“十三五”十大农业科技标志性成果

(来源:农民日报 发稿时间:2020-11-27 阅读次数:109)

 

 编者按:实现乡村全面振兴和农业农村现代化,科技是根本性决定性力量。“十三五”期间,我国农业现代化建设取得明显进展,粮食实现历史性“十六连丰”,果菜茶肉蛋鱼等产量稳居世界第一,这其中科技发挥了重要的支撑保障作用。

回顾“十三五”,我国农业科技基础前沿研究取得一系列重大突破,推动农业产业发生一系列重大变革,对农业农村经济社会发展做出一系列重大贡献。农业农村部从2018、2019年公开发布的中国农业科学重大进展、中国农业农村重大新技术新产品新装备、十大引领性技术以及获得国家科技奖励一、二等奖的成果中,遴选出了10项重大标志性成果,让我们一睹为快。

水稻基因组学研究及应用国际领先

进入二十一世纪,随着全球化、市场化农业产业发展和全球贸易一体化格局的逐步形成,我国种业正面临前所未有的严峻挑战,主要表现在:依靠传统育种技术难以大幅度提高粮食单产;土地资源短缺、农业环境污染日益突出;种质资源发掘、基因组育种技术亟需创新等。水稻不仅是重要的粮食作物,由于其基因组较小且与其他禾本科作物基因组存在共线性,以及具有成熟的高效遗传转化体系,已成为作物功能基因组研究的模式植物。水稻功能基因组研究的成果将辐射和带动其他作物功能基因组研究,引领作物现代育种的技术前沿。

我国通过连续四个“五年科技计划”设置重大专项资助水稻功能基因组研究,业已建成较为完备的功能基因组研究平台,包括大型的突变体资源、全长cDNA文库、全基因组表达谱芯片、高密度基因型图谱关联分析、高通量表型组、代谢组及全球首张高密度育种芯片等研究与应用平台。2016年启动的国家重点研发计划“水稻功能基因组研究与应用”项目进一步拓展功能基因组研究平台,重点剖析重要农艺性状形成的分子调控网络,并将其应用于水稻品种的分子遗传改良,主要研究成果包括:水稻重要农艺性状形成的分子网络解析;水稻生物信息分析平台的完善;水稻高分辨率三维基因组图谱的绘制;种质资源创新及基因组育种芯片的研发。

回顾我国水稻功能基因组研究历程,我国水稻功能基因组研究领域全面布局,绘制了多个代表性水稻品种的基因组精细图谱,完成超过5000份水稻品种的变异组图谱,在水稻功能基因组技术、资源与信息平台的构建,重要基因的分离克隆和功能鉴定,产量、品质、抗逆、营养高效等重要农艺性状的功能基因组等方面取得了一批显著的成果。相关研究成果发表在国际最高水平的学术刊物上,提升了我国种业创新能力以及与国际种业巨头竞争的实力,确立了我国水稻功能基因组研究整体水平的国际领先地位。

H7N9禽流感疫苗研发成功并大规模应用

2013年3月至2017年9月,H7N9病毒在我国连续引起五波次人流感疫情,对人类健康构成严重威胁。在每一波人H7N9疫情中,人们因为恐惧而拒绝食用禽肉及禽蛋,致使大量禽产品被销毁,每年给养禽业造成600亿元至800亿元人民币的经济损失,严重阻碍养禽业发展。中国农业科学院哈尔滨兽医研究所陈化兰院士研究团队紧紧围绕H7N9病毒防控的国家重大需求开展持续研究,在科学认知和防控H7N9病毒中取得了一系列原创发现和重大成果。

