摘 要：作物學作為一門較為系統(tǒng)的學科，在19世紀中期到20世紀初形成并逐漸發(fā)展完善。作物學是農(nóng)業(yè)科學的核心學科之一，由作物種質資源學、作物遺傳育種學、作物栽培學和耕作學組成。作物學在保障國家糧食安全、生態(tài)安全、農(nóng)產(chǎn)品供給、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著舉足輕重的作用。分析了我國及寧夏作物學發(fā)展現(xiàn)狀、存在的問題，對未來發(fā)展的關鍵科學問題進行了討論。

關鍵詞：作物學； 種質資源； 生物育種； 糧食安全

中圖分類號：S31" " " " "文獻標識碼：A" " " 文章編號：1002-204X（2024）05-0030-05

doi：10.3969/j.issn.1002-204x.2024.05.005

Advances and Prospects in Crop Science Research

Chen Dongsheng， Dong Yan， Zhang Weijun， He Jinshang， Kang Ling， Wang Xiaoliang

（Crop Institute， Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Yinchuan， Ningxia 750002）

Abstract Crop science， as a relatively systematic discipline， was established， and gradually developed and refined from the mid-19th century to the early 20th century. Crop science is one of the core disciplines within agricultural science， encompassing crop germplasm resources， crop genetics and breeding， crop cultivation， and tillage. Crop science plays a pivotal role in ensuring national food security， ecological security， agricultural product supply， and sustainable development of modern agriculture. The present situation and existing problems in the development of crop science in China and Ningxia are analyzed， and the key scientific problems for its future development are discussed.

Key words Crop science; Germplasm resources; Biological breeding; Food security

作物學是農(nóng)業(yè)科學的核心學科，涉及作物種質資源、品種遺傳改良、作物大田生產(chǎn)以及綠色、高效、安全栽培與耕作理論和方法技術研究。隨著信息技術、生物技術和自動化、智能化、信息化技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的作物學已經(jīng)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術深度融合在一起，成為生命科學領域最具發(fā)展?jié)摿Φ膶W科之一[1]。

1 學科前沿動態(tài)和進展

1.1 作物種質資源方面

種子是農(nóng)業(yè)的“芯片”，作物種質資源則是農(nóng)業(yè)的“核心芯片”。作物種質資源是指可供育種利用和遺傳研究的各種作物品種和遺傳材料，其表現(xiàn)形式包括種子、組織、細胞、染色體、DNA片段等[2]。作物種質資源材料類型包括野生近緣種、地方品種、育種品種和品系等。作物種質資源學科的研究任務主要分為3方面：①基礎性工作，包括考察收集、分類編目、安全保存和繁殖更新等；②應用基礎研究，包括評價體系建立、精準鑒定、優(yōu)異基因挖掘和新材料創(chuàng)制等；③作物遺傳與演化規(guī)律、遺傳多樣性和種質資源安全保存的生理生化研究[3]。

農(nóng)作物種質資源是國家農(nóng)業(yè)種質資源重要組成部分，是農(nóng)業(yè)科技原始創(chuàng)新與現(xiàn)代種業(yè)發(fā)展的物質基礎。我國作物種質資源經(jīng)歷了科學探索、學科形成和科學規(guī)范3個發(fā)展階段[4]。通過3個階段的發(fā)展，我國作物種質資源研究主要取得了以下6方面的成就：①摸清了我國主要農(nóng)作物種質資源本底多樣性；②建立和完善了農(nóng)作物種質資源安全保存體系；③開展了多個農(nóng)作物種質資源精準鑒定評價體系研究；④種質創(chuàng)新與有效利用處于世界領先水平；⑤制定了《全國農(nóng)作物種質資源保護和利用中長期發(fā)展規(guī)劃》；⑥農(nóng)作物種質資源對農(nóng)業(yè)發(fā)展起到了顯著的支撐作用[4]。

