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在全球气候变化加剧、人口持续增长、粮食安全与营养健康需求日益提升的背景下，发展以资源节约、环境友好、产出高效、产品安全为特征的绿色高效农业已成为保障国家粮食安全、推动农业可持续发展的核心路径。本文基于2025年8月11~13日在哈尔滨召开的第二届全国作物杂种优势与生物育种学术大会上15位院士的前沿学术报告，系统总结了我国在生物育种、智慧农业、绿色生产及功能农业等关键领域的最新进展，旨在围绕“生物与信息技术赋能现代农业绿色发展”主题，从技术路径、产业实践与系统思维等多维度展开评述，以期为全面推进农业现代化、践行“大农业观、大食物观”提供宏观参考。
1 生物育种：从杂种优势到智能设计，构筑产业核心芯片 作物育种是农业生产的源头与基石。当前，我国正推动育种研究从传统的表型选择和经验杂交，向基于多组学解析与人工智能预测的智能设计育种范式转变。其核心在于深度解析作物遗传规律，实现对产量、品质、抗逆性和资源利用效率等复杂性状的协同改良与精准设计，为农业绿色高效发展提供核心种源支撑。种质的持续创新，为后续的智慧生产决策与绿色田间管理提供了根本性的物质基础。 1.1 籼粳杂种优势利用，理论与技术的双重突破引领水稻产量革命 利用籼粳亚种间强大的杂种优势，是短期内实现水稻产量跃升的最有效途径。发展籼粳杂交稻是我国粮食增产新的增长点，将在国家新一轮千亿斤粮食产能提升行动中发挥关键作用，但亟需解决制种产量低、抗稻曲病、耐高温、粒型优化、适应性以及灌浆等方面存在的技术瓶颈。近年来，水稻早开花、抗穗发芽、抗稻曲病、优质食味相关性状基因挖掘与遗传改良的研究取得良好进展，推动籼粳杂种优势潜力释放。籼粳杂交不育一直是制约杂种优势利用的核心难题，随着S5、OsSRF8、qHMS7、RHS12等多个关键基因的克隆和解析，以及“毒药-解毒”自私基因系统驱动生殖隔离的分子机制的揭示，设计水稻广亲和材料的理论依据和精准靶点不断涌现。 基于杂种优势机理解析，水稻育种逐渐从“三系法”“两系法”到“一系法”（无融合生殖）不断演进，并朝着应用方法由繁到简、效率越来越高、优势水平由品种间到亚种间，甚至远缘杂种优势越来越强的方向发展。其中无融合生殖可实现水稻种子无性繁殖，固定杂种优势，彻底变革种子生产模式，大幅降低水稻杂交种生产成本。在实践层面，一批高产优质籼粳杂交稻已实现大面积应用并展现出巨大的现实增产潜力，如甬优1540在2023年推广196万亩、嘉禾优175区试亩产723.7kg，增产16.2%。未来，挖掘并利用栽培稻与野生稻之间的远缘杂种优势，将是释放水稻更高产量潜力的重要方向。 1.2 生长-代谢协同调控，开辟可持续绿色革命新范式 传统绿色革命半矮秆品种依赖高肥水投入，资源环境代价高昂。从系统生物学视角出发，协同调控作物生长与代谢实现“增产减排”的新范式是解决上述问题的重要策略之一。相关研究解析了DEP1、NGR5等氮肥高效利用的关键基因，揭示了关键转录因子GRF4作为“协调中枢”，通过竞争性结合DELLA蛋白，同时激活生长相关基因与氮代谢基因的表达，从而打破高产与氮效率之间的负相关的机制。据此培育的“中禾优1号”等绿色高效水稻品种，成功实现了低投入、高产出的目标，为农业可持续发展提供了品种解决方案。 1.3 多物种精准育种体系，技术革新驱动产业全面发展 在棉花、果树、蔬菜等多元化经济作物中，以基因组学为基础、基因编辑和分子设计为工具的精准育种技术体系正日趋成熟，成为驱动相关产业提质增效与转型升级的核心引擎。 我国已建立国际领先的“基因组+基因编辑”棉花育种体系，编辑效率达87.8%，创制了覆盖近500个基因的突变体库。通过编辑GhNTL9、HRK1等基因，成功实现了棉花纤维长度、衣分、耐高温性等性状的定向遗传改良，育种周期缩短2~4年。