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《基因科技结合农民传统知识来提高小麦产量》

  • 来源专题：土壤、生物与环境
  • 编译者： 李卫民
  • 发布时间：2017-07-19

  • The key to produce better crops to meet the needs of the growing world's population may lie in combining the traditional knowledge of subsistence farmers of the Ethiopian highlands with plant genomics. Researchers in Italy and Ethiopia conducted research that demonstrates that the indigenous knowledge of traditional farmers, passed on from one generation to the next since hundreds of years, can be measured in a quantitative way and used with advanced genomic and statistical methods to identify genes responsible for farmers' preference of wheat.

    The livelihood of hundreds of millions of people living in smallholder farming systems depends on the products they obtain from marginal fields. Smallholder farmers are very knowledgeable in what they grow, because they must be efficient in selecting the crop varieties that will ensure the subsistence of their household. With an innovative approach overturning the classical scheme of modern plant breeding, the authors of this research developed a method to extract the traditional knowledge from smallholder farmers' and to use it to inform modern, genomic-driven breeding.

    The result of this original research, conducted by scientists from the Institute of Life Sciences of Scuola Superiore Sant'Anna in Pisa and from Bioversity International, and participated by the University of Bologna, the Amhara Agricultural Research Center, and the Mekelle Univeristy in Ethiopia, was published in Frontiers in Plant Science. Researches worked with 60 farmers from two smallholder farming communities in the Ethiopian highlands. For two straight weeks, farmers evaluated 400 wheat varieties for traits of their interest side by side with geneticists measuring agronomic traits on the same plots. The evaluation provided more than 200 thousands data points, that the researchers related to 30 million molecular data deriving from the genomic characterization of the wheat varieties. This approach allowed to identify for the first time genomic regions responding to smallholder farmers' traditional knowledge, demonstrating that farmers may identify genomic regions relevant for breeding that exceeds those identified by classic metric measurements of traits alone.

    "This study is a milestone in modern crop breeding" says Matteo Dell'Acqua, geneticist at the Scuola Sant'Anna and coordinator of the research "as it is the first in demonstrating that the traditional knowledge of smallholder farmers has a genetic basis that can be extracted with methods already available to the scientific community. These farmers can teach us how to produce crop varieties adapted to local agriculture, fighting food insecurity in farming systems most exposed to climate change"

    Story Source:

    Materials provided by Frontiers. Note: Content may be edited for style and length.

    Journal Reference:

    Yosef G. Kidane, Chiara Mancini, Dejene K. Mengistu, Elisabetta Frascaroli, Carlo Fadda, Mario Enrico Pè, Matteo Dell'Acqua. Genome Wide Association Study to Identify the Genetic Base of Smallholder Farmer Preferences of Durum Wheat Traits. Frontiers in Plant Science, 2017; 8 DOI: 10.3389/fpls.2017.01230

  • 原文来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2017/07/170717091037.htm
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相关报告