就寧夏而言，以寧夏農(nóng)林科學院農(nóng)作物研究所為依托的種質資源研究單位堅決貫徹落實總體國家安全觀，在歷年工作的基礎上，不斷提高農(nóng)作物種質資源專業(yè)化工作的能力，農(nóng)作物種質資源保護利用水平不斷提高，特別是加強小麥育種和基因資源保護利用，為種質資源數(shù)字化展示、長期化保存、便利化利用打下了堅實基礎。①對近年入庫小麥材料盤底和統(tǒng)一編號，按照標準格式考種收集3 000多份入庫資源數(shù)據(jù)，完成了44.4%庫存小麥種質資源數(shù)據(jù)化。②篩選廣適性種質，加強種質資源利用，從已完成表型和基因型鑒定的庫存種質中，篩選310份矮稈大粒多粒優(yōu)質種質在海南、云南異地鑒定。③調研推進“寧夏農(nóng)業(yè)種質資源庫”建設項目，分階段逐步完善種質資源庫保存和利用的基礎條件，加速了種質資源信息平臺共享利用的步伐。④同步開展并完成了第三次全國農(nóng)作物種質資源普查與收集行動，共收集到農(nóng)作物種質資源859份。⑤利用重要性狀功能基因分子標記和90 K SNP芯片對寧夏及外引種質資源進行了基因型檢測，明確了這些種質資源遺傳背景和基因組成。

1.2 作物遺傳育種方面

作物遺傳育種又稱為作物品種改良，它是以遺傳學為基礎，通過創(chuàng)造遺傳變異、改良遺傳特性，培育優(yōu)良動植物新品種。隨著千百年來自然物種進化與人類科技進步，世界農(nóng)業(yè)育種經(jīng)歷了馴化選育（育種1.0）、雜交育種（育種2.0）、分子育種（育種3.0）、智能育種（育種4.0）4個階段，實現(xiàn)了從“耗時費力的經(jīng)驗育種”向“高效精準的設計育種”的革命性轉變[5]。20世紀以來，以矮稈、雜種優(yōu)勢利用為代表的作物育種技術在全球范圍引領了兩次“綠色革命”，糧食產(chǎn)量大幅增加[6]；20世紀中后期到21世紀初，以分子育種為核心的現(xiàn)代生物技術崛起。轉基因技術作為第一代分子生物學技術，具有降低生產(chǎn)成本，減少農(nóng)藥污染，提升農(nóng)產(chǎn)品品質等優(yōu)勢，自1996年轉基因農(nóng)作物種植商業(yè)化以后，便在全球范圍內迅速推廣和應用。目前，隨著組學、系統(tǒng)生物學、合成生物學和計算生物學等前沿科學交叉融合，培育革命性和顛覆性重大品種的現(xiàn)代生物育種技術應運而生。其中CRISPR/Cas作為第三代基因組編輯系統(tǒng)，已被廣泛應用于改良作物產(chǎn)量和品質、抗病蟲害、創(chuàng)制不育系、單倍體育種和作物馴化等方面[7]。全基因組選擇（genomic selection， GS）是利用覆蓋全基因組的高密度分子標記進行選擇的一種新技術，其核心是利用覆蓋全基因組的分子標記和遺傳群體構建預測模型然后估算每一標記的育種值[8]。

2013年以來，寧夏啟動自治區(qū)農(nóng)業(yè)特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)新品種選育專項（以下簡稱“育種專項”），組織實施枸杞、小麥、水稻、灘羊、奶牛等12個育種項目，選育農(nóng)業(yè)新品種共40個。小麥育種：培育新品種11個，“寧春58號”創(chuàng)造了寧夏春小麥單產(chǎn)711.6 kg/667 m2的高產(chǎn)紀錄，新品種先后在區(qū)內外累計推廣19.79萬hm2，實現(xiàn)經(jīng)濟效益2.436億元。水稻育種：審定新品種14個，“寧粳48號”最高單產(chǎn)達835.9 kg/667 m2，刷新了全國旱直播水稻高產(chǎn)紀錄；“寧粳54號”大米在首屆中國大米品牌大會上被評為“中國十大好吃米飯”，新品種累計推廣面積達33.33萬hm2以上。通過育種專項的實施，推動了農(nóng)作物品種的更新?lián)Q代，推動寧夏特色農(nóng)作物良種化率達到95%以上，使寧夏育種工作深度融入國家體系，實現(xiàn)寧夏傳統(tǒng)育種向“精準育種”轉變。

