農(nóng)業(yè)育種與栽培技術(shù)創(chuàng)新研究綜述

摘 要：農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。從目前情況來看，農(nóng)業(yè)發(fā)展離不開育種技術(shù)和栽培技術(shù)支撐，這是因為高品質(zhì)種子和先進(jìn)的栽培技術(shù)能顯著提高農(nóng)作物產(chǎn)量。筆者以農(nóng)作物和相關(guān)植物為研究對象，著重研究育種和栽培過程中采用的新技術(shù)和方法，涵蓋了基因編輯、基因組學(xué)、遺傳學(xué)分析等現(xiàn)代科技手段及傳統(tǒng)的選擇育種和改良技術(shù)。研究結(jié)果顯示，現(xiàn)代生物技術(shù)和信息技術(shù)的迅速發(fā)展為農(nóng)業(yè)創(chuàng)新帶來新機遇，有助于提高農(nóng)作物產(chǎn)量、抗病性和適應(yīng)性。同時，綜合運用不同技術(shù)手段，可加快對新品種的培育和推廣，對解決全球糧食安全問題和推動農(nóng)業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。筆者通過全面分析農(nóng)業(yè)育種與栽培技術(shù)的創(chuàng)新研究，為相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究和生產(chǎn)實踐提供參考。

關(guān)鍵詞：栽培；育種；農(nóng)業(yè)；創(chuàng)新

中圖分類號：S31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1674-7909（2024）2-97-4

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.02.022

0 引言

盡管我國國土面積遼闊，且農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)較好，但耕地資源不足、人均耕地資源較少等問題依然突出。據(jù)國家統(tǒng)計局公布的數(shù)據(jù)，中國耕地總面積約為1.8億 hm2，人均耕地面積約為0.11 hm2，遠(yuǎn)低于全球平均水平?？茖W(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了強大助力，為了創(chuàng)造更高的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值，必須以現(xiàn)有農(nóng)業(yè)科技和生產(chǎn)條件為基礎(chǔ)，全面創(chuàng)新育種方法和栽培技術(shù)。使用雜交育種與誘變育種技術(shù)培育新品種，同時將科學(xué)的栽培技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可提高農(nóng)作物種植收益。在育種和栽培技術(shù)創(chuàng)新方面，我國在雜交育種和誘變育種等現(xiàn)代育種技術(shù)方面已取得一定成就。由《中國農(nóng)業(yè)科技發(fā)展報告》等相關(guān)研究報告可知，中國在水稻、小麥、玉米等主要農(nóng)作物的雜交育種方面取得顯著進(jìn)展，新品種的推廣應(yīng)用為農(nóng)作物增產(chǎn)做出重要貢獻(xiàn)。

1 農(nóng)作物育種面臨的問題

目前，農(nóng)作物育種主要面臨以下3個方面的問題。

1.1 現(xiàn)代生物技術(shù)加速農(nóng)作物育種競爭

不同農(nóng)作物的育種方法不同，且科技發(fā)展使育種方法的競爭變得更為突出。因此，選擇合適的育種方法已成為獲得豐收及可觀經(jīng)濟收益的關(guān)鍵所在。從目前情況來看，不同農(nóng)作物在育種方面的競爭主要體現(xiàn)在以下4個方面。①育種效率競爭。育種技術(shù)（如基因編輯技術(shù)、基因組測序技術(shù)等）的發(fā)展使得育種效率得到顯著提高，選用合理的育種技術(shù)能更快速、精確地培育出具有特定性狀的新品種，有利于提高特定農(nóng)作物的育種效率。因此，技術(shù)競爭是農(nóng)作物育種需要考慮的競爭因素之一。②新品種競爭。現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展為農(nóng)作物育種提供了更多可能，基因編輯技術(shù)可實現(xiàn)跨物種的基因重組，從而培育出具有優(yōu)良性狀的新品種。這種新品種的競爭使得育種者需要在眾多新品系中篩選出符合市場需求和適合種植條件的品種。③抗病蟲害能力競爭。育種技術(shù)的發(fā)展使得育種工作者相繼培育出具有抗病蟲害能力的新品種。這種新品種競爭需要育種者在提高產(chǎn)量和品質(zhì)的同時，還要考慮如何提高農(nóng)作物的抗病蟲害能力。④市場需求競爭。育種技術(shù)的發(fā)展使得農(nóng)作物育種更加注重市場需求，要求育種者根據(jù)市場需求確定育種目標(biāo)。