2013年春季,我国出现人感染H7N9病毒并死亡的公共卫生事件后,陈化兰院士研究团队依托国家禽流感参考实验室研究平台,立即在家禽中深入开展H7N9病毒的溯源工作,进一步研究发现,新出现的高致病性H7N9病毒进化迅速,通过基因重组产生多种基因型病毒,使部分毒株对鸭和哺乳动物致病力增强,更重要的是该病毒在人体内复制后可突变为对人高度致死、且有可能高效传播的病毒,对公共卫生蕴藏更大风险。这些原创发现为从家禽源头彻底控制人H7N9流感疫情的提供了科学依据。

为有效从家禽源头控制H7N9病毒,中国农业科学院哈尔滨兽医研究所陈化兰院士团队利用成熟的疫苗研发平台,及时创制出重组禽流感病毒(H5+H7)二价灭活疫苗(H5N1Re-8株+H7N9H7-Re1株)。并开始在我国10家高致病性禽流感疫苗定点生产企业转化生产和应用,获得国家一类新兽药证书一项,相关产品近三年累计生产销售171.58亿毫升,销售收入33.25亿元,累计在家禽中应用363亿羽份。

疫苗在家禽中应用后,极大地降低了H7N9病毒在家禽中的流行和传播,更重要的是,疫苗的应用在阻断人感染H7N9病毒中发挥了“立竿见影”的效果。完全消除了人们对人H7N9疫情的担忧,禽蛋产品消费信心恢复,每年为养禽业挽回600~800亿的经济损失,产生巨大的社会经济效益,取得了举世瞩目的防疫成就。我国H7N9流感的成功防控已成为从动物源头控制人兽共患传染病的典范。该项成果入选2019中国农业科学重大进展。

猪病毒性腹泻三联活疫苗研发成功并应用

我国是世界第一养猪大国和猪肉消费第一大国。“粮猪安天下”,生猪产业事关国计民生。猪传染性胃肠炎病毒、猪流行性腹泻病毒和猪轮状病毒感染是哺乳仔猪死亡的“第一杀手”,尤其是7日龄以内仔猪感染后死亡率可高达100%,每年经济损失超过100亿元。

我国科研人员历经12年科学攻关,发明了我国首个安全、高效的猪传染性胃肠炎、猪流行性腹泻、猪轮状病毒三联活疫苗(以下简称猪病毒性腹泻三联活疫苗),填补了我国无猪轮状病毒疫苗及猪病毒性腹泻联苗可用的空白,实现了一针同时预防三种重大疫病的“一箭三雕”效果。该疫苗对所有猪只均安全,可用于所有猪只的免疫,具有针对性强(针对混合感染及猪轮状病毒优势基因型G5型)、免疫效果好和适用范围广的优点,对单一感染与混合感染均有效。该疫苗于2014年获得国家二类新兽药注册证书,为国内率先创制成功,是目前我国唯一预防三种病毒混合感染及猪轮状病毒感染的疫苗,同时也是世界上仅有的两个三联活疫苗之一。该产品累计推广应用超过6000余万头母猪,为我国生猪产业健康发展做出了重要贡献。

建立了猪病毒性腹泻分子流行病学研究技术平台,明确了我国猪只腹泻的主要病原及其混合感染情况,确定了猪轮状病毒流行毒株的优势基因型,为疫苗候选株的筛选及疫苗研发策略提供了强有力的科学依据。创立了独特的猪腹泻病毒致弱技术体系,通过筛选敏感传代细胞系,确定了病毒分离用最佳细胞系,成功解决了猪腹泻病毒难以适应细胞的难题。在病毒体外传代致弱过程中结合5-6次固相病毒蚀斑克隆,优选出了安全且免疫原性好的克隆株,并通过未吃初乳仔猪交替传代保持弱毒株良好免疫原性,解决了传代致弱过程中弱毒株免疫原性减弱或丧失的关键问题。解析了三种病毒强、弱毒株的全基因组序列,发现了猪传染性胃肠炎病毒和猪流行性腹泻病毒强、弱毒株具有独特的分子标记,为强、弱毒株的鉴别诊断提供了科学依据。