此外，通过跨物种合成生物学策略引入外源基因模块，我国研究团队成功创制富含虾青素的工程棉花，使棉籽及棉籽油实现高值化，实现了棉花从“白色纤维经济”向“红色生物工厂”的跨越。 针对果树产业，我国在梨等果树种质资源收集、基因组解析和分子育种方面取得体系化成就。依托28个国家种质资源圃保存的2.4万份资源，主导完成了20余种果树基因组图谱，推动果树分子设计育种成为现实，“玉露香”梨、“瑞雪”苹果等代表性品种实现了优质与抗性的协同提升。 我国是世界第一蔬菜生产国，蔬菜产业以10%的全国耕地面积创造了种植业约40%产值，但核心种源自主率提高仍是产业发展重要目标，市场需要耐低温弱光、高温高湿，抗旱衰，适宜长季节栽培的设施专用品种；此外，加快推进设施农业、推行病虫害绿色综合防控等也是高品质蔬菜发展的重要方面。从产业宏观布局视角，特色作物向优势产区集中具有重要意义。其中，将辣椒产业向新疆南疆等光热资源优越、适合规模化机械化的地区转移，不仅能使产量增至内地的2~4倍，成为富民兴疆的主导产业，还能置换出内地耕地用于粮食生产，间接服务于保障国家粮食安全。
2 智慧农业：数据驱动决策，赋能全产业链智能化 数字技术正深刻重塑农业科研与生产的每一个环节，推动其从经验依赖型向数据驱动、智能决策转型升级。以大数据、人工智能、物联网和先进传感技术为核心的智慧农业系统通过现代信息技术对农业生产、经营、管理、服务全产业链进行智能化控制和精准化运行，是实现农业生产精准化、管理智能化、服务在线化的关键支撑，为破解资源约束、提升全要素生产率注入新动能。通过智慧农业手段，生物育种提供的优良种源的遗传潜力能够精准表达，并在全产业链释放价值。 2.1 智能育种打通从基因型到表型无缝衔接的“最后一公里” 利用人工智能与大数据深度融合的智能设计育种新范式正加速发展。当前，我国已构建起涵盖田间轨道机器人、无人机遥感、温室高通量平台乃至显微CT等多尺度、宏微观结合的表型组技术体系，能够无损、高效地获取作物宏观群体结构与微观组织性状表型。这些海量表型数据与基因组、环境组数据结合，通过机器学习算法，可显著提升性状表型预测与杂交组配的精准度，将育种周期缩短30%~50%。其中，我国研发的全基因组亲本智能耦合表型预测（WPICP）模型、自动巡航杂交授粉智能育种机器人“吉儿”（GEAIR）等一批智能表型预测模型、智能育种机器人等取得突破并得到生产应用。未来的攻关方向在于开发低成本、高精度的田间表型鉴定装备和系统性、易操作的智能育种决策平台。 2.2 智慧植保构建以生态系统健康为核心的新型治理体系 面对化学防治带来的抗药性、残留与生态问题，我国植保理念正从“以消灭病虫为中心”向“以维护植物生态系统健康为中心”升级。当前研究倡导构建“研发-评估-培训-服务-大数据”五位一体的智慧植保体系。基于“天空地”一体化传感器和AI图像识别，实现病虫害的实时监测与早期预警；智能喷雾装备与无人机实现变量精准施药；此外，以作物或生态区域为单元，整合植保部门、科研机构、社会化服务组织等多方力量，开展跨界联动的技术示范与全程服务。 加强作物综合抗病性的遗传改良是面对病原菌快速演化的必然选择。在已克隆超200个抗病基因的基础上，未来需通过多基因聚合、编辑感病基因（如MLO）及利用寄主诱导的基因沉默（HIGS）等新技术，创制具有广谱、持久抗性的作物新品种，筑牢稳产增产的防线。
