作物学的作物科学发展的重大进展和成就

1. 作物遗传育种取得显著成就

新品种的产量不断提高，品质显著改善。育成的一批优质稻米、优质面包、面条小麦、高油大豆、“双低”高油油菜和高油、高淀粉玉米品种，品质标准达到国标一级或部颁优质一级标准。

（2）作物遗传育种技术、方法不断创新。我国在杂种优势利用、诱导有利基因变异的细胞工程技术、转移有益外源基因的转基因技术、分子标记辅助目标性状高效选择技术等方面进行卓有成效的探索，提出一批育种新技术和新方法，初步形成了较为完整的现代育种技术体系。

杂种优势利用技术：提出了茎蘖、粒间和根系顶端优势为中心的超高产水稻生理模式和“后期功能型”超级稻新概念；攻克了大豆雄性不育性的保持和大豆田间的昆虫传粉问题，初步实现“三系”配套；人工杂交棉花制种技术、核不育系杂交制种技术取得进展；建立了“纯合两用系、临时安全保持系、恢复系”三系油菜授粉控制系统。培育出的二系超级杂交水稻、杂交大豆、杂交抗虫棉和“双低”杂交油菜新品种，居国际领先水平。

分子标记育种技术：定位与紧密标记控制抗水稻白叶枯病、抗稻飞虱、抗褐飞虱、耐贮藏、低垩白率基因，抗小麦白粉病、淀粉品质、抗穗发芽基因，抗大豆包囊线虫基因，抗玉米矮花叶病、丝黑穗病、锈病基因，油菜种皮色素合成基因；建立了滚动回交与标记相结合的水稻、小麦、玉米、大豆等作物分子聚合育种技术体系。

转基因育种技术：采用农杆菌介导法、基因枪法及花粉管通道法初步建立水稻、小麦、玉米、棉花、油菜等主要作物转基因技术体系，在无选择标记、选择标记基因删除和目标基因产物定性降解、植物组织特异性优势表达等核心技术取得突破；在转基因抗虫棉、转基因高植酸酶玉米、抗虫玉米、抗病虫水稻、抗除草剂水稻、抗黄枯萎病棉花、抗旱耐盐小麦、抗蚜虫小麦等均取得了重要成果，培育出转基因棉花新品种108个，同时创制出一批具有特殊性状的水稻、玉米、小麦、棉花、油菜等转基因新品系。

2.作物栽培理论与技术创新取得突破和显著应用效果

（1）作物高产理论和技术创新：研究创建了稻麦作物的“叶龄模式”和高产高效群体质量调控理论、质量指标及其技术体系，有效地指导了稻麦作物栽培与调控；基于作物产量构成、光合性能和源库关系研究，创建了作物产量形成“三合结构”理论模式和定量方程，提出了作物结构性挖潜、功能性挖潜和同步挖潜的高产途径，在指导作物可持续高产研究和实践中发挥了重要作用；实施国家粮食丰产科技工程项目，创新了稻、麦、玉米的高产核心技术30余项，集成创建了适于三大平原的三大作物高产、超高产组合技术模式40余套，培创出一批可持续高产、超高产典型和示范样板，并大面积推广。

（2）作物产量与品质同步提高技术创新：在作物高产优质同步提高的技术研究方面取得一系列成就，

“小麦籽粒品质形成机理及调优栽培技术研究与应用”和“小麦品质生理和优势高产栽培理论与技术”为我国小麦优质高产做出了重大贡献；此外，水稻、棉花、油菜和大豆的优质高产栽培理论与技术创新也取得了显著成效。

（3）作物精准、简化、高效栽培技术创新：作物精准、简化、高效栽培一直是我国作物栽培的主要热点，在“水稻精准定量栽培理论与技术规程”、“小麦、玉米一体化节肥、省肥、简化、高产四统一栽培理论与技术体系”、“棉花无土育苗无载体移栽高产高效栽培技术体系”等领域取得新成就，获得了显著的节能、省工、高产、高效效果。

