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關(guān)鍵詞:國內(nèi)國外;水稻育種;研究現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢
中圖分類號(hào):S511 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
1 前言
無論是在發(fā)達(dá)國家,還是在發(fā)展中國家,糧食安全問題一直是一個(gè)國家安全的威脅,可以說糧食安全問題不再是一個(gè)地區(qū)或一個(gè)國家的問題,而是全球的一個(gè)重要問題。針對糧食因素,一些國家已經(jīng)付諸實(shí)踐仔細(xì)研究。如:日本,它是在20世紀(jì)80年代實(shí)行了超級(jí)稻育種計(jì)劃。而且我國也不甘落后,在1996年正式啟動(dòng)了水稻超高產(chǎn)育種項(xiàng)目。雖然我國相對其他國家而言起步較晚,但無論是應(yīng)用基礎(chǔ)研究還是育種實(shí)踐上都取得了重要進(jìn)步。因此,本文主要針對國內(nèi)和國外的水稻育種研究的現(xiàn)狀進(jìn)行簡要說明,以供有關(guān)人士參考。
2 國內(nèi)水稻研究現(xiàn)狀
近些年來,我國水稻育種業(yè)有了較大的進(jìn)步,雖然不能同發(fā)達(dá)國家相比,但在第3世界中已經(jīng)處于領(lǐng)先地位。分別體現(xiàn)在:
2.1 我國水稻研究項(xiàng)目
我國在1996年實(shí)行了中國超級(jí)稻研究的重大項(xiàng)目,這項(xiàng)計(jì)劃為期10a。
2.2 我國常規(guī)稻的超高產(chǎn)育
這種育種方法主要是在矮化、從化育種的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)施的,因?yàn)榘玳L水稻的特點(diǎn)是能夠較早的長出較大、較厚、較長的葉片,提高了葉面積指數(shù),這樣利于營養(yǎng)物質(zhì)的大量合成和儲(chǔ)存。本著這種思想,專家們育出了一批理想的品種。
雜交水稻的育種主要有袁隆平提出,這種育種方法分為一系、二系、三系。三系法具有品種間雜種的優(yōu)勢,二系法具有亞種間雜種的優(yōu)勢,一系法具有邊緣雜種的優(yōu)勢。這3種方法優(yōu)勢的利用使育種取得了良好的效果,并培育出一部分新品種,取得了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。
3 國外水稻研究現(xiàn)狀
隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的加快,水稻育種業(yè)全面發(fā)展,并且逐步向全球化、產(chǎn)業(yè)化、高技術(shù)化邁進(jìn)。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)國家:
3.1 美國育種技術(shù)
目前,美國使用轉(zhuǎn)基因技術(shù)進(jìn)行育種,并且這種技術(shù)由美國主宰。轉(zhuǎn)基因技術(shù)打破了傳統(tǒng)的育種方法,并且有望實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)、特用專用、高產(chǎn)量、多用途,以及目標(biāo)育種和定向育種。這種技術(shù)在玉米和大豆上的使用最引人注目,組成了轉(zhuǎn)基因玉米和大豆育種。
3.2 日本育種技術(shù)
1981年,日本實(shí)行了超高產(chǎn)育種計(jì)劃,這個(gè)計(jì)劃歷時(shí)15a,全稱超高產(chǎn)水稻開發(fā)及栽培技術(shù)的確立。
3.2.1 育種計(jì)劃的目標(biāo)
超高產(chǎn)育種技術(shù)的目標(biāo)是培育、選育產(chǎn)量潛力高的品種為主,輔之相應(yīng)的栽培技術(shù),以及選育抗寒、抗倒伏早熟高產(chǎn)的品種。
3.2.2 育種計(jì)劃存在的缺陷
雖然超高產(chǎn)育種計(jì)劃育出的品種產(chǎn)量高,但是品質(zhì)較差,因此使品種的商品價(jià)值較低。日本在這次超高產(chǎn)育種計(jì)劃方面沒有取得進(jìn)步,最終放棄了高產(chǎn)育種計(jì)劃,重新回到了實(shí)用性品種的選育上。
3.3 國際水稻所育種技術(shù)
國家水稻研究簡稱IRRI,在20世紀(jì)80年代后期實(shí)行了新株型育種計(jì)劃,全稱新株型的超高產(chǎn)育種計(jì)劃。這個(gè)計(jì)劃的特點(diǎn)是水稻所的育種、生理、栽培等學(xué)科的科學(xué)家根據(jù)水稻形態(tài)、生理、物質(zhì)生產(chǎn)等與產(chǎn)量的關(guān)系進(jìn)行研究。
3.3.1育種計(jì)劃的目標(biāo)
這種育種計(jì)劃的目標(biāo)是新株型分蘗少,適宜直播可以移栽,不但具備發(fā)達(dá)的根系,而且能更有效地從土壤中吸收養(yǎng)分。對于品種的要求是株高90~100cm,生育期100~130d,每株200~250粒。莖稈要堅(jiān)硬,葉片挺而厚,葉色深綠。品種的加工品質(zhì)好,而且還能抗多種病蟲。
3.3.2育種計(jì)劃存在的缺陷
新株型的超高產(chǎn)育種計(jì)劃雖然取得了一定的進(jìn)步,完成了一批新株型,蕙系比較大,但這些新品系、新株型卻沒有完全穩(wěn)定,而且結(jié)實(shí)率低,籽粒不飽滿,抗性弱。
4 國內(nèi)雜交水稻育種技術(shù)發(fā)展趨勢
近些年來,隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,我國水稻育種技術(shù)已經(jīng)取得了重大的進(jìn)展,其中要數(shù)雜交水稻育種技術(shù)效果顯著。
