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              2014-2015基礎農學學科發展研究綜合報告

              時間:2016年04月18日  來源:學術交流處  點擊量:      【 】  

                基礎農學是農業科技進步和創新的原動力,是保障糧食安全、農產品有效供給和農業可持續發展的科學基礎。2012年中央“一號”文件指出要“把農業科技擺在更加突出位置”,進一步明確了農業科技發展的戰略定位,指出“農業科技的創新重點包括穩定支持基礎性、前沿性、公益性科技研究”,包括“大力加強農業基礎研究,突破一批重大理論和方法”“加快推進前沿技術研究,搶占現代農業科技制高點”,為基礎農學研究驅動創新發展指明了方向。

                一、基本情況

                在中國科協長期支持下,在中國農學會主持下,從2006-2015年由院士,專家牽頭,組織農業科研機構、高等院校頂級專家、教授,開展了基礎農學學科發展研究。從各年度選擇基礎農學一、二級學科分支領域,深入開展基礎農學學科現狀、進展、特點、發展趨勢和展望的研究。

                “2006-2007年”基礎農學學科發展研究,首席科學家盧良恕,主持人信乃詮、許世衛、孫好勒。選擇了農業植物學、植物營養學、昆蟲病理學、農業微生物學、農業分子生物學與生物技術、農業數學、農業生物物理學、農業氣象學、農業生態學、農業信息科學等10大分支領域開展專題研究。

                “2008-2009年”基礎農學學科發展研究,首席科學家戴景瑞、信乃詮,主持人陳阜、鄒瑞蒼、劉旭,選擇了作物種質資源學、作物遺傳學、作物生物信息學、作物生理學、作物生態學、農業資源學、農業環境學等7大分支領域開展專題研究。

                “2010-2011年”基礎農學學科發展研究,首席科學家劉旭、信乃詮,主持人許世衛、鄒瑞蒼、王全輝,選擇了農業生物技術、植物營養學、灌溉排水技術、耕作學與農作制度、農業環境學、農業信息學、農產品貯藏與加工技術、農產品質量安全技術、農業資源與區劃學等9大分支領域開展專題研究。

                “2012-2013年”基礎農學學科發展研究,首席科學家劉旭、吳孔明、喻樹迅、信乃詮,主持人許世衛、鄒瑞蒼,根據基礎農學學科及其分支領域的進展實際以及未來發展的引領作用,確定了作物遺傳育種、植物營養學、作物栽培、耕作學與農作制度、農業土壤學、農產品貯藏與加工技術、植物病蟲害、農產品質量安全技術、農業資源與區劃學、農業信息學、農業環境學、灌溉排水技術等12個分支領域進行專題研究,覆蓋面最廣,強化了研究廣度的拓展和研究深度的挖掘。

                “2014-2015年”基礎農學學科發展研究,首席科學家劉旭,主持人許世衛、鄒瑞蒼,確定了農業信息技術、農業信息分析、農業信息管理、動物生物技術、植物生物技術、微生物生物技術等分支領域進行專題研究。

                持續立項,深入開展基礎農學學科發展研究,表明了它在我國農業科技中具有基礎性、前瞻性、戰略性的重要作用,同時,也表明了基礎農學學科的內涵豐富、領域寬廣與博大精深,需要我們不斷地去研究、開拓、創新。

                二、重要研究進展

                2014-2015年,涵蓋基礎農學學科一、二級16分支領域研究均取得了重要進展,其中農業信息技術、農業信息分析、農業信息管理、動物生物技術、植物生物技術、微生物生物技術、作物遺傳育種、農業環境與氣候變化、農業資源與區劃、作物昆蟲病理、作物栽培、耕作學與農作制度等是較為活躍、進展快、創新力度大的研究領域[1]。

                (一)農業信息技術

                信息技術是對社會各個層面影響最大、滲透力最強的高新技術。現代信息技術的發展使人類社會開始步入信息化時代,給人類社會和經濟發展帶來了廣泛而深遠的影響。隨著現代農業科學理論與信息技術的快速發展和逐步應用,信息技術與農業科學的交叉滲透催生了農業信息技術這一新興學科領域。概括來說,農業信息技術是指利用信息技術對農業生產、經營管理、戰略決策過程中的自然、經濟和社會信息進行采集、存儲、傳遞、處理和分析,為農業研究者、生產者、經營者和管理者提供信息查詢、技術咨詢、輔助決策和自動調控等多項服務的技術的總稱。

                1. 研究進展

                隨著現代信息技術的發展和滲透,特別是近年來物聯網、云計算和大數據等學科理論和技術的突破與熟化,農業信息學學科理論和方法體系的發展也呈現出裝備化、集成化、協同化的特征,信息技術在農業生產、經營、管理決策過程中發揮出越來越顯著的作用,新型的信息產品和工具不斷涌現,為我國農業的發展與轉變提供了重要手段。

                (1)農業信息技術發展呈現出智能化、集成化特征

                現階段,農業信息技術方法正在向成熟,農業信息技術的研究更加面向實際農業科學問題的解決,并越來越注重研究深度和實用性的結合。隨著農業物聯網技術的發展,農用無線傳感器及無線傳感器網絡技術、RFID 電子標簽技術在農業領域得到了廣泛應用,為農業數據和信息的獲取提供了強有力的手段;而云計算技術的發展,使分布式計算、分布式數據融合、并行計算成為可能,為農業數據和信息的融合、關聯提供了技術支撐;而大數據技術則進一步將已有技術進行集成,并提供了更加強大的數據抽取、轉換、裝載,數據分析和數據可視化技術,為農業數據和信息的集成、處理和表達提供了方法和工具。因此,在理論、方法和工具方面,農業數據和信息獲取、集成、處理、分析和展現的理論、技術和方法日趨成熟,為智能化的農業數據處理、決策奠定了基礎,并具備了適用性農業智能裝備研發與生產的條件。

                (2)現代農業信息技術體系日益完善

                農業物聯網技術與裝備。在農業資源管理物聯網建設方面,隨著農業的精細化,農業物聯網在農業資源監測調度方面的應用將逐步普及;在農業生態環境監測物聯網方面,隨著納米技術、光電技術、電化學技術的發展,農業生態環境監測物聯網可以感知到更多、更為精細的環境參數;在農產品與食品質量安全管理與溯源方面,農業物聯網的應用主要集中在農產品包裝標識及農產品物流配送等。

                精細作業和智能裝備技術。精細作業技術與智能裝備是指將現代電子信息技術、作物栽培管理決策支持技術和農業工程裝備技術等集成組裝起來,用于精細農業生產經營。現階段該領域的研究集中在精細作業技術與智能裝備、農田空間信息快速采集技術、精細作業導航與控制技術、國內決策模型與處方生成技術和現代農業生產技術裝備及配套生產管理技術等方面。

                先進農業傳感器技術。根據檢測對象的不同,可以將先進農業傳感器技術劃分為兩大類—生命信息傳感器技術和環境信息傳感器技術。現有的生物、環境信息檢測技術,大都基于檢測對象的靜態屬性,不能用于實時、動態、連續的信息感知傳感與監測,不能適用于現在農業信息技術的實時動態無線傳輸和后續綜合應用系統平臺的開發。

                農業智能機器人。現階段,對農業機器人的研究主要集中在機器人規劃導航技術領域,其包括兩大部分的內容,一部分是農業機器人地面移動平臺的導航與控制技術;另一部分是農業機器人作業機構的動作規劃技術。

                農業大數據與信息服務。農業大數據是近幾年興起一項現代農業信息技術,它包括數據的積累、數據的處理與應用三個方面。有關農業大數據信息服務技術研究主要集中在農業遙感技術、農業專用軟件系統、農村綜合服務平臺和農業移動服務信息終端等方面。

                農村遠程教育。我國的遠程教育技術已經開始進入以網絡為基礎的新階段。在高等教育方面,教育部已經批準45所重點高校開辦網絡遠程教育;在基礎教育方面,近年來各地自發地涌現出一大批中小學教育網校;在成人教育方面,各地原有的遠程教育系統正在向網絡轉移,形成多種媒體共存的新格局。

                2. 重大成果

                作物豐產信息技術應用。近幾年來,我國在玉米高產高效生產理論及技術體系研究、水稻高產共性生育模式與形態生理精確定量指標及其使用診斷方法、作物病蟲害防治與預警技術、濱海鹽堿地棉花豐產栽培技術體系以及作物生長無損監測與定量診斷技術體系取得了豐碩成果,部分技術基本達到國際先進。

                農業生產智能裝備。我國在農業生產智能裝備的研究緊跟國際步伐,取得了可喜的成績,在主要作物水肥一體化高效利用技術體系及田間標準化生產管理模式、機械化旱地移栽技術、農機作業智能指揮調度、花生收獲機械化關鍵技術與裝備、田間自動導航等方面均取得了重大的突破。

                遙感監測。近幾年來,監測預警研究取得了具有較高顯示度的標志性成果,在資源的監測與調度、生態環境的監測與管理、農產品質量安全溯源等方面都取得了原創性的研究成果。同時,運用生態學理論,結合GIS、遙感技術,以入侵植物生態、生理、分布特點為基礎建立的監測預警模型,也是當前外來入侵植物監測預警工作中重要的研究方法之一。

                農業物聯網。近年來,農業物聯網領域的研究非常活躍,我國也在傳感器網絡系統、RFID系統、有線無線通信系統、分析決策與控制系統等領域取得了關鍵的技術進步,達到了國際先進水平。2010年8月,中國農業物聯網研發中心成立,該中心大力推進農業物聯網關鍵技術攻關,在農業領域的一些重要環節初步實現物聯網應用進入國際先進行列,顯著提升我國農業信息化水平。

                農業信息服務技術。農業信息服務是農業信息學最早的應用領域,也一直是農業信息學理論、方法和技術創新的熱點領域。金農網是中國領先的農業門戶網站,提供農業信息、電子商務、廣告宣傳等服務,已經成為最大的中國農業信息網絡平臺之一。目前已經在全國334個市,2800個縣區,34675個鄉鎮建立了分站,為61萬多個村建立了網頁,實現全部覆蓋,在鄉鎮分站上可以查到55萬個村子的聯系電話。

                (二)農業信息分析

                信息分析工作逐漸應用到農業生產與管理活動之中,并在理論方法研究、關鍵技術創新和設備系統研發等方面取得重要進展,從而催生出以農業信息流運動規律為研究對象的農業信息分析學(agricultural information analytics)。農業信息分析學是信息分析在農業生產、市場流通、農產品消費和農業經營管理等領域實踐活動的科學歸納和抽象總結。我們將農業信息分析學定義為:以農業信息流為研究對象,以農業、信息、經濟、管理等學科為基礎,以信息技術為手段,通過分析農產品生產、流通和消費等環節信息流,揭示農業產業鏈中各類信息變化規律的新型交叉學科。

                1. 研究進展

                經過多年的積累和發展,農業信息分析工作在基礎數據、分析對象、應用系統、實施效果等方面均取得了重要的研究進展。

                (1)數據獲取方面

                基礎數據的獲取是農業信息分析工作的基礎與前提。隨著農業信息分析研究工作的推進,我國農業信息數據獲取已經實現了由“傳統靜態”到“智能動態”的轉變,自動獲取、智能搜索等方法已經在當前的數據采集活動中廣泛應用,對監測對象實現了智能化監控,逐漸形成了一批較有影響力的農業信息數據庫,為我國農業信息分析提供了有力的支撐。

                目前,衛星遙感、物聯網、云計算、無線傳感、人工智能、Web挖掘、大數據等現代信息技術廣泛應用于農業生產、農產品市場、農產品消費、突發事件等相關領域的數據采集、傳輸、處理與監控中,使獲取數據的時效性、動態性、準確性、針對性明顯增強。

                農業信息分析的數據信息逐步積累,一批較有影響力的農業信息數據庫逐漸建成。國家農業科學數據共享中心包括了作物、動物、區劃、漁業、草地等七個數據分中心,集成了作物科學、動物科學與動物醫學、農業區劃數據、漁業與水產科學、熱作科學、農業資源與環境科學、農業微生物科學等12個領域的500個農業科學數據庫,每個數據庫都擁有10萬條以上信息。

                (2)分析對象方面

                分析對象逐漸細化,分品種分析成為重點。近幾年來,許多農業科研工作者和專門的農業信息分析工作者開展了大量的農業與農產品分析研究,從已發表的文章看,2000-2004年期間我國有關農產品分析預測的文章不足100篇,2005-2010年期間接近800篇,近4年有關農產品分析性的文章更是成倍增長,其中1/10左右的文章運用模型進行分析預測。我國農業信息分析發生了明顯變化,小麥、棉花、豬肉、牛奶等具體分品種預警的文獻增多,月度分析預測的文獻趨多。分析產品不僅涉及到糧、棉、油等大宗農產品,而且還涉及到諸如木薯、葡萄等以前極少關注的品種。

                分析對象逐漸擴容,小宗農產品成為農產品監測預警的新對象。農業部分品種監測預警工作,常規監測由起步時期2002年的8大類30個品種擴大到2010的18大類100多個品種,并分別按月度、季度、年度定期發布分品種監測報告。

                (3)應用系統方面

                涉農信息分析系統開發明顯加快,由點到面覆蓋領域明顯拓寬。據不完全統計,目前全國與農業相關的主要監測和預警系統共有84個。近10年來,農業部堅持開展農產品監測預警工作,建立了“農業部農產品監測預警系統”,該系統收集了18大類產品(糧、棉、油、糖、肉、蛋、奶、蔬菜、水果等)、14大類主題(國際、國內、日更新,貿易月度更新、農村經濟等)的基礎信息數據,通過靈活的指標、算法、警限管理動態組成預警模型,實現分時間分區域動態預警。2008年,新華社依托遍布全國的333個地級市及海外23個重點城市的信息采集員隊伍以及海內外信息采集網絡,建立了以農副產品和農資價格為主的采集、處理、分析和發布系統——“新華時訊通價格監測分析系統”。