玉米籽粒机收新品种及配套技术体系集成应用

攻克了宜机收品种选育、收获时籽粒破碎率高等技术难题,集成了从病虫害防治到专用联合收获机械的综合解决方案,使我国玉米籽粒机收新品种推广面积从“十二五”末的零星起步,发展到2019年的2000多万亩,实现了育种目标和生产方式的变革。2018年至今,“玉米籽粒低破碎机械直收技术”连续三年作为全国十大引领性农业技术,经过持续联合攻关、技术集成和示范推广,取得了显著效果。

配“三良”。良种、良技和良机是玉米籽粒机收的三大支柱,是良种良法结合、农机农艺配套的具体体现。选育了京农科728、郑源玉432等耐密、抗倒、适应籽粒机械收获的玉米品种32个。科学施肥、化控降高、防控病虫。围绕破碎率低,不跑粮的要求,研发适合玉米籽粒收获的机型。提“三度”。提高种植密度、出苗整齐度和籽粒成熟度是提高玉米产量和实施玉米籽粒机收的主要途径。开展最适种植密度、种植模式和行间距的理论研究和试验示范,不断实现增密高产。在增加密度的前提下,株高、穗位高、穗长、穗粗、穗行数、行粒数等整齐度不断提高,同时对种子质量和播种质量要求更高,玉米田间整齐度不断提高。筛选应用早熟脱水快品种,配套玉米适时晚收技术,延长灌浆时间,增加光照和日晒时间,不断提高玉米田间成熟度。降“三率”。降低玉米籽粒含水率、机收破碎率和田间损失率是玉米收获效率和质量的必要条件。通过品种选育和农艺措施,收获时籽粒含水率明显降低。通过改变收获机械滚筒脱粒元件和凹板结构、降低滚筒转速等措施实现柔性脱水,破碎率进一步降低。根据横轴流和纵轴流两种不同形式和作业条件变化,不断加强机具选型和改进熟化,规范技术参数,降低收获损失率。

2019年我国玉米机械粒收技术推广面积达到2095.9万亩。玉米籽粒低破碎机收比果穗机收节约成本15%,降低粮损6%左右,提升品质等级1级以上,亩节本增效150元左右,相当于每斤降低成本0.1-0.15元。同时,将秸秆直接粉碎还田,有利于培肥地力,减少碳排放,具有巨大的生态价值。

油菜生产全程机械化取得重大进展

油菜是我国最主要和最具发展潜力的油料作物,发展绿色优质高效油菜产业是缓解日益紧张的食用油供给矛盾、保障国家食用油安全的迫切需要。“油菜全程机械化高产高效技术研究与示范”主要针对我国油菜机械化生产程度低和技术集成度差的瓶颈问题,在对品种、栽培、土肥、植保和机械等单项技术原始创新的基础上,再进行技术、产品和装备的集成创新和中试熟化,形成全程机械化高产高效技术模式,并向农业主管部门和农民进行示范推广,实现了油菜生产种、管、收的全程机械化和高产高效的目标。

以全程机械化高产高效为目标,进行一体化设计,力求品种、种管技术和农机装备三融合,在此基础上对品种、栽培、土肥、植保和机械等全生产链的各项关键技术进行重点攻关和突破;以全程机械化高产高效生产为核心进行链式集成创新,从播种、产中管理、收获等环节均实现机械化,为油菜全程机械化生产提供了全生产链的技术支撑;集成创新与展示示范相结合,提升对产业的实际影响力和带动力。

油菜全程机械化高产高效生产技术研究与示范一共集成了9项核心技术。即:土壤适墒管理技术。适宜机械化收获的油菜品种。密度调控技术。缓控释全营养一次施肥技术。联合机械播种技术。芽前封闭除草技术。“一促四防”技术。机械收获技术。秸秆(菌核)腐解技术。