我國雜交水稻的研制成功使我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展取得了重大進(jìn)展。這主要體現(xiàn)在水稻單產(chǎn)的大幅度提高以及創(chuàng)造了巨大了社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。而且為我國糧食供需平衡做出了重大貢獻(xiàn),同時(shí)也推動(dòng)了其他國家雜交水稻的研究與發(fā)展。今后,這種技術(shù)將更好的發(fā)展下去,并且會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大推廣面積。
5 國外水稻育種技術(shù)發(fā)展趨勢
目前國外水稻育種技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)步,主要采用的技術(shù)是雜交育種等常規(guī)技術(shù)。但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步,近20a來,各國正在采用基因工程等生物技術(shù)研究水稻的育種。本文主要以日本為例進(jìn)行說明。
5.1國際水稻育種技術(shù)的目標(biāo)
國際水稻育種技術(shù)的目標(biāo)是提出理想的新株型育種技術(shù),培育出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗性強(qiáng)的水稻新品種。
5.2日本水稻育種技術(shù)的發(fā)展趨勢
日本所采用的技術(shù)是轉(zhuǎn)基因技術(shù),轉(zhuǎn)基因技術(shù)具有可將水稻中所不具有的外源基因?qū)胨?,不但可以彌補(bǔ)遺傳資源的不足,還可以豐富基因庫,促進(jìn)水稻育種的發(fā)展。近些年來,日本在水稻育種技術(shù)上有新的突破,利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)使水稻的光合作用能力增強(qiáng)了10%,同時(shí)也提高了水稻的營養(yǎng)價(jià)值。
6 結(jié)語
目前,國內(nèi)外在水稻育種方面均取得了較大的進(jìn)步,采用的技術(shù)有生物技術(shù)、轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)、電子信息、輻射育種、航天育種,其中生物技術(shù)在國際上充分顯示了巨大的生命力。這些技術(shù)的應(yīng)用,不但給水稻育種帶來重大的突破,而且會(huì)培育出質(zhì)量更優(yōu)、產(chǎn)量更高、更適應(yīng)人類的新品種。
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中國種業(yè)難題
本來已經(jīng)在世界植物學(xué)界基礎(chǔ)研究領(lǐng)域頗有建樹,40歲就可以在美國耶魯大學(xué)終身冠名教授的光環(huán)下,安享各種榮譽(yù)的鄧興旺,身上一直有種緊迫感。他原以為那只是自己從湘西大山走出去的沖動(dòng),或者是在北大不斷超越原有知識(shí)極限的充實(shí)感,甚至是在美國得到青年總統(tǒng)獎(jiǎng)和生物學(xué)界最高獎(jiǎng)時(shí)的激昂,但最終他發(fā)現(xiàn),都不是。父母1998年到美國探親時(shí)的簡單問題:你究竟在做些什么?讓鄧興旺猛地回想起自己求學(xué)的初衷――是那些因幾分之差終生在大山深處勞作的同鄉(xiāng),那些為提高單產(chǎn)不得不用肥用命,眼見兒女遠(yuǎn)離、山川被污染束手無策的父老鄉(xiāng)親們,在內(nèi)心深處支持著他一直勇往直前?!霸詾榭梢浴Τ擅汀膶W(xué)術(shù)修養(yǎng),究竟能為生養(yǎng)自己的父老鄉(xiāng)親、為培養(yǎng)自己的祖國做些什么實(shí)實(shí)在在的事?”帶著這樣的疑問鄧興旺從2000年開始往返于中美之間,尋找答案。
而2000年前后,也是中國種業(yè)大發(fā)展、大困惑、大變革的年代,1999年6月,以袁隆平的科研團(tuán)隊(duì)為班底成立了袁隆平農(nóng)業(yè)高科技股份有限公司,并于2000年在國內(nèi)A股上市,而素有緊湊型玉米之父的李登海也在2000年成立了山東登海種業(yè)股份有限公司,最終在2005年國內(nèi)A股上市,中國的種業(yè)開始改變了研究院所――國家推廣的計(jì)劃經(jīng)濟(jì)形態(tài),逐步與市場接軌。種業(yè)發(fā)展的結(jié)果,是我國用世界9%的耕地解決了世界21%人口的吃飯問題,對世界糧食安全做出了重大貢獻(xiàn)。我國糧食生產(chǎn)連續(xù)跨越3億、4億、5億噸臺(tái)階,糧食、棉花、油料、蔬菜、水果、肉類、禽蛋和水產(chǎn)品等主要農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量,連續(xù)多年位居世界第一。
經(jīng)過了30多年的發(fā)展,我國現(xiàn)有8700多家種子企業(yè),種子零售商超過10萬家。但是,前20強(qiáng)種子企業(yè)銷售額的總和僅相當(dāng)于美國孟山都公司銷售額的22%。種子研發(fā)力量分散、規(guī)模有限,導(dǎo)致重復(fù)研究,資源浪費(fèi)。而且在8700多家種子企業(yè)中,育繁推銷一體化企業(yè)僅有95家,大部分企業(yè)沒有自主研發(fā)能力,88%的品種出自科研單位。中國種業(yè)潛在市場規(guī)模將達(dá)到900億元左右,外企就在家門口徘徊,現(xiàn)有技術(shù)對土地和水資源的利用已經(jīng)到了極限,對農(nóng)村環(huán)境的破壞也無可奈何,無論是從糧食安全的角度還是從可持續(xù)發(fā)展的角度,中國高科技、大規(guī)模種業(yè)時(shí)代的到來,都呼之欲出。