（4）生态安全环境友好作物栽培技术与理论创新：维持农业生态良性循环、环境友好生产成为作物生产的新课题，“水稻遗传多样性控制稻瘟病原理与技术”研究成果显著降低了水稻稻瘟病的发病率和病情指数，减少农药用量60%以上；此外，明确了裸露农田、弃耕沙质农田和退化草原是沙尘的重要尘源，提出了农田保护性耕作和退化草地治理是防止土壤沙化、风蚀和沙尘的技术途径，分别建立了东北春玉米区，华北平原小麦、夏玉米两作区和西南稻作区的保护性耕作高效栽培技术模式，并大面积应用，取得了显著的生态效益和增产效果。

（5）作物栽培信息化和数字化农作技术创新：现代信息技术在作物生产中应用越来越广泛，构建了一批服务于主要农作物生产的数据库及其管理系统，建立了主要作物生产信息化平台及服务体系，创新集成了数字化农作技术，正向作物栽培技术标准化、智能化、数字化和实用化方向发展。

三、国内本学科发展存在的不足及与国际先进水平差距　我国作物科学与技术的创新与应用，取得了令世人瞩目的成就。但是，与粮食安全、生态安全、健康安全和农业可持续发展的目标和需求相比，作物科学技术还存在许多不足，与国际先进水平差距较大。 1.作物优异种质资源和育种的理论与技术创新不足。目前我国的野生植物资源和遗传多样性水平的丧失严重，拥有自主产权的分子标记少、新基因发掘和利用进展慢，作物育种面临知识产权保护的严峻挑战。与此同时，在作物育种理论与技术跟踪性研究多、原始创新少，缺乏关键性的创新与突破。

2.分子育种技术研究的实用化程度低。目前我国缺乏规模化基因发掘与克隆的技术平台和规模化高效安全的遗传转化体系，拥有自主产权的基因和实用分子标记少、分子育种技术研究的实用化程度低。

3.突破性重大品种缺乏。我国育成的作物新品种数量不少，但具有高产、优质、多抗、高效、广适应综合性状的突破性重大品种缺乏，不能充分满足作物生产发展和市场需求，缺乏国际竞争力。

4.种子产业化水平低。我国遗传育种体系和队伍建设亟待加强，良种繁育体系和种子生产规模小，种子生产质量保障条件不足。 1.作物栽培理论与技术的体系薄弱。作物栽培学科体系不完善，还存在理论与技术不配套，与相关学科相比科学性和先进性还有差距。

2.关键栽培技术创新不足。目前我国栽培技术是在传统技术基础上的集成组装，缺乏关键原始创新和现代高新技术在作物生产技术上的创造性应用，技术更新换代不明显，作物生产信息化和数字农作技术水平与发达国家的差距较大。

3.多目标生产的关键技术难题没有根本解决。超高产突破、优质高产同步、资源可持续高效利用、环境友好和农产品污染控制等技术难题还未从根本上解决，大面积中低产区的抗逆、更加高产高效的技术有待进一步研发。

4.技术推广体系不健全。我国作物栽培与耕作研究体系和队伍建设亟待加强，特别是技术推广体系十分薄弱，生产者技术水平与劳动素质亟待提高。

1.水稻杂交育种的基础

水稻杂交育种的基础指选用两个在遗传上有一定差异，同时它们的优良性状又能互补的水稻品种，进行杂交，生产具有杂种优势的第一代杂交种，用于生产，这就是水稻杂交。

杂种优势是生物界普遍现象，利用杂种优势提高农作物产量和品质是现代农业科学的主要成就之一。世界上首次成功的水稻杂交是由美国人 Henry Beachell 在1963年于印度尼西亚完成的，后被授予1996年的世界粮食奖。

水稻具有明显的杂种优势现象，主要表现在生长旺盛，根系发达，穗大粒多，抗逆性强等方面，因此，利用水稻的杂种优势以大幅度提高水稻产量一直是育种家梦寐以求的愿望。但是，水稻属自花授粉植物，雌雄蕊着生在同一朵颖花里，由于颖花很小，而且每朵花只结一粒种子，因此很难用人工去雄杂交的方法来生产大量的第一代杂变种子，所以长期以来水稻的杂种优势未能得到应用。

2.杂交水稻所需要的学科知识

袁隆平是世界著名的水稻育种专家，具有全面、深厚的农业学科知识（图1-8）。多年来，他一直潜心钻研如何提高水稻的产量。20世纪60年代，他在稻田中偶然发现天然杂交稻株具有明显的杂种优势，萌生了利用杂交的办法培育高产水稻的想法。经过10年的努力，1973年，袁隆平和他的助手终于成功地实现了籼型杂交水稻的三系配套，使水稻的产量提高了20%。这一成果轰动了世界。