                (4)實施效果方面

                近年來,我國農業信息分析工作得到各方充分肯定。農業部自2002年開始市場分析預測工作以來,農產品監測預警工作效果顯著。由農業部信息中心、農業部農村研究中心、中國農業科學院農業信息研究所組成了30多人的信息分析員隊伍,對大米、小麥、玉米、豬肉、棉花、油料、禽蛋、奶類、蔬菜、水果等農產品進行常規分析監測和應急跟蹤監測,根據數據信息和分析預測結果形成的日報、周報、月報、專報、專刊等形式的系列農產品市場監測數據與深度分析報告上報國務院或農業部。2010年以來,分品種監測由常規監測延伸到熱點監測,一些已經發生或潛在發生的事件被及時監測預警,并及時上報,為相關部門及時有效地進行宏觀調控提供了決策參考。其中,西南干旱對蔬菜價格影響、綠豆價格暴漲、個體奶站瘋狂搶奶、美國雞蛋沙門氏菌事件、小龍蝦安全事件等熱點引起了國務院和農業部領導的高度重視。

                2. 重大成果

                《農業信息分析學》出版發行。考慮到國內外尚未有系統闡述農業信息分析學相關理論、方法和技術的著作,中國農業科學院農業信息研究所組織編寫了《農業信息分析學》,并于2013年11月由高等教育出版社出版發行。這是迄今為止農業信息分析學科的第一部專著,也是農業信息分析學的“開山之作”。《農業信息分析學》全面系統地闡述了農業信息分析的相關理論、分析方法和模型系統,體現了近二三十年來農業信息分析工作實踐與理論的創新成果,成為反映最近國內外前沿研究成果的創新性著作。《農業信息分析學》是農業信息分析領域最新科研工作取得成果的全面凝練和總結,此書的出版發行是近些年農業信息分析學科建設取得的重要標志性成果。

                農情與市場信息監測設備研發取得突破。2014年6月份,中國農業科學院農業信息研究所研制的先進農產品市場信息采集設備(農信采)榮獲中國農業科學院科技成果一等獎。該設備集成了農產品市場全息信息理論,內置了《農產品全息市場信息采集規范》和《農產品市場信息分類與計算機編碼》兩個行業標準,創新了農產品市場信息采集、傳輸、智能處理等技術,有效地解決了我國農產品監測預警工作中長期存在的數據標準化程度低、采集實時性差、質量難以有效控制等突出問題,為我國農產品生產信息采集與預測預警提供了重要的技術支撐。目前,農信采已在北京、河北、廣東等全國多個省市推廣應用,并在2014年棉花、大豆目標價格監測工作中發揮了重要的作用。

                農業風險識別與評估技術研究成就顯著。國內研究人員以水稻、小麥和玉米等糧食作物為研究對象,分析了我國不同自然災害的危害程度與危害頻率、演變趨勢和空間分布,擬合了作物因災損失率序列的概率分布,估算了不同災害因子對作物生產的危害程度,創新了農作物自然災害風險損失識別技術。農業生產風險評估是我國農業穩定發展急需解決的現實問題,也是農業風險評估學科亟待解決的科學問題。國內研究人員基于現代風險分析和評估理論,分別構建了“剔除趨勢-擬合分布-度量風險”的農業常規災害風險評估模型和“計算損失-超越閾值-擬合分布-度量風險”的農業極端災害風險評估模型,有效地解決了農業常規災害和極端災害損失的概率分布難題。

                中國農業展望大會成功召開。2014年4月20日至21日,由中國農業科學院農業信息研究所主辦的首屆中國農業展望大會在北京召開,開創了中國農業展望工作的先河,結束了中國沒有農業展望大會的歷史。會議發布了《中國農業展望報告(2014-2023)》以及糧食、棉花、油料、糖料、肉類、禽蛋、奶類、蔬菜、水果等農產品分品種展望報告,圍繞農業資源環境、農業支持政策、農業科技創新等熱點專題進行了研討。中國農業展望大會還以農業中長期展望報告發布及18場專題報告形式,圍繞當前及今后10年我國農產品生產、消費、市場走勢進行了信息發布與研究成果交流。2015年4月20日至21日,“2015年中國農業展望大會”再次在北京成功召開。連續兩年中國農業展望大會的成功召開標志著我國農業信息工作取得了顯著成效,也是我國農業信息分析學科在實踐應用中的重要進展。

                (三)農業信息管理

                依托農業科學理論、信息技術與系統科學,現代農業生產系統在農業生產與研究的各個領域逐步滲透,產生大量的信息流。對這些信息流的獲取、加工及有效配置催生了農業信息管理這一新興學科。在農業信息管理學科的形成與發展過程中,專家學者從不同角度給出了定義。概括來說可以將農業信息管理定義為:以農業管理科學、信息科學及系統科學為基礎,以現代新興信息技術為支撐,針對農業生產活動中產生的信息流進行計劃、組織、協調、領導與控制,實現農業信息的充分開發與合理利用。

                1. 研究進展

                隨著信息技術的發展,信息管理學科不斷與時俱進,融合信息科學理論、計算機科學理論、管理科學理論等多種理論。通過開展農業信息資源建設、信息組織及開發利用、農業信息資源效益評價等研究,重點突破信息資源分析評價、知識組織、本體論、數據挖掘與知識發現、數字資源長期保存等關鍵技術,完善農業信息管理學科。近幾年農業信息管理領域取得了不少重要的研究進展。

                (1)在農業信息資源建設方面

                從上世紀80年代初到90年代乃至本世紀近兩年,我國數據庫建設得到了飛速的發展。圖書館數據庫種類繁多,資源的學科分布則隨著國家發展目標、科學研究和教育的需要以及信息市場需求的變化而變化。從最初的書目(索引、文摘)數據庫發展到如今的全文數據庫、數值數據庫和事實數據庫;從指南型數據庫(指引用戶到另一信息源查找信息)的建設發展到了源數據庫(直接給用戶提供原始資料或具體數據)的建設。

                最近幾年,國內關于農業信息資源建設方面的研究主要集中在以下領域:一是標準與政策層面。包括數字化標準建設、開放獲取政策等;二是技術層面。包括文獻資源數字化與精細化管理技術(文字字符識別,數字內容標引,數字影像處理,農業領域大規模文獻數字化與精細化管理技術),互聯網信息自動采集、智能分類以及保存管理技術,知識倉庫構建技術等;三是應用層面。包括科學數據的管理與共享平臺、開放獲取應用研究等。

                (2)在知識組織方面

                知識組織體系是通過知識分析、知識揭示和關聯關系計算等方式構建的,用以實現知識的有序組織和高效利用,目的是給科研人員提供更多的知識發現途徑。

                最近幾年,國內關于知識組織方面的研究主要集中在以下領域:一是理論體系層次。包括知識組織結構體系、本體研究與應用等;二是知識組織技術。包括敘詞表向本體轉化、農業科學敘詞表的網絡化適應性改造、領域本體與科研本體構建及關鍵技術等;三是應用層面。包括知識組織系統、網絡信息資源集成揭示與導航體系構建等。

                (3)在知識服務方面

                從1999年開始,經過十余年的發展,知識服務的特點、服務模式、實施對策以及方案的研究已經取得了長足的進步和發展,當前知識服務的研究內容主要集中在服務模式以及新技術應用(如本體技術、知識挖掘、語義網格、Web2.0相關技術等)。

                最近幾年,國內關于知識服務方面的研究主要集中在以下領域:一是理論體系層次。包括學科化服務、學科資源評價、技術競爭情報等;二是技術方法層面。包括學科化服務平臺建設、基于文獻計量學方法的相關技術、元數據倉儲技術等。

                2. 重大成果

                大規模文獻數字化智能化處理技術。在農業科技文獻資源數字化加工過程中,國內科研人員引入工作流、流程監控、精細化管理等理念與方法,設計并研建了“文獻資源數字化智能加工與精細化管理技術平臺”。該平臺將數據加工規范、任務流程管理以及協同工作環境等集于一體,實現網絡環境下數字化加工全程跟蹤管理、多人協同加工、質量控制以及流程監控等。在大規模中外文引文數據加工過程中,引入智能化的加工處理流程和技術,在深入分析大量引文著錄規律的基礎上,提出十余種典型的引文著錄類型,設計了自動批量拆分的工作流程,建立了基于特征詞分類和期刊名稱知識庫的計算機自動批量拆分軟件及配套的質檢程序和批量修復工具,顯著提高了數據加工的效率和質量,確保引文數據每年的加工能力在500萬條以上。

                多層次農業知識組織體系建設。在農業領域,國內科研人員與聯合國糧農組織(FAO)開展廣泛合作,完成了農業多語種敘詞表(AGROVOC)的中英文翻譯任務、AGROVOC與農業科學敘詞表概念映射(Mapping)等工作,為充分整合利用國際范圍內的農業科技資源奠定了語義資料基礎。采用W3C推薦的本體描述語言RDF、OWL及SKOS等,對農業科學敘詞表中的6萬多個敘詞及13萬多條“用、代、屬、分、參”等詞間語義關系進行不同形式的規范化描述,并開發了敘詞表向本體轉化的自動批量轉化工具,構建了更適合網絡環境下開展應用的輕量級農業本體。突出的技術與成果有:網絡環境下農業科學敘詞表的新發展、農業科學敘詞表向關聯數據轉化、敘詞向概念轉化以及與其他農業知識組織系統的映射互聯等。

                農業知識服務系統研究進展。為了滿足新形勢下科研用戶的需求,提高對各專業研究所一線科研活動的信息保障和信息服務能力,農業領域方面開展了所級數字圖書館建設,面向專業研究所的科研人員、主要學科、科研團隊,通過對各類科研資源的組織和信息服務的整合,構建有效支持科研人員進行資源搜索、團隊協作、知識管理和知識創新的學科化、知識化服務平臺。所級數字圖書館是把國家農業圖書館的資源和服務送到專業所、把知識送到科研人員手中的媒介和有效途徑,是一個以用戶需求為導向的專業化、個性化知識服務平臺。平臺除了集成原有傳統圖書館服務外,還重點拓展了“一站式”資源檢索、科研動態監測、專業知識導航、研究所知識倉儲以及用戶需求反饋等功能,同時建立了學科組科研信息環境、個人學術空間等支持團隊和個人進行知識管理與共享的數字空間,將知識服務融入到用戶科研環境中。

                機構知識庫研究與建設。目前,中國香港和臺灣地區的機構知識庫聯盟發展較為規模化,如臺灣學術機構典藏 ( TAIR: TaiwanAcademic Institutional Repository) 和香港機構知識庫整合系統 ( HKIR: Hong Kong Institutional Repositories)。臺灣學術機構典藏是臺灣大學圖書館接受臺灣教育部門委托建設的臺灣學術成果入口網站,以達到長久保存學術資源及提供便利使用的目的,也讓臺灣整體學術研究成果產出更容易在國際上被發現與使用,進而與世界學術研究接軌。

                我國大陸地區的機構知識庫聯盟建設還處于探索試驗階段,目前建設得比較完善的案例主要有中國科學院機構知識庫網格、CALIS 機構知識庫以及學生優秀學術論文機構庫 ( Outstanding Academic Papers by Students,簡稱OAPS) 。調研相關文獻發現,中國農科院的機構知識庫CAAS-IR建設采取了“集中揭示、分布部署”的院所兩級模式。為每個研究所建立獨立的所級IR,承擔本所知識資產的收集、管理和服務;院級IR通過收割或導入研究所知識元數據實現全院知識資產的集中揭示和展示利用 。

                科技熱點及重大事件信息監測服務系統。目前,已建立了農業熱點及重大事件信息監測服務平臺,并在農產品質量安全信息監測、農業科技動態追蹤、轉基因生物安全信息監測等方面進行了應用。針對食物與營養、農業立體污染、節水農業以及轉基因新品種培育等國家重點領域建立了對應的信息資源門戶網站,為我國科技工作者提供權威及時的信息服務和資源導航,助力該領域的科技人員及時了解領域研究熱點及國內外科研發展態勢,提高網絡信息資源利用效率,形成能夠支撐和保障本領域科研需求的、可靠的科技信息門戶。

                移動環境下的微信息服務。隨著移動互聯網的發展,越來越多的圖書館機構開設微博作為信息發布的渠道、參考咨詢服務的平臺及館員讀者互動的空間。國家農業圖書館微博開通于2011年8月份,由國家農業圖書館館員負責微博信息的發布與回復等事項。截止2015年3月6日關注國家農業圖書館官方微博的用戶數5901人,發布包括農業信息所新聞、網上數據庫培訓通告、涉農書評及相關博文共計1664篇。期間響應中央一號文件,借助所基本科研業務費支持,利用國家農業圖書館官方微博作為服務平臺開始為廣大地方鄉鎮農業局、農術推廣站、動植物疫病防控站、種植養殖企業等機構或涉農個人快速提供中文農業實用技術文獻查詢和網絡傳遞服務。2014年共通過“國家農業圖書館官方微博”提供咨詢61次;收到了來自基層農業機構、農村合作社和種植養殖戶等用戶的積極響應和 廣泛好評。

                伴隨移動媒體時代的到來,微信作為一種新型的社會化媒體,成為繼微博之后又一高效的服務應用。2014年11月,為更好的宣傳和推廣圖書館資源與服務,國家農業圖書館開通了官方微信服務,提供本館介紹、服務公告、農業學術搜索、館藏書刊目錄、電子期刊導航、網上咨詢、教育培訓、專題信息等。服務開通后用戶反響良好,截止目前關注用戶650人,且還在快速增長。用戶可通過在微信軟件中直接搜索“國家農業圖書館”,或掃描NAIS平臺首頁(http://www.nais.net.cn)的二維碼,關注國家農業圖書館官方微信。

                (四)動物生物技術

                動物生物技術學科是以動物為主要研究對象,以優秀動物個體的高效利用為目標,以分子生物學和細胞生物學為基礎,著眼于全基因組、轉錄組、蛋白質組和細胞組學,采用基因工程、細胞工程、酶工程、蛋白質工程、發酵工程等手段,對動物特定性狀和產品品質進行改造或提高的相關生物技術,以此獲得新型生物制品,培育高產、優質畜禽品種。本報告擬對動物基因工程、細胞工程、動物分子評估技術、動物分子育種技術四個熱門方向闡述其研究進展和重大成果。

                1. 研究進展

                (1)動物基因工程

                目前,動物基因工程主要圍繞提高外源基因在受體細胞中定點整合率、表達水平,精準靶向修飾DNA等開展研究,尤其基因編輯技術日新月異,不斷創新。近年來,ZFN、TALEN、CRISPA/Cas9技術通過對靶序列引入雙鏈斷裂,從而極大地提高特異位點序列的突變頻率以及外源模板存在時的同源重組效率。2012年,TALEN被科學(Science )雜志評為十大科學突破之一。2013 年,美國兩個實驗室在《Science》雜志發表了基于 CRISPR/Cas9 技術在細胞系中進行基因敲除的新方法。CRISPR/Cas9是目前最熱門的基因組編輯工具,2014年以來,國內外多個研究小組聚焦這一領域,在《Science》、《Nature》和《Cell》等雜志上發表多項重要成果,而生物技術公司也迅速推出相關產品。