鄧興旺的“中關(guān)村方案”
鄧興旺回到國內(nèi)后,中關(guān)村為他提供了多樣的發(fā)展可能。
首先是北京大學(xué)在2000年聘請他為長江特聘講座教授。能夠回到自己科學(xué)夢想的起點(diǎn),鄧興旺不但把自己1998年組織起來的“北京大學(xué)植物分子生物學(xué)與發(fā)育遺傳學(xué)暑期免費(fèi)講習(xí)班”從最初的40人聽課發(fā)展到2006年的800人大課的國內(nèi)接觸前沿信息的主要渠道之一;而且他在北大和耶魯之間積極溝通,于2001年促成了耶魯在本土之外的第一個(gè)合作中心“北大-耶魯植物分子遺傳及農(nóng)業(yè)生物技術(shù)聯(lián)合研究中心”的成立,使北大在相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究與人才培養(yǎng)一步就踏了國際快車道。
北大對鄧興旺的回歸也格外看中,2000年9月,在國家科技部、北京市科委、北京大學(xué)的共同倡導(dǎo)和支持下,由北京大學(xué)、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所、北京市農(nóng)林科學(xué)院等單位共同組建了北京未名凱拓農(nóng)業(yè)生物技術(shù)有限公司,暨國家作物分子設(shè)計(jì)中心,特意把國際專家咨詢委員會(huì)主任的位置留給了鄧興旺,并任用他為首席科學(xué)家。國家分子作物設(shè)計(jì)中心,成了鄧興旺招賢納士,真正實(shí)現(xiàn)自己服務(wù)于農(nóng)民理想的大舞臺(tái)。
在鄧興旺的力主之下,北京未名凱拓專門在中國雜交水稻的故鄉(xiāng)湖南成立了分子作物設(shè)計(jì)分中心,在袁隆平的超級(jí)雜交稻種子基礎(chǔ)上,進(jìn)行分子育種和第三代雜交水稻育種技術(shù)的研發(fā)。袁隆平的兩系法雜交稻育種是繼三系法雜交水稻之后水稻遺傳育種上的又一重大科技創(chuàng)新,能簡化繁殖和制種程序,但采用的不育系的育性受到環(huán)境的溫度和光照變化影響,增加了制種風(fēng)險(xiǎn),造成兩系雜交法難以推廣,因此培育不受環(huán)境影響且可自主繁殖的穩(wěn)定不育系已經(jīng)成為兩系雜交技術(shù)廣泛應(yīng)用的技術(shù)瓶頸,是一項(xiàng)世界性難題。
世界難題自然有世界性的解決方法。2007年鄧興旺帶了一個(gè)美國學(xué)生到家鄉(xiāng)湖南沅陵考察中國農(nóng)村、農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀。所到之處,河里沒了魚蝦,地力因?yàn)殚L期使用化肥而退化,環(huán)境也出現(xiàn)了不同程度的污染。鄧興旺敏感地意識(shí)到這是高產(chǎn)要求和生物技術(shù)水平之間的巨大落差造成的不可逆的結(jié)局,出路只有一條,盡一切可能真正提高中國生物育種技術(shù)的整體水平!他回到美國后,就寫了一本中國農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展的書,在國際學(xué)術(shù)界產(chǎn)生了巨大的影響。因著這本書,鄧興旺的視野擴(kuò)展到了中國和世界的種子產(chǎn)業(yè)發(fā)展前沿,世界種業(yè)公司也知道了中國的鄧興旺。
當(dāng)鄧興旺代表北京未名凱拓與美國海外先鋒公司(杜邦公司的子公司,全球最大的種業(yè)公司)談合作時(shí),先鋒公司每年出2000萬研究經(jīng)費(fèi),而中國人出人才,出核心技術(shù)的條件,先鋒公司最終接受了。中國人占了主導(dǎo),這在先鋒公司的對外合作中是絕無僅有的,但他們相信鄧興旺的學(xué)術(shù)水準(zhǔn),更接受了鄧興旺一個(gè)很奇怪的邏輯:如果先鋒公司在中國沒有一個(gè)可以平等對話的對手,中國全面開放種子市場的時(shí)間表只可能無限期的延后。在國內(nèi)種業(yè)公司對外資公司一片嚴(yán)防死守的緊張空氣中,寬容的中關(guān)村也接受了鄧興旺這種變被動(dòng)為主動(dòng)的引進(jìn)外資的方法,對合作給予了大力支持。
支持很快見到了成效,鄧興旺成為湖南未名凱拓的董事長兼首席科學(xué)家,有充足資金和技術(shù),并與本土原有技術(shù)完美結(jié)合,鄧興旺解決了常規(guī)雜交育種過程中資源利用率低、育種周期長等瓶頸問題。利用花粉致死基因使帶有外源育性基因的花粉致死,使雜交后代中不含轉(zhuǎn)基因元件,建立了穩(wěn)定的、能自我繁殖的、恢保一體的新型不育雜交育種體系?!半s交水稻之父”袁隆平指出,這樣的新型不育系兼具三系法的穩(wěn)定性和兩系法配組靈活性的優(yōu)點(diǎn),比三系、二系又進(jìn)了一步,并稱之為“第三代雜交育種技術(shù)”(G3育種技術(shù))。新技術(shù)是種子領(lǐng)域的通用技術(shù),可以準(zhǔn)確地培養(yǎng)出高產(chǎn)、耐旱、抗蟲并可以自我繁育的后代,中國的農(nóng)民有福了。
技術(shù)成熟后,北京馬上成立了新的創(chuàng)制中心,專門負(fù)責(zé)新技術(shù)的制種和大規(guī)模推廣工作,中國未來的糧食安全有了自主的,根本性的保障。從技術(shù)到資金到產(chǎn)業(yè)化,中關(guān)村沒有絲毫的拖泥帶水,鄧興旺的人生也達(dá)到了一個(gè)新的高度。
根深才有未來
鄧興旺今日的成就有賴于北大、耶魯對他的培養(yǎng),更有賴于中關(guān)村、海內(nèi)外華人科學(xué)界對他的信任與支持,從根本上講,他純粹的個(gè)人奮斗精神和對故土強(qiáng)烈的責(zé)任感是決定性的因素。