3 绿色生产：农艺技术集成与系统优化，激活大面积单产提升潜力 将作物优良品种的遗传潜力转化为大田普遍的实际产量，是保障粮食安全的关键环节。这依赖于一套贯穿作物全生育期、兼具可复制性与可推广性的绿色高效农艺技术体系，即综合运用栽培、植保、土肥、农机等手段，在实现作物高产稳产的同时，最大限度减少化学投入品使用、保护生态环境的生产方式。生物育种创制的优良种子、智慧农业提供的精准决策信息，最终需要通过绿色生产技术体系在田间落地，形成现实生产力。 3.1 水稻单产提升的精准农艺路径与区域实践 基于对湖南省562个水稻种植主体的问卷调查发现，大面积单产与区试单产存在13%~18%差距，与高产示范的差距则达到30%左右，其中差异成因包括高产品种覆盖率不高、高产技术成套到位率低、水利基础设施老化等多方面因素。为此，相关研究系统集成了“精选良种增潜力”、“集中育秧增壮苗”、“合理密植增苗数”（以苗代、增苗节氮）、“水肥耦合增粒数”（看叶色精施穗肥）、“一喷多促增粒重”、“水旱轮作增地力”、“绿色植保控病虫”以及“良机收获控损耗”八项关键良种良法技术，全面释放水稻单产潜力。该体系在湖南屈原管理区的全域实践中成效卓著，实现核心示范片增产20%~50%，药肥分别减施29.7%和17.4%，为全国粮食大面积单产提升提供可借鉴、可复制范本。 3.2 绿色投入品创制与生态农作制度 近年来绿色农药的原始创新取得突破，在构建智能分子设计平台（如ACFIS、ChemFREE）上，我国研究团队成功创制了环吡氟草酮、三唑磺草酮等20余种具有自主知识产权的高效低风险农药。其中，环吡氟草酮等产品推广应用面积超7000万亩，减少除草剂用量30%以上。此外，我国研究团队成功将大肠杆菌改造为高效的“细胞工厂”，实现天然农药除虫菊酸的高效微生物合成，为绿色农药的源头创新提供了全新的生物制造路径。同时，推行稻油等水旱轮作制度，结合有机肥替代、秸秆还田等措施，大大提升耕地质量，实现“藏粮于地”的目标。
4 功能农业跨界融合：驱动营养升级，拓展产业边界 农业的功能正从保障“吃得饱”向“吃得好、吃得健康”拓展。功能农业，即通过生物强化技术和大食物资源挖掘，生产具有特定健康功能的农产品的现代农业形态，主要通过定向改良作物的营养与健康成分，创造高附加值的农产品；而跨学科的理念和技术融合，则为现代农业应对复杂挑战、拓展社会价值边界，提供了新的发展思路和技术支撑。农业绿色生产保障了农产品的安全与品质，为功能农业的价值提升奠定了坚实基础。 4.1 作物营养与健康功能定向改良 随着人们对茶叶健康功能认知的不断深化，茶相关研究逐渐打通“功能成分-健康机理-育种应用-产品开发”全链条。通过解析儿茶素（EGCG）、茶氨酸等活性物质的合成调控网络与保健功能机理（如延缓衰老、调节糖脂代谢等），利用分子标记辅助选择等技术，已定向创制出高EGCG（>10%）、高茶氨酸（>3%）、低咖啡碱等功能型茶树品种，显著提升了茶产业的健康价值与市场竞争力。 4.2 生物医学前沿的跨界启示 在后新冠时代，农业科技创新倍加需要跨界融合。mRNA疫苗技术的革命性突破，凸显了前沿基础研究转化为重大产品的极端重要性，印证了农业领域同样需要布局基因编辑、合成生物学等颠覆性技术。其中AI驱动的基因元件设计、大尺度DNA合成、新型代谢工程等正积极改变农业科技创新范式。此外，随着“社会疫苗”（即科学传播）概念的提出，在推进农业生物技术发展时同步加强公众沟通和科普逐步成为共识，旨在化解“卡脑子”的认知与信任问题，营造有利于创新的社会氛围。
5 挑战与展望 尽管我国绿色高效农业科技创新已取得系统性进展，但面向未来仍存在一系列深层挑战，同时也孕育着新的发展机遇。 一是强化核心技术“源头创新”与交叉前沿基础研究。在重大育种价值基因、新型基因编辑工具、AI底层算法模型、高性能智能传感元件等方面，原创性发现仍显不足。合成生物学、计算生物学等前沿交叉领域与农业的融合刚起步。按照“十五五”规划的前瞻布局，持续加大对农业基础研究的长期稳定投入，在DNA大片段精准插入、基因高效聚合、农业人工智能与大模型、土壤-机械-作物耦合系统互作机制等关键领域形成自主突破；同时前瞻布局基因编辑底层工具、合成生物元件设计等前沿赛道，针对重大基因与底盘工具等布局一批前沿交叉重大科学项目，力争在农业生物调控机制、生命系统智能设计等基础领域产生引领性理论突破。 二是构建智慧育种大脑与数据生态。