1.2 糧食增產(chǎn)方面存在的問題

糧食生產(chǎn)面臨的挑戰(zhàn)是由多個因素相互交織而形成的。城市化進(jìn)程、氣候變化等是糧食生產(chǎn)面臨的主要挑戰(zhàn)，會導(dǎo)致耕地減少，給糧食生產(chǎn)帶來不小壓力。盡管國家相繼出臺一系列政策來增加糧食種植面積，但單位面積產(chǎn)量的增長并不明顯。這意味著雖然有更多土地被用來種植糧食，但仍有可能無法完全滿足日益增長的糧食需求。城市化進(jìn)程加快和人口增長導(dǎo)致對糧食的需求也日益增長，隨之而來的是糧食供需的緊張局勢加劇。隨著城市人口的增加和食品消費習(xí)慣的變化，人們對糧食的需求也在不斷變化，這對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提出更高的要求。因此，創(chuàng)新相關(guān)技術(shù)已成為增加單位面積糧食產(chǎn)量的必然選擇［1］。

1.3 科研資金投入不足

目前，我國政府在農(nóng)業(yè)科研領(lǐng)域投入的資金相對不足，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家水平。我國農(nóng)業(yè)科研經(jīng)費與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值的比例未達(dá)到世界平均水平。育種技術(shù)研發(fā)需要投入大量資金，科研經(jīng)費不足導(dǎo)致育種技術(shù)研發(fā)進(jìn)度緩慢。同時，栽培技術(shù)的推廣應(yīng)用也需要投入大量資金。通常情況下，農(nóng)業(yè)推廣應(yīng)用經(jīng)費應(yīng)占農(nóng)業(yè)總投入的5%～10%。然而，當(dāng)前農(nóng)業(yè)推廣應(yīng)用經(jīng)費不足，已嚴(yán)重制約相關(guān)技術(shù)的推廣進(jìn)度。

2 農(nóng)業(yè)育種技術(shù)創(chuàng)新

2.1 雜交育種技術(shù)

雜交育種技術(shù)主要有以下3種。

2.1.1 增殖雜交育種技術(shù)

增殖雜交育種技術(shù)是將2個不同品種的農(nóng)作物進(jìn)行雜交，從子代個體中篩選出優(yōu)良個體進(jìn)行自群配種，并在后代中篩選出新品種的育種方法。這種方法能有效提高農(nóng)作物產(chǎn)量，使優(yōu)良基因得到更廣泛的傳播。增殖雜交育種技術(shù)的主要步驟如下。①雜交。將2個不同品種的農(nóng)作物進(jìn)行雜交，從而產(chǎn)生子代個體。這些子代個體具有2個不同品種的優(yōu)良基因，使其具有較高的產(chǎn)量和抗病性。②自群配種。從子代個體中篩選出優(yōu)良個體，并進(jìn)行自交，從而產(chǎn)生后代個體。這種方法能有效保留優(yōu)良基因，從而提高后代產(chǎn)量和抗病性。③選擇新品系。選擇新品系時需要綜合考慮產(chǎn)量、抗病性、品質(zhì)等因素。通過選擇優(yōu)良個體進(jìn)行自群繁殖，可提高后代優(yōu)良基因概率，從而提高新品種的產(chǎn)量和抗病性［2］。

2.1.2 回交育種技術(shù)

回交育種技術(shù)是一種將經(jīng)過基因轉(zhuǎn)移的農(nóng)作物與原始農(nóng)作物進(jìn)行交配，從而培育出具有優(yōu)良性狀新品種的方法，是將某個農(nóng)作物的優(yōu)良性狀轉(zhuǎn)移到另一個農(nóng)作物中，從而實現(xiàn)對特定農(nóng)作物品種的優(yōu)良化。等到回交繁育多代后，新品系會逐漸穩(wěn)定表現(xiàn)出優(yōu)良性狀，繼而通過連續(xù)多代的近親繁殖，使新品種的基因型更加純合，從而提高其穩(wěn)定性和一致性，保證新繁育的品種具有穩(wěn)定的有益性狀，并以親本方式將性狀遺傳給子代。例如，利用回交育種技術(shù)成功將水稻的優(yōu)良性狀轉(zhuǎn)移到小麥中，培育出既抗病又高產(chǎn)的小麥新品種。在育種過程中，先將水稻的優(yōu)良性狀轉(zhuǎn)移到小麥中，再通過回交繁育多代后，使新品種表現(xiàn)出的優(yōu)良性狀逐漸穩(wěn)定，并通過連續(xù)多代近親繁殖的方法來提高新品種的純合度，最后通過親本遺傳使優(yōu)良性狀得以傳承。