北大是鄧興旺的起點(diǎn),1979年16歲的鄧興旺來到北大時(shí),七,八位舍友,中青少皆有,身份更是五花八門,有來自各地的學(xué)生,有當(dāng)過多年干部的地方官員,還有見多識(shí)廣的北京子弟。從他們身上,鄧興旺感到了一種更深層次的震撼。他覺得這些同學(xué)用短短的十幾二十年就走完了家鄉(xiāng)人一輩子甚至幾輩子都走不完的路,有著另一種完全不同的生活。但認(rèn)真想來,人們在出生時(shí)都差不多,后天知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)積累中的巨大差異才是城鄉(xiāng)差別的根源。如果這些判斷是正確的,那么大學(xué)對自己而言并不只是寧靜的讀書的地方,而是給了自己一個(gè)在知識(shí)和社會(huì)經(jīng)驗(yàn)上趕上舍友、趕上一個(gè)時(shí)代的機(jī)會(huì)。想到這里,鄧興旺長長地出了一口氣。
在后來的七年里,不管學(xué)習(xí)多么緊張,同學(xué)們總能見到鄧興旺的臉上掛著燦爛的笑容,一問才知道他總覺得學(xué)校的燈光對他有特別的優(yōu)待,圖書館的燈光寧靜寬闊,實(shí)驗(yàn)室的燈光可以亮到天明,把小時(shí)候用煤油燈時(shí)的擔(dān)心一掃而光。燈光,對他來說本身就是一種享受。其它的快樂就更多了,且不說食堂的伙食口味尚佳,他的舍友幾乎每一個(gè)都很健談,也讓鄧興旺受益良多。每逢同學(xué)們爬山登高,鄧興旺更是主動(dòng)替學(xué)友們背起行囊,然后又第一個(gè)爬上山頂,興奮地向大家招手。鄧興旺覺得那不是對自己體力的炫耀,那只是對家鄉(xiāng)漫漫山路的懷念。當(dāng)然,最讓鄧興旺興奮的是學(xué)習(xí)的收獲。把課程以內(nèi)的書讀完了,鄧興旺會(huì)順著自己的思路一氣兒讀下去,直到看到一個(gè)邊,而這個(gè)邊就成了他進(jìn)一步思考的起點(diǎn)。讀研究生做實(shí)驗(yàn)時(shí),他更是不摸到前人的邊,沒有自己的想法就不罷休。這種做法讓他在功課與實(shí)驗(yàn)中幾乎是無往不勝,惟獨(dú)在英語上有點(diǎn)吃力,好在他并不特別在意自己的發(fā)音,而是用大量的文獻(xiàn)閱讀與寫作來提高自己的英語應(yīng)用能力。臨近研究生畢業(yè),他更是毫不猶豫地把自己560分的TOFEL成績寄給了海外各大院校。同時(shí)他很看重自己的專業(yè)成績,在獎(jiǎng)學(xué)金申請說明中對自己研究生階段的工作做了詳細(xì)的說明。
美國加州伯克利大學(xué)錄取鄧興旺的理由很簡單,鄧興旺在研究生階段中做的工作很有創(chuàng)新精神,他們很感興趣。但伯克利也開出了一個(gè)附加條件,要求鄧興旺在到伯克利錄取之前要經(jīng)過湯佩松先生的面試。湯佩松先生是中國植物生理學(xué)研究和教育的先驅(qū)者和奠基人,當(dāng)時(shí)還在北大作名譽(yù)教授,伯克利想要面試中國學(xué)生就很自然地聯(lián)系到了湯先生。對年僅22歲的鄧興旺而言,要通過這位自己老師的老師的老師級(jí)的學(xué)者的面試,崇敬、興奮之情多于緊張。沒想到真正推開湯老先生的家門后,沒有什么寒暄;這一老一少就立刻進(jìn)入了正題,這是鄧興旺有生以來進(jìn)行的第一次英語對話。隨著時(shí)間的推移,鄧興旺回答了湯先生所有的提問之后,湯老先生臉上流露出一絲難得的微笑,鄧興旺覺得自己應(yīng)當(dāng)是已經(jīng)通過面試了。后來才聽湯老先生說起,原來鄧興旺所作的課題湯老先生也曾經(jīng)研究過,他很欣慰能看到鄧興旺在學(xué)術(shù)上的延伸與創(chuàng)見,所以不但讓鄧興旺通過了面試,還給了鄧興旺一些學(xué)術(shù)方法上的建議。鄧興旺回憶說,當(dāng)時(shí)面對老人笑容,他的內(nèi)心感到的緊張多于興奮。出國前,鄧興旺在北大的導(dǎo)師梅鎮(zhèn)安已經(jīng)為他墊付了報(bào)考TOFEL的26美元,在鄧興旺上飛機(jī)前,梅鎮(zhèn)安先生又在他的口袋放進(jìn)50美元應(yīng)急的錢。
【關(guān)鍵詞】生物技術(shù) 植物保護(hù) 基因工程
The Plant Biotechnology Applications in Plant Protection
Abstract:With the increasing development of science and technology, biotechnology has been widely used in plant protection.The application of biotechnology is mainly reflected in many ways.The diagnosis and discrimination of plant viruses and pathogenic have promoted the process of plant virus management.The breeding of pest resistant seeds has eliminated the pest damage.The genetic engineering pesticide has effectively avoided the adverse effects of chemical pesticides.The cultivation of herbicide-resistant plants have resisted to insect pests, and bio-technology has greatly promoted the use of plant protection in these areas.