为充分发挥体系对产业的技术支撑和引领作用,以“三高”(高产、高抗、高效)、“五化”(机械化、轻简化、集成化、规模化、标准化)为目标,油菜体系在全国主产区积极开展了可复制、可推广的油菜全程机械化高产高效生产模式创建和示范推广工作,推广面积累计超过1亿亩,节本增效300亿元以上。全国油菜耕种收综合机械化水平从2007年不足20%提高到2018年53.6%,油菜机械化作业性能指标达到国际先进水平。为我国油菜生产全面实现机械化奠定了良好的工作基础。

转基因玉米大豆新品种培育成功

玉米是我国重要的粮饲兼用作物,也是我国粮食安全的重要保障。虫害和草害严重危害了玉米的产量和品质,虫蛀玉米易受真菌侵染,产生的真菌毒素危害人畜健康,影响仓储质量。

2008年以来,我国转基因重大专项取得了重大进展,在抗虫耐除草剂玉米研发方面,培育了瑞丰125、DBN9936、DBN9858、2A-7、CM8101和CC-2等一批具有产业化前景的抗虫、耐除草剂转基因玉米。其中,瑞丰125、DBN9936、DBN9858已经获得生产应用安全证书,2A-7、CM8101和CC-2已经提交生产应用安全证书申请。专项后续还会有抗旱玉米、养分高效玉米等转基因玉米等一系列新产品问世,这些成果可以显著提高玉米产量和籽粒。

目前,我国生产中所用的是非转基因大豆,常常因除草剂的除草效果差、残留时间长,使大豆减产,并严重影响轮作倒茬,造成大豆生产成本高、经济效益低,影响了农民种植大豆的积极性。在转基因重大专项支持下,我国科研单位和种业公司通过创新大豆遗传转化技术,突破大豆转化难关,将自主产权基因分别转入大豆,在国内首次培育出高耐草甘膦除草剂大豆,中黄6106和SHZD3201获得生产应用安全证书,DBN-09004-6获得阿根廷种植许可。三个耐草甘膦转基因大豆分子特征明确,其应用及特异性检测已申请获得国内和国际专利。环境安全和食用安全评价结果表明,转基因大豆与非转基因大豆具有同等的安全性,环境风险可控。利用耐草甘膦转基因大豆与不同大豆生态区的主栽品种杂交和回交,培育出高耐草甘膦除草剂且综合性状优良的系列新品系,经过全国农技推广服务中心组织的第三方鉴定和多点综合农艺性状测试,筛选出可耐受4倍草甘膦且综合性状超过非转基因大豆国家区试对照的优良品系。这些新品系农艺性状突出,田间大面积展示效果良好,为国产耐除草剂转基因大豆产业奠定了坚实的物质基础。

超级稻亩产突破1000公斤

超级稻是指采用理想株型塑造与杂种优势利用相结合的技术路线等途径育成的产量潜力大、配套超高产栽培技术后比现有水稻品种在产量上有大幅度提高、并兼顾品质与抗性的水稻新品种。农业农村部对产量、品质、抗性及面积等均达到指标的品种确认为“超级稻”品种。全国水稻研究推广优势力量按照农业农村部部署要求,加强自主创新,强化联合协作,在超级稻育种理论方法创新、育种材料创制、重大品种培育、配套技术集成等方面取得了重大突破,江苏、浙江、湖南等地实现多年小面积亩产突破1000公斤。

品种选育取得新突破。挖掘了一批优质、抗病、高耐(冷、热、盐、旱、淹)、养分高效、籽粒低积累重金属与高富集有益元素等遗传调控新基因。创制了华占、春江12等一大批不育系、恢复系,选育了一大批产量高、品质好、抗性强、适应性广并在生产中大范围推广应用的超级稻新品种。

优质高产取得新进展。从品种特性选育和配套技术集成上发力,力求实现优质高产的协调统一。近年来新确认的超级稻品种优质率占比高达81%,品种优质化率得到全面提升,适口性进一步改善。