但是，三系配套与生产应用还有一定距离，必须经过亲本繁殖、杂交育种，才能生产出大量杂交水滔种子，供大面积推广应用。同时，由于过去从来没有种杂交水稻，它的播种时间、播种方法、播种量，施肥品种、施肥量、施肥期，以及生长过程中会发生哪些病虫害，田间水分怎样管理等问题，都需要运用多种知识进行试验和研究。于是，他们又一鼓作气攻下了育种和栽培关，实现了整个杂交水稻技术的配套。杂交水稻技术研制成功后，不仅在全国大面积推广，而且还走出国门，推广到了许多国家和地区。

从这个案例中，我们可以看出，杂交水稻技术是植物学、作物育种学、作物栽培学、土壤肥料学、植物保护学等诸多学科知识的综合应用。这说明技术具有很强的综合性。

3.如图表示水稻育种的一些途径.请回答下列问题：（1）以矮秆易感稻瘟

(1)以矮秆易感稻瘟病（ddrr）和高秆抗稻瘟病（DDRR）水稻为亲本进行杂交，得到的F1的基因型为DdRr,F1自交产生F2，则F2中能稳定遗传的占12*12=14，所以不能稳定遗传的占34.选F2中的矮秆抗病的水稻植株进行连续自交，直到不发生性状分离为止，这种育种方法是杂交育种，其原理是基因重组.（2）从图上看，⑤是杂交，⑦是花药离体培养，⑧是秋水仙素处理，染色体加倍，因此⑤⑦⑧表示单倍体育种.（3）⑨⑩为多倍体育种，其中⑨过程通常用秋水仙素试剂处理萌发的种子或幼苗.在水稻中能产生人体蛋白，只能通过基因工程的方法，即③④途径，利用基因重组的原理，将人体蛋白基因导入水稻细胞中.（4）图中①②是人工诱变育种，基因突变具有不定向性、普遍性、随机性等特点，其原理是基因突变.故答案是：（1）34 杂交育种 基因重组 （2）⑤⑦⑧（3）秋水仙素 萌发的种子或幼苗 ③④（4）①②基因突变。

4.（2014?重庆模拟）如图1表示水稻育种的一些途径.请回答下列问题：

(1)从图上看，⑤是杂交，⑦是花药离体培养，⑧是秋水仙素处理，染色体加倍，因此⑤⑦⑧表示单倍体育种，单倍体育种的优点是明显缩短育种年限，而且获得的都是纯种；⑦是花药离体培养过程的原理是植物细胞的全能性.（2）以矮秆易感稻瘟病（ddrr）和高秆抗稻瘟病（DDRR）水稻为亲本进行杂交，得到F1的基因型是DdRr.F1自交产生F2,F2矮杆抗病水稻ddRR:ddRr=1:2，不能稳定遗传的基因型是指ddRr占23，稳定遗传的都是纯合子.若让F2中的全部矮秆抗病的水稻植株自由授粉，自由授粉即随机交配或自由交配，矮杆抗病水稻ddRR:ddRr=1:2，碳它们产生的配子dR:dr=2:1 所得子代中的中ddRR的比例为（23）2=49,ddRr所占比例2*23*13=49，因此ddRR和ddRr的比为1:1.(3)①铁结合蛋白基因是目的基因，获取目的基因的方法有从基因文库中获取，人工化学合成，PCR技术扩增等，若铁结合蛋白基因来自菜豆，利用菜豆细胞内形成的mRNA通过逆转录过程形成cDNA，将这些cDNA用限制酶处理后储存在受体菌群体内，这些受体菌群被称为菜豆的cDNA文库. ②目的基因导入受体细胞的方法依据受体细胞的类型不同而不同，微生物主要是CaCl2溶液处理，将细胞处理成感受态细胞，使重组Ti质粒易于导入.重组Ti质粒上的标记基因是潮霉素基因，标记基因的作用是用于鉴定和选择，筛选过程是通过在培养基2中加入潮霉素实现的.③判断所得含铁量较高的转基因水稻新品种与野生水稻属于是否属于同一物种的方法是看是否产生生殖隔离，新物种形成的标志是产生生殖隔离，因此，它们仍是同一物种，没有生殖隔离.故答案为：（1）⑤⑦⑧植物细胞的全能性 （2）23 1:1(3)①cDNA文库 ②CaCl2 潮霉素 ③生殖隔离。