作物高产、优质、抗逆、高效等性状间存在复杂互作，其协同调控网络解析不清。现有表型组技术成本高昂，智能育种平台在数据整合、模型精度、易用性上与产业需求仍有差距。需整合全产业链数据，建立统一的数据采集标准与数据产权归属制度，通过数据贡献-收益回馈的正向机制激励各类市场主体参与数据共享，推动构建国家级的“基因型-表型-环境型”多组学数据库与共享平台。集中力量研发低成本、高通量、高精度的田间表型装备，并开发覆盖作物育种全链条的国产化智能决策软件系统。 三是推动技术系统集成与应用场景落地。当前许多单项技术成熟，但针对不同区域、不同经营主体的标准化、轻简化、集成化技术方案供给不足。“大国小农”的基本国情下，绿色技术对小农户的适配性需加强。应强化以产业需求为导向的科技攻关，以“良种、良技、良田、良机、良制”深度融合为抓手，分区域、分品种建设智慧农业技术体系，构建区域性问题一揽子解决方案。大力发展多层次、多模式的农业社会化服务体系，发挥科技特派员、科技小院等作用，通过生产托管、技术承包等方式，推动绿色高效技术包精准下沉，打通科技成果进村入户的“最后一公里”。 四是重构产业创新生态与资本模式。当前农业科技创新面临实验室成果与大规模产业应用间的“死亡谷”，根源在于传统的线性科研模式与现代农业产业复杂系统需求之间的结构性脱节，部分前沿成果止步于论文、技术成熟度与商业化准备普遍不足，使资本市场对长周期、高风险的农业研发持观望态度。据统计，2024年农业科技创投市场投融资事件234起，比2023年的248起下降了5.65%，IPO退出渠道收窄，早期项目“融资难”问题突出。破解之道在于创建新型组织与资本机制，可借鉴生物医药经验，设立专注早期技术工程化与商业化的风险开发实体；构建政策引导下的市场化基金支持长周期研发，同时通过“平台公司+科学家创客”等模式探索清晰的科研人员技术入股和利益共享机制，从根本上激活成果转化动力，从而培育以企业为核心的引领型创新生态。
6 结论 当前，全球农业科技正呈现“全链条智能化、绿色化创新驱动、多学科深度融合”三大变革趋势。以“生物技术+信息技术+绿色技术”深度融合为核心，构建覆盖全链条的现代农业体系，是我国保障粮食安全与国民健康的重要选择。我国农业科技已形成系统性创新格局，汇聚系统性的科技进步：在生物技术领域，破解籼粳杂交难题、深化杂种优势理论，解析高产、优质、耐逆、养分高效等协同调控机制，构建多物种精准育种体系，为绿色高效农业提供核心芯片；在信息技术领域，智能育种平台与智慧植保体系的建立，为全产业链智能化装上智慧大脑；在绿色技术领域，栽培技术体系集成、绿色农药创制与生态农作制度创新，为大面积单产提升筑牢了田间防线。通过以生物技术筑牢潜能根基，以信息技术赋能精准决策，以绿色技术保障高效落地，实现从种质创新到生产管理的全链条贯通。这些成果的有效协同将农业科技创新的价值从增产增收，通过功能农业的发展与科学传播的加强，进一步延伸至国民健康与全民认知的新高度。此外，通过持续的体制机制创新，将上述系统性科技进步转化为新质生产力，我们完全有能力、有信心端稳端牢“中国饭碗”，并在应对全球粮食安全挑战、促进农业可持续发展中，贡献不可或缺的中国智慧与方案。 参考文献： [1]魏珣,万向元.绿色高效农业发展的规划路径与科技支撑[J/OL].科学通报,1-8[2026-04-10]. 特别提醒：物联网专业交流群欢迎物联网行业相关的人群加入，同时群内欢迎各路社牛、大咖、前辈加入，群内除了不能发敏感内容、色情内容，以及不太建议多次发送推广内容，其他内容皆可畅聊~——交流QQ群724511126，进群的朋友请备注：姓名-单位-研究方向（无备注请恕不通过），由编辑审核后邀请入群！
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发表于 2026-4-13 07:10:44