1.3 作物栽培和耕作方面

作物栽培是研究作物在不同環(huán)境下生長發(fā)育的學科，旨在探索如何通過調控環(huán)境因素和栽培條件提升作物的產(chǎn)量和品質[9]。近60年來，作物栽培與耕作學在理論建設和技術創(chuàng)新方面取得了顯著成效。①以品質、產(chǎn)量協(xié)同提升為重點的優(yōu)質高產(chǎn)技術發(fā)展更加深入。發(fā)達國家均把優(yōu)質、專用農(nóng)產(chǎn)品的生物技術研發(fā)放在首位，近年來，我國在主攻單產(chǎn)兼顧優(yōu)質、高效、生物安全的作物栽培技術創(chuàng)新和集成應用方面取得顯著成效[10]。②以現(xiàn)代技術應用為特色的精準定量技術發(fā)展迅速。作物栽培定量化、精準化、數(shù)字化技術已成為作物生產(chǎn)和作物栽培發(fā)展的新方向[11]。③以資源節(jié)約為重點的簡化高效技術有了新發(fā)展，主要體現(xiàn)在生態(tài)農(nóng)業(yè)作物節(jié)水栽培技術、生物防治技術、作物高效低污染技術方面[12]。

寧夏作物栽培與耕作研究近些年取得了長足的進步。以寧夏農(nóng)林科學院農(nóng)作物研究所為依托單位，國家農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系小麥、水稻、玉米、大豆、向日葵5個試驗站在作物栽培耕作關鍵技術研發(fā)示范上取得了很大進展，在小麥立體勻播、水肥一體化滴灌、水稻精量穴播、水稻旱直播農(nóng)機農(nóng)藝融合、玉米密植高產(chǎn)全程機械化栽培技術、玉米籽粒直收、青貯玉米提質增效、麥后復種模式化高效栽培、玉米間作大豆、麥后復種大豆等技術方面取得了重大突破，初步解決了勞動力缺乏、生產(chǎn)效率低等問題，為寧夏糧食“十九連豐”提供了重要科技支撐。

2 學科發(fā)展存在的問題與不足

2.1 作物種質資源方面

2.1.1 作物種質資源共享平臺發(fā)展滯后

尚未建立完善的種質資源信息共享利用平臺，種質資源信息公開有限，使用者和提供者無法便利地實現(xiàn)種質資源獲取與利用情況的雙向對接，嚴重制約了作物種質資源共享利用。

2.1.2 種質資源研究和挖掘不夠深入

作物種質資源綜合評價體系建立緩慢，評價數(shù)據(jù)不夠全面，無法滿足種質資源共享的要求。雖然對部分作物種質資源開展了基因型鑒定工作，但針對種質庫中大部分種質的基因類型、新基因數(shù)量、開發(fā)和應用價值等沒有進行深入、系統(tǒng)地研究，無法高效支撐庫存種質的共享利用。

2.1.3 公益性研究成果商業(yè)化應用價值低

公益性科研項目考核指標設置和成果轉化機制正在逐步完善中，一些公益性研究機構的研究成果很難在育種中被直接利用，科技成果商業(yè)化進程緩慢。此外，許多珍貴的地方品種和野生資源未得到有效的保護，導致其瀕臨滅絕，給種質資源研究工作帶來重大損失[13]。

2.2 作物遺傳育種方面

農(nóng)作物新品種培育是確保農(nóng)業(yè)持續(xù)增產(chǎn)和推動種業(yè)發(fā)展的永恒目標，糧食作物產(chǎn)量雖已實現(xiàn)了持續(xù)豐收，但近些年依然面臨著提升質量、降低成本和保護環(huán)境等諸多挑戰(zhàn)。目前在我國仍占主導地位的常規(guī)育種發(fā)展已經(jīng)到瓶頸期，產(chǎn)量和品質大幅度提升困難。我國在種業(yè)基礎理論、前沿核心技術、品種創(chuàng)制與示范應用等方面取得了一些成績，但與發(fā)達國家相比仍然存在很大的差距[14]。一方面基礎研究和原始創(chuàng)新不深入，缺少重大的有突破性的理論和方法。美國、澳大利亞和加拿大等國已經(jīng)步入了由生物技術和大數(shù)據(jù)深度交融的智能育種4.0時代，而我國仍在由雜交育種2.0向分子育種3.0跨步[15]。另一方面應用基礎研究和成果轉化研究進展緩慢。我國分子標記申請專利數(shù)量超過了美國，成為世界上分子標記申請專利數(shù)量最多的國家，但是應用分子標記培育出來的突破性品種不多。此外，我國育種資源分布較為分散，種子企業(yè)、科研單位和高等院校都參與到育種行列中來，沒有形成集聚優(yōu)勢，造成審定的品種多但又迅速被取代的局面。