                (2)細胞生物工程

                2001年,中國農業大學在唐山蘆臺經濟技術開發區成立了中國第一個體細胞克隆牛胚胎移植中心,次年4月,中國第一頭地方優質奶牛也在蘆臺經濟技術開發區誕生,并于2004年利用胚胎移植技術成功培育出具有世界最新藥物蛋白基因的2頭克隆奶牛。中國科學院昆明動物研究所、云南中科胚胎工程中心和西藏自治區共同合作于2006年6月利用胚胎移植技術成功獲得了4頭小牦牛崽,同時技術人員成功導入了野生牦牛的遺傳基因。新疆分別實現了牛、羊、的胚胎移植試驗,走在全國胚胎移植方向的前列。在2004年6月,新疆天山馬鹿種源保護與繁育基地利用胚胎移植繁育馬鹿,成功產下7頭活體。2007年7月全國著名胚胎移植專家、新疆農牧科學院畜牧研究所所長陳靜波主持的課題組成功獲得了全國首例驢胚胎移植成果,成功產下一頭胚胎移植的策勒驢。

                (3)動物分子評估

                目前,動物分子評估技術普遍采用SNP芯片、基因組重測序、簡化基因組測序等技術獲得基因組范圍內的單核苷酸變異(SNVs)和其他基因組結構變異(SVs),用來分析群體遺傳結構、鑒定系統分類、挖掘基因功能等。2005年Science雜志首次報道利用全基因組關聯分析(GWAS)鑒定了年齡相關視網膜黃斑變性結果,隨后一大批有關復雜疾病的GWAS報道不斷出現,隨著不同基因組測序的相繼完成以及高通量測序技術平臺的搭建,GWAS也開始在畜禽疾病性狀和數量性狀基因鑒定方面發揮重要的作用。國家863計劃課題“基于高密度SNP芯片的牛、豬基因組選擇技術研究”以杜洛克種豬和荷斯坦奶牛為研究對象,采用全基因組SNP芯片對豬、牛基因組進行分子育種值估計,更準確地對種用家畜進行早期選種,開始了我國的家畜全基因組分子評估的研究及應用。

                (4)動物分子育種技術

                全基因組選擇。基因組選擇是基于對畜禽GEBV的選擇,因此GEBV評估的可靠性是實施基因組選擇的關鍵。目前的發展動態集中在以下4個方面:基因組選擇模型的發展、參考群體的擴大和聯合、基因組選擇應用于雜交群體以及高密度SNP芯片的開發和使用。

                基因組編輯技術。2014年趙宇航等利用鋅指核酸酶技術對牛成纖維細胞Myostatin基因進行了定點敲除。2014年唐成程利用TALEN技術獲得了敲除albumin基因的陽性豬。在此之后又相繼獲得了含HbgAg乙型肝炎表面抗原基因的轉基因兔、含EPO基因和人乙型肝炎表面抗原基因2種乳腺特異性表達的轉基因山羊、含“生物鋼”蛋白基因的轉基因老鼠等各種轉基因動物模型。

                轉基因育種。我國科研人員已經成功培育出轉基因豬、牛、羊、雞等重要家禽家畜新品種和家蠶、兔子、水貂等經濟動物。目前轉基因育種的研究主要集中在體高動物的生長率、提高動物產毛性能和品質、提高抗病性、改善肉質和奶質等幾個方面。

                2. 重大成果

                (1)高通量測序技術的應用深入解析動物結構基因組。

                一是我國利用二代Illumina HiSeq2000測序平臺,對金絲猴進行全基因組重測序。通過比較基因組學,結合功能實驗和宏基因組分析,揭示了靈長類植食性適應的分子機制,并闡明了金絲猴屬的起源和演化歷史。研究結果于2014年11月2日以封面文章在Nature Genetics上發表。

                二是中國聯合其他國際研究組通過綿羊與其它哺乳動物的遺傳基礎進行比較,解釋了綿羊特殊消化系統及綿羊獨特脂肪代謝過程,定位了維持其厚實、毛茸茸的皮毛性狀基因。相關文章發表于 2014年6月6日的《Science》雜志上。

                三是中國科學家通過比較北極熊和棕熊的基因組,揭示出北極熊是比以前認為的要更年輕的一個物種。分析結果還揭示出了與北極熊能夠極端適應北極地區生活相關的幾個基因。相關研究結果被選作封面故事發表在2014年5月8日的《細胞》(Cell)雜志上。

                四是中國聯合美國研究人員共同完成構建了覆蓋我國24個省市自治區現有68個豬種的中國地方豬種基因組DNA庫,發現了中國北方豬單倍型很可能來自另一個已經滅絕的豬屬(Suide)。這是首次在哺乳動物中發現古老屬間雜交導致適應性進化的遺傳學證據。該研究2015年1月26日發表于Nature Genetics雜志上。

                五是中國科學家對藏獒、藏狗及低海拔犬種進行全基因組測序,并結合中國土狗和灰狼的群體SNP數據,挖掘到藏獒基因組中高度分化的區域,發現了EPAS1、HBB16 等低氧選擇基因。這些研究結果發表在Molecular Biology and Evolution(2014年2月)和Genome Research(2014年8月)雜志上。

                六是中國學者測定了蒙古馬和普氏野馬的全基因組,確認了蒙古馬和普氏野馬間的一次染色體羅伯遜易位事件,并且發現羅伯遜易位并沒有導致染色體更多的局部重排。研究還發現了兩種重復序列對基因組的不穩定性有著強烈的影響。該成果于2014年5月14日發表在Scientific Reports雜志上。

                七是中國學者在古代動物遺傳評估上也取得重要進展,成功獲取了世界上最古老的雞骨遺骸線粒體DNA序列,證明了生活在一萬年前中國北方地區的家雞原始群體是現代家雞的祖先群體之一,該研究2014年12月9日以封面文章發表在PNAS雜志上。

                (2)基因表達技術的發展推進了遺傳修飾動物培育

                基因組編輯技術的快速發展。2013年6月上海市調控生物學重點實驗室、華東師范大學生科院生命醫學研究所劉明耀教授和李大力副教授課題組在《Nucleic Acids Research》發表了關于轉錄激活樣效應因子核酸酶(TALEN)的技術論文,成為世界上最早利用該技術構建基因敲除小鼠的兩個團隊之一。

                2014 年,中國農業大學連正興課題組獲得世界上首例利用CRISPR/Cas9技術打靶基因的綿羊,建立了定點編輯Myostatin基因的綿羊模型,從而實現了將CRISPR/Cas9應用于綿羊生產性狀和抗病性狀的研究提供參考和依據。南京大學模式動物研究所的黃行許博士于2014年12月成功利用CRISPR/Cas9系統在孿生食蟹猴中介導了精確的基因打靶修飾。該成果進一步證實了利用CRISPR/Cas9系統在猴子中實現基因編輯的可行性。2015年3月西北農林科技大學通過TALEN技術獲得了抗結核的轉基因牛。2015年4月吉林大學教授賴良學博士的研究團隊利用最新的CRISPR/Cas9技術成功地培育出兩種基因敲除克隆小型豬,建立了人類白化病和帕金森綜合征兩種豬模型。

                轉基因動物的高效制備。2014 年,Hai等通過原核注射技術,首次利用 CRISPR/Cas9 系統得到了 vWF 基因敲除豬,證明了CRISPR/Cas9 技術在大動物中的可應用性。同年,世界上第一個利用CRISPR/Cas9基因組編輯技術培育出的轉基因羊也誕生了。

                在高品質轉基因奶牛制備方面,中國已建立具有自主知識產權和國際先進水平的轉基因奶牛生產和擴繁技術平臺,獲得原代轉基因奶牛60多頭,第二代轉基因公牛24頭,第三代轉基因奶牛200多頭。

                (3)生物傳感器的研發和應用

                在過去的十年里各種不同光譜的熒光蛋白不斷地被發現,受到啟發的研究人員一直期待著開發出一種工具能夠對生物功能進行直接的顯像研究。除了最常見的利用熒光蛋白成像觀測基因表達和蛋白質動態,現在科學家們又利用熒光蛋白生成了生物傳感器,可用于檢測離子和小分子濃度、酶活性、蛋白質翻譯后修飾及蛋白構象改變。

                (五)植物生物技術

                植物生物技術學科是一門在植物學、遺傳學、細胞生物學、分子生物學等學科基礎上發展起來的新興技術學科,主要目標是應用現代生物技術改良植物遺傳性狀、培育植物新品種和生產生物新產品。近年來,為了應對全球產業結構調整和貿易全球化對我國農業現代化的影響,國家加大了對植物生物技術的投入,實施了國家轉基因生物新品種培育重大科技專項,在國家重點基礎發展計劃和國家高技術研究發展計劃中部署了植物生物技術研究內容,使植物生物技術學科在基礎理論、技術手段、安全管理、產業發展等方面均取得了顯著成就。

                1. 研究進展

                (1)植物細胞工程

                脫毒及快速繁殖。目前國內主要是跟隨、消化、局部創新國外新技術并引進新物種擴大植物脫毒快繁種類等,而國外在研究成功無土栽培、氣霧栽培、光自養微繁技術(無糖組培技術)、快繁生物反應器、人工種子、廣譜抑菌劑、LED新光源等新技術,同時逐漸進入自動化規模化生產水平。

                育種研究。重要經濟植物的體細胞雜交目前較多選用近緣種內或種間以及較近緣屬組合,主要是供體-受體式不對稱融合。體細胞無性系變異通常用于單一或少數性狀的變異,適合綜合性狀良好,但個別性狀需要改良的品種。

                藥物及其它生物制劑的工業化生產。利用細胞懸浮培養、固定化細胞培養、毛狀根培養和生物反應器等大批量培養組織、細胞,可以實現藥用植物等來源生物產品(次生代謝產物、藥物等)的規模化生產。

                (2)植物染色體工程

                倍性育種。西瓜多倍體的利用是以四倍體和三倍體為主。香蕉、葡萄、毛白楊等植物的三倍體品種均已大面積推廣種植。我國在利用玉米單倍體育種技術上起步較晚,已經選育出了一些玉米自交系/雜交種,如川單15、正紅211、農大高誘1號等。

                染色體代換系和滲入系。植物的染色體片段代換系和片段滲入系主要應用于基因定位、基因功能和育種利用研究方面。如:利用水稻染色體代換系進行耐冷QTL定位、抽穗期QTL定位、柱頭長度控制基因定位等,普通小麥-長穗偃麥草異代換系抗白粉病種質培育、小麥–華山新麥草異代換系的鑒定,利用玉米片段代換系進行花期、株型相關的QTL定位,利用大豆片段代換系進行抗黑莢果病基因定位。

                (3)植物基因工程

                植物表達載體。傳統的載體系統涉及一個或幾個基因,現階段常用的植物表達載體有pBI121、CAMBIA系列載體、利用Gate-way技術的系列載體、位點特異性重組(如Cre /lox、FLP/FRT、R/RS等)載體,以及整合幾個技術或幾類質粒優點的載體,它們能基本滿足當前基因工程研究的需求。

                植物基因規模化轉化技術平臺。農桿菌介導法已經成為植物基因轉化的主流方法。Ozawa等(2012)通過改變愈傷組織與農桿菌的共培養方式等條件,可使測試的4個水稻品種的轉化效率最高達90%,最終總結出適于多數水稻品種的高效農桿菌遺傳轉化體系;張欣等(2014)建立的水稻規模化轉基因技術的轉化效率常年穩定在40%-60%,轉化周期從傳統的5-6個月縮短到2.5-3個月。葉興國等(2014)建立了小麥規模化轉基因技術體系,轉化效率為2%-4%。我國最近建立了玉米規模化轉基因技術體系,以玉米雜交種HiII幼胚為受體的農桿菌介導的玉米遺傳轉化率約5%,以玉米自交系綜31 幼胚為受體的遺傳轉化效率為2%-3%。劉傳亮等(2014)建立了以中棉所24為受體的農桿菌介導轉化體系,總體轉化率5%以上。大北農生物技術中心目前已基本實現了大豆批量轉化,農桿菌介導的轉化效率為5%-8%,能基本滿足了產業化需求。

                (3)植物基因組定點編輯技術

                ZFN系統。2005年ZFN技術開始在植物上應用。Cai等(2009)用ZFN在煙草內源基因上精確插入報告基因。Zhang等(2010)用CoDA方法構建ZFN敲除擬南芥內源基因。de Pater等(2013)用ZFN介導的雙鏈斷裂-同源靶向修復對擬南芥原卟啉原氧化酶基因進行了編輯。

                TALEN系統。TALE核酸酶的可用靶位點更廣泛,應用和發展更迅速。2012 年,TALE核酸酶被Science 雜志評為當年的十大科技突破之一。Li等(2012)用TALEN技術敲除水稻的感病基因Os11N3,提高水稻抗病性。Zhang等(2013)用TALEN轉化煙草原生質體,基因同源重組效率達4%。Shan等(2013)用Golden Gate法構建TALEN高效敲除了一系列短柄草和水稻中的基因。

                CRISPR/Cas9系統。CRISPR/Cas9系統建立之后,很快在在煙草和擬南芥、水稻、高粱、地錢、甜橙、番茄、大豆等植物上取得成功。與基因打靶、ZFN和TALEN等基因組定點編輯技術相比,CRISPR/Cas9技術簡單、高效,也不失精準,具有很大發展前途。

                (5)植物分子標記技術

                主要作物的遺傳連鎖圖譜是基于第一代分子標記建立的,因而以RFLP為代表的第一代標記仍然具有參考價值,但基因定位、標記輔助選擇實踐中一般先把它轉化為第二代標記(如STS標記)再進行利用。以SSR標記為代表的第二代分子標記正在基因組作圖、基因定位、親緣關系鑒定、系統分類、分子標記輔助選擇育種等領域發揮重要作用。但隨著高通量測序成本和檢測儀器價格的下降,以及更多植物全基因組被解析,以SNP為代表的第三代分子標記技術將發揮更大作用。