Key words: Biotechnology; Plant Protection; Genetic engineering
伴隨著國內(nèi)外對植物生物技術(shù)研究的不斷深入和發(fā)展,生物技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到植物保護(hù)方面。生物技術(shù)主要是指利用微生物或者生物有機(jī)體來制造或改進(jìn)產(chǎn)品、改良品種,或者通過培育微生物等過程以達(dá)到為人類服務(wù)目的的一種技術(shù)。生物技術(shù)主要涵蓋細(xì)胞工程技術(shù)、基因工程技術(shù)、發(fā)酵工程技術(shù)以及酶工程技術(shù)。植物生物技術(shù)在針對植物病毒和病源的判別和診斷、植物病蟲害防治等問題上具有安全、高效、選擇性強(qiáng)、無污染等特點(diǎn),被廣泛的應(yīng)用于植物保護(hù)過程中。
一、對植物病毒和病源的判別和診斷
生物技術(shù)應(yīng)用于植物保護(hù)中,能夠快速而有效地進(jìn)行植物病毒和病源的診斷。單克隆抗體技術(shù)就是一種用于對植物病毒和病源進(jìn)行診斷的技術(shù),這種技術(shù)與各種免疫標(biāo)記技術(shù)相互結(jié)合,就能夠?qū)Σ≡催M(jìn)行快速而精確的診斷分析,促進(jìn)了植物病毒的治理。單克隆抗體技術(shù)的積極運(yùn)用為診斷和判別植物病害提供了有效的途徑,現(xiàn)已經(jīng)制備了很多種植物病毒單克隆雜交瘤的細(xì)胞株,例如各種像煙草花葉病毒、葡萄扇葉病毒、黃脈病毒等。我國在植物細(xì)菌病害的研究中取得了豐碩的成果,如水稻白葉枯病、青枯病、葡萄扇葉病毒、馬鈴薯青枯病單克隆抗體的等很多種植物病源的單扛雜交瘤柱系,極大地促進(jìn)了生物技術(shù)在植物病源診斷上的應(yīng)用。
二、培育無病種苗
近些年來,我國在抗病蟲育種的基礎(chǔ)上,積極地運(yùn)用生物技術(shù),創(chuàng)造并選擇利用植物群體內(nèi)新的遺傳變異,取得了很多新的進(jìn)展。生物技術(shù)應(yīng)用于選育抗病蟲植物和培育無病種苗,是通過組織培養(yǎng)的方式。為了保證各種作物的產(chǎn)量和品質(zhì),提高對有害生物病、蟲、雜草的抗性和耐力,使用組織培養(yǎng)的方式,通過無性系突變體來篩選新的抗病蟲材料或新抗源,獲得無病毒苗,進(jìn)而獲得抗病蟲的植物,用體外栽培植物的離體部分來消除病毒的侵染危害,生成沒有病毒的完整植株后,再將植株的種子進(jìn)行繁殖,通過這種無性繁殖就能獲得沒有病的的種苗,免除了各種病蟲的危害[1]。
通過花粉粒作為外植體進(jìn)行培養(yǎng),獲得植株的單倍體,利用單倍體可在較短的時(shí)間內(nèi)培育出新的、高純合材料,從而誘導(dǎo)、篩選出具有抗性的植株。另外利用莖尖脫毒技術(shù)也可以繁育出像薯類、果樹、花卉以及某些蔬菜等無病毒種苗,極大的保證并提高了作物的品質(zhì)和產(chǎn)量。目前國際上已經(jīng)開發(fā)出抗蟲轉(zhuǎn)基因水稻,同時(shí)我國也在積極研究,已經(jīng)開發(fā)出抗葉枯病和抗水稻細(xì)菌性條斑病的轉(zhuǎn)基因植株,這種生物技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐,能夠有效地降低化學(xué)農(nóng)藥的使用量。
三、研制基因工程農(nóng)藥
生物技術(shù)在微生物農(nóng)藥開發(fā)中的應(yīng)用,能夠代替化學(xué)農(nóng)藥而起到防治害蟲的效果。為了提高農(nóng)作物的產(chǎn)量而進(jìn)行的病蟲害防治,長期以來大量使用有機(jī)農(nóng)藥,雖然起到了殺菌防蟲的作用,但與此同時(shí)因單純依靠化學(xué)有機(jī)農(nóng)藥,并且使用濃度嚴(yán)重超標(biāo)也造成了一系列的惡果。例如農(nóng)藥的過度使用,使得在殺死害蟲的同時(shí),也殺害了害蟲的天敵,從而嚴(yán)重的破壞了生態(tài)系統(tǒng)的生物鏈;長期使用農(nóng)藥,使得害蟲產(chǎn)生了抗藥性,形成了惡性的循環(huán);農(nóng)藥殘余嚴(yán)重,破壞了土壤環(huán)境,同時(shí)也危害了人們的身體健康。
鑒于有機(jī)化學(xué)農(nóng)藥帶來的各種問題,生物農(nóng)藥防治病蟲害的方法也呼之欲出。隨著各種生物殺蟲劑和生物殺菌劑的相繼研發(fā)成功,諸如假單胞桿菌型、莓力菌殺蟲劑以及枯草桿菌殺蟲劑等的使用,極大的避免了有機(jī)化學(xué)農(nóng)藥產(chǎn)生的危害作用。利用昆蟲重組病毒防治害蟲,可以利用寄生在昆蟲體內(nèi)的昆蟲桿狀病毒,如果將此病毒的基因中插入和表達(dá)外源基因如節(jié)肢動(dòng)物或細(xì)菌來源的昆蟲毒素、昆蟲激素或酶,就能夠擾亂害蟲內(nèi)部的代謝平衡,從而達(dá)到了滅蟲的目的。另外許多微生物農(nóng)藥也在積極的研發(fā)過程中,利用產(chǎn)素細(xì)菌能夠防治各種因植物細(xì)菌而產(chǎn)生的病害問題,這種方法主要是先從土壤根圍的細(xì)菌中篩選出對水稻或者蔬菜等重要病原細(xì)菌,然后選擇具有較強(qiáng)拮抗作用的拮抗菌株,這種拮抗菌株由于能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的拮抗蛋白而起到了抑制或預(yù)防作物細(xì)菌病害的作用。在這種引進(jìn)拮抗菌株進(jìn)行植物的病蟲害防治的進(jìn)程中,從植物體形成的自然生態(tài)系統(tǒng)中篩選增產(chǎn)菌,而增產(chǎn)菌的代謝物對改善植物生理代謝又起到了重要作用??傊⑸镛r(nóng)藥具有高效、無毒、無公害和無污染等特點(diǎn),對于病蟲害防治和環(huán)境保護(hù)都具有良好的效果。
四、培育抗病蟲和抗除草劑植物