2.1.3 復(fù)合雜交育種技術(shù)

復(fù)合雜交育種技術(shù)是通過重組農(nóng)作物優(yōu)良性狀來培育具有更多優(yōu)良性狀的新品種。在復(fù)合雜交過程中，先選出具有不同優(yōu)良性狀的親本進(jìn)行雜交，獲得具有多個優(yōu)良性狀的雜交后代，再通過連續(xù)多代的選育和改良，從而篩選出具有穩(wěn)定優(yōu)良性狀的新品種。這種新品種通常具有產(chǎn)量高、品質(zhì)好、抗逆性強等優(yōu)點。例如，河南省某種子管理站將六倍體黑小麥、八倍體黑小麥與普通小麥進(jìn)行雜交，其后代的結(jié)實率分別為22%、18%。通過應(yīng)用復(fù)合雜交育種技術(shù)，成功將黑小麥的優(yōu)良基因插入普通小麥中，培育出抗銹病、顆粒飽滿的新品種，從而顯著提高小麥產(chǎn)量。

2.2 誘變育種技術(shù)

傳統(tǒng)的育種技術(shù)復(fù)雜且周期長，對生長環(huán)境要求較高。因此，對育種技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新就顯得尤為重要。誘變育種作為一種新興的育種技術(shù)，是通過改變農(nóng)作物種子內(nèi)部的DNA結(jié)構(gòu)來改變其性狀的，可實現(xiàn)對優(yōu)良品種的快速篩選。誘變育種方法具有用時短、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點。其中，物理誘變因素包括射線、超聲波等，化學(xué)誘變因素主要是化學(xué)試劑，通過浸漬或注射化學(xué)試劑來完成誘變育種。例如，某個種子管理站利用激光輻射小麥種子，從而促使小麥種子發(fā)生基因突變，讓小麥種子形成抗病性狀，最終獲得抗銹病新品種。

3 農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)創(chuàng)新

3.1 無土栽培技術(shù)

無土栽培技術(shù)包括水培、氣培、基質(zhì)栽培這3種方式。

3.1.1 水培技術(shù)

水培技術(shù)是一種將農(nóng)作物根莖浸泡在營養(yǎng)液中進(jìn)行培育的方法，能使農(nóng)作物吸收到更多養(yǎng)分，從而滿足農(nóng)作物生長需求。水培技術(shù)可提高農(nóng)作物對養(yǎng)分的吸收效率，從而提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)。此外，水培技術(shù)的應(yīng)用還可減少化肥和農(nóng)藥的使用量，從而減少對環(huán)境的污染。目前，水培技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于蔬菜、水果、花卉等農(nóng)作物的栽培中。水培技術(shù)具體應(yīng)用過程如下。①準(zhǔn)備營養(yǎng)液。營養(yǎng)液可為農(nóng)作物生長提供所需的養(yǎng)分和水分。需要根據(jù)農(nóng)作物的種類和生長階段對營養(yǎng)液配方進(jìn)行調(diào)整，從而滿足農(nóng)作物生長對養(yǎng)分和水分的需求。②準(zhǔn)備育苗基質(zhì)。育苗基質(zhì)是農(nóng)作物根莖生長的載體，需要具有良好的保水性和透氣性。常用的育苗基質(zhì)有蛭石、珍珠巖、腐殖土等。③準(zhǔn)備農(nóng)作物種子。選擇優(yōu)良的農(nóng)作物種子是水培技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵，優(yōu)良的農(nóng)作物種子具有較高的發(fā)芽率和生長潛力。④種子處理。種子處理包括浸泡、消毒、催芽等，有利于提高種子的發(fā)芽率和生長潛力。⑤播種。將處理好的種子播種到育苗基質(zhì)中，然后覆蓋薄膜。⑥營養(yǎng)液管理。在農(nóng)作物生長過程中，需要定期更換營養(yǎng)液，從而滿足農(nóng)作物生長對養(yǎng)分和水分的需求。⑦病蟲害防治。采用水培技術(shù)并不能完全避免病蟲害的發(fā)生。因此，需要定期檢查農(nóng)作物生長情況，發(fā)現(xiàn)病蟲害后要及時進(jìn)行處理。⑧收獲。在農(nóng)作物進(jìn)入收獲期后，要及時進(jìn)行收獲，從而保證農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)。