  • 《中国首个无人农场利用人工智能将小麦产量提高20%》
    • 来源专题：农机装备
    • 编译者：江浩
    • 发布时间：2025-07-30
    • 在河南省张庄里村，太阳直射在金色的麦田上。但是，当无人驾驶的收割机以不可思议的精度移动时，智能无人机在天空中巡逻，而不是农民辛勤劳作。这不是科幻小说中的场景——这是中国第一个完全无人操作的小麦-玉米轮作农场在清丰县的突破性现实，小麦产量增加了惊人的20%。“铁马”的崛起占地233公顷，这个由河南农业大学的科学家在“科技后院计划”下设计的开创性农场已经实现了一个历史性的里程碑：犁地、种植、田间管理和收割完全无人操作。当地农机合作社负责人周建世（音）看着一台自动收割机说道：“对于几代人来说，收割意味着全家人在田里挥汗如雨。”现在，这些“铁马”们自己就能完成所有的工作。“这简直太神奇了。”农场部署了一支综合车队——无人驾驶收割机和拖拉机、气吸式播种机、精确灌溉系统和侦察无人机——所有这些都通过中国自主研发的北斗导航卫星协调进行。在任务控制室里，巨大的屏幕显示着土壤湿度、秧苗密度和害虫警报的实时数据，创造了农田的实时数字孪生。精密动力：效率提升和可持续发展的胜利向完全自动化的转变已经产生了巨大的成果，而不仅仅是产量的大幅提高。据周介绍，收割时间从7天缩短到了4天。水和肥料管理等关键任务的劳动力需求下降了80%，总体人力成本降低了40%。“但与去年的传统方法相比，效率提高了30%，”周强调。秘密在于超精度。清丰科技后院项目主任、河南农业大学副教授王强解释说，无人机每天巡逻，每30分钟收集10个点的田间数据。“预测模型将数据转化为生长模式、产量预测和精确的用水需求。”智能灌溉系统将农田分为六个区域，根据作物的具体需求进行灌溉。周指出，灌溉劳动力减少了90%，一个人通过智能手机管理以前需要10个人的工作。精准施肥减少了20%的化学物质使用，提高了30%的吸收效率。“核心是根据作物的精确需求匹配水肥，”科技后院项目创始人、河南农业大学教授叶有良说。“集成水肥系统精确输送养分，从而减少投入，提高质量，真正实现可持续农业。”站在生机勃勃的田野中，王强认为青峰不仅仅是一个成功的试点：它是中国农业未来的一个可扩展的蓝图。“青峰为中国农业现代化提供了一个可复制的模式，”他断言。“下一步，我们将完善全流程无人技术，进一步削减成本，并扩大这些效率收益。”这是一场自主革命，融合了人工智能、机器人和大数据。承诺的不仅是更高的产量，还有向更智能、更可持续的粮食生产的根本转变。探索这种无人农场模式如何改变全球农业。必须知道是什么让庆丰农场“完全无人”？该农场在整个作物周期实现了完全自主——耕作、种植、管理（灌溉、施肥、虫害监测）和收割——使用由北斗卫星引导的无人驾驶机械、用于侦察的无人机和用于协调的人工智能，最大限度地减少了人类对农田的直接干预。（来源：清风科技后院计划，河南农业大学，2024年6月）报告的关键效率收益是什么？显著的改进包括小麦产量增加20%，收割时间从7天减少到4天，水/肥管理劳动力减少80%，总体人力成本降低40%，灌溉劳动力减少90%，化肥使用量减少20%，运营效率提高30%。（来源：周建时，庆丰农机合作社，2024年6月）。精确灌溉系统如何工作？该系统将农场分为六个区域。来自无人机和地面传感器的数据（每30分钟在10个点收集）为预测模型提供信息。这决定了每个特定区域的确切用水需求，只在必要的地方和时间启动灌溉，大大减少了浪费和劳动力。（来源：王强，河南农业大学，2024年6月）“科技后院计划”发挥了什么作用？该计划由河南农业大学的科学家设计并实施，旨在将尖端农业研究与实际的大规模农业应用相结合。庆丰无人农场是其综合智慧农业的旗舰示范项目。（来源：叶有良，河南农业大学，2024年6月）。这种模式是否可以在中国推广？是的，开发人员明确地将庆丰农场设计为可复制的模式。研究人员正在积极努力进一步完善该技术，降低实施成本，以促进在中国农业领域更广泛地采用。（来源：王强，河南农业大学，2024年6月）是什么技术使无人驾驶成为可能？使自主拖拉机和收割机成为可能的核心导航和定位系统依赖于中国国内开发的北斗卫星网络，提供田间作业所需的精确位置数据。（来源：清风科技后院计划技术文档，6月2024）.查看更多
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  • 《没有农民的深圳 育出“3G杂交稻”》