未來5年在育種手段上要由傳統(tǒng)的雜交選育向分子育種、轉基因育種升級，尤其是轉基因育種在大豆和玉米上有望率先實現(xiàn)商業(yè)化。目前寧夏作物育種要從以下3方面加強：①前沿研究水平有待提升。②品種選育更注重品質，隨著國內外農(nóng)產(chǎn)品市場競爭日趨激烈，市場對品質要求越來越高，加強優(yōu)質特色品種選育力度十分迫切。強筋優(yōu)質小麥和優(yōu)質水稻新品種育種急需加強。③適宜機械直播、收獲等輕簡化栽培、資源高效利用、抗旱、耐低溫和抗鹽堿等抗逆性強的新品種選育有待加強。

2.3 作物栽培和耕作方面

我國不僅耕地數(shù)量有限，而且耕地質量安全風險較高，耕地生態(tài)環(huán)境脆弱。我國是世界上化肥生產(chǎn)和施用量最多的國家，過量不科學地使用化肥造成土壤板結、有機質含量降低、酸化嚴重等后果，直接影響農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質[16-17]。此外，我國作物栽培與耕作技術理論研究取得了突破性的進展，尚未形成規(guī)?；瘧茫瑢嶋H應用效果并不突出[9]。

寧夏在土壤耕作、耕地肥力提升、農(nóng)藝節(jié)水、化肥農(nóng)藥減施、秸稈還田利用、生態(tài)保護、農(nóng)機農(nóng)藝融合、作物栽培信息化、智慧農(nóng)業(yè)等領域急需加強，急需開展春小麥間作、復種、套種配套技術研究。目前玉米產(chǎn)業(yè)正處于結構調整和生產(chǎn)方式轉變的關鍵期，引揚黃灌區(qū)優(yōu)越的光熱資源尚未被充分利用、旱作雨養(yǎng)區(qū)抗旱保墑豐產(chǎn)增效技術有待進一步挖掘，玉米全程機械化技術還需與病蟲害防控、籽粒直收等交叉學科融合。六盤山區(qū)草畜產(chǎn)業(yè)興起、黃河流域高質量發(fā)展對區(qū)域優(yōu)勢玉米產(chǎn)業(yè)競爭力提升提出了新挑戰(zhàn)，需要繼續(xù)強化農(nóng)藝農(nóng)機深度融合、精準栽培、免耕栽培、輕簡栽培等技術研究，集成全產(chǎn)業(yè)鏈新技術示范推廣。

3 作物學學科未來工作建議及展望

3.1 作物種質資源方面

以小麥、水稻、玉米、大豆和向日葵等主要作物為對象，建立主要農(nóng)作物種質資源安全保存、信息管理、精準鑒定、基因型分析與種質創(chuàng)新技術體系；研究優(yōu)異種質資源形成與演化規(guī)律，解析骨干親本形成的遺傳基礎；發(fā)掘控制優(yōu)質、高產(chǎn)、抗逆、抗病、資源高效利用等重要性狀的關鍵基因，篩選遺傳效應大、利用價值高的種質資源，創(chuàng)制具有自主知識產(chǎn)權的新種質，促進寧夏種質資源數(shù)量優(yōu)勢轉變?yōu)榛蛸Y源優(yōu)勢和核心親本優(yōu)勢。同時加強以下工作：

