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农业生产中的科学技术应用思考

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一、现代生物科学研究成果的深刻影响,促使农业科学向微观领域的方向发展

在现代生物科学特别是分子生物学研究成果对农业科学的广泛渗透和深刻影响下,一些微观研究领域内,生物科学与农业科学的界限,日趋消失。比如近十多年来,国际上对植物光呼吸的研究,无论生物学家抑或农学家,都积极参与研究,并且普遍认为光呼吸是由叶绿体、过氧化物酶体、线粒体三者协同作用下进行的。叶绿体体积约3下5微米,线粒体只1一3微米,而过氧化物酶体还不够1微米,呈单层膜结构并含有均质内容物的小颗粒。只有深入研究细胞内的微细结构并阐明其机能,才能深刻认识植物光呼吸的本质,这样要采取降低、抑制以至控制光呼吸的技术措施才有可能。又如要阐明根瘤菌进入豆科植物根毛细胞的机制,精细观察侵染丝(只有1微米左右)如何由根毛尖端屈曲部位侵入后在根毛细胞内的伸展状况。只要弄清楚根瘤菌进入豆科植物根部的生理生化机制及其所需的外界条件,就有可能阐明根瘤形成过程及其消耗能量与豆科植物光合产物积累量之关系,阐明根瘤形成与固氮机能以至固氮过程的生化反应,这样,对于实现非豆科粮食作物(水稻、小麦、玉米等)以及经济作物(甘蔗、烟草等)的共生固氮,对于实现生物固氮模拟技术,都具有极其重大的经济意义和科学价值。

随着科学技术、特别是生物科学中的分子生物学的迅速发展,与其说现代生物科学的研究成果不断地渗透到农业科学研究领域,不如说农业科学本身必须主动地靠拢现代生物科学,必须积极地从生物科学的最新成果中吸取丰富的营养,才能蓬勃发展。当前农业生产中存在的许多悬而未决的问题,看来有从分子生物学角度才能够彻底解决。通常在基础研究尚未取得重大进展之前,要在技术措施上会出现新突破,是不容易办到的。比如,水稻对病害(主要是稻瘟病、白叶枯病、纹枯病)、虫害(主要是三化螟、稻飞虱、稻叶蝉、稻瘦蚊)的抗性机制,以至病虫杂草对化学药物的抗药性机制等等,看来只有通过深入研究生物膜系统(细胞膜、原生质膜、核膜、液胞膜、内质网膜、线粒体膜、微粒体膜、叶绿体膜、微管膜等)表面吸附的酶种类(一个植物细胞总共含有1万种不同类型的酶分子)及其活性,膜系统对物质的透过性和能量交换,酶活性与细胞免疫能力之关系等,才会得到彻底解决。

因此,可以说,以现代生物科学的最新研究成果来武装农业科学,是积极推进农业科学向前蓬勃发展的重要因素,而现代农业科学和生产实践提出的急待解决的实际问题,又将进一步促进现代生物科学的向前发展。

二、现代生物科学与农业科学各学科彼此交叉和相互依赖,导致研究领域向综合性和多学科性的方向发展

现代农业生产以及科学研究领域,为了大幅度提高劳动生产率,越来越趋向专业化,于是各个工序、各门学科遂越分越细,这就导致它们彼此之间互相联系、互相交叉、互相依赖,单靠本门学科知识和力量,已经难于解决当前农业科学领域内提出的重大综合性研究课题,因而必须实行多学科协作,相应集中人力物力财力,才可希望取得巨大进展或突破。

现代农业科学的重大研究课题之所以愈来愈带有综合性,就是因为当前农业生产提出的要求,并不限于局部改进某些农业技术措施,以便在一定范围内能够获得高产,而更为重要的是通过积极深入的探索,为农业生产成倍成倍地增长提供带根本性的科学手段和理论依据。现今国际上实行多学科协作,组织各有关学科既分工又联合以进行总体的研究,是解决重大综合性研究项目的最常见途径。

比如,美国1975年12月制定的生物科学十项研究计划,其基本宗旨是提高动植物和微生物对于食物资源的增产效能。在这十项研究计划中,特别强调光合作用,生物固氮和细胞遗传工程三项综合性研究内容。而在生物固氮这个项目中,就组织七个研究组数十门学科参与协作研究。例如,饲用豆科和粒用豆科植物研究组,就有农学、土壤学、植物营养学、细菌学、细菌遗传学、植物遗传学、植物生理学、植物生物化学等学科参加,规定该研究组应当完成的基本目标,而各门学科再根据基本目标去分别制定其所承担的具体内容。日本制定的“生物能量的发掘与利用”(1976~1980)的五年研究计划,以提高农业生产效能为中心,把农学、基础理论与应用生物学密切结合起来,对生物能量的若干基本问题,开展综合性的研究。例如,对于提高绿色植窗光能利用率的生物学机能的研究项目中,概括五个方面的综合性研究课题。(1)剖析光能吸收机制及提高光能利用效率,(2)阐明Co:的积集、固定机制及其生理机能,(3)阐明和控制光呼吸的机制,(4)采取农学措施提高群体光能利用率,(5)研究离体叶绿体典型光合过程。每个课题又具体规定一系列研究内容。

