水稻位列我國三大主糧之首,是重要的糧食作物之一。
自20世紀50年代以來,考古學(xué)家在我國長江流域出土的部分新石器時代遺址中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了水稻遺存,其中河姆渡遺址出土的距今約7000年的水稻更是吸引了全世界的目光。
水稻從植物學(xué)角度可分為兩個亞種,即粳稻和秈稻。水稻所結(jié)子實即稻谷,碾去米糠層即可得到大米。稻谷除可食用外,還可以作為釀酒、制糖的原料,稻殼和稻稈則可作為牲畜的飼料。
我國是世界上第一個成功研發(fā)和推廣雜交水稻的國家。目前,我國雜交水稻的種植面積約2.55億畝,占全國水稻種植總面積的一半以上。袁隆平是我國雜交水稻事業(yè)的開創(chuàng)者和領(lǐng)導(dǎo)者,為我國糧食安全、農(nóng)業(yè)科學(xué)發(fā)展、世界糧食供給做出了杰出貢獻,被譽為“雜交水稻之父”。雜交水稻技術(shù)也被聯(lián)合國糧農(nóng)組織列為解決發(fā)展中國家糧食短缺問題的首選技術(shù),是中國科技領(lǐng)域自主創(chuàng)新的標志性成就。
圖1 水稻(圖/新華社 許暢 攝)
確保糧食安全還需堅守耕地紅線,聚焦以科技提升耕地畝產(chǎn)量上。我國現(xiàn)有的15億畝鹽堿地是未來極為重要的后備耕地資源,目前全國已簽約600萬畝鹽堿地改造項目,正式啟動了海水稻的產(chǎn)業(yè)化推廣和商業(yè)化運營,擬用8~10年時間實現(xiàn)億畝荒灘變良田的目標。
此外,我國科學(xué)家已成功破譯控制水稻種子活力的“遺傳密碼”,這項研究揭示了活性氧清除途徑改善水稻種子活力的新機制,為進一步改良作物相關(guān)農(nóng)藝性狀提供了有用的靶標。同時,我國已成功實現(xiàn)在植物工廠環(huán)境下水稻種植60天左右收獲的重要突破,將傳統(tǒng)種植環(huán)境下120天以上的水稻生長周期縮短了一半,為加速作物育種提供了新的技術(shù)途徑。
現(xiàn)代化水稻種植技術(shù)也是保證水稻產(chǎn)量的關(guān)鍵所在,我國領(lǐng)先的水稻種植技術(shù)體現(xiàn)在水稻機械直播和機械化育插秧技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新上。水稻直播技術(shù)中,機械噴播、機械精量濕潤直播、機械旱直播和無人機直播等不同類型的直播技術(shù),突破了地形地貌限制。在機插秧技術(shù)中,疊盤育秧和精準稀播技術(shù)降低了雜交稻機插育秧的用種量,滿足了雜交稻機插秧稀播少本稀植的需求。在水稻側(cè)深施肥技術(shù)方面,實現(xiàn)了肥料定位深施,提高了肥料利用率。“插噴同步”封閉除草技術(shù)解決了規(guī)?;痉N植帶來的除草難題等。
我國栽種小麥的歷史可追溯到4000年前,位于新疆孔雀河流域發(fā)現(xiàn)的公元前3千紀的無殼六倍體的普通小麥遺存是目前東亞地區(qū)早期小麥標本遺存。漢代以后,小麥由北向南普及種植,中原大地也隨之開啟了“農(nóng)耕文明”。
小麥是世界上分布最廣的糧食作物,是小麥屬植物的統(tǒng)稱。小麥的穎果是人類的主食之一,將小麥研磨成面粉后可制作面包、饅頭、餅干、面條等食物,發(fā)酵后可制成酒類或生物質(zhì)燃料。
圖2 邯鄲市臨漳縣小麥測產(chǎn)迎豐收(圖/新華社 王曉 攝)
我國是世界上最大的小麥生產(chǎn)國和消費國,中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院公布的一組數(shù)據(jù)顯示:我國小麥2020年播種面積較2011年減少2700萬畝,但產(chǎn)量卻增加了1300萬噸,這“一減一增”的背后正是科技力量的充分體現(xiàn)。
近年來,我國主要農(nóng)作物基因組學(xué)研究在深度解析基因組結(jié)構(gòu)變異、基因組演變規(guī)律及關(guān)鍵農(nóng)藝性狀基因克隆等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域取得了一系列前瞻性、引領(lǐng)性、原創(chuàng)性重大突破。在小麥領(lǐng)域,完成了小麥染色體級別的D基因組精細圖譜的繪制,克隆出小麥太谷核不育基因和抗赤霉病基因,大幅度提高了小麥育種效率。