3.1.2 氣培技術(shù)

氣培技術(shù)是一種將農(nóng)作物生長所需的營養(yǎng)液進(jìn)行霧化處理，并噴施到農(nóng)作物根莖部的方法。在農(nóng)作物栽培過程中，可用聚乙烯泡沫板為栽培板，根據(jù)最佳距離對栽培板進(jìn)行打孔，方便噴施營養(yǎng)液。聚乙烯泡沫板具有以下優(yōu)點：質(zhì)地輕，便于搬運和安裝；透氣性良好，有利于農(nóng)作物的根系呼吸；吸水性良好，可有效保持農(nóng)作物根部濕潤。氣培板上的孔洞不僅能讓營養(yǎng)液均勻噴至每一株農(nóng)作物，還能保證農(nóng)作物根部的通氣性，從而防止農(nóng)作物根部出現(xiàn)缺氧的情況。利用氣培技術(shù)可在一定的土地面積上收獲更多農(nóng)產(chǎn)品，從而更好滿足我國人民對食物的需求［3］。

3.1.3 基質(zhì)栽培

基質(zhì)栽培在提供植物生長所需的水分和養(yǎng)分的同時，能最大限度減少土壤污染和病蟲害的發(fā)生［4］。在使用基質(zhì)栽培農(nóng)作物過程中，植物根系不生長在土壤中，而是生長在一種特制的基質(zhì)中。基質(zhì)栽培技術(shù)的關(guān)鍵在于基質(zhì)的選擇和營養(yǎng)液的配制。基質(zhì)是一種具有良好透氣性、保水性和肥力的材料，可為植物生長提供所需的水分和養(yǎng)分。植物根系在基質(zhì)中生長，技術(shù)人員通過引流和規(guī)范灌溉等方式來補充農(nóng)作物生長所需元素。基質(zhì)栽培技術(shù)在提高農(nóng)作物產(chǎn)量、改善農(nóng)作物品質(zhì)、降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本等方面具有顯著優(yōu)勢。

3.2 溫室栽培技術(shù)

溫室栽培技術(shù)是一項現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，對促進(jìn)農(nóng)作物生長具有重要意義。溫室栽培技術(shù)是利用大量保溫、保暖設(shè)備來確保農(nóng)作物在適宜的環(huán)境中生長，從而加快農(nóng)作物發(fā)育過程［5］。采用溫室栽培技術(shù)可為農(nóng)作物生長提供足夠的光照，使農(nóng)作物實現(xiàn)快速增長。在溫室栽培過程中，相關(guān)人員要及時調(diào)整室內(nèi)溫度、濕度和光照，從而加快農(nóng)作物生長速度，以實現(xiàn)增產(chǎn)的目標(biāo)。當(dāng)前，溫室栽培技術(shù)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，尤其是在蔬菜、水果等的栽培中取得顯著成效。隨著科技進(jìn)步和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，溫室栽培將有望實現(xiàn)自動化、智能化管理。