                2. 重大成果

                植物細胞工程。植物細胞工程理論、技術已經趨于成熟、完善,在脫毒快繁、細胞大批量培養等方面產業規模穩定,但在原來相對落后的花卉產業近幾年獲得了一些階段性成果。

                植物染色體工程。一是小麥染色體組的起源。2014年國際小麥基因組測序聯盟基于分離染色體臂測序發表了小麥的全基因組草圖;Marcussen等在小麥和多個小麥近緣種(其中A、D基因組由中國研究組于2013年完成)全基因組草圖基礎上,進行基因組水平多基因樹分析,提出了A、B染色體組7百萬年前分支,1-2百萬年后A、B染色體組同倍雜交形成D染色體組,不早于0.82百萬年雜交形成AABB,0.43百萬年雜交形成小麥(AABBDD)的小麥起源新學說。二是植物的基因組測序。2012年中國完成小米基因組草圖。2012年8國聯合完成了雷蒙德氏棉全基因組測序,此后,中國相繼完成了二倍體棉屬植物木本棉的基因組測序(2014)、四倍體陸地棉基因組測序(2015)。2013年中國完成西瓜全基因測序工作,歐洲構建了甜菜的參考基因組,中國完成小麥A基因組祖先烏拉爾圖小麥的基因組序列草圖,中外合作完成短藥野生稻基因組測序。2014年中國完成了棗基因組測序工作,中國發布了蝴蝶蘭全基因組圖譜,幾個中外研究組相繼公布了辣椒的全基因組序列圖。2015年中國完成了青稞全基因組草圖。

                植物基因工程。一是青蒿素的高效生產。在青蒿中超表達IPI基因后青蒿素的量較對照提高30%~70%,將青蒿FPS基因超表達后青蒿素量較對照提高了34.4%,超表達腺毛體特異表達的細胞色素P450 蛋白及其伴體蛋白的基因后青蒿素的量較對照提高2.4倍,過表達HDR和ADS基因后青蒿素的量較對照提高2.48倍,過表達DBR2基因后青蒿素的量最高可達對照的9.06倍。二是水稻生產白蛋白。楊代常等(2011)利用轉基因水稻種子生產的重組人血清白蛋白在生理生化性質、物理結構、生物學功能、免疫原性與血漿來源的人血清白蛋白一致,并建立了大規模生產重組人血清白蛋白的生產工藝,獲得了高純度和高產量重組人血清白蛋白產品,證明利用轉基因水稻種子取代現有基于發酵的表達技術來生產重組蛋白質是經濟有效的。該項目獲得2013年國家發明二等獎。

                植物基因組定點編輯技術。基因組定點編輯技術的重大進展和標志成果是CRISPR/Cas9技術。2012年問世以來,其研發和應用迅速成為生物學研究熱點,如:高彩霞等(2014)采用CRISPR-Cas技術定點編輯了水稻和小麥兩個作物的OsPDS、TaMLO等5個基因,獲得了抗病性提高的水稻及小麥新株系。

                植物分子標記技術。中國農業科學院作物科學研究所萬建民團隊研究項目“水稻秈粳雜種優勢利用相關基因挖掘與新品種培育”通過20年的系統研究,發掘出水稻廣親和、早熟和顯性矮稈基因,開發相應分子標記和育種技術,成功培育秈粳交高產水稻新品種,榮獲2014年度國家技術發明獎二等獎。萬建民團隊在發掘17個不育位點及廣親和基因基礎上開發相應分子標記,聚合廣親和基因創制廣親和恢復系和粳型親秈不育系,解決了秈粳雜種半不育難題;在發掘早熟基因基礎上提出基于感光基因型和光鈍感基因的分子設計方法,解決了秈粳雜種超親晚熟問題;在發掘顯性矮稈及株型關鍵基因基礎上,開發相應分子標記,為培育秈粳交理想株型奠定基礎。北京市農林科學院許勇團隊創新了西瓜分子標記輔助育種技術體系,解決了我國西瓜育種優異性狀來源少和遺傳基礎狹窄的難題,選育出優勢突出、綜合性狀領先的“京欣”系列西瓜品種,該成果2014年獲國家科技進步獎二等獎。

                (六)微生物生物技術

                近年來,生物技術已經拓展成包含了生物學、醫學、工程學、數學、計算機科學、電子學等多學科相互滲透的綜合性學科。在農業微生物方面,生物技術主要涉及微生物在食品、飼料、獸藥、肥料、農藥等領域的應用,按照生物技術的定義,任何一種農業有益微生物的利用皆為生物技術的一種體現。由此可以看出,農業微生物生物技術也就是農業有益微生物在農業生產中的應用,此外還包含使其他農業微生物通過生物技術改造向有益微生物轉化的過程。

                1. 研究進展

                隨著研究的不斷深入,在農業微生物生物技術領域不斷涌現出新的理論、方法、觀點、技術、成果,為農業科學研究和生產實踐注入新的活力,同時也出現了新的趨勢。

                (1)微生物生物技術在肥料方面的進展

                近兩年來,關于微生物肥料的研究主要集中在植物促生微生物的篩選及效果評價尤其以植物根際促生細菌(plant growth-promoting rhizobacteria,PGPR)最為廣泛,目前的研究主要集中在三個方面:是否改善作物生長狀況和品質、微生物肥料介導的污染土壤的植物修復以及植物病原體的拮抗劑。

                (2)微生物生物技術在飼料相關研究的動態

                近兩年來,國內外對于微生物飼料的研究主要還是集中在微生物飼料添加劑、飼用酶制劑以及微生物提取物。由于抗生素作為飼料添加劑帶來的種種問題如:抗生素殘留問題和對抗生素產生抗性的病原菌問題等,使得目前世界范圍內對抗生素添加劑陸續禁止,因此微生物飼料添加劑作為抗生素替代物成為了現在國內外研究的熱點;而飼用酶制劑也是近幾年才陸續被人們認識到可以很好的促進動物生長的物質,其主要研究焦點是在其耐熱、耐酸等性質上的改進,目前在該領域國內的研究水平處于世界一流水平;近兩年關于微生物提取物的研究主要集中在其在實際工業生產中如何改造更好的工程菌等。

                (3)微生物生物技術在生物農藥方面的研究進展

                廣義的微生物農藥包括活體微生物農藥和農用抗生素。而狹義的微生物農藥專指活體微生物農藥,根據用途和防治對象不同,微生物農藥主要包括微生物殺蟲劑、微生物殺菌劑,除草劑等,近兩年關于微生物生物技術在生物農藥方面的研究主要集中在用作微生物殺蟲劑和真菌殺蟲劑領域。

                2. 重大成果

                微生物中發現對糖尿病有效成分。中國農業科學院農產品加工研究所呂加平研究員團隊對酵母源葡萄糖耐量因子(GTF)進行了結構解析以及功能評價,確證從GTF高產酵母中分離獲得了兩種含鉻物質,其中GTF為小分子含鉻物質,并通過紅外光譜、質譜等技術對GTF進行結構解析。Ⅱ型糖尿病模型鼠試驗表明:GTF酵母菌粉可顯著降低糖尿病小鼠總膽固醇和甘油三酯含量,高劑量的GTF酵母可顯著降低糖化血紅蛋白;對胰腺組織和β細胞有一定保護作用。本項成果為酵母源GTF作為補鉻營養強化劑及保健食品配料的深度開發提供了重要理論依據。

                建立完善飼用酶制劑研究生產體系。中國農業科學院飼料研究所姚斌研究員團隊通過對酵母及芽胞桿菌高效表達機制的生物學基礎研究,發現了一批新的表達因子及它們的作用機理和功能,并在此基礎上,構建、完善了飼料用酶高效表達技術體系,保障了飼料用酶的規模化廉價生產,最終突破了一系列飼料用酶研發的關鍵技術。該團隊所從事的多種飼料用酶的開發工作始終保持國際領先地位,其創制的4種主要非淀粉多糖酶—木聚糖酶、葡聚糖酶、甘露聚糖酶和α-半乳糖苷酶,均具有優良的性能和低廉的生產成本。該項成果榮獲2014年度國家科技進步二等獎。

                酵母多糖微量元素多功能生物制劑研究。中國農業科學院蘭州畜牧與獸藥研究所完成了對“酵母多糖微量元素多功能生物制劑研究”,采用微波誘變,篩選出既富含鋅、鐵微量元素,又高產多糖的遺傳性狀穩定的新酵母菌株,并獲得1項專利。研制出集酵母多糖和微量元素鋅、鐵的生理功能于一體的高效、低毒多功能復合型生物制劑。該研究成果達到同類研究國際先進水平。

                秸稈無害還田技術取得進展。中國農科院油料所的研究團隊從油菜根際土壤中分離出了十多種微生物菌株,從中篩選出兩株特異功能微生物,分別是能高效腐解油菜秸稈的哈茨木霉菌和高效腐解菌核的棘孢曲霉。該復合菌劑便由這兩種微生物組成,其可使油菜秸稈腐解率提高23.9%,菌核腐菌核腐解率提高38.1%,提高土壤理化及生物性狀,使后茬水稻產量提高3.0%,下季油菜菌核病病情指數下降16.8,菜籽增產5.0%。目前該微生物菌劑已大面積示范推廣。

                真菌殺蟲劑致病機制研究與改良取得重要進展。浙江大學方衛國教授團隊從一個T-DNA隨機插入突變體庫中,發現了一個羅伯茨綠僵菌的致病突變體,其中甾醇轉運蛋白基因Mr-npc2a被破壞。Mr-NPC2a的作用是幫助真菌在昆蟲血腔內保持細胞膜的完整性。生物信息學分析表明,綠僵菌在進化過程中通過基因水平轉移從寄主昆蟲中獲得了Mr-npc2a。該研究用實驗證明了基因水平轉移推動了病原真菌的毒力進化,豐富了真菌毒力進化理論。研究成果已經發表于PLos Pathogens(Zhao H et al., 2014)。

                Bt微膠囊制劑理論研究重要進展。中國農業科學院植物保護研究所團隊發現了控制細胞壁水解的關鍵基因cwlB,該基因的缺失導致Bt母細胞不能裂解,這為進一步研究開發抗紫外Bt微膠囊制劑奠定了基礎(Yang et al. 2013)。該團隊還構建了Bt sigK缺失突變株,該突變株芽胞發育與細胞裂解受到影響,進一步篩選了可以在該突變體中表達基因的Bt啟動子,并表達了Cry1Ba基因,不裂解的細胞壁包裹殺蟲蛋白形成了微膠囊,進一步測試結果顯示該微膠囊形式的蛋白可以顯著抵抗紫外線對殺蟲蛋白的滅活作用(Zhou et al. 2014)。

                微生物農藥、肥料持效性理論研究重要進展。微生物農藥、肥料在植物根際形成生物被膜是其能否長期定殖、有效的重要因素。近年來研究發現植物本身的遺傳、代謝特性與此密切相關,為進一步作物評價提供新的指標。美國哈佛大學研究團隊研究表明定植于擬南芥的枯草芽胞桿菌形成與否是由特定的植物多糖介導的。這些多糖作為生物被膜的信號因子通過激酶控制磷酸化的調節因子spo0A來轉換。除此之外,植物多糖作為糖的來源來供給生物被膜的形成,該研究成果為由植物介導的枯草芽胞桿菌生物被膜的形成研究提供了證據(Beauregard et al. 2013)。

                (七)作物遺傳育種

                作物遺傳育種是當代農業科學發展的前沿學科之一,是基礎農學研究的核心和重要組成部分。作物遺傳育種是研究運用遺傳變異規律,能動地進行作物遺傳改進,促進生產穩定增長,提高勞動生產率的重要理論和技術基礎,加強作物遺傳育種研究可推動農業向高產、高效、優質、低耗的方向發展。在作物遺傳育種研究的發展過程中,由于優異作物遺傳資源的開發利用,多種遺傳改良途徑的開拓和技術革新,以生物技術為主體的高新技術的應用,育種基礎理論和應用基礎理論研究的不斷深入,顯著提高了作物育種的效率和水平,也不斷推動了作物遺傳育種學科的發展。

                1. 研究進展

                (1)基礎研究穩步推進

                隨著越來越多的植物基因組序列測定工作的相繼完成,基因組學的研究由以大規模測序為代表的結構基因組學研究正在向以功能鑒定為主的功能基因組學研究轉移。農作物育種思想也從傳統雜交育種轉變到分子育種及分子與傳統相結合的育種。繼我國科學家完成秈稻、黃瓜、馬鈴薯、家蠶、聯合固氮斯氏假單胞菌全基因組測序后,中國農業科學院油料作物研究所張秀榮研究員領銜的芝麻與特色油料遺傳育種創新團隊與中國科學院合作,在國際上率先完成了芝麻高密度單倍型圖譜構建和主要農藝性狀大規模的全基因組關聯分析,發掘了一批關聯位點和候選基因。相關研究成果于2015年10月19日在線發表在國際知名期刊《自然通訊(Nature Communications)》雜志上。該團隊在前期完成芝麻基因組測序的基礎上,篩選來自世界29個國家的芝麻資源705份進行了全基因組測序,發掘500多萬個核苷酸變異(SNP),構建了高密度芝麻單倍型圖譜。對世界芝麻資源的遺傳多樣性和群體結構進行分析發現芝麻資源分化為南方和北方兩個生態類型。對油脂和產量相關的56個重要農藝性狀進行了全基因關聯分析,獲得關聯位點549個,候選基因46個。

                (2)現代生物技術育種創新體系

                2015年,中國科學院遺傳與發育生物學研究所薛勇彪團隊在現代生物技術育種創新體系領域研究方面開啟了新篇章。他們主持的“分子模塊設計育種創新體系”戰略性先導科技專項以水稻為主,小麥、鯉等為輔,利用野生種、農家品種和主栽(養)優良品種等種質資源,綜合運用基因組學、系統生物學、合成生物學等手段,解析高產、穩產、優質、高效等重要農藝(經濟)性狀的分子模塊,揭示水稻復雜性狀全基因組編碼規律,發展多模塊非線性耦合理論和“全基因組導航”分子模塊設計育種技術,優化多模塊組裝的品種設計的最佳策略,建立從“分子模塊”到“設計型品種”的現代生物技術育種創新體系,為實現全基因組水平多模塊優化組裝、培育新一代超級品種提供系統解決方案。該研究基于優良品種的全基因組遺傳信息,建立多模塊耦合與組裝的分子模塊設計育種創新體系,培育符合現代農業需示的高產、優質、穩產和高效設計型新品種,主要開展分子模塊解析、分子模塊系統解析和耦合組裝、品種分子設計與培育、分子設計育種基地完善與能力提升4個方面的研究,開啟了我國探索基因組育種的新篇章。