基因組編輯技術(shù)是創(chuàng)制突破性種質(zhì)資源、加速育種進程的有效手段。我國小麥分子育種團隊通過載體元件的優(yōu)化改造,研發(fā)了高效的小麥多基因多靶點編輯技術(shù)體系,標志著我國小麥基因編輯效率達到國際領(lǐng)先水平。
近期,我國小麥多基因編輯技術(shù)育種研究再次取得突破,實現(xiàn)了冬小麥一代多個優(yōu)異等位基因聚合,并成功獲得無需引入外源基因的小麥新種質(zhì)。這一高效、通用的多基因編輯體系的建立,將有助于促進小麥分子生物學(xué)研究和復(fù)雜性狀形成的解析,定向創(chuàng)制小麥新種質(zhì),實現(xiàn)加速育種進程,為小麥和其他多倍體農(nóng)作物開展多基因聚合育種提供了重要的技術(shù)支撐。
玉米是我國生產(chǎn)面積最大的糧食作物,約占糧食種植總面積的35%,其產(chǎn)量接近全年糧食總產(chǎn)量的40%,對保障國家糧食安全具有舉足輕重的作用。
玉米起源于美洲,是全世界總產(chǎn)量最高的糧食作物之一。玉米與水稻、小麥等糧食作物相比,具有很強的耐旱性、耐寒性、耐貧瘠性,環(huán)境適應(yīng)性強。玉米中的維生素含量是稻米、小麥的5~10倍,富含的核黃素能保護眼睛,硒元素能抗氧化,膳食纖維能促進人體的新陳代謝,等等。
2021年,我國糧食進口量達16 454萬噸,其中玉米進口量達到2835萬噸,同比增長152.2%。玉米有著較高的經(jīng)濟價值,也是畜牧業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)等的重要飼料來源。2020年下半年以來,在市場和政策的推動之下,我國生豬養(yǎng)殖持續(xù)恢復(fù),玉米飼料需求進一步增加。
受品種、耕地、氣候、栽培技術(shù)、生產(chǎn)方式等綜合因素影響,我國玉米單產(chǎn)量較低。近年來,我國新培育了一批豐產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、宜機收籽粒的玉米品種,在鮮食玉米和青貯玉米品種選育上成效顯著,進一步呈現(xiàn)出專用化和多樣化的良好發(fā)展態(tài)勢。
在前沿基礎(chǔ)研究方面,我國科學(xué)家先后克隆解析了玉米產(chǎn)量、株型、抗病、耐旱等多個重要性狀的關(guān)鍵基因,取得了一系列創(chuàng)新成果,發(fā)表的高水平研究論文處于全球第一方陣。在現(xiàn)代育種技術(shù)研發(fā)方面,在單倍體育種、轉(zhuǎn)基因、基因編輯、全基因組選擇等領(lǐng)域某些關(guān)鍵技術(shù)有所突破,我國玉米育種的技術(shù)得到提升。
近日,我國研究團隊在玉米中發(fā)現(xiàn)了負責核糖體核糖核酸加工的關(guān)鍵因子,如果玉米中缺乏這個因子,核糖體核糖核酸加工異常,核糖體的數(shù)目也大幅減少,種子的生長發(fā)育就會受到限制,蛋白質(zhì)的含量也因合成過程不完整而降低。
圖3 玉米豐收曬秋忙(圖/新華網(wǎng))
烤玉米、玉米烙、玉米沙拉……這也許是你眼中玉米應(yīng)有的樣子。但作為一顆有“雄心”的玉米,它還在創(chuàng)造更多可能。用玉米中的淀粉提取的聚乳酸被稱為“玉米塑料”,可替代傳統(tǒng)石油基塑料和化纖等白色垃圾,對抗擊“白色污染”具有重要意義。
我國馬鈴薯種植面積與產(chǎn)量均居世界首位,隨著我國“積極推進馬鈴薯主食開發(fā)”這一戰(zhàn)略的推出,馬鈴薯成為我國繼水稻、小麥、玉米后的第四大主糧。
馬鈴薯有著“營養(yǎng)之王”的美譽,其膳食纖維含量是大米、小米和小麥粉的2~12倍,但熱量不及它們的70%,是名副其實的高纖維、低脂肪食物。此外,馬鈴薯中的鉀含量是香蕉的4倍,是精細大米的10~20倍,維生素B1含量是面條的5倍、米飯的10倍,維生素C的含量是蘋果的6倍。
我國現(xiàn)已開發(fā)300多種馬鈴薯主食產(chǎn)品,研發(fā)出新型多菌種復(fù)合發(fā)酵劑,有效改善了馬鈴薯主食產(chǎn)品的口感和風(fēng)味。新研發(fā)的馬鈴薯主食產(chǎn)品不僅在品種上不斷創(chuàng)新,加工工藝也不斷改進。
馬鈴薯主要由水和淀粉組成,其特有的氣味主要是由醛、醇等小分子有機物形成。我國一研究團隊利用生物反應(yīng)器將醛、醇等有機小分子加以利用,形成了獨特的氣味,這為研制馬鈴薯水、馬鈴薯果汁飲料奠定了基礎(chǔ)。
圖4 馬鈴薯成為農(nóng)民增收的“金疙瘩”(圖/新華網(wǎng))