我国设计农业发展战略研究

我国设计农业发展战略研究

——“基因多样性与设计农业”创新体系研究

一、定义

基因多样性（gene diversity）——基因水平上的遗传多样性，具体指功能基因的变异体与变化潜能。在农业领域中，特指农作物、家养动物的地方品种和野生近缘种的基因资源，基因工程的原始材料，并在组合新型作物与家养动物中有重大的经济意义。

设计作物（designed crop）——是20世纪90年代后期提出的革命性概念，1997年Nature上预测设计作物为当今科学的七大热点之一。其内涵是指从人类特定需要出发，利用已有作物为模式，已有特定功能基因为材料，借助计算机辅助设计新型作物。以色列、美国等已有设计作物的成功例子。

设计农业（designed agriculture）——复旦大学基因多样性与设计农业研究中心提出的一个革命性概念，其内涵是指以设计作物为核心，组合精确（信息）农业和设施农业而成的后现代农业的创新体系。具体地说，是对某一特定区域现代农业中的重大问题（例如上海都市农业区域夏季蔬菜、小麦、水稻中的品种、质量与替代等），优选一种作物为模式，利用有特殊功能的基因资源、生物技术和计算机辅助塑造一种新型作物，并配合精确农业和设计农业的理论与方法，形成一种可控性和稳定性强的规模化产业。

二、背景

1．科学意义

上海市需求：①江泽民总书记提出的“沿海发达地区要率先基本实现农业现代化”，上海市如何实现？②上海市政府也始终把实现农业现代化作为上海建设国际大都市的重要组成部分，具体怎么做？③我国农业面临重大难题：东北春麦、南方早籼和江南小麦退出保护价收购范围，东北春麦可由冬麦代替，南方早籼可由玉米代替，唯长江以南特别是中下游地区及上海郊县至今还找不到一种冬播夏熟的粮食作物来取代小麦。如果这些土地抛荒，将意味着上海每年150万亩耕地或长江中下游地区约3000万亩土地春闲。上海市夏季蔬菜在品种、质量和数量上困扰上海市政府，而大量现代化温室的闲置……④上海市是中国生命科学研究中心，目前人类基因组计划和转基因动物得到良好发展，植物基因技术领域已远远落后。

科学意义：设计作物是初露端倪的学科前沿之一，并已显露强大生命力。我们认为“设计作物”应拓展到“设计农业”，这可从图1中看出。

图1　农业发展阶段与科学技术的关系

我们认为，21世纪中国农业的革命性创新体系应由上海市提出，而“基因多样性与设计农业”项目是最好的切入点。

2．特色

（1）“设计农业”是与现代农业发展趋势相吻合的新的核心概念，可能会推动上海市及全国农业科技革命。

（2）牢牢抓住基因多样性战略性资源，并为寻找基因多样性中心和基因多样性发生规律提供科学依据。

（3）高度技术集成：第一层面——生物技术集成；第二层面——生物技术、信息技术、材料技术集成。

（4）优化资源配置——基因资源和生态资源优化配置。

三、研究内容

1．研究对象

江南小麦、杂优水稻和夏季蔬菜。

2．研究内容

●基因多样性中心和形成规律研究

（1）栽培稻（水稻、旱稻、深水稻）野生近缘种、地方品种的基因多样性中心和形成规律；

（2）小麦野生近缘种、地方品种基因多样性中心和形成规律；

（3）绿叶优质蔬菜基因多样性中心和形成规律。

●基因资源保存库建立和长期保存技术研究

（1）特殊基因型和突变株的生态遗传学分析；

（2）专类基因资源细胞株和总DNA库的建立；

（3）长期保存技术（超低温、超干燥等）；

（4）保存库中基因多样性降低机理。

●功能基因克隆、鉴定和表达机理研究

（1）特殊基因型和突变株的相应功能基因克隆；

（2）基因的功能鉴定与分析；

（3）功能基因的表达机理和调控；

（4）功能基因与其他基因的相互作用。

●基因信息库的建立

●新型作物的设计

（1）上海都市农业重大问题及其需求分析；

（2）上海市相关信息库（生态资源、市场信息等）建立；

（3）3种新型作物的计算机辅助设计方案；

（4）集成技术培育新型作物；

（5）实验区和大田试验。

3．复旦大学在农业科技领域的基础

●理论上：20世纪70年代蔡以欣等得出“水稻杂交优势利用，三系配套的二型系统”，为杂交水稻三系配套起了重要作用。

●基因资源：20世纪90年代初起，陈家宽、沈大棱、郑师章等对普通野生稻、野生小麦、野生大豆的分布规律、种群生态、遗传分化、濒危过程机制、保护技术体系作出了显著成绩。

●新基因和功能基因：沈大棱、曹凯鸣、蒯本科等已成功分离、克隆和鉴别出近20个新基因，并已确定多个功能基因。

●人工合成基因：王启松、谢毅等在国际上首次人工合成具广谱抗作物细菌病的抗菌肽基因。

●转基因作物：沈大棱在国际上率先用农杆菌介导把抗菌肽目的基因转入水稻；唐克轩将褐飞虱抗性基因成功导入粳稻；蒯本科在国际上率先培育成抗除草剂的燕麦和草坪草等。

●细胞培养、育种和生物防治等。

作者后记

这是一份复旦大学“985”项目建议书。我回到复旦大学后，考虑到学科发展必须有重点并留有空间，所以在生态学、农业和天然药物3个方向上作了布局，后来生态学发展最为理想，培育出教育部重点实验室和国家重点学科。目前复旦大学在长江河口湿地生态系统、外来种入侵、基因多样性与生物安全3个方向有长足进步。农业方面我与本院的3位教授合作，提出了“设计”农业的概念及一套现代农业发展思路，在学校支持下成立了“现代农业科技学术沙龙”、“复旦大学基因多样性与设计农业研究中心”，并在复旦大学3年行动计划（“985”）中得到了立项资助，放在交叉学科领域，由另一位教授负责。而我本人逐步从农业科技领域淡出，只是2004年应邀参与编制《上海市中长期科技发展规划纲要》中的农业专项部分。