    • 来源专题：转基因生物新品种培育
    • 编译者：dingqian
    • 发布时间：2016-12-14
    • 3G杂交育种 中国育种“圳”能量 水稻第三代杂交育种技术研究成果由中组部“相关人才计划”专家邓兴旺和唐晓艳（左一）领衔的“广东省引进创新科研团队”和“深圳市孔雀计划引进创新创业团队”完成。 从2010年确定利用广泛存在的隐性核雄性不育基因构建一种新型的水稻杂交育种技术体系，到最近这一研究成果发表在美国科学院院刊《PNAS》上，深圳市作物分子设计育种研究院完成了自身最重要的一次技术创新，并开始步入产业化阶段。这意味着杂交水稻育种将迎来一个新时代。领衔建立“广三系”育种的是两位国家“相关人才计划”学者——邓兴旺、唐晓艳。这套技术也被袁隆平先生称赞为“3G杂交育种技术”。 没有农村、没有农民，但深圳走出了一条生物育种的高端农业产业之路。据了解，近年来，深圳陆续引进和培育不少国内外一流的拥有生物育种核心技术和自主知识产权的生物育种创新团队，深圳在生物育种基础研究、技术应用研究和产业示范推广等方面已初步形成较为完整的产业链。 拥有核心技术的高端农业产业 由“广三系”技术培育的第一个不育系水稻命名为“圳18A”，这套技术被袁隆平称赞为“3G杂交育种技术” 作为深圳市引进的拥有生物育种核心技术和自主知识产权的生物育种创新团队，深圳市作物分子设计育种研究院的发展成果为深圳致力成为“种业硅谷”加上了一次生动的注解，以该研究院为样本或可窥视深圳生物育种产业链不断完善的发展轨迹。 据了解，该研究院分别在深圳、北京设有研究基地，深圳团队主攻方向为水稻，北京团队主攻方向为玉米和小麦。此外，还在湖南、四川、海南、深圳、北京设有多个育种基地。该团队已完成的核心技术及成果包括非转基因、抗除草剂优良性状作物新品系、水稻第三代杂交育种技术体系等。近几年来，该团队申请提交的专利有50多项，国际专利12项，授权专利已达8项，其中绝大部分是围绕已有核心技术的研究领域。 水稻杂交优势利用是构建我国粮食安全生产体系的核心技术之一，中国杂交水稻种植面积约占水稻总种植面积的一半，其中80%的籼稻为杂交稻品种。目前，我国杂交水稻研究与应用虽然居国际领先地位，但仍存在诸多亟待改进与提高的问题。 一是我国杂交水稻亲本的选育仍为传统的杂交选育方法，将优良性状快速聚合在同一亲本的难度大周期长，且可供利用的有利基因源日益匮乏，大量的人力和物力消耗在重复研究中。二是目前杂种优势利用的技术体系有一定的局限性。“三系”杂交稻由于受恢保关系的制约，母本的不育细胞质源较单一，细胞核改良进展也较小，而且恢复系的遗传基础也较狭窄，不育系和恢复系的遗传背景单一导致杂交育种选育困难。“两系”杂交水稻由于不受恢保关系的制约，亲本的遗传多样性得到明显改善，选育出高产杂交稻组合的速度明显加快，促进了杂交稻的研究和生产，但不育系育性的不稳定性一直是影响两系杂交制种的障碍。 “因此，如何在‘三系法’和‘两系法’的基础上，研究出对种质资源利用率高、杂交制种安全、更易于快速聚合高产、优质、多抗等优良性状的杂交水稻新技术已成为杂交水稻发展的迫切要求。深圳市作物分子设计育种研究院唐晓艳博士告诉记者，广三系杂交育种技术就是利用广泛存在的隐性核雄性不育基因构建的一种新型水稻杂交育种技术体系，既糅合了传统”三系法“和”两系法“的优点，又克服了二者存在的缺点——在提高水稻种质资源利用率至接近100%的同时，又避免了自然条件（光温）对不育系育性的影响，将杂交制种的风险降低至接近零，同时由于不育系的育性由单基因位点控制，非常便于快速聚合多个优良性状以达到持续改良不育系品质的目的。 据了解，该项技术取名“广三系”杂交育种技术，其中“广”代表这项技术在广东省各级政府的资助下完成的，又表明该项技术具有广谱的测配选育新品种能力；由“广三系”技术培育的第一个不育系命名为“圳18A”，表明该不育系在深圳培育成功。这套技术被袁隆平称赞为“3G杂交育种技术”。 目前深圳市作物分子设计育种研究院已经为国内80余家育种机构提供了“圳18A”不育系进行杂交测配，选育高产优质杂交组合。可以预见，随着该技术的产业化应用及推广，中国在杂交水稻技术领域将继续保持国际领先地位，杂交水稻育种将迎来一个新时代。 