                (3)國際合作取得顯著進展

                針對我國小麥育種中可用親本資源短缺和品種對白粉病與條銹病的抗性頻繁喪失兩大關鍵問題,在農業部引進國際先進農業科學技術計劃等支持下,采取國內協作與國際合作相結合、品種與先進抗病育種理念(微效基因成株抗性,具有持久抗性)同步引進并與自主創新相結合的策略,1989-2014年系統開展了CIMMYT(國際玉米小麥改良中心)小麥的引進、研究與創新利用,在以下三個方面取得重要進展。

                一是從CIMMYT及14個國家引進品種資源50972份次,包括育成品種與品系、農家種、近等基因系和近緣種等。利用春化、光周期、早熟性、矮稈等影響品種適應性的主要基因的分子標記與表型鑒定相結合,明確了主要國家品種引進后在我國主產麥區的表現規律和利用價值,提出利用CIMMYT種質的具體途經和親本組配模式。將篩選的18165份有一定利用價值的優異資源交國家和地方種質庫長期保存,約占國家種質庫引進小麥品種的60%,為我國小麥育種和遺傳研究提供了豐富的品種資源和重要信息。

                二是從引進品種及國內品種中篩選鑒定出對白粉、條銹和葉銹病表現成株抗性的品種116份。首次發現兼抗上述三種病害且效應較大的成株抗性基因位點(QTL)5個及其緊密連鎖的分子標記9個,占國際上已報道的兼抗型成株抗性位點(共9個)的55%;與CIMMYT合作發現2個抗銹基因Yr18/Lr34和Yr29/Lr46兼抗白粉病。創立了分子標記與常規育種相結合的兼抗型成株抗性育種新方法,并育成農藝性狀優良的兼抗型品系50份,為培育兼抗型持久抗性品種提供了遺傳基礎清晰的親本、基因、分子標記和有效的育種方法,為從根本上解決品種抗性頻繁喪失提供了新思路和可操作的新方法。

                三是通過引進種質創新利用,育成目標性狀突出、綜合性狀優良的育種可用親本10份,其中SW3243和新春6號分別成為四川和新疆小麥育種的骨干親本。引進的18個品種經篩選鑒定后直接審定推廣,項目組和其它協作單位利用引進種質與創制的骨干親本育成37個高產抗病優質廣適新品種,根據農業部全國農業技術推廣中心的統計,1990-2014年上述品種累計推廣2.96億畝,其中近3年推廣3633萬畝。引進的CIMMYT品種對全國小麥育種和生產乃至國家糧食安全做出了重要貢獻。

                2. 重大成果

                “分子模塊設計育種創新體系”戰略性先導科技專項。一是分子模塊解析。通過遺傳資源材料的評價,獲得了108份高產優質穩產高效的優異模塊供體材料。初步解析了13個水稻的分子模塊,包括水稻高產分子模塊dep5、dep6、GS8.1、GS8.2、NPT1和NPT2等,抗稻瘟病分子模塊Pizs,抗紋枯病分子模塊RSR1,耐冷分子模塊P204、A170V和S229N以及氮高效利用分子模塊Chr1和ARE1等。二是分子模塊系統解析和耦合組裝。通過對302份代表性大豆種質深度重測序發現大豆在馴化和改良過程中遺傳多態性明顯降低,揭示了大豆育種中的選擇瓶頸效應;進而通過基因組分析,在馴化階段鑒定出121個強選擇信號,在品種改良階段鑒定出109個強選擇信號;通過全基因組關聯分析并整合前人QTLs分析,發現很多選擇信號和油相關性狀有關,說明大豆產油性狀受人工選擇較多,形成復雜的網絡系統共同調控油的代謝,從而引起不同種質油相關性狀的變異。研究還定位了一系列重要農藝性狀的調控位點,明確了一些基因在區域化選擇中的作用,如控制花周期的E1,控制生長習性的Dt1,控制絨毛顏色的T等,為大豆重要農藝性狀調控網絡的研究奠定了重要基礎。該成果發表在Nature Biotechnology上(DOI:10.1038/nbt.3096)。

                CIMMYT小麥引進、研究與創新利用。本項目發表相關學術論文80篇,其中SCI論文50篇,包括TAG和Crop Science有關成株抗性的評述性論文2篇,影響因子2.0以上期刊22篇,經Web of Science檢索,SCI累計引用760次;中國農業科學和作物學報論文30篇。出版專譯著6部,獲發明專利5項。分別與CIMMYT及美國和澳大利亞建立了小麥育種聯合實驗室,召開國際研討會8次,培養博士后和研究生45名,派遣訪問學者65名,為提高我國小麥研究創新能力和擴大國際影響做出重要貢獻。該項目已經通過2015年度國家科技進步獎二等獎初評。

                水稻育種。我國水稻雜交優勢利用一直處于國際領先地位,并不斷取得新的突破。超級稻育種形成了以“理想株型塑造與秈粳亞種間雜種優勢利用相結合”的超級稻育種的理論和方法。光(溫)敏核不育基因、廣親和基因的發現和利用是超級稻育種取得成功的重要因素,我國科學家發現的水稻光(溫)敏核不育基因可使雜交水稻免除保持系,使雜交水稻由“三系法”發展為“二系法”,不僅簡化繁種制種程序、降低雜交種子生產成本,而且兩系雜交稻的配組較自由,選配到優良組合的機率提高。另外,浙江省農業科學院姚海根團隊申報的“晚粳稻核心種質測21的創制與新品種定向培育應用”項目已經通過2015年度國家科技進步獎二等獎初評。

                小麥育種。從分子標記-生化標記-籽粒和面粉性狀-食品加工品質四個層次首次創立了符合國際標準的中國小麥品種品質評價體系。發現小麥新基因和新標記26個,發掘并驗證可用于育種的分子標記13個;育成優質小麥品種中優9507、中作8131-1和臨汾5064,已成為全國優質麥育種的骨干親本,以此作親本育成的優質品種23個,累計推廣1.8億畝,2008年獲得國家科技進步一等獎。矮敗小麥及其高效育種方法的創建與應用,在國際上首創了將顯性核不育基因Ms2與顯性矮桿基因Rht10緊密連鎖于4D染色體短臂的重組體,即矮敗小麥特異種質資源。創建了基于矮敗小麥的輪回選擇技術,構建完成了矮敗小麥高效育種平臺和全國矮敗小麥育種協作網。利用矮敗小麥高效育種方法育成國家或省級審定新品種42個,累計推廣1.85億畝,2010年獲得國家科技進步一等獎。

                大豆育種。廣適高產優質大豆新品種中黃13的選育與應用研究,提出了不同緯度與遺傳遠緣的親本雜交培育廣適大豆的育種新方法,創建了廣適高產大豆育種技術體系,培育出大豆新品種中黃13,實現了大豆育種新突破,2012年獲國家科技進步一等獎;

                棉花育種。在棉花轉基因優質纖維品種培育及材料創制方面獲得突破,將擁有自主知識產權的來源于油菜FCA基因中編碼RRM2結構域的cDNA片段構建了轉基因載體,獲得一批產量性狀有明顯改良T4代轉基因棉花植株,其棉鈴增大非常明顯,平均單鈴重較受體品種中棉所12最高增加49.9%。同時,轉基因植株能顯著增加棉纖維的長度和提高棉纖維強度。這個轉基因材料已經通過農業部環境釋放。研究繪制了二倍體棉花-雷蒙德氏棉的全基因組草圖,創制出第二代優質纖維、優質大鈴轉基因棉花種質新材料,加快了優良棉花新品種的培育進程;創新了棉花黃萎病抗性鑒定和選擇技術,創立了“六棱塑料缽定量注菌液”抗病性苗期鑒定技術,育成5個棉花新品種,實現了抗病、豐產、優質同步改良和突破。

                (八)農業環境與氣候變化

                農業環境科學是研究人類在生產活動影響下,光、溫、水、氣等環境要素的演變規律及其與農業生物和農用投入品相互作用機理及調控與保護對策的一門科學。其科學使命在于通過對農業-農村生態環境問題以及對介于環境科學與農業科學之間有關科學問題的系統研究,保護、改善和調控農業環境,促進農業和農村的可持續發展。最近幾年,農業環境科學在以下幾個方面的發展尤為突出。

                1. 研究進展

                (1)全球氣候變化及其農業影響

                全球氣候變化研究自20世紀80年代興起以來,已逐步成為最活躍、發展最快的科學領域之一。全球氣候變化及其農業影響主要涉及農業生態系統與大氣溫室氣體源匯功能及其影響因素研究、全球氣候變化對農業生產的影響研究以及適應對策研究等。2015年,我國參與了農業模型比較和改進項目(AgMIP)。農業模型比較和改進項目(AgMIP)是由全球上百位氣候、作物模型、全球和區域經濟模型以及IT 專家共同組成的開放式研究網絡。它通過各領域專家的協作提高農業模型在全球的預測能力,并基于新一代農業模型的研發和測試,不同農業模型的比較和改進,從而降低模型運用在氣候變化影響和適應研究中的不確定性。

                最近幾年,中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所熊偉研究員、林而達研究員、李玉娥研究員等,基于“十二五”科技支撐計劃“重點領域氣候變化影響與風險評估技術研究與應用”課題和中英“氣候變化對中國農業影響”合作項目,構建了氣候變化影響歸因方法,首次在全國尺度上系統分析了1961-2010年中國氣溫、降水、輻射、CO2濃度增加等氣候變化趨勢對中國糧食產量的影響,闡明了中國糧食產量變化的歸因。

                (2)農業污染控制與清潔生產

                2014年2月,國家重大科學研究計劃項目“利用納米材料與技術提高農藥有效性與安全性的基礎研究”在中國農業科學院啟動,這是“國家重大科學研究計劃”在納米農業技術領域部署的第一個項目。該項目主要揭示利用納米材料與技術改善農藥劑型功能,提高有效性與安全性的作用機制,突破農藥劑型創制的理論制約瓶頸;建立高效、安全與低成本納米載藥系統的制備方法,發展綠色納米農藥新劑型設計模式,推動我國綠色農藥產業發展,緩解農藥食品殘留與環境污染。

                目前,中日項目課題“開發與驗證環保型施肥技術”繼續順利推進。自2009年從日本引進側條施肥插秧技術以來,課題組成員成功摸索出一整套集育秧、栽插、水肥藥管理的水稻側條施肥機插秧技術體系。通過該技術的實施,可以達到節約種植成本,保障作物產量,提高稻米品質,降低農業面源污染的多重效果。課題研究成果先后在岳陽、湘陰、汨羅、君山等縣(市、區)大面積推廣,累計召開各類推廣培訓會20余次,培訓農戶、農技推廣人員2000多人,向洞庭湖區相關鄉鎮免費發放技術手冊、技術宣傳頁二萬余份,取得了較顯著的經濟和社會效益。

                (3)農業環境風險管理

                北方農牧交錯帶刺萼龍葵綜合防控關鍵技術研究取得新進展。,自2009年以來,刺萼龍葵在我國北方農牧交錯帶快速蔓延,在遼、吉、蒙、冀等省(市、區)112個縣(市、旗)發生危害,嚴重危害面積已達480萬畝,對當地農牧業生產和生態安全構成嚴重威脅。在國家公益性行業科研項目的支持下,中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所組織多家科研、推廣部門技術力量,開展針對刺萼龍葵綜合防控技術協作攻關。項目組從個體、種群、群落、生態系統等不同層次開展系統研究,研究闡明了刺萼龍葵入侵機制及被入侵生態系統退化機理,應用恢復生態學、植物群落演替理論和方法,研究篩選出了12種替代植物組合, 7種化學防除技術方法,并選擇在科爾沁草原刺萼龍葵典型危害區建立了綜合防控示范基地,經過三年多的示范,取得了一系列突破性進展,示范區刺萼龍葵土壤種子庫數量和種群密度顯著降低,有效挽回了牧草產量損失。

                2. 重大成果

                全球氣候變化規律和觀測技術研究。科研人員初步揭示了全球氣候變化對我國農業及產量的影響,研究表明:中國高緯度地區作物生育期延長,喜溫作物界限北移,作物種植結構已經發生了調整。與20世紀60年代相比,中國東北地區的生長期增加了10天左右。東北地區增溫已使冬小麥的種植北界北移西延,水稻種植面積大幅增加,其種植北界已移至約北緯52度。玉米晚熟品種種植區域向北推移了約4個緯度,雙季稻栽培已經由北緯28度北移至北緯30度。全國復種指數由1980年的109.4%增加到2006年的128.9%。模擬預測結果,如果不采取適應性措施,未來氣候變化將導致中國水稻、玉米和小麥等主要糧食作物的減產。2050年,若不考慮二氧化碳的肥效作用,則糧食總產量最大可下降20%左右,若考慮二氧化碳肥效作用,糧食總產量最大下降5%。在未來氣候變化的背景下,水資源因素將成為糧食總產量提高的最主要限制因子。另外,2014年中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所農業氣象學科首席科學家林而達研究員率領的研究團隊針對我國農業對氣候變化的脆弱性和適應能力的時空分布特征進行了評估和分析。該項研究采用多標準綜合評估方法,綜合評估了2010-2050年我國農業對氣候變化脆弱性的時空分布特征,識別出了農業對氣候變化的脆弱區域,綜合分析了當前我國農業對氣候變化的適應能力。相關的研究結果于2014年7月在線發表在國際權威期刊《Climatic Change》,為我國農業適應氣候變化提供了技術支撐。

                產地環境保護與修復技術研究。2014年,同濟大學環境科學與工程學院徐祖信教授主持完成的“農村污水生態處理技術體系與集成示范”項目獲國家科技進步二等獎。該項目針對上海及江南水鄉農村環境特性開展了農村污水處理技術研究,成功研發出了人工濕地除磷脫氮技術、人工濕地防堵塞技術、生態曝氣穩定塘技術、污泥和水葫蘆生態處理技術,集成了三套污水處理優化組合工藝,并實現了規模化應用。部分研究成果填補國內空白,并達到國際領先水平。同年,我國農田土壤重金屬污染修復應用技術也取得重大突破,研發出了治理重金屬污染的微生物產品—“金無蹤”。在湖南省和廣東省多年進行的田間試驗和大面積生產示范證明,利用該產品能夠修復重金屬污染土壤,可使作物正常生長,農產品重金屬含量得到降低。在中輕度污染的稻田土壤上,稻米鎘含量降低幅度達23%-57%,達到國家食品衛生標準,解決了部分稻米產區的鎘污染問題。經過專家委員會評議,該成果總體技術達到國際先進水平,對于指導和推進我國南方乃至全國農田土壤重金屬污染治理具有重要意義。