作為一種分子生物學(xué)技術(shù),植物基因工程技術(shù)是利用了植物細(xì)胞的全能性。植物細(xì)胞的全能性是指植物的每個(gè)細(xì)胞都具有相同的遺傳信息,因此能夠把一個(gè)植物細(xì)胞通過生物技術(shù)方法培養(yǎng)成完整的植株。進(jìn)行抗病蟲植物的培養(yǎng),可以利用動(dòng)物毒素基因的導(dǎo)入達(dá)到防治害蟲的目的。此類方法是將一些昆蟲的毒素基因?qū)氲街参镏?,害蟲一旦咬食植物的同時(shí)就吞入這些細(xì)菌,從而就會(huì)被殺死[2]。培養(yǎng)抗除草劑植物是通過將破壞除草劑的基因?qū)氲街参镏?。研究者已?jīng)從吸水鏈霉菌分理處一種能夠破壞破壞除草劑的基因,將這種基因?qū)氲綗煵?、馬鈴薯和番茄的植株后,這些植株就對常用的除草劑產(chǎn)生了抗性,這樣就使得這些作物避免了除草劑產(chǎn)生的藥害作用。
【關(guān)鍵詞】糧食短缺;雜交水稻;袁隆平
“民以食為天”,糧食生產(chǎn)不僅是中國政府一直關(guān)注的大問題,而且是世界各個(gè)政府,特別是廣大發(fā)展中國家政府關(guān)注的首要問題。而我國又是糧食需求大國,糧食安全關(guān)乎國計(jì)民生。隨著袁隆平先生的雜交水稻技術(shù)的推廣運(yùn)用,為我國糧食安全作出了很大貢獻(xiàn)。
一、水稻雜種優(yōu)勢與雄性不育
(一)雜種優(yōu)勢理論研究概況
對于水稻是否具有雜種優(yōu)勢,學(xué)術(shù)界的看法并非一開始就是統(tǒng)一的。然而,在1926年,美國的育種專家在育種實(shí)踐中首先發(fā)現(xiàn)并提出了水稻存在雜種優(yōu)勢,之后,印度的克丹姆、巴基斯坦的艾利姆、馬來西亞的布朗、日本的岡田子寬等有過對水稻雜種優(yōu)勢的研究報(bào)道。袁隆平于年在《水稻的雄性不平性》一文中,首次以科學(xué)事實(shí)為依據(jù)明確提出了“水稻具有雜種優(yōu)勢現(xiàn)象,尤以秈粳雜種更為突出”的觀點(diǎn)。雖然中國在這方面的發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)都不如國外早,但是,“中國是第一個(gè)認(rèn)真研究該技術(shù)潛力的國家,并在目前居領(lǐng)導(dǎo)者的地位?!?/p>
(二)水稻雄性不育性研究概況
所謂雄性不育性,是指雄性器官退化,不能形成花粉或形成無生活力的敗育花粉,因而不能自交結(jié)實(shí),但雌性器官正常,一授以正??捎ǚ蹌t又可受精結(jié)實(shí),具有這種特性的品系稱為雄性不育系。四川農(nóng)業(yè)大學(xué)育種室的學(xué)者們用原產(chǎn)西非的秈稻岡比亞卡與中國長江流域的早秈雜交,從雜交后代中分離出不育株,成功育成了岡型不育系;云南農(nóng)業(yè)大學(xué)的學(xué)者用古老農(nóng)家高原梗昭通背子谷和現(xiàn)代梗稻科情號(hào)雜交并進(jìn)行了反交,結(jié)果正、反交都獲得了不育株。最后中國學(xué)者經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn),雙親是地理遠(yuǎn)距離或者不同生態(tài)型的品種,有血統(tǒng)淵源者很難在后代中產(chǎn)生不育株,而且品種間雜交,在雜種一代一般不出現(xiàn)不育株。因此,這一經(jīng)驗(yàn)對后來者的研究就能有很明確的指導(dǎo)作用,在配組時(shí)要事先查清雙親的家系,這是能否獲得不育株的關(guān)鍵,只要親本選配得當(dāng),后代中便可分離出不育株。通過比較發(fā)現(xiàn),品種間雜交最易產(chǎn)生雄性不育。
二、超級(jí)雜交稻研究進(jìn)展
1980年中國人均耕地面積是0.101公頃,1995年降到0.08公頃,預(yù)計(jì)2010年將少于0.07公頃。中國的糧食安全將面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因此,繼20世紀(jì)90年代之后,又一次把恢復(fù)發(fā)展糧食生產(chǎn)提上重要議事程。然而,在經(jīng)歷了矮化育種和雜交稻育種之后,中國的水稻單產(chǎn)水平實(shí)現(xiàn)了兩次大的飛躍,之后長期處于停滯不前狀態(tài),于是人們寄希望于水稻超高產(chǎn)育種即超級(jí)稻育種硎迪值竟鵲ゲ的第3次飛躍。
(一)超級(jí)雜交稻育種計(jì)劃
超級(jí)雜交稻研究是近年來國內(nèi)外水稻研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。1977年中國啟動(dòng)了“超級(jí)雜交稻育種”研究項(xiàng)目,制定了連續(xù)兩年兩個(gè)百畝片一季稻的平均單產(chǎn)“2000年達(dá)到每公頃10.5噸(第一期),2005年達(dá)到12.0噸(第二期),2015年達(dá)到13.5噸(第三期)的研究目標(biāo)”,確立了常規(guī)稻和雜交稻并舉、三系法和兩系法并重、生物技術(shù)與常規(guī)技術(shù)相結(jié)合的發(fā)展思路,在著力提高產(chǎn)量潛力的同時(shí),注重改善稻米品質(zhì)、增強(qiáng)病蟲抗性和生態(tài)適應(yīng)性。
(二)超級(jí)稻選育概況
1.北方超級(jí)梗稻選育概況
沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)于20世紀(jì)90年代中期率先育成了直立大穗型超級(jí)稻沈農(nóng)265,又先后育成了沈,016、沈農(nóng)606、千重浪2號(hào)等超級(jí)水稻品種。黑龍江省農(nóng)科院水稻所育成了龍粳14、龍粳18、龍稻號(hào)等新品種,吉林省農(nóng)科院水稻所也育成了吉粳88、吉粳102等新組合,寧省農(nóng)科院水稻研究所則育成了遼優(yōu)1052和遼優(yōu)5218等超級(jí)雜交粳稻。據(jù)統(tǒng)計(jì),到2006年止,超級(jí)梗稻累計(jì)推廣面積已超過650萬公頃。近年來在雜交梗稻技術(shù)方面的研究,尤其是在超級(jí)雜交梗稻育種方面的不斷取得的重大成就,在東北地區(qū)的水稻生產(chǎn)的發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用,有效地促進(jìn)了近年東北稻作區(qū)水稻綜合生產(chǎn)能力的提升。