两个月走完以往三五年的路 水稻第三代杂交育种技术已可以实现产业化，比现有水稻产量能提升10%-15% 水稻第三代杂交育种技术研究成果由中组部“相关人才计划”专家邓兴旺和唐晓艳领衔的“广东省引进创新科研团队”和“深圳市孔雀计划引进创新创业团队”完成。这项技术的创新源头可以追溯到2010年。这一年，深圳市作物分子设计育种研究院刚落户深圳。 “我们希望从源头做起，为了保证有自主知识产权，用自己的材料和基因。”唐晓艳介绍，选择水稻作为研究载体是因为水稻在中国比较广泛，应用价值更高。 是什么吸引了像深圳市作物分子设计育种研究院这样的生物育种团队纷纷落户深圳？唐晓艳告诉记者，吸引研发团队落户深圳的是政策和政府的服务。“政策扶持力度大，公开透明，不需要跑项目，在我们产业、人才用房有困难时，政府也给予了相应支持。” 唐晓艳坦言，生育育种行业技术研发花费大，周期长，不确定因素多，风投早期一般不愿意轻易投入，资金紧张感会一直有，政府在农业育种方面的研发支持非常必要。深圳市作物分子设计育种研究院在技术创新中，得到了广东省科技厅、深圳市科技创新委、深圳市经信委、光明新区以及依托单位深圳市农业科技促进中心在研究经费、实验办公场地以及育种基地等方面的大力支持。 谈到我国种业发展前景时，唐晓艳直言，我国种业与国外相比差距还比较大，但市场大，有巨大的发展前景。现阶段国内种业的特点是种子公司技术比较落后，好的技术在高校和研究所，但离技术产业化有段距离，“深圳土地资源少搞种植不现实，定位高科技农业是对的，把有限土地资源用起来发展生物育种产业，对整个行业能起到很好的示范引领作用。而且深圳市场环境成熟，有利于技术产业转化。现在深圳生物育种产业集聚效应正在形成。从2010年3月确定了研究方向，到2016年11月发表论文，水稻第三代杂交育种技术成熟经历了6年多的时间。据了解，在育种技术研究领域，10年左右的研发周期十分普遍。对于大幅提速的团队创新速度，唐晓艳连称“运气好”。 第一次关键节点是2011年。当年，在海南的稻田中，研究人员筛选得到一株雄性不育体植株。这其中还发生了一个小故事。由于该雄性不育体材料异花授粉结实特别好，并不像雄性不育植株，研究人员差点将其扔掉。 找到了雄性不育系后，2012年，研究团队开始用自己的分析方法克隆基因。但要在水稻中克隆基因并不容易，往往要耗时三五年。最初，研发团队采用的是老方法图位克隆技术找基因，不仅费时还毫无结果。但很快，研究团队迎来了新的契机。彼时，基因组测序技术开始被广泛应用。深圳市作物分子设计育种研究院的研发团队采用了新的基因分析方法，寻找到了合适的基因，花了两个月时间，走完了以往需要花费三五年的路。 唐晓艳告诉记者，该杂交育种技术体系所涉及的不育性状和转基因都是由单个位点控制，不受遗传背景及外界环境条件影响，可以通过普通杂交育种手段导入其他品种，高效而有针对性地引入优良性状，形成新的不育系。新型不育系利用自然界普遍存在的隐性核不育基因，丰富了不育系的遗传多样性，提高了杂交育种资源利用率，可实现与多种不同的父本进行杂交测配，从而更容易选育优质高产多抗的杂交品种。“我们的服务对象是种业公司，也就是通过我们提供的雄性不育系，种业公司与水稻父本进行杂交，再把大量生产的杂交种卖给农民。关键是有了雄性不育材料后，更容易培育出好的品种来。现在，水稻第三代杂交育种技术已经可以实现产业化了，我们今年已经小规模进行生产了。” 根据预测，该技术推广后，选出好品种的几率大大提高，产量方面比现有水稻产量能提升10%-15%。 有机会将与中山大学合作 “希望能通过技术进步引领生物育种产业发展，进一步实现产业化推广” 尽管唐晓艳对于水稻第三代杂交育种技术的成功用了“运气好”三个字，但研究室每天直到晚上12点多才熄灭的灯则表明研发工作的艰辛。 深圳市作物分子设计育种研究院从刚开始起步时的3人，到现在团队成员已经有将近50人，其中有不少是博士硕士。唐晓艳说，尽管招聘不易，但值得骄傲的是，团队的流动性不大，很多核心员工一直都在与团队共同成长，“我们尽最大努力留人，员工认可我们的技术方向。” 从2011年来到光明新区，唐晓艳一呆就是数年，随着自身创新团队的成长，她也见证了新区高端研发团队的增多，“这说明光明新区的科技竞争力在增强。”她表示，随着中山大学·深圳校区的建设，未来研究院有机会可以与中山大学开展生物领域的合作，“我们希望能通过技术进步引领生物育种产业发展，进一步实现产业化推广。”
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