5.水稻种植方式主要有几种

水稻种植按是否移栽分成直播稻和移栽稻两种方式。

直播稻就是不经育秧和移栽而将直接将种子播于大田的一 种种植方式。根据土壤水分状况以及播种前后的灌溉方法，通 常将直播稻分为水直和旱直播。

水稻的育秧移秧田占地面积少，便于集中施肥、灌 溉、防除病虫草害，易于管理；可选用生育期较长的品种，充 分利用温光资源，挖掘水稻增产潜力；对于多熟种植茬口，能 解决前后茬矛盾；过壮秧移栽，能保证大田基本苗，有利于 提高群体质量。 ；移栽稻的育秧方式，主要有水育秧、湿润育秧、旱育秧、塑料软盘育秧、双膜育秧、塑料薄膜保温育秧、两段育秧等。

①水育秧。水育秧是我国传统的育秧方式，是指整个育秧期 间，秧田以淹水管理为主，即水整地、水作床，带水播种，出 苗过程除防治绵腐病、坏种烂秧及露田扎根外，一直都建立水层。

它利用水层防除秧田杂草和调节水、肥、气、热、盐分的 变化，来满足秧苗生长的需要。但由于长时间灌水，土壤氧气 不足，这种育秧方式常有坏种粒芽、出苗和成苗率都低、秧苗 细长不壮、分蘖弱等弊端，现在生产上已不提倡使用。

②湿润 育秧。湿润育秧也叫半旱秧田育秧，是20世纪50年代中在水 育秧的基础上加以改进后的一种露地育秧方法。

主要特点深沟 高畦面、沟内有水、畦面湿润，水整地、水作床，湿润播种， 扎根立苗前秧田保持湿润通气以利根系下扎，扎根立苗后间歇 灌溉、以湿润为主。湿润育秧方式容易调节土壤中水气矛盾， 播后出苗快、出苗整齐，不易发生生理性立枯病，有利于促进 出苗扎根，防止烂芽死苗，也能较好地通过水分管理来促进和 控制秧苗生长，已成为替代水育秧的较为常见的育秧方法。

③旱育秧。旱育秧是在旱地条件下育苗，苗期不建立水层，主 要依靠土壤底墒和浇水来培育健壮秧苗的一种育秧方式。

旱育 秧需高肥力水平的秧床，故称之肥床旱育秧。秧床通过有机肥 料培肥后，苗期很少追施肥料，床面土壤上下通透性好，有利 于培育根深、根毛多、白根比例高的壮秧，移栽后缓苗期短、发根快、分蘖早。

旱育秧操作方便、节地节水、省工省时。旱 育秧时，通过覆盖薄膜保湿、药剂防病等措施，能有效地解决 因水分短缺导致的出苗不齐的问题，并较好地控制了立枯病的 发生以及鼠雀危害。

旱育秧现已成为优质高产水稻生产中应用 面积较大的育秧方法。④塑料软盘育秧。

塑料软盘育秧是随着 抛秧技术发展来形成的育秧方式，其特点是利用塑料软盘培育 秧苗，培育的秧苗根体带土、穴体之间分离。塑料软盘育秧能 提高秧本田的比例、降低育秧成本，管理方便，秧苗素质好， 苗期不易发病，育出的秧苗可以栽插，更便于抛栽。

根据育秧时水分管理的不同，又将塑料软盘育秧分为塑盘旱育秧和塑盘 湿润育秧两种类型。 ⑤双膜育秧。

育秧时采用两层地膜，即在 秧板上平铺地膜（需要事先财地膜按一定规格打孔），然后在 有孔地膜上铺放底土（铺土厚度2。0cm），完成灌水、播种、盖土、铺草等程序后，再莓盖一层地膜。