2.南方超級(jí)稻選育概況
北方超級(jí)粳稻品種主要是取常規(guī)育種方法選育出來的,南方超級(jí)秈稻品種則是通過兩系雜交和三系雜交育種方法選育的。中國水稻研究所、國家雜交水稻工程技術(shù)研究中心、福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院、廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院、四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院和四川農(nóng)業(yè)大學(xué)等科研單位在南方超級(jí)秈稻研究育種方面進(jìn)展比較快。
由中國水稻研究所主持的超級(jí)雜交水稻育種課題子課題主要是通過三系法選育超級(jí)雜交秈稻,先后育成的超級(jí)雜交稻新組合主要有協(xié)優(yōu)和國稻系列等。國家雜交水稻工程技術(shù)研究中心由袁隆平院士主持的超級(jí)雜交稻育種課題,主要是利用秈梗稻亞種間雜交的兩系育種法進(jìn)行選育,先后育成了兩優(yōu)培九、準(zhǔn)兩優(yōu)、優(yōu)號(hào)等超級(jí)雜交稻新組合。
3.超級(jí)稻發(fā)展趨勢
我國超級(jí)雜交稻研究立項(xiàng)之后,經(jīng)過十多年的共同努力,超級(jí)雜交稻研究項(xiàng)目的科研團(tuán)隊(duì)在超級(jí)稻育種基礎(chǔ)理論研究不斷創(chuàng)新并在育種實(shí)踐中作出了許多有益的探索,在超級(jí)稻新株型及優(yōu)異種質(zhì)的創(chuàng)制等方面均已取得了較大的成績。正所謂“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”。中國超級(jí)稻科研實(shí)踐的進(jìn)展,不僅有力地證明了其育種理論與技術(shù)路線的正確性,同時(shí)為實(shí)現(xiàn)中國超級(jí)稻育種計(jì)劃奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),必然完成我國水稻單產(chǎn)水平的第三次飛躍。
三、小結(jié)
隨著超級(jí)稻的發(fā)展,對解決我國糧食安全問題起到了巨大作用。但隨著生活品質(zhì)和環(huán)保意識(shí)的提升,超級(jí)稻的發(fā)展趨勢將會(huì)向“綠色超級(jí)稻”的方向發(fā)展,即選育的超級(jí)稻品種基本具有不打農(nóng)藥、少施化肥、節(jié)水抗旱的生理品質(zhì)。
參考文獻(xiàn):
這不是一片普通的稻田,而是剛剛竣工驗(yàn)收的武漢大學(xué)雜交水稻基地;這些種田人也不是普通的“農(nóng)民”,他們是中國工程院院士朱英國所帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)――武漢大學(xué)的教授、博士、工程師們。
在過去的40多年時(shí)間里,朱英國院士在海南的基地里,開拓了馬協(xié)型、紅蓮型雜交水稻雄性不育資源新領(lǐng)域,從這里走出的紅蓮型雜交水稻,與袁隆平的野敗型被同時(shí)譽(yù)為“東方魔稻”,朱英國培育的珞優(yōu)8號(hào)畝產(chǎn)可達(dá)800公斤以上……
這一系列研究成果為國家糧食生產(chǎn)作出了杰出貢獻(xiàn),人們將朱英國院士譽(yù)為“農(nóng)田院士”“湖北省的袁隆平”。
成功培育湖北首個(gè)“超級(jí)稻”
“一粒種子可以改變一個(gè)世界,一個(gè)品種可以造福一個(gè)民族?!?0多年來,朱英國抱定對“種子效應(yīng)”的信念,率領(lǐng)他的研究團(tuán)隊(duì)不斷進(jìn)行水稻育種材料源頭創(chuàng)新,培育和選用雜交水稻新品種。
早在上世紀(jì)70年代,他們就成功培育出紅蓮型細(xì)胞質(zhì)雄性不育系紅蓮A,成為我國雜交水稻發(fā)展的重要基石之一,這項(xiàng)研究成果于1978年受到全國科學(xué)大會(huì)獎(jiǎng)勵(lì)。
上世紀(jì)80年代,朱英國在海南陵水的農(nóng)家稻品種中發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞質(zhì)雄性不育新類型,培育出馬協(xié)型水稻不育系馬協(xié)A。這項(xiàng)成果突破了理論界認(rèn)為的水稻雄性不育資源只能從野生稻中獲得的定論。
近年來,朱英國和同事們利用各種分子標(biāo)記結(jié)合RNA表達(dá)分析,成功地克隆了與紅蓮型細(xì)胞質(zhì)雄性不育相關(guān)的嵌合基因和育性恢復(fù)基因?!盎虮怀晒寺∈抢碚撋系闹卮笸黄??!敝煊f,它搞清楚了“不育”與“恢復(fù)”之間的關(guān)系,為指導(dǎo)紅蓮型雜交稻新不育系、強(qiáng)恢復(fù)系選育和強(qiáng)優(yōu)勢新組合選配提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ),在國內(nèi)屬首創(chuàng)。
為減少雜交稻生產(chǎn)用種的風(fēng)險(xiǎn),他們研究出紅蓮型雜交稻提純技術(shù),建立了親本提純繁殖體系,使紅蓮不育系大面積繁殖的純度達(dá)到99.96%以上,為紅蓮型雜交稻實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