3.1.1 依法依規(guī)，合理精簡，加大引種力度

加強與作物起源地及物種豐富國家之間的合作，加大優(yōu)異種質資源引進力度。簡化種質資源引進審批手續(xù)和程序，鼓勵科研機構、高等院校和種子企業(yè)從國外自主引進并保存種質資源，對于利用引進種質資源產(chǎn)出的各種成果，國家應依法保護其合法權益。此外，應加強全民種質資源保護意識，對于稀有的瀕危資源要及時上繳國家和地方種質資源庫，防止特有作物種質資源流失。

3.1.2 提高農(nóng)作物種質資源保護與利用力度

應加快寧夏農(nóng)作物種質資源庫的建設步伐，加強共享信息平臺建設，做到種質資源采集收藏、保護保存、編目入庫和分發(fā)利用等環(huán)節(jié)系統(tǒng)化、標準化和公開化，定期在一定范圍內公布種質資源信息，促進共享利用。對于有重大應用價值或有知識產(chǎn)權保護的資源，也可以通過簽訂種質資源轉移協(xié)議或其他合作方式實現(xiàn)共同研發(fā)，推動種業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。

3.1.3 繼續(xù)提升種質資源精準鑒定與改良水平

增加對種質資源公益性研究的經(jīng)費支持，加強種質資源公益性基礎研究，持續(xù)開展種質資源收集、保存、繁殖和優(yōu)異基因挖掘工作，特別是對重要病蟲害廣譜抗性、水肥高效利用、耐鹽堿、耐寒旱、抗除草劑等性狀開展表型精準鑒定，集成建立農(nóng)作物種質資源綜合評價技術體系，深度挖掘高產(chǎn)、多抗、綠色高效、優(yōu)質基因資源，篩選和創(chuàng)制出一批具有育種利用價值的優(yōu)異種質資源，為推進寧夏種業(yè)振興行動提供重要科技支撐。

3.2 作物遺傳育種方面

要以小麥、水稻、玉米等主要作物為對象，將全基因組選擇、基因聚合、細胞工程與誘變育種等技術與常規(guī)育種技術相結合，建立基于分子生物學的精準高效育種模式，構建系統(tǒng)性、集約化、流水線式的現(xiàn)代育種技術體系；以改善品質、拓寬功能、提高產(chǎn)量、增強抗性為目標，研究材料創(chuàng)制、雜交組配、后代選擇和信息化管理等策略，強化目標性狀突出、綜合性狀優(yōu)良和多性狀綜合協(xié)調的改良策略，定向選育優(yōu)質、高產(chǎn)、多抗、廣適、適合機械化的突破性新品種。同時開展作物雜種優(yōu)勢研究與利用，搭建以特異性、一致性和穩(wěn)定性為基礎的新品種評價利用平臺，研發(fā)與新品種配套的高效繁制種技術，支撐自主知識產(chǎn)權品種成果轉化和生產(chǎn)應用周期拓展。同時強化以下幾方面工作：

3.2.1 加強生物育種技術創(chuàng)新、開發(fā)和應用

（1）加強重要農(nóng)藝性狀基因的挖掘與應用。應當繼續(xù)構建各類穩(wěn)定遺傳群體和微核心種質，結合高密度分子標記深入開展全基因組關聯(lián)分析和連鎖分析研究，挖掘控制產(chǎn)量、耐逆和抗病蟲害等具有重要應用價值的基因[18-19]。

（2）強化基因編輯技術的應用。CRISPR/Cas作為第三代基因組編輯系統(tǒng)，已被廣泛應用于提升作物綜合農(nóng)藝性狀和生物育種等方面[19]。通過對相應調控基因進行靶向編輯能夠顯著提高作物的產(chǎn)量、品質和抗性[20-24]。

（3）加速全基因組選擇的開發(fā)與應用。全基因組選擇（genomic selection， GS）通過覆蓋全基因組的高密度分子標記和構建遺傳群體預測模型，估計每個標記的育種值，從而對育種后代材料進行選擇的一種新技術[25-26]。全基因組選擇可以同時對多個性狀進行選擇，對遺傳力較低的復雜數(shù)量性狀具有較好的預測效果。