                農業污染控制與清潔生產研究。2012年,中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所董紅敏研究員及其研究團隊的科研成果“畜禽糞便沼氣處理清潔發展機制方法學和技術開發應用”榮獲2012年度國家科技進步二等獎。該成果不僅建立了全球第一個戶用沼氣CDM 方法學,被聯合國清潔發展機制方法學專家委員會批準為“農戶/小規模農場的農業活動甲烷回收方法學(AMS-III.R)”,并成為定量核算和監測戶用沼氣溫室氣體減排效果的國際通用方法;還在國內首次研究集成了適用于不同規模養殖場的畜禽糞便沼氣處理CDM 技術模式,建立了不同規模畜禽糞便沼氣CDM 項目開發可行性指標,提出了基線確立、減排效果監測評價的技術規程,為促進國際環境補償機制的應用提供了工具。

                農業氣象災害風險管理。由中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所唐華俊研究員牽頭完成的項目成果“農業旱澇災害遙感監測技術”獲得2014年度國家科技進步二等獎。該項目成果突破了農業旱澇災害遙感監測精度低、時效差的技術難題,建立了“星-機-地”多平臺一體化的農業災害信息快速獲取技術,實現不同尺度旱澇災情信息獲取時間縮短到24 小時以內。創建了多模型整合的土壤墑情監測技術,實現全國土壤墑情常規監測10天1次,應急監測3天1次;率先建立了光學水體高精度提取技術、全波段和主被動遙感協同的微波全天候水體識別技術,實現區域洪澇災害監測保證率由不足75%提高到90%以上。研制了面向作物全生育期的旱澇災害損失遙感評估技術,實現農作物洪澇受損等級劃分,作物干旱遙感診斷準確率達94%;采用淹沒損失曲線法,建立了針對不同農作物和發育期的受損面積和受損程度快速評估技術,實現了影像獲取后4小時內可上報災損評估結果。

                (九)農業資源與區劃

                農業資源與區劃學是一門分析農業資源的時空分布規律,調查、監測和評價農業資源的利用現狀,研究農業資源的高效利用和合理保護,揭示農業生產地域分異規律,指導農業生產力合理配置,實現農業資源可持續利用和區域農業生產可持續發展的農業基礎科學,也是一門橫跨自然生態、社會經濟和多種技術的高度綜合性交叉學科。它的研究對象是農業資源,基本研究任務包括:農業資源調查與評價、農業資源利用與保育、農業分區與區域戰略三個方面。

                1. 研究進展

                最近幾年,國內重點開展了農業氣候資源分析與區劃、農業氣候資源與主要農作物布局及種植制度關系、農業氣候(自然)生產潛力模擬與資源量化評價、農業氣候資源信息的管理與分析等方面的研究,獲取了精細化的農業氣候資源時空分布數據,編制了精細化農業氣候區劃和大宗特色農作物氣候區劃;利用農業氣候資源數據庫對光、熱、水資源信息進行有效管理,應用GIS技術定量采集、管理、分析具有空間特性的農業氣候資源,都取得了重要進展。

                (1)農業資源調查與評價

                最近幾年,農業資源遙感監測成為該研究領域的熱點。目前農業資源遙感監測研究主要圍繞農作物遙感監測、農業資源動態監測、農業災害遙感監測、精準農業與數字農業四個方面進行。尤其是從2003年開始,我國積極參與亞太經合組織(APEC)基金“遙感與GIS技術在作物生產中的應用”合作項目。該項目針對作物生產領域內遙感與GIS通用和適用的應用方法,加強了APEC成員體遙感與GIS技術在作物生產領域的交流,組織了關于應用遙感與GIS技術在種植區域提取作物空間分布、遙感與GIS技術在作物單產估算、遙感與GIS在作物災害中監測、遙感與GIS技術作物模擬等方面的培訓。項目有效促進了APEC成員體在該領域的國際交流與合作,顯著推動了遙感與GIS技術在作物生產能力中的應用,對進一步加強APEC成員體間農業技術合作奠定了堅實基礎。

                (2)農業資源利用與保育

                近年來,國內科研人員在農業資源利用與保育領域開展了多方面研究工作。氣候變化和糧食生產系統的相互作用關系研究一直倍受國內外學術界關注。基于承擔的全球變化重大科學研究計劃項目“氣候變化對我國糧食生產系統的影響機理及適應機制研究”,中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所在國際學術期刊《Journal of Integrative Agriculture》2014年第13卷7期出版了“氣候變化對中國糧食生產系統的影響”專輯,該專輯圍繞氣候變化和糧食生產資源要素變化、氣候變化和農業生物或非生物災害變化、以及氣候變化和農作物單產及空間格局等主題共發表了19篇學術論文,系統地研究了氣候變化與我國糧食生產系統的影響途徑和過程,并綜合評估了氣候變化對我國糧食生產(面積、單產和總產)的總體影響。

                此外,公益性行業(農業)科研專項“北方旱地合理耕層構建技術及配套耕作機具研究與示范”項目、“半干旱牧區天然打草場培育與利用技術研究與示范” 項目、“糧食主產區土壤肥力演變與培肥技術研究與示范”項目、“北方旱地合理耕層構建技術及配套耕作機具研究與示范”項目、國家973計劃“肥料養分持續高效利用機理與途徑”項目、國家“863”計劃現代農業技術領域課題“作物生長水分與營養土壤生境調控技術” 項目等都取得了重要進展。

                (3)農業分區與區域戰略

                農業區劃研究也取得重要進展。目前該領域研究主要圍繞農業資源調查評價、農業區域劃分、農業區域布局和區域農業發展四個方面展開。2014年1月份,農業部印發了《特色農產品區域布局規劃(2013-2020)》。作為指導特色農業發展的綱領性文件,該規劃從專業角度對氣候、土壤與適宜作物等進行研究,并以政府信譽為區域特色產業的發展做擔保,有利于引導社會資金投入,從而使地方政府發展農業有了明確的指南, 在新一輪特色農業發展中起到了明顯的推動作用。此外,《特色農產品區域布局規劃(2013-2020年)》、《全國蔬菜產業發展規劃(2011-2020年)》等一批規劃相繼出臺。

                2. 重大成果

                農業資源遙感監測。2015年,歐洲空間數據基礎設施大會暨世界地理信息論壇宣布,由國家測繪地理信息局牽頭,中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所等單位參與完成的30米分辨率全球地表覆蓋遙感制圖項目榮獲“2015年世界地理信息技術創新獎”。這是對近年來我國測繪地理信息科技創新成就的充分肯定,將進一步推動全球地表覆蓋數據的廣泛深入應用。該項目于2015年1月31日入選了2014年中國十大科技進展新聞之一。30米分辨率全球地表覆蓋遙感制圖項目研建了地表覆蓋數據生產的質量控制技術體系,成功生產出世界首套全球2000年度和2010年度兩個基準年的30米分辨率全球地表覆蓋數據。該數據被國際同行評價為“對地觀測與地理信息共享領域的里程碑成就”,目前已有近90個國家的2000多名用戶使用這一重要科學數據,廣泛應用于氣候變化研究、生態環境評估、自然災害防治、可持續發展規劃以及地理教學等領域。

                農業土壤資源。近年來,深入研究的土壤形成演變規律、土壤養分時空分布特征等問題,為改善和提高農業土壤資源質量和利用效率提供了理論和技術基礎。提高作物營養資源利用效率的根際調控機理研究,獲得了國家自然科學獎2等獎。初步完成了覆蓋我國各主要農區的耕地質量評價指標體系,建立了適合我國不同地區農業特點的耕地質量培育技術模式和技術體系,特別是現代科學技術的滲透,促進了農業土壤學向模式化、數字化、智能化、準確化和網絡化邁進,有力地推動了農業土壤學的發展。

                2015年,中國科學院南京土壤研究所張佳寶主持的“黃淮地區農田地力提升與大面積均衡增產技術及其應用”項目獲得2014年度國家科學技術進步二等獎。該項目針對黃淮地區中低產田治理和高標準農田建設中所面臨的問題,最先研究了潮土質量及其演變規律,發現微堿性土壤因能中和化肥酸化,有效阻控了長期(平衡不過量)施用化肥引起的一系列土壤退化過程,修正了“長期施用化肥不能持續”的一概而論觀點;實現疊加求交劃分地力評價單元和多法耦聯的屬性賦值技術創新,突破了高分辨率壁壘,開發出了地塊級縣域耕地信息管理和地力評價系統;提出了土壤障礙因子分類消減法,對衍生性障礙類建立了標準化的長效控制現代共性技術,對屬性障礙類研制了個性靶向技術分別消減;研發了與地力培育協同的水肥高效與作物高產關鍵技術,提出了關鍵技術分層次集成、接力式推進、后臺信息高技術支撐前臺的創新思路,通過后臺高新技術服務,支持田間一體化精準操作,創建了既輕簡又現代化的中低產田“地力-產量雙跨越技術體系”,實現了大面積均衡增產增效。上述科研成果近3年累計推廣面積2.07億畝,新增糧食60.7億公斤,直接經濟效益為156.7億。

                農業水資源。圍繞自然降水資源有效利用、土壤水--作物水分高效利用,以及灌溉水高效利用和區域水資源高效利用等,開展了一系列的研究與應用 。把生物節水、工程節水和管理節水結合起來,對西北地區農業高效用水原理與技術進行創新研究,取得一系列成果,獲國家科技進步2等獎。節水灌溉新技術、新產品的研發速度明顯加快,低成本、高效的微灌、噴灌及移動式抗旱灌溉機具逐步走向市場,并在東北、西北地區大面積應用。新疆主要作物膜下滴灌技術由2001年的80萬畝發展到2005年的700多萬畝。棉花膜下滴灌與常規灌溉相比,膜下滴灌節水率能達到42%,水產比為0.85kg/m3,比常規灌溉的0.45kg/m3高0.4kg/m3,膜下滴灌玉米,節水22.24%,水產比比常規灌溉的0.87kg/m3高0.77kg/m3,是高產、高效的節水技術。高新技術在農業水資源現代化管理中的應用日益廣泛,3S技術的應用提升了農業水管理的現代化水平。農業水資源管理更加重視工程措施、農藝生物措施與管理措施的有機結合,并開始走向標準化、規范化、模式化、定量化和智能化。例外,“干旱內陸河流域生態的水資源配置理論與調控技術及其應用研究”課題組以黑河下游的民勤縣為基地,系統研究了干旱區內陸河流域水資源循環規律、作物需水過程及調控技術、生態植被需水及演變規律,在考慮區域生態用水需求的基礎上,以保證區域農業可持續發展為目標,提出了有限水資源的合理配置理論及調控技術,并在生產實踐中取得了顯著節水、增效、促生態的作用,2013年獲國家科技進步二等獎。

                (十)作物昆蟲病理

                作物昆蟲病理學在農學學科包括農業昆蟲學和植物病理學兩個分支學科,在農業領域主要研究農業害蟲及其天敵和植物病害。農作物病蟲害是影響農業生產可持續發展的重要制約因素之一。農業昆蟲學是研究農業害蟲(包括螨類)和益蟲的發生、發展規律及其防治策略和方法的科學。它是一門應用學科,有其獨特的理論基礎,它的目的是為了經濟簡便、安全有效地控制蟲害,避免農作物遭受損失。植物病理學是研究引起植物病害發生的各種生物和非生物因子、病原物和寄主之間的相互作用及其導致病害發生的機制和控制病害發生、減輕病害損失的一門科學。

                1. 研究進展

                (1)植物病害研究

                近兩年來,中國農業科學院植物保護研究所和棉花研究所等單位共同開展“棉花枯、黃萎病抗性鑒定技術創新與應用”項目研究工作。項目組成員通過多年聯合攻關,研究明確了我國棉花枯、黃萎病菌的分型和分布,建立了標準菌株資源庫及信息檔案;研究分析了棉花黃萎病抗性遺傳規律和防御機制,為抗病鑒定提供了理論依據;創立了抗枯、黃萎病鑒定國家標準;發明了黃萎病快速鑒定新方法;建立了規范化、標準化的棉花枯、黃萎病抗性評價技術體系。利用該技術體系準確鑒定評價出一批棉花品種(系)和資源材料的抗病性,推薦一批抗(耐)病品種通過國家或省級審定,并得到推廣,促成多個品種獲得國家獎。項目制定國家標準2項,獲得國家發明專利4項,植物新品種權1件,出版著作5部,發表論文48篇,其中SCI論文9篇。此外,公益性行業(農業)科研專項“西甜瓜種傳細菌性果斑病綜合防控技術研究與示范”項目、“作物細菌性病害防控技術研究與示范” 項目、“農田地下害蟲綜合防控技術研究與示范”和歐盟援助項目“湄公河次區域水稻害蟲綜合治理”等都取得了重要進展。

                (2)氣候變化對農業害蟲種群的影響

                中國農業科學院植物保護研究所馬春森研究團隊通過6年的潛心研究發現,全球氣候變化打破了農業害蟲群落原有的平衡,改變了害蟲群落物種間的相對優勢度,使優勢種(群落中具有最大密度、蓋度和生物量,對生境影響最大的物種)發生了演替,氣候變化正在改變農業害蟲群落的優勢種。研究結果以“極端溫度事件改變種群統計參數、相對適合度及群落結構”(Extreme temperature events alter demographic rates, relative fitness, and community structure)為題,于2015年5月發表在國際著名生態學和保護生物學雜志《全球變化生物學》(Global Change Biology)。

                此外,馬春森研究團隊以世界性蔬菜害蟲小菜蛾為模式系統,采用實驗模擬熱浪的方法,發現高齡幼蟲比早期幼蟲或其它發育階段具有更高的耐熱性;早期階段經歷高溫產生的效應可以傳遞到后期階段,熱浪的發生越接近成蟲階段,成蟲繁殖量減少得越多。盡管成蟲期只經歷為期一天的高溫沖擊不會立即造成小菜蛾大量死亡,對交配成功率和成蟲壽命也無不利影響,但可通過母代效應使后代孵化率下降20%。熱浪持續期延長常導致多個生命階段遭遇熱浪沖擊,研究發現不同階段間熱浪的影響并不相互獨立,且不是簡單的累加效應,體現了氣候變化對害蟲影響的復雜性。這些研究結果于近期發表在國際生態學雜志《Oecologia》和《Scientific Reports》、《PLoS ONE》。