在雜交稻領(lǐng)域,紅蓮型與袁隆平的野敗型和日本的包臺(tái)型,已被國際公認(rèn)為三大細(xì)胞質(zhì)雄性不育類型。
近10年來,朱院士等人成功地選育出優(yōu)質(zhì)的紅蓮型不育系珞紅3A和紅蓮型雜交稻組合紅蓮優(yōu)6、珞優(yōu)8號(hào)和粵優(yōu)9號(hào)等優(yōu)質(zhì)組合,推動(dòng)了優(yōu)質(zhì)雜交稻的發(fā)展。其中,珞優(yōu)8號(hào)的最高畝產(chǎn)達(dá)876公斤,并且達(dá)到國家二級(jí)優(yōu)質(zhì)米標(biāo)準(zhǔn),一步跨入“超級(jí)稻”行列。
2010年,另一個(gè)組合的新品種“兩優(yōu)234”通過湖北農(nóng)作物品種審定委員會(huì)審定,被專家們認(rèn)為是首次用分子標(biāo)記輔助選擇成功選育的抗蟲雜交稻并用于生產(chǎn)。這種抗蟲基因是野生稻的天然抗褐飛虱基因,由栽培稻與野生稻多次雜交后為人類所利用。
“水稻候鳥”向饑饉挑戰(zhàn)
盡管已是71歲高齡,在武漢大學(xué)里也早已有了自己的溫室實(shí)驗(yàn)室,但朱英國院士至今仍是一只“水稻候鳥”。2010年冬天,他南下海南四五次,在那里的育種基地做著數(shù)十年如一日的實(shí)驗(yàn)。
這樣的“候鳥生活”已經(jīng)持續(xù)了40多年。每年的春夏之交,朱英國和同事們便在湖北育種;秋風(fēng)乍起,就奔赴廣西南寧;嚴(yán)冬將至,再轉(zhuǎn)戰(zhàn)海南島,直到次年4月,才揣著希望的種子返回湖北。
朱院士說:“水稻是一個(gè)喜溫作物,在一定的氣溫條件下才能生長,在湖北我們一年只能種一季,可能10年才能出一個(gè)材料,而利用海南島的特殊氣候進(jìn)行加代,可能三五年就出一個(gè)材料,大大節(jié)約了科研時(shí)間?!?/p>
這種候鳥般的生活,讓朱英國幾乎沒有與家人度過一個(gè)完整的春節(jié)。然而,在這位從大別山里走出來的“農(nóng)田院士”心里,種子是他最難割舍的情結(jié)。
朱英國從小便目睹土地貧瘠、糧食短缺帶給父輩們的悲傷故事。上大學(xué)時(shí),正值,慘烈的饑饉更讓他刻骨銘心?!白屖澜邕h(yuǎn)離饑饉”成為他至今不渝的志向。大學(xué)期間他開始參與雜交水稻試驗(yàn),畢業(yè)留校后便專注于水稻雄性不育和雜種優(yōu)勢利用研究。1974年湖北省成立了水稻三系協(xié)作組,他被任命為組長,從此開始了“水稻候鳥”生涯。
水稻研究既是一種艱苦的腦力勞動(dòng),又是一種繁重的體力勞動(dòng)。在物資匱乏的年代里,他和同事們除了在試驗(yàn)田里忙活外,還要自己砍柴做飯。為了呵護(hù)精心培育出的禾苗,他們時(shí)常要與毒蛇、田鼠激戰(zhàn)。協(xié)助組里,就曾有一名小伙子因?yàn)橥獬隹巢駮r(shí)被眼鏡蛇咬傷而不幸身亡。
功夫不負(fù)有心人,“水稻候鳥”取得了令世界矚目的成就,紅蓮型、馬協(xié)型雜交稻和兩系雜交稻實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化,得到了大面積推廣。試驗(yàn)表明,紅蓮型雜交稻在長江流域、四川盆地、華南地區(qū)和河南南部均能種植。目前,他們通過審定、認(rèn)定的雜交水稻新品種達(dá)18個(gè),并形成了政產(chǎn)學(xué)研的推廣模式,累計(jì)推廣面積達(dá)8000余萬畝。
經(jīng)過連續(xù)多年在菲律賓、越南、斯里蘭卡、孟加拉國、莫桑比克等國試種,比當(dāng)?shù)仄贩N增產(chǎn)20%至50%,出口潛力也非常大。
糧食安全以創(chuàng)新為本
2010年12月,朱英國團(tuán)隊(duì)在海南新建的第二個(gè)雜交水稻研究基地通過武漢大學(xué)驗(yàn)收?!斑@將是我們基礎(chǔ)研究的一個(gè)新起點(diǎn)。”
在新基地上,他們將推進(jìn)四大創(chuàng)新:一是種質(zhì)資源源頭創(chuàng)新,抓品種就是抓源頭;二是技術(shù)創(chuàng)新,吸收現(xiàn)代生物技術(shù)用于育種實(shí)踐,發(fā)展分子標(biāo)記技術(shù);三是理論創(chuàng)新,攻關(guān)植物雄性不育和雜種優(yōu)勢的基礎(chǔ)研究;四是產(chǎn)業(yè)體系創(chuàng)新,通過技術(shù)轉(zhuǎn)讓、技術(shù)參股等方式推動(dòng)科研成果產(chǎn)業(yè)化。
在朱英國看來,創(chuàng)新是解決我國糧食安全問題的根本出路。“我國水稻播種面積在4.4億畝左右,其中雜交稻占55%,而產(chǎn)量卻占到66%,為我國糧食安全作出了重要貢獻(xiàn)。因此,雜交水稻的發(fā)展顯得尤為重要,而雜交水稻可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵在于種質(zhì)創(chuàng)新?!?/p>
“我們十幾年來一直堅(jiān)持品種創(chuàng)新和新品種兼容,就是要不斷適應(yīng)糧食安全問題帶來的挑戰(zhàn)。”朱院士說,馬協(xié)型和紅蓮型雜交水稻開拓了雄性不育資源的新領(lǐng)域,有效地防止了單一細(xì)胞質(zhì)來源可能給我國糧食安全帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)。
他說,我國糧食產(chǎn)量連續(xù)多年取得豐收,這是令人高興的成就。但是,根據(jù)《國家糧食安全中長期規(guī)劃》,2020年我國糧食綜合生產(chǎn)能力要達(dá)到10800億斤以上的目標(biāo),而且我國人口還在不斷增長,隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化推進(jìn),糧食問題依然不容小視。所以,無論糧食產(chǎn)量達(dá)到什么程度,基礎(chǔ)研究不能放松,品種創(chuàng)新仍然重要。