4 促進(jìn)農(nóng)業(yè)育種發(fā)展與提高產(chǎn)量的主要策略

4.1 選擇與培育優(yōu)良品種

使用傳統(tǒng)育種方法和現(xiàn)代基因編輯技術(shù)（如CRISPR-Cas9）來篩選培育出具有抗逆性、抗病性、耐旱性、耐鹽堿性和高產(chǎn)等優(yōu)良性狀的農(nóng)作物品種，對促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。傳統(tǒng)的育種方法是通過選擇具有優(yōu)良性狀的個體進(jìn)行雜交，再從中選育優(yōu)良品系。這種方法雖然有效，但需要耗費大量的時間和資源。相比之下，現(xiàn)代基因編輯技術(shù)（如CRISPR-Cas9）能在基因?qū)用孢M(jìn)行精確編輯和調(diào)控，大大縮短育種周期，提高育種效率。例如，通過基因編輯技術(shù)能將一種植物的抗逆基因?qū)肓硪环N植物中，使其能在干旱、高鹽堿等惡劣環(huán)境中生長；也可將抗病基因?qū)朕r(nóng)作物中，使其具有抗病害能力。這些技術(shù)的應(yīng)用將大大提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

但基因編輯技術(shù)也存在一些倫理和安全問題，如基因編輯可能會引發(fā)基因突變，對生物多樣性造成影響。因此，在使用基因編輯技術(shù)時，要充分考慮其可能帶來的風(fēng)險和影響，并采取相應(yīng)措施進(jìn)行管理和控制。

4.2 雜交育種與多倍體育種

利用雜交技術(shù)將2個品種的優(yōu)良性狀組合在一起，從而創(chuàng)造出新品種。這種技術(shù)能將2個品種的優(yōu)點集中到一個新品種中，從而使其具有更強的適應(yīng)性和更高的產(chǎn)量。例如，將抗病性強和產(chǎn)量高的2個品種進(jìn)行雜交，得到既抗病又高產(chǎn)的新品種。除了雜交育種外，多倍體育種也是現(xiàn)代育種的重要手段。多倍體育種是指通過染色體加倍等方法，獲得生長旺盛、產(chǎn)量高、品質(zhì)優(yōu)良的新品種。新品種的基因組更加豐富，具有更強的生長能力和更好的品質(zhì)。例如，使用秋水仙堿來誘導(dǎo)某些植物形成多倍體，可獲得比原品種更高、更粗壯、產(chǎn)量更高的新品種。

在實際應(yīng)用中，會結(jié)合使用多倍體育種和雜交育種技術(shù)。例如，先通過雜交育種將2個品種的優(yōu)良性狀結(jié)合在一起，再通過多倍體育種來增加其生長能力和產(chǎn)量。雜交育種和多倍體育種是現(xiàn)代育種中的重要技術(shù)手段。采用這些技術(shù)可將不同品種的優(yōu)良性狀組合在一起，從而獲得具有更強適應(yīng)性和更好品質(zhì)的新品種。

4.3 分子標(biāo)記輔助育種

隨著科技不斷發(fā)展，分子標(biāo)記技術(shù)已成為農(nóng)作物育種領(lǐng)域中的一種重要手段。其中，簡單序列重復(fù)（SSR）、單核苷酸多態(tài)性（SNP）等分子標(biāo)記技術(shù)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物基因的定位和標(biāo)記，能快速、準(zhǔn)確地鑒定出優(yōu)良性狀基因，從而大大提高育種效率和準(zhǔn)確性。利用SSR和SNP等分子標(biāo)記技術(shù)對農(nóng)作物基因組進(jìn)行全面掃描，從而快速找出與優(yōu)良性狀相關(guān)的基因，育種者可有針對性地對這些基因進(jìn)行選擇和利用，從而加速育種進(jìn)程。同時，通過分子標(biāo)記技術(shù)對農(nóng)作物遺傳的多樣性進(jìn)行分析，了解不同品種之間的親緣關(guān)系和遺傳背景，為育種工作提供更加科學(xué)的依據(jù)。此外，分子標(biāo)記技術(shù)還可用于堅定農(nóng)作物的抗病性、抗蟲性、抗逆性等，為培育出更加優(yōu)良的品種提供有力支持。

5 結(jié)束語

對我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟而言，育種與栽培技術(shù)的創(chuàng)新會從根本上提高農(nóng)作物產(chǎn)量，從而滿足社會發(fā)展與人口增長對食物的更高需求，為我國經(jīng)濟增長打下堅實基礎(chǔ)。相關(guān)單位應(yīng)加大對農(nóng)業(yè)科技研發(fā)的投入，培養(yǎng)一批致力于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)研發(fā)的專業(yè)人才，從而幫助農(nóng)業(yè)從業(yè)者提高生產(chǎn)效率。

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