3.2.2 著力解決種子市場育、繁、推脫節(jié)問題

①提升種業(yè)自主創(chuàng)新能力。從省級層面繼續(xù)實施育種重大專項，形成聯(lián)合攻關體，加強高等院校、科研院所和企業(yè)的合作，凝聚優(yōu)勢力量，突破關鍵核心技術。②扶持重點龍頭企業(yè)，打造區(qū)域種業(yè)品牌，改變種業(yè)“多小散弱”現(xiàn)狀，形成規(guī)模優(yōu)勢，建立精細化、特色化、專業(yè)化的種業(yè)企業(yè)。③提升種業(yè)基地建設水平，規(guī)范種業(yè)基地發(fā)展模式。推動優(yōu)勢深度融合，建立優(yōu)勢制種基地，提升“育、繁、推”一體化種業(yè)公司的加工能力[27]。

3.2.3 加大種業(yè)知識產(chǎn)權保護力度

凈化種業(yè)發(fā)展生態(tài)環(huán)境，保障種業(yè)持續(xù)穩(wěn)定健康發(fā)展。①嚴格落實品種審定制度，嚴格依照法律法規(guī)完成品種審定程序和審定工作，避免同質化問題。完善評價體系，強化對審定品種后續(xù)追蹤評價，建立劣質種子清退機制，避免劣而不假的種子給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來損失。②進一步優(yōu)化種業(yè)知識產(chǎn)權評價體系，建立種業(yè)科技創(chuàng)新平臺，完善種業(yè)創(chuàng)新激勵機制，科學評估種業(yè)創(chuàng)新成果，激發(fā)種業(yè)自主創(chuàng)新能力。③加大種業(yè)復合型人才培養(yǎng)力度，建立有市場價值的種業(yè)知識產(chǎn)權保護體系[28]。

3.3 作物栽培與耕作學方面

當前，我國進入農(nóng)業(yè)結構調整和產(chǎn)業(yè)轉型升級的關鍵時期，發(fā)展綠色高效安全的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術成為今后一段時間作物栽培與耕作學科發(fā)展的主題，調節(jié)好作物高產(chǎn)高效與環(huán)境安全的矛盾是作物學科發(fā)展面臨的艱巨任務。①作物栽培與耕作的全程信息化、機械化、簡化高效。②創(chuàng)建集高產(chǎn)、優(yōu)質、生態(tài)、安全一體的新模式與新技術。③開發(fā)旱作節(jié)水高產(chǎn)高效作物栽培耕作的新模式與新技術。四是構建用養(yǎng)結合和生態(tài)高效的種植模式及耕作制度[29]。

圍繞寧夏優(yōu)勢糧食產(chǎn)業(yè)，針對農(nóng)作物種植制度調整與結構模式優(yōu)化，立足寧夏氣候、土壤、灌溉等資源要素與作物生產(chǎn)時空變化數(shù)據(jù)，開展基于資源高效利用的作物種植結構調整與布局優(yōu)化，研究農(nóng)作物優(yōu)質豐產(chǎn)增效機理與調控途徑，氣候變化背景下作物產(chǎn)量、品質形成規(guī)律及與環(huán)境要素響應機制，作物基因型-環(huán)境-栽培管理及個體—群體—農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的綜合調控機理，光熱水肥等資源要素高效協(xié)同管理機制，開展糧食作物輕簡化、規(guī)?；?、功能化種植技術研究，創(chuàng)新種植方式、種植模式、管理模式，形成地域特色，提高生產(chǎn)資源利用效率、提高生產(chǎn)裝備及標準化配套水平、規(guī)范化作業(yè)能力；開展以遙感監(jiān)測、作物栽培模型為基礎的作物布局、產(chǎn)量預測及資源優(yōu)化研究。集成示范主要農(nóng)作物優(yōu)質高產(chǎn)品種配套栽培技術，推廣農(nóng)作物光、熱、水、養(yǎng)分等資源優(yōu)化配置與綠色高質高效種植模式，“間復套種”與“輪作休耕”等種植模式與耕作技術，開展農(nóng)作物生長監(jiān)測與精確栽培技術、耕播一體化勻播新機械、新技術、新模式集成示范等。加快適應機械化、信息化生產(chǎn)管理的高產(chǎn)、高效、可持續(xù)的作物耕作栽培技術體系構建，形成可持續(xù)高質高效耕作栽培理論。

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責任編輯：達海莉