                (3)環狀小RNA研究

                中國農業科學院植物保護研究所李世訪研究團隊與中國科學技術大學吳清發教授研究團隊合作, 在環狀小RNA研究方面取得了新的進展。他們在重新編寫計算機程序PFOR使其具有并行數據分析能力的基礎上,結合生物信息學和高通量測序(NGS)技術,從蘋果和葡萄中分離到兩種新的環狀小RNA,并分別驗證了它們的核酶活性和自我復制特性。相關研究結果于2014年12月11日以 “Discovery of replicating circular RNAs by RNA-Seq and computational algorithms” 為題在線發表在SCI頂尖核心期刊《PLoS Pathogens》上。

                (4)監測預警信息技術

                2015年,中國農業科學院植物保護研究所張澤華研究員完成了公益性行業(農業)科研專項“草原蟲害監測預警及防控技術研究與示范”。項目在草原蟲害種類與分布、害蟲發生規律、監測預警技術、重大害蟲的演變趨勢分析和風險評估、蟲害防控技術研究,以及技術集成與示范等方面開展了深入的研究,取得了具有自主產權的技術產品,制定了可操作性強的技術標準,形成了較為完善的防控技術體系,具有廣闊的應用前景;項目實施過程中,有效的控制了草原害蟲的危害,加快了草原生態恢復,減少了化學農藥的應用,提升了草原害蟲監測預警和防控技術水平,取得了明顯的經濟、社會和生態效益。

                (5)轉基因抗蟲作物

                國內科研人員闡明了種植Bt作物對農業生態系統的顯著生防功能。這是國際上首次從景觀生態學尺度對Bt作物生態服務功能和機制進行系統研究,對發展利用Bt植物可持續控制重大害蟲區域性災變的理論與方法有重要科學意義。論文2012年發表于《Nature》雜志;深入研究發現棉鈴蟲田間種群對Bt棉花的抗性基因存在遺傳多樣性,首次發現并證實非隱性抗性基因在Bt作物抗性演化中具有關鍵性作用。該論文2008年發表于Science雜志封面文章;成功破譯重大農業害蟲小菜蛾基因組,完全擁有自主知識產權,宣告世界上首個鱗翅目昆蟲原始類型基因組的完成,同時也是第一個世界性鱗翅目害蟲的基因組。研究論文2013年發表在《自然?遺傳學》雜志。

                2. 重大成果

                病蟲害防治研究。2015年,西藏自治區農牧科學院主持的“青藏高原青稞與牧草害蟲綠色防控技術研發及應用”獲得2014年度國家科技進步二等獎。獲獎成果針對青稞與牧草害蟲猖獗為害、農藥污染加劇的嚴峻形勢,以重要青稞和牧草害蟲為治理對象,研究揭示了主要害蟲的成災機理,創造并實施了青藏高原害蟲分區治理模式,將青藏高原農牧區劃分為生態穩定區、生態半脆弱區和生態脆弱區三大區域,集成并實施了“兩改兩用”的高原害蟲防控對策,研發出多項天敵擴繁與保護技術,優選應用數種高效防蟲生防制劑,凝煉了多項輕簡化實用措施,構建了青藏高原害蟲綠色防控技術體系,累計推廣應用6.6億畝,挽回產量損失54.7億公斤,直接經濟效益105.7億元,少用化學農藥7302.6噸(商品量),天敵種類和數量比項目實施前增長44%~56%。

                小麥條銹病菌源基地綜合治理技術研究取得重大創新,在大規模推廣應用中防病增產效果極其顯著。2009-2011年累計推廣應用23067.2萬畝,有效控制了條銹病的暴發流行,增收節支93.32億元。該成果獲2012年度國家科技進步一等獎。建立并優化了7種柑桔病毒類和檢疫類病害的分子快速檢測技術,創新了柑桔分子檢測微量取樣制備技術和柑桔莖尖脫毒微量快速評價技術。新建柑桔無病毒良種示范基地44萬畝,實現企業和農民增收15351萬元。該成果獲2012年度國家科技進步二等獎。

                害蟲抗藥性機制和治理技術。2015年,中國農業大學高希武教授主持的項目“生物靶標導向的農藥高效減量使用關鍵技術與應用”通過國家科技進步獎二等獎初評。該成果以生物靶標對藥劑敏感度變異以及抗藥性特點為導向,從有害生物抗藥性機制、藥劑聯合毒力作用、藥劑劑量調控以及克抗性藥劑研制與抗藥性治理等進行了系統研究,創新性地提出了“生物靶標導向”的克抗性藥劑研發的理念、闡明了其對重要病蟲草對農藥抗性的分子機制,解決了抗藥性治理分子靶標不清楚的問題;通過對23種有害生物對56種農藥抗性的系統研究,構建了克抗性治理技術體系。該成果共計獲得發明專利14項,發表文章160篇,培訓技術人員和農民60萬人次。該成果2012年獲得教育部科技進步一等獎。近三年相關技術和產品累計推廣面積達15249萬畝次,田間農藥使用量明顯減少,例如麥田除草和麥蚜防治農藥投入量減少30%-60%,累計增加經濟效益75.67億元。產生了重大的經濟和社會效益。

                雙生病毒致病機制。2015年,中國農業科學院植物保護研究所作物有害生物功能基因組研究創新團隊在雙生病毒功能基因組和致病機制方面取得新的研究進展,發現了雙生病毒基因組編碼的一個新基因AC5,并揭示了該基因在病毒致病過程中功能以及抑制植物轉錄水平和轉錄后水平基因沉默的新機制。這項研究成果近期發表于國際植物學領域權威期刊《New Phytologist》。同年,中國農業科學院植物保護研究所李世訪研究團隊與意大利病毒專家Francesco Di Serio及本所內相關病毒專家合作,繼美國和意大利從葡萄、柑橘兩大果樹中鑒定出雙生病毒之后,從蘋果中首次發現一種新的雙生病毒,并驗證了其生物活性和寄主范圍。相關研究結果于2015年5月1日發表在病毒學著名SCI雜志《Journal of General Virology》上。又從桑樹中首次發現一種新的雙生病毒。這是繼葡萄、柑橘和蘋果三大果樹中鑒定出雙生病毒之后,從果樹中發現的第四個雙生病毒。相關研究結果于2015年5月6日發表于《Journal of General Virology》。

                (十一)作物栽培

                作物栽培學是作物學科重要組成部分,研究作物生長發育、產量和品質形成規律及其與環境條件的關系,探索通過栽培管理、生長調控和優化決策等途徑,以實現作物高產、優質、高效及可持續發展的理論、方法與技術的科學。長期以來,我國作物栽培特別重視作物高產高效的研究,在產量形成與資源利用的研究規律基礎上,創新了一系列的關鍵技術與區域特色的技術體系,有效地保障的我國糧、棉、油的生產能力的提升。經過我國作物栽培學家幾十年的探索,作物栽培學形成了區別于其他農業基礎學科的具有自身規律的理論體系。特別是近年來我國農業生產正在向良種良法的結合,農機農藝的融合,生產生態的兼顧、高產與高效同步的現代農業技術發展中作物栽培起到了關鍵作用,體現出學科綜合性優勢。作物栽培學正在向機械規模化、信息精確化、可持續簡化、氣候變化適應性、抗逆穩產等技術的發展,為實現現代農業發揮了越來越重要的作用。

                1. 研究進展

                (1)作物生育過程中器官相關與肥水效應理論

                作物各器官生長發育具有一定的相關性,如營養生長與生殖生長的關系,地上部生長與地下部生長的關系,作物器官的同伸關系等。根據不同器官之間相關關系,創建了以器官相關與肥水效應為核心的葉齡促控的理論與技術,即以不同葉齡時期的肥水效應為依據,用主莖葉齡作為形態指標,制定因地制宜、因苗管理的相應促控措施。該理論在小麥葉齡指標促控法栽培管理技術上取得了顯著突破。

                (2)作物高產形成定量化理論

                提高作物產量是作物栽培學的重點任務,在高產和超高產產量目標下,研究作物產量提高過程“產量構成、光合性能、源庫關系”三個作物產量的理論特點和內在聯系,明確產量形成“源”、“庫”性能的數量向質量過渡規律,形成作物高產超高產理論體系。

                (3)作物營養高效平衡理論

                作物必需的各種養分同等重要,相互不可替代,缺乏任何一種元素作物都不能正常生長。作物產量受土壤中作物必需的某種有效養分含量相對最低的營養元素控制。所有養分都最優,產量可達最高,缺少一種養分否定了其它所有養分的價值,產量損失。平衡施肥的原理是在土壤養分狀況評價和測土推薦施肥中,綜合考慮各大、中、微量營養元素的缺素臨界指標,在提出作物施肥推薦時,根據土壤測試和吸附試驗結果、作物類型和產量目標等確定各營養元素的施肥量,形成一套完整的土壤養分綜合評價系統和平衡施肥推薦技術,促進作物的增產增收。

                (4)作物高產優質高效栽培技術

                作物栽培重要的特點是基于理論指導和關鍵技術創新,進行技術集成與示范。經過多年的研究,我國在不同的作物與不同的區域技術集成出了不同的技術模式,為各種作物的高產高效,增產增收起到了重要技術支撐作用。根據國家糧食豐產科技工程統計,在東北、黃淮海與長江中下游三大平原和玉米、小麥和水稻三大作物的豐產高效進行了技術集成與創新研究,組裝出180套具有地方區域特色的栽培技術體系,其中在長江中下游建立了湖南雙季稻、江西雙季稻、湖北雙單季稻、江蘇粳稻、四川盆地單季秈稻、安徽稻麥等豐產高效技術79套;黃淮海區域建立了河南。河北、山東冬小麥夏玉米周年豐產高效技術體系14套;在東北平原建立黑龍江、吉林、遼寧春玉米豐產高效技術體系35套。這些技術體系的集成為主產區生產能力的提升,確保糧食安全起到了積極的推動作用。

                (5)作物精準、簡化、高效栽培技術

                作物栽培定量化、精確化、數字化技術已成為作物生產和作物栽培科技發展的新方向。近年來,我國開展了精確定量栽培、數字化農作技術和作物生產信息化服務技術的研發,在作物生產管理中正在發揮重要作用。玉米創新了以產量性能動態為指導,以耕層與冠層優化為核心,構建了東北春玉米縮株增密化控高產技術體系、黃淮海麥茬條深旋直播密植高產技術體系,西北地膜大小行密植高產技術體系。在水稻明了土壤供氮量、目標產量需氮量與氮肥利用率3個關鍵參數的適宜值及確定方法,明確了基蘗肥與穗肥的精準比例,以及穗肥高效施用葉齡期,率先提出氮肥后移技術,并配套建立了以早擱田為特征的“淺、擱、濕”精確定量灌溉模式;進而創立了“三定量”的原理與方法,構建了“三適宜”為核心的水稻豐產精確定量栽培技術體系,使水稻生產管理“生育依模式、診斷有指標、調控按規范、措施能定量”,促進了我國水稻栽培技術由定性為主向精確定量的跨越。

                (6)生態安全、環境友好型作物栽培技術

                通過多種策略和技術途徑,科學合理保護、利用水肥資源,轉變農業生產方式,集成農田水肥一體精準化管理技術,探索出一條不犧牲糧食和環境資源代價之路,是實現作物栽培可持續發展的必然選擇。近年來,在科技支撐計劃支持下,開展了主要糧食作物豐產節水節肥技術集成與示范、玉米膜下滴灌節水高產高效技術,主要糧食作物高產栽培與資源高效利用的基礎研究等研究工作,集成作物豐產節水栽培模式10余套,制定技術規程1套,實現節水10%以上,節肥15%以上,提高肥水利用效率18%左右,增效100多億元。

                (7)作物機械規模化生產技術集成創新

                實現作物生產規模化和全程機械化,裝備研發農業裝備數字化、智能化以及綠色制造等核心技術,為糧食生產管理提供簡便適用、節本節能、大面積應用的機械化作業新機具及其配套技術,是實現作物增產的重要措施,是作物栽培可持續發展的重要途徑。近年來,在玉米、水稻、小麥等主要糧食作物相繼開展了機械化技術研究,如玉米條深旋精量播種一體化保全苗技術、適應玉米全程機械化作業的高產高效栽培技術、超高產夏玉米機械化高質量播種技術、油后中稻機播、機插配套技術體系研究、小麥、玉米周年壟作高產栽培技術等,集成機械化栽培技術多套,制定機械化生產技術規程。為推進我國作物機械規模化生產提供技術支撐。

                2. 重大成果

                超級稻高產栽培。2015年,中國農業科學院作物科學研究所朱德峰研究員主持完成的“超級稻高產栽培關鍵技術及區域化集成應用”榮獲2014年度國家科技進步二等獎。該項成果通過不同稻區、季別和類型的超級稻與普通水稻品種生長特性及產量形成比較研究,揭示了超級稻品種高產生長特性,明確了超級稻高產形成的共性規律;提出了超級稻高產生物學基礎是穩定前期物質生產量,提高拔節到抽穗及抽穗到成熟的物質生產量;明確了群體足夠總穎花量是超級稻高產形成的庫容基礎,研明了超級稻品種穗粒數與每穗一次枝梗數相關較小,而與每穗二次枝梗數相關密切,形成大穗主要依靠增加每穗二次枝梗數,上述觀點的闡明為超級稻高產栽培促進大穗形成提供了理論依據。2011-2013年本成果應用面積達11891萬畝,畝增產59.7公斤,增產稻谷640.0萬噸,實現增產增效116.5億元,通過節本增效實現節支20.9億元,累計增效137.4億元。

                玉米高產栽培。中國農業科學院作物科學研究所作物栽培與生理創新團隊長期開展玉米高產理論與技術研究,該團隊研究出增密增穗、促控兩條線,培育高質量抗倒群體,增加花后群體物質生產與高效分配為核心的高產栽培技術路線。2013年9月26-29日,由新疆生產建設兵團農業局和科技局組織,農業部玉米專家組對中國農業科學院作物科學研究所與石河子大學、兵團農六師農業局、農四師農業局、奇臺總場、71團合作開展的玉米高產研究與示范田進行了測產驗收。測產結果,設在奇臺總場八道灘社區一隊2斗3號地的30畝高產田,經實打實收,其中最高的1.3畝畝產達到1511.74公斤,再次刷新了全國玉米高產新紀錄,實現了單季畝產噸半糧的突破。