上述实例说明,要攻破重点综合性研究项目,就需要有专门化知识和技木,实行多学科协作以及科学研究管理机构进行协调,这三者便构成现代科学技木综合性研究的完整体系。

三、深刻揭露生命现象的本质,引导农业科学向人工控制的方向发展

人类对生物界的深入认识,深刻揭露生命现象的本质和生命活动的规律,就有可能对生物体及其活动过程实行人工控制。

随着生物科学的许多新兴学科诸如分子生物学、分子遗传学、遗传生理学、遗传生物化学、分子生物物理学、细胞遗传工程学等的迅速发展和广泛渗透,必将进一步扩大生物科学的研究领域和活动范围,进一步丰富和充实生物科学的知识来源,也必将为人类控制生物活动过程提供新技术、新方法和新途径。

最近几年来,细胞遗传工程(包括基因工程和染色体工程)的研究取得重大进展。在充分阐明植物细胞具有全能性(t以ip。‘姐cy)即由一个细胞能够恢复培养成完整植物体的能力的基础上,应用现代化超速离心技术、电子显微镜以及其他现代化实验技木装备,实行细胞融合(包括异种、异属植物细胞)以图育成杂种植物,这就是当前国际上相当盛行的细胞工程育种,这样就有可能按照人们的要求,对原来人工杂交难以成功的远缘植物,采取细胞工程育种途径,以育成具备理想性状(如高产、抗病、抗虫、抗寒、优质等)的新品种或新物种。其次,在细胞化学、酶化学、特别是基因工程学取得长足进展的基础上,对DNA之类的遗传基因能够进行分离、提纯及再组成,并能将其导入另一个细胞中,实行DNA余交,以育成人们理想要求的新物种,这就是近年来生物学界常说的基因工程育种。应用基因工程育种技木,可把高蛋白的基因,导入粮食作物或微生物细胞中,以育成高蛋白的粮食作物新品种以及蛋白质高生产效能的微生物种群;也可把抗病抗虫的基因,导入高产优质的粮食作物栽培品种中,以育成具有高度抗病虫的高产优质新品种。此外,近年又发展另一种技木,称为原生质体工程育种技术,这有如把C‘植物的高光效基因及低光呼吸基因(存在于细胞核、叶绿体、线粒体等细抱器之中)导入C3植物原生质体中,使C3植物叶片光能利用率提高到接近C4植物的高光效水平,而其光呼吸消耗量则大幅度降至接近C、植物的水平。

应用原生质体融合杂交育种技术,同样对于常规杂交难以成功的异种或异属植物,也易获得成功。由于每一个体细胞原生质彼此融合后而构成的杂种植株,其本身具有二倍性,且有可育能力,无须采取秋水仙碱之类的加倍处理,可以节省染色体加倍所需的时间,大大缩短育种年限和手续。

固氮基因的转导,也是近年来细胞遗传工程的十分活跃的领域之一。简单地把固氨菌固氮基因导入粮食作物根部原生质,是不能获得成功。因此必须深入研究豆科植物与根瘤菌对大气氮素固定的遗传机制,进一步揭露生物固氮的本质。近年来逐步发现,直接还原大气氮素者,是根瘤菌所生成的固氮酶。固氮酶是由两种蛋白质亚单位构成,其中一种的分子量为180000至280000道尔顿(分子量的单位);另一种为50000道尔顿。前者含有铂、铁、硫等元素,后者只含有铁和硫。这两种亚单位相结合才具备固氮酶活性。固氮酶易受o:影响而钝化,因此,为了防止其钝化现象,就必须具备豆血红蛋自(]e沙e二飞lobin)以使细泡内氧分压降低。然而这种豆血红蛋白的形成,则是受到豆科植物的遗传控制。可见,只有深入揭露豆科植物与根瘤菌共生固氮的讥制,要实观非豆科植物的生物固氮,才有可能。

细胞遗传工程学的进一步发展,将为人们定向控制生物休遗传特性提供巨大的可能性,这样就有可能按照人类的意图改变生物的遗传性状,克服种间杂交的障碍,扩大物种杂交的范围,大幅度提高物种变异的频率。据育种学家估计,采取选择自发突变的方法育种,其产生新组合性状的速度,要比自然界的进化过程快一万倍,运用遗传工程学方法,则要快一亿到十亿倍。因此,只要人们能够更充分地掌握基因转移的方法和深入认识基因表达调节控制的规律,就能够更准确地定向改变生物体的遗传特性,为人类按照自己的需要和愿望,有计划地改造现有生物品种和创造新物种开辟广阔的发展前途。

这里只是扼要概述现代农业科学的主要特点及其发展趋势,还有许多问题未曾涉及。然而就此也可以看出,农业科学技术的发展,已经并且正在为农业生产开辟新钓领域、新的途径,带来新的革命。当代,一些农业发达的国家,农业生产的大多数环节,已经采用有如上述的先进技木装备和科研成果,使得他们的劳动生产率比我国高出几十倍,农业产量也大大超过我国。因此,我们要树雄心,立壮志,急赶直追,要贯彻和落实华主席为首的党中央关于大办农业和大力开展农业科学研究的一系列指示,积极开展现代农业科学新技木的研究。当前,应该更加重视农业基础理论研究和新技木应用,加强农业生物遗传、生长、发育控制技术理论和方法的研究,加强农业生物生活环境和生态系统控制技术的研究,积极开展原子能、遥感和电子计算机等新技术在农业方面应用的研究,努力赶超世界先进水平,为建设社会主义大农业,大幅度提高我国农业劳动生产率和农业生产水平,实现新时期的总任务而奋斗。

作者:薛德榕  单位:华南农学院

农业科技管理杂志责任编辑:田老师    阅读:人次
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