融合发展取得新成效。超级稻以品种为核心,强化栽培技术配套,与单项栽培技术、农机作业技术实现融合发展。研制了“水稻工厂化育秧精密播种流水线”等9大系列机具与成套设备,极大提高了超级稻生产全程机械化水平。

示范推广取得新跨越。截至2019年底,全国超级稻累计种植16.1亿亩,实现了超级稻的大跨越、大发展。2019年全国水稻单产470.6公斤,较2015年提高11.1公斤。与常规水稻品种相比,超级稻亩均增产66.3公斤,扣除种子、增加肥料、农药等的投入,亩均增收近150元,实现了增产增收的协调统一,对于引导水稻种植品种更新换代发挥了重要作用。超级稻成为农业科技自主创新的典范和协同攻关的标杆,为保障我国及世界粮食安全发挥了重要作用。“袁隆平杂交水稻创新团队”荣获2017年度国家科学技术进步奖——创新团队奖。

黄瓜番茄白菜等蔬菜基因组学研究利用国际领先

我国是世界上最早使用第二代测序技术开展蔬菜基因组研究的国家,中国农科院、北京农林科学院、中科院遗传所和华中农大等优势团队合作,先后绘制完成了黄瓜、番茄、西瓜、大白菜、甘蓝等蔬菜作物的全基因组序列图谱和变异图谱,在国际上处于领跑地位。在利用组学大数据挖掘重要农艺性状基因方面,我国也与世界先进处于同一水平,克隆了控制果实品质与调控、株型建成、开花时间、抗病抗逆等重要性状的上百个重要基因。

中国农业科学院黄三文团队是国际蔬菜基因组研究领域的领先团队,组织了多个蔬菜基因组的国际合作计划,绘制了第一个蔬菜作物-黄瓜的基因组图谱,发现了黄瓜、番茄和甜瓜等作物驯化和种群分化的遗传基础,奠定了国际蔬菜基因组研究的基础,确立了我国在这一领域的国际领先地位,为蔬菜育种创造了新理论框架和选择工具。通过大规模品尝实验、化学分析和基因组分析,发现了决定番茄风味的33种重要代谢物和49个关键遗传位点,为培育美味番茄提供了解决方案。共发表SCI论文100余篇,SCI他引1万余次,研究成果入选2017年、2018年中国农业科学重大进展。

中国农科院蔬菜所顾兴芳团队常年从事黄瓜育种工作,创制出聚合5-6个优质性状和抗5-10种病害的自交系12个;培育出新一代保护地、露地等不同生态型的突破性新品种8个。新品种在全国累计推广1187.9万亩,新增效益91.61亿元。为推动黄瓜育种技术变革和蔬菜产业发展做出了重要贡献。

华中农大叶志彪团队在国际上首次研发出原创性的分子标记22个,首创番茄高通量分子标记基因分型系统,建立了高效的番种质资源综合评价技术体系,创制新种质达572份。利用高效的分子标记辅助育种技术和创制的优异育种材料,育成了聚合多种抗性、品质优良的番茄新品种10个。育成的“华番12”是国际上首个兼抗青枯病和黄化曲叶病毒病的大果番茄品种。新品种累计推广面积1230万亩,新增产值165.7亿元,其中近3年推广面积768万亩,新增产值105.3亿元,经济、社会和生态效益显著。

寒地早粳稻优质高产多抗新品种国际领先

寒地早粳稻区是世界第一大粳稻区,水稻种植面积7000多万亩,约占全国粳稻面积的50%,亩产465公斤,总产3200多万吨,是我国重要商品粮基地,对保障国家粮食安全意义重大。然而该稻作区生态条件特殊,种植品种为寒地早粳稻生态型,存在着生育期短难创高产、稻瘟病和低温冷害频发难以稳产、优异种质资源匮乏、育种理论与技术体系不完善等问题,导致日本品种长时间占主导地位,严重威胁着我国的粮食安全。该项目组在国家863和省部重点计划支持下,从新品种选育、关键优异种质创新、育种理论探索与技术体系创建与完善等方面历经20多年研究,取得了突破性成果。

