工具作用，重大科研項目如計算機平臺搭建、生物統(tǒng)計、數(shù)據(jù)處理等，從科研到生產(chǎn)管理上可做到由高成本轉(zhuǎn)向低成本，由低效率轉(zhuǎn)向高效率，由成本邊際遞增轉(zhuǎn)向成本邊際遞減。如美國、歐盟等的智能機器人，在犁地時可同時測出土壤的種類和養(yǎng)分含量，同時制定出最佳方案；西班牙早已研制出能判斷水果是否成熟并決定是否采摘的摘水果機器人；英國早已研究出依靠一臺攝像機如圖象分析軟件能確定哪個蘑菇該摘，屬哪個等級，每分鐘可摘數(shù)十個，速度是人工的2倍。總之，信息技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向后農(nóng)業(yè)時代發(fā)展智能化支撐的重要工具。

4 海洋微生物

海洋微生物有兩大特點，一是多樣性是研究開發(fā)的基礎(chǔ)；二是生境復(fù)雜的微生物能耐受海洋特有的高鹽、高壓、低氧、低光照等極端條件，生活環(huán)境的特異性導(dǎo)致海洋微生物在物種基因組成和生態(tài)功能上具有多樣性。海洋微生物抗病、抗腫瘤活性物質(zhì)的篩選和一些耐壓、耐鹽堿、耐低光照等極端條件微生物的開發(fā)，將通過基因工程方法[11]，使現(xiàn)有農(nóng)作物耐鹽堿（開發(fā)鹽堿地），耐低溫等，促進早熟、豐產(chǎn)，可提高復(fù)種指數(shù)，將具有不可限量的開發(fā)價值。

諸上所述，八大領(lǐng)域中核心領(lǐng)域的突出發(fā)展，帶給農(nóng)業(yè)的將是高新技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用，屆時傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)將被打破，一個能滿足人類需求的可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè) （各行業(yè)）就此誕生。

[1]郭龍彪,程式華,錢前.水稻基因組測序和分析的研究進展[J].中國水稻科學,2004,(6).

[2]楊宇，陳瑞陽.水稻基因組測序的研究進展[J].遺傳，2001,（6）.

[3]劉世強.《實用遺傳學》[M].遼寧科技出版社,1985.

[4]李衛(wèi)華,郝乃斌,戈巧英,等.C3植物中C4途徑的研究進展[J].植物學通報,1999,(2).

[5]侯愛菊,徐德昌.植物高光效基因工程育種[J].中國生物工程雜志,2005,(9）.

[6]李培夫.航天誘變育種技術(shù)在作物育種上的應(yīng)用[j].種子科技,2006,24(1):35～36.

[7]王世恒，祝水金，張雅，等.航天搭載茄子種子對其SPI生物學特性和SOD活性的影響[J].核農(nóng)學報，2004,15（4）：307～310.

[8]武志海,遲麗華，邊少峰，等.等離子體處理對玉米幼苗抗逆性的影響[J].玉米科學，2007,15(5):111～113.

[9]李學慧，曹陽，胡鐵軍，等.等離子體電磁處理大豆種子生物效應(yīng)研究[J].稀有金屬，2003,27（5）：655～656.

[10]焦湞，秦廣雍，曹剛強，等.離子注入在生命科學中的應(yīng)用研究[J].核農(nóng)學報，2003,17（5）：354～357.

[11]焦芳嬋,毛雪,李潤植.植物抗逆性的基因工程改良[J].世界農(nóng)業(yè)，2001，（5）：38～39.

1005-2690（2011）10-0021-03

S-3

A

宮國安（1965—），男，副研究員，從事玉米遺傳育種工作。 E-mail：gongguoan1965@163.com。

2011-08-25