                數字農作。近兩年來,在作物栽培方案的定量設計、作物生長指標的光譜監測、作物生產力的模擬預測,以及相關的軟、硬件產品研發等得了顯著的進展,推動我國數字農作的發展。數字農業測控關鍵技術產品與系統研究在作物與環境信息傳感探測上,研究了農作物個體生命信息無損監測方法,研制了葉片/莖稈/果實等7種生命信息傳感器,開發了農作物營養、病害、水分脅迫等監測技術產品和診斷系統;提出了集光學傳感/農學模型于一體的作物群體生物量/葉面積指數、氮素/水分營養生理指標的監測方法,研制了小麥/水稻便攜式作物綜合長勢信息測定儀,可實現作物群體長勢信息的無損探測及診斷,填補了國內空白。

                (十二)耕作學與農作制度

                農作制度也稱耕作制度,是農業生產的基本性制度,指一個地區或生產單位作物種植制度以及與之相適應的養地制度的綜合技術體系,內容包括熟制、作物布局、種植方式、輪連作等種植制度,以及土壤耕作、地力培育、農田保護等養地制度。

                耕作制度有很強的地域性,其形成與發展取決于自然環境條件、社會經濟與科學技術水平,以及人類對農產品需要的變化。一個區域耕作制度合理與否,首先要看是否充分利用了當地的農業資源與生產、技術條件,區域比較優勢是否得到體現;其次,是否最大限度地提高經濟效益和農民收入,滿足社會經濟發展需求;第三,是否具有可持續發展能力,資源環境與生態能否保持良性循環。任何一個地區,隨著社會經濟環境變化、生產條件和科技水平提高,耕作制度都需要不斷調整和優化。

                作物種植制度與養地制度是耕作制度(耕作學)研究的重要內容。作物種植制度包括一個地區作物組成、配置、熟制與種植方式等內容,決定著區域農作物種植結構與布局、種植模式及生態經濟效益等,是促進農業增產增收的根本性措施和重要標志。農田養地制度是與種植制度相適應的以地力培育及保護為中心的技術體系。農田養地制度主要目的是為農作物生長發育提供所需的水、肥、氣、熱等生活因素,保證地力常新和作物持續高產。

                1.研究進展

                (1) 作物高產高效耕作模式研究

                高產高效耕作模式研究是農作制度研究中一項重要內容,對推進農業可持續發展具有重要意義。近年來,科研人員對東北玉米高產高效耕作模式、東北水稻高產高效耕作模式、華北冬小麥-夏玉米輪作高產高效耕作模式、長江中下游雙季稻高產高效耕作模式等進行了大量的研究。研究內容主要包括作物大面積高產高效的關鍵限制因子,大面積增和水肥增效的耕作栽培技術途徑,以及耕作栽培對作物高產高效關系的協調機制等。

                (2)農田固碳減排研究

                農田固碳減排的動態變化是全球的研究熱點,它對于正確評價農業產業對全球氣候變化的影響具有重要的意義。耕作措施是影響農田固碳減排的重要因素,密圍繞作物物高產與資源高效、耕作措施溫室氣體排放以及作物高產與土壤增碳等農作技術開展研究,積極探索作物生產系統低碳栽培耕作技術體系構建和推廣應用。目前,已經形成機械化秸稈還田與保護性耕作固碳技術、保護性耕作的配套栽培技術、化肥減量施用技術、優化灌溉技術等一系列成熟的技術,推動農業發展發展的轉變,障糧食安全、資源生態安全和增強農業綜合生產能力。

                (3)氣候變化對農作制度的影響研究

                氣候變化與氣候波動對種植制度和作物生產的可能影響已經引起了科學家的高度關注。近兩年,農業科研人員對我國氣候變化背景下氣候變暖對我國多熟種植北界和糧食產量的影響、對中國冬小麥種植北界影響、對東北三省玉米種植界限和產量的影響研究的基礎上,進一步研究節水節肥農作制、防災減災農作制,以及基于氣候變化脆弱性和適應性評估的農作制應對策略、種植制度調整優化。

                (4)保護性耕作研究進展

                當前國際上保護性耕作研究已經從單項技術的研究上升為一項系統工程的研究,更加注重技術的集成和綜合應用,逐步向保護性農業的研究發展。具體變化趨勢如下:一是由以研制少免耕機具為主向農藝農機結合并突出農藝措施的方向發展;二是由單純的土壤耕作技術向綜合性可持續技術方向發展;三是由單一作物、土壤耕作技術研究逐步向輪作、輪耕體系發展;四是由單純技術效益向長期效應及理論機制研究發展;五是由簡單粗放技術逐步向規范化、標準化方向發展;六是保護性耕作的環境效應及其應對氣候變化成為研究的熱點。

                (5)熟制與種植方式

                緊緊圍繞國家糧食安全與現代農業建設,針對不同區域特點和農作制發展存在的問題與需求,開展的作物高產高效耕作模式研究,取得了突出成果:一是雙季稻三熟區稻田多熟高效農作制模式與配套技術。從穩定南方雙季稻種植和開發利用南方冬閑田出發,重點研究示范“早晚雙季超級稻—冬季作物”三熟制高產高效關鍵技術與配套技術體系,有效集成保護性耕作技術、土壤養分優化管理技術、輕型栽培耕作技術、機械化作業技術等。二是麥-稻兩熟區高產高效及環保農作制模式與配套技術研究。重點針對長江下游麥稻兩熟區農田集約化、專業化、規模化及環境污染嚴重等突出問題,研究示范水稻—小麥全程機械化模式及周年高產技術、水稻—油菜和水稻—蔬菜高產優質及機械化生產技術、集約農田污染控制種植模式及關鍵技術。三是麥-玉兩熟區節本高效農作制模式及配套技術研究。重點針對黃淮海平原小麥-玉米兩熟周年高產與水、肥資源高效利用關鍵技術進行研究示范,有效集成品種優化搭配、一體化水肥高效運籌、全程機械化栽培管理及秸稈還田保護性耕作等技術,建立小麥玉米一體化高產高效機械化生產模式與配套技術。四是華南地區多熟高效農作制模式及配套技術研究與示范。針對華南地區外向型農業發達,以及傳統雙季稻區冬春閑田多和長期蔬菜產區夏閑田多等問題,重點研究示范糧-菜輪作、糧食-香蕉輪作及冬閑田高效利用的多熟農作制模式及關鍵技術。

                2.重大成果

                玉米高產高效耕作模式研究。最近幾年,中國農業科學院作物科學研究所張衛建研究員主持開展了國家重大基礎研究計劃(973項目) “春玉米密植高產與水熱高效的協調機制與途徑”的研究工作。研究團隊在我國東北開展了一系列高產高效耕作栽培的區域聯網試驗研究,明確了影響東北玉米大面積高產高效的關鍵限制因子,闡明了大面積增產15%和水肥增效20%的耕作栽培技術途徑,揭示了耕作栽培對密植群體地上地下關系的協調機制,取得了豐碩的研究成果,理論研究上,在國內外核心期刊上發表了91篇論文,其中SCI/EI收錄26篇,并出版專著12部;技術途徑探索上,頒布了6項技術規程,獲得了2項發明專利,相關成果獲得省級科技進步獎5項。研制的“一增二改三防”(科學增加密度,改春整地為秋整地和夏深松,改“一炮轟”施肥為配方分次深施,構建防倒防衰防病的健康群體)的耕作栽培模式,通過多年多點的大面積試驗示范,取得了單產平均遞增18.6%、水熱增效18.6%、氮肥增效36.6%的顯著效果,新模式正在東北玉米主產區大面積推廣應用。

                2012年2月,中國農業科學院作物科學研究所李少昆主持的“玉米高產高效生產理論及技術體系研究與應用”項目,榮獲國家科技進步二等獎。獲獎項目構建了玉米產量差(潛力)模型,明確了我國主要生態區玉米高產潛力突破和大面積高產高效生產的主要制約因素及技術優先序,提出了增穗、增加花后物質生產與高效分配的高產突破途徑與關鍵技術,建立了13套適應不同生態區域的玉米高產高效生產技術體系,發布實施地方標準9部,10項技術模式被遴選為農業部主推技術,創造了一批玉米高產紀錄。

                小麥優質高產綜合技術集成模式。中國農科院作物科學研究所承擔的“小麥優質高產綜合技術集成與高效生產模式研究”項目取得顯著成果。“小麥優質高產綜合技術集成與高效生產模式研究”分別在山東、河南、河北、江蘇和安徽等地建立示范片15個,其中萬畝區1個、千畝片4個、百畝方10個,集成示范中國農科院相關研究所研發的新品種、新肥料、新技術等一系列科研成果。新鄉市延津縣和新鄉縣的兩個千畝片,通過將優良品種“輪選988”和“中麥895”與新型肥料、測土配方施肥、節水栽培、墑情監測、病蟲草害綜合防治等技術成果集成應用,取得了良好的增產效果。經當地農業技術管理部門測產,兩個示范片平均畝產分別為629.2公斤和600.2公斤,預計增產10%以上。

                麥茬夏大豆免耕覆秸精量播種技術。近年來,中國農業科學院作物科學研究所開發了“麥茬免耕覆秸精量播種技術”。“麥茬免耕覆秸精量播種技術”是黃淮海夏大豆綠色增產增效技術模式示范的首要核心技術。該技術及其機具由國家大豆產業技術體系專家歷經8年的探索研究和聯合攻關研發成功,有效解決了長期困擾黃淮海地區農業生產的麥秸處理難題,不僅帶來了顯著的生態社會效益,而且產生了明顯的經濟效益。研究表明,應用該技術可產生蓄水保墑、減少化肥與農藥用量、培肥土壤的作用,實現苗早、苗齊、苗勻、苗壯,同時由于該技術一次作業即可完成全部作業環節,大幅度減少了人工和動力投入,大豆種植效益明顯提高。據測算,應用該技術可使大豆畝均增產15-20公斤,增效70-140元。從2012年起,該技術被農業部推介為主推技術,在山東、河南、河北、江蘇、安徽等夏大豆主產區進行全面示范推廣。

                節能減排稻作模式及豐產栽培技術。中國農業科學院作物科學研究所主持的“江淮稻區節能減排稻作模式及豐產栽培技術研究與示范”課題取得重要進展。課題團隊集成創新耕作模式與栽培技術,初步形成了以秸稈覆蓋全量還田、土壤條帶旋耕、機械化旱直播、化肥定位深施、浸潤灌溉和病蟲草害綜合防治為關鍵技術的耕作栽培技術體系,研制成功了秸稈全量還田下稻田少耕、旱直播和深施肥的一體化作業及配套開溝機具2套;新型耕作模式下,水稻根系健壯,抗倒防衰;水稻畝產550-600公斤,與當地常規高產稻作模式的單產持平,但節能20%以上,節本60-100元/畝,CH4的理論減排量30%以上。

                三、學科發展的基本特點

                基礎農學學科是認識與農業有關的自然現象、揭示農業客觀規律及其原理,研究農業生產體系中的自然現象及其現象本質的學科。其目的是為充分開發利用和保護農業自然資源,協調作物與環境之間的關系,防止有害生物和不良環境對農業的破壞,以期獲得農業生產最佳組合,提高農產品產量和品質及其生產效率,促進高產、優質、高效、生態、安全農業的發展,有效保障國家食物安全、生態安全,持續增加農民收入,提高農產品的國際競爭力。

                基礎農學學科概念是一個綜合、動態、發展的概念,隨著經濟和科學技術的快速發展,在不同歷史時期有著不同的內涵。人類生產、生活實踐,催生了基礎農學的形成與發展。進入21世紀以來,隨著新一輪科技革命和產業變革的孕育興起,一些重要科學問題和關鍵技術、核心技術呈現出革命性突破的先兆,帶動了現代科學技術交叉融合、綜合發展,變革突破的能量正在不斷積累,成為推動基礎農學創新發展的強大潛力。基礎科學對基礎農學滲透日趨明顯,不斷產生新的邊緣學科、交叉學科和綜合學科,帶動了基礎農學學科的快速進展;同時,基礎農學研究與農業科技和生產結合越來越密切,正在走向一體化、集成化和綜合化,加速了農業持續發展和新興產業升級。

                基礎農學研究向微觀和宏觀兩個方向發展,既結合又促進,加快了科研進展與突破;基礎農學研究借助現代實驗工具和理論方法,實現了試驗研究手段的現代化;基礎農學研究國際間競爭與合作、交流與限制并存,形成了十分復雜的態勢。隨著基礎農學研究驅動創新發展及其成果轉移、轉化與推廣,必將在新一輪科技革命浪潮中為解決全球人口高峰期的食物安全問題做出重要貢獻。

                四、未來發展趨勢和展望

                目前,隨著我國基礎農學學科及分支學科(領域)的快速發展,已初步形成了門類比較齊全的學科體系,并產生了相關的新理論、新方法、新技術,涌現出一些新思路、新觀點、新亮點,在一些領域接近或達到世界先進水平。但是,從基礎農學學科研究整體水平來看,我國同歐美發達國家比較還有較大差距。

                面向未來,我國基礎農學學科呈現出新的快速驅動創新發展之勢,其主要表現:作為社會基礎性、公益性事業,國家公共財政投入大幅增加;微觀與宏觀研究結合,加快了科研進展與新的突破;現代生物技術、信息化技術等將成為現代農業新的生長點;研究成果轉移、轉化與推廣速度明顯提升,推動現代農業可持續發展;國際間的合作與交流進一步得到加強等。

                我們要在“自主創新,重點跨越,支撐發展,引領未來”方針指引下,通過深化科研體制改革,培養精干、高效的創新隊伍,加快重點實驗室和基地平臺建設,積極推進國際間雙邊和多邊的交流與合作,創造有利于基礎農學研究持續穩定發展的社會環境等政策措施,實現跨越式發展,為我國現代農業和社會主義新農村建設奠定堅實的技術基礎。

                撰稿人:許世衛、鄒瑞蒼、信乃詮、周向陽

                [1]文中所引資料來自于中國農業科學院各所網站、科技部網站以及相關機構網站。

                

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