首次提出“寒地早粳稻早期繁茂多抗新株型”理论,创建完善了具有独特性的寒地早粳稻育种技术体系,解决了寒地早粳稻理论与技术体系不完善的问题,为寒地早粳稻育种开辟了一条新途径。提出“一早三抗”寒地早粳稻株型育种理论,创新出寒地早粳稻早期繁茂多抗新株型,在育种实践中发挥了关键性指导作用,引领了寒地早粳稻株型育种的航向;创新出“双态双层”花药培养技术,提高了花药培养力和育种选择效率;创新出“三增一减”产量选择技术,注重个体与群体的协调,使群体产量达到最大;创新抗病耐冷同圃鉴定的“二圃合一”抗逆性鉴定技术,提高了“双抗”材料鉴定的稳定性和准确性。创建完善了具有独特性的寒地早粳稻育种理论与技术体系,解决了寒地早粳稻育种理论与技术不完善问题,实现了高产与理想株型的结合,为寒地早粳稻育种开辟了一条新途径,对水稻遗传育种学科的发展起到了重要推动作用。

该项研究育成的品种在黑龙江、吉林、内蒙古、新疆等省(自治区)累计推广面积1.46亿亩,新增利润206.1亿元。该项目技术难度大、系统性强、创新性突出、社会经济效益巨大,达到国际同类研究领先水平,极大地推动了寒地早粳稻产业的发展,为提升粳稻育种水平、保障国家粮食安全做出了重大贡献。

冬小麦节水新品种与配套技术集成应用

华北麦区是我国小麦主产区,也是我国优质小麦的优势产区。华北麦区因气候干燥,水资源缺乏是小麦生产主要限制因素。2008-2009年冬春之交,华北、黄淮等地降水量较常年同期偏少7-9成,小麦受旱1.19亿亩,严重受旱麦田一片枯黄。深入调研发现,小麦品种变了、栽培技术变了、耕作机具变了,连麦季浇水也由过去的底墒水、越冬水、返青水、拔节水、开花水、灌浆水或麦黄水等6-7次,减少到只浇底墒水或越冬水、拔节水等2-3次。综合技术的变革不仅提升了小麦生产性能,也明显减轻了麦季干旱少雨的威胁。小麦体系育种专家培育出系列节水高效型品种,突破了优质品种不节水,节水品种不增产的技术难题。“冬小麦节水高产新品种选育方法及育成品种”,2011年获国家科技进步奖二等奖。

同一品种在不同栽培技术下的差异也很大,优良品种水分利用效率的实现需要节水栽培技术的配套应用。我国北方麦田节水栽培技术对水分利用效率的调控范围为1.2-2kg/m3。从理论上推算:在产量相同时,水分利用效率达到2的麦田比水分利用效率达到1.2的麦田可减少耗水40%;或者耗水量相同时,水分利用效率为2的麦田比水分利用效率达到1.2的麦田可增产66%。小麦体系栽培专家建立的“冬小麦节水省肥高产技术”和“西北旱地小麦蓄水保墒与监控施肥技术”,连年被农业农村部推荐为全国农业主推技术,为资源节约型小麦产业发展作出了重要贡献。

从多年生产实践看,现有节水品种和节水栽培技术的综合推广应用比传统小麦生产节省灌溉水10%-30%,平均每亩约减少灌水38m3,并维持稳产、节水、增效。当前,小麦体系栽培专家进一步针对华北地下水超采综合治理的技术需求,深化节水技术机理研究,将季节性休耕与生育期休灌相结合,挖掘麦田种植系统的抗旱节水潜力,以科技进步支撑节水小麦生产的高效持续发展。

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