一般在秧苗出土 2cm 左右时揭膜炼苗。起秧前荽将整板秧苗用切刀成长一定规格的 秧块，切块深度以切破底层有孔地膜为宜，以便机插。

⑥塑料 薄膜保温育秧。塑料薄聘保温育秧是20世纪60年代初创造 的，是在湿润育秧基础上，畦面上加盖1层塑料薄膜，以提高 和保持畦面温度和湿度一种育秧方法。

覆盖方法种类很多， 有拱形和平铺。这种育秧方式有利于保温、保湿、增温，可适 时早播，防止烂芽、烂秧，提高成秧率，早春播种预防低温冷 害是十分必要的。

⑦两段育秧。是将水稻的育秧过程分成两段 进行的一种育方法。

4一阶段，采用密播方法培育小苗（通 常为3?4叶）；第二I段，将小秧苗移植到寄秧田，继续培育 壮秧。水稻两段育秧方式的主要优势是能解决早播与迟栽的矛 盾，可以培育出大龄壮秧，缓解水稻生长的季节矛盾。

不足之 处是水稻育秧过程工较多，从寄秧田向本田移栽的过程中， 拔秧、运秧、移栽劳动强度和用工量均较大。⑧其他育秧方 式。

此外还有塑盘硬盘育秧、工厂化育秧、场地小苗育秧等。水稻移栽方式生要有：①手插。

手插是最传统的一种移栽 方式。插秧规格右同，势必造成株行间光照、营养、通风、湿 度等田间生态环境的不同，进而影响产量。

生产实践中，往往 通过移栽基本苗和插秧规格来调整水稻群体与稻株个体之间的 矛盾。②机插。

机插秧是水稻生产机械化的主要方式，它是以 机器代替人工插以降低劳动强度、提高生产效率。③抛栽。

抛秧是指将带土秧苗往空中定向抛撒，利用带土秧苗自身重力 落人田间定植的一种水稻移植方式。 除上述之外，还有一种叫做“再生稻”的种植方式。

再 生稻是在头季稻收割后，利用稻桩上存活的休眠芽或潜伏芽， 给予适宜的水、温、光和养分等条件，加以培育萌发成再生分 蘖，进而抽穗成熟的一季水稻，俗称“抱孙谷”或“秧孙 谷”。

6.杂交水稻的知识

选用两个在遗传上有一定差异，同时它们的优良性状又能互补的水稻品种，进行杂交，生产具有杂种优势的第一代杂交种，用于生产，这就是杂交水稻

雄性不育系：是一种雄性退化（主要是花粉退化）但雌蕊正常的母水稻，由于花粉无力生活，不能自花授粉结实，只有依靠外来花粉才能受精结实。因此，借助这种母水稻作为遗传工具，通过人工辅助授粉的办法，就能大量生产杂交种子。

保持系：是一种正常的水稻品种，它的特殊功能是用它的花粉授给不育系后，所产生后代，仍然是雄性不育的。因此，借助保持系，不育系就能一代一代地繁殖下去。

恢复系：是一种正常的水稻品种，它的特殊功能是用它的花粉授给不育系所产生的杂交种雄性恢复正常，能自交结实，如果该杂交种有优势的话，就可用于生产。

三系杂交水稻：是指雄性不育系、保持系和恢复系三系配套育种，不育系为生产大量杂交种子提供了可能性，借助保持系来繁殖不育系，用恢复系给不育系授粉来生产雄性恢复且有优势的杂交稻。

两系杂交稻：一种命名为光温敏不育系的水稻，其育性转换与日照长短和温度高低有密切关系，在长日高温条件下，它表现雄性不育；在短日平温条件下，恢复雄性可育。利用光温敏不育系发展杂交水稻，在夏季长日照下可用来与恢复系制种，在秋季或在海南春季可以繁殖自身，不再需要借助保持系来繁殖不育系，因此用光温敏不育系配制的杂交稻叫做两系杂交稻。

超级杂交稻：水稻超高产育种，是近20多年来不少国家和研究单位的重点项目。日本率先于1981年开展了水稻超高产育种，计划在15年内把水稻的产量提高50%。国际水稻研究所1989年启动了“超级稻”育种计划，要求2000年育成产量比当时最高品种高20%-25%的超级稻。但他们的计划至今未实现。我国农业部于1996年立项中国超级稻育种计划，其中一季杂交稻的产量指标为，第一期（1996-2000年）亩产700公斤，第二期（2001-2005年）亩产800公斤。