作物學十年：國自然基金項目資助、成果與展望

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摘 要

作物學在保障我國糧食安全和農產品有效供給、生態安全、現代農業可持續發展中占據重要地位。作物學基礎研究領域的不斷拓展及基礎研究水平的顯著提高，促進了我國農業的發展。本文分析了十年期間（“十二五”和“十三五”）作物學領域國家自然科學基金項目的申請與資助情況，總結了兩個五年期間的研究熱點和取得的主要成果，并對我國作物學存在的主要問題及未來發展的關鍵科學問題進行了討論。

關鍵詞：國家自然科學基金；作物學；資助情況；成果產出；未來展望

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習近平總書記指出，保障糧食安全始終是國計民生頭等大事，要把中國人的飯碗牢牢端在自己手中[1]。“十二五”期間，我國糧食連年高位增產，實現了農業綜合生產能力質的飛躍；“十三五”期間，國家深入推進農業供給側結構性改革，統籌調整糧食作物、經濟作物、飼料作物種植結構并優化農業區域布局。兩個五年期間我國農業生產方面取得的巨大成就，是國家宏觀決策的結果，而作物學基礎研究領域的不斷拓展及基礎研究水平的顯著提高，也有力促進了我國農業的發展。國家自然科學基金作為資助作物學領域基礎性研究的重要渠道之一，對我國作物學的發展，尤其是對增強農業科技的原始創新，提高農業生產能力，確保農業可持續發展起到了重要的推動作用。然而，我國農業發展基礎條件依然薄弱，亟需加強作物學基礎研究，堅持“四個面向”，深入實施“藏糧于地、藏糧于技”戰略和種業振興行動方案，為打贏種業翻身仗，確保我國糧食安全和重要農產品供給提供有力保障。

1 作物學領域基金項目申請與資助概況

1.1 項目申請與資助情況分析

2011~2020年，作物學累計接收項目申請 22 885 項，資助4 767項，資助直接經費286 418.27萬元。其中，“十二五”期間共接收項目申請9 601項，資助2 218項，資助直接經費131 666.90萬元；“十三五”期間累計接收項目申請13 284項，資助 2 549 項，資助直接經費154 751.37萬元。兩個五年期間，作物學獲基金資助的項目類別共計14類，在各類項目中，資助量排名前三的項目類型依次為面上項目、青年科學基金項目（以下簡稱“青年基金”）和地區科學基金項目（以下簡稱“地區基金”）。現主要對上述三類項目以及受關注度較高的重點項目、國家杰出青年科學基金項目（以下簡稱“杰青項目”）和優秀青年科學基金項目（以下簡稱“優青項目”）的申請和資助情況進行分析（表1）。

面上項目、青年基金和地區基金在“十二五”期間的申請量分別為4 109項、3 277項和1 455項，“十三五”期間的申請量較“十二五”期間分別增加了896項、1 759項和738項，申請量增長率依次為21.81%、53.68%和50.72%。“十三五”期間，重點項目、杰青項目和優青項目的申請量較“十二五”期間也有不同程度的提高，其中優青項目的申請量增幅最大（113.48%），重點項目次之（41.22%），杰青項目增幅最小（1.43%）。與“十二五”相比，“十三五”期間面上項目、青年基金和地區基金的資助量分別增加了138項、131項和94項，增幅依次為15.51%、17.15%和27.33%；重點項目和優青項目資助量分別增加了1項和4項，而杰青項目資助量減少了1項。“十三五”期間各類項目的五年平均資助率較“十二五”期間均有所降低，其中面上項目、青年基金和地區基金資助率分別降低了1.12%、5.54%和3.67%，重點項目、杰青項目和優青項目資助率分別降低了5.25%、1.61%和5.66%。此外，兩個五年期間的資助經費也有較大差異，“十三五”期間面上項目和重點項目的資助金額較“十二五”期間分別減少了3 085萬元和102萬元，而其他4類項目資助金額均有提高。“十三五”期間，各類項目平均資助率降低的主要原因是資助指標并未隨著申請量的逐年增長而增加。

1.2 各依托單位申請及獲資助情況分析

2011~2020年，作物學共收到來自608個依托單位的項目申請，其中337個依托單位獲得資助。對兩個五年期間獲資助項目總數排名前10位的依托單位的申請和資助情況進行分析表明（表2），“十二五”期間累計獲資助項目數最多的是中國農業科學院作物科學研究所（119項），其次是華中農業大學（103項）和南京農業大學（92項）。累計項目經費最多的是中國農業大學（11 554.1萬元），其次是中國農業科學院作物科學研究所（8 115.3萬元）和華中農業大學（7 718.8萬元）。“十三五”期間累計獲資助項目數排名前三的依托單位發生了較大變化，依次是華中農業大學（127項）、中國農業科學院作物科學研究所（121項）和中國農業大學（104項）；累計項目經費排名前三的依托單位分別是中國農業大學（13 701.25萬元）、華中農業大學（12 789.4萬元）和中國農業科學院作物科學研究所（8 280萬元）。兩個五年期間，面上項目和青年基金獲資助最多的均為中國農業科學院作物科學研究所，重點項目和優青項目獲資助數最多的均為華中農業大學，杰青項目獲資助數最多的為中國農業大學。兩個五年期間，多數依托單位不僅注重研究類項目的發展，也更加關注人才培養，特別是對高層次人才的培養。

1.3 各分支領域申請及獲資助情況分析

目前，作物學主要可以分為作物生理學、作物種質資源與遺傳育種學和作物栽培學與耕作學這三大研究領域。對兩個五年期間不同研究領域面上項目、青年基金和地區基金的項目申請與資助情況進行分析表明（表3），“十二五”期間共資助作物生理學研究領域相關項目191項，占整個作物學資助項目總數的9.56%；“十三五”期間共計資助273項，占比提高至11.56%。兩個五年期間，作物生理學領域的主要研究對象發生了變化：“十二五”期間研究對象占比居前三位的依次為稻類作物（30.89%）、麥類作物（15.71%）和油料作物（12.57%）；“十三五”期間依次為稻類作物（26.37%）、麥類作物（23.08%）和玉米（12.09%），麥類作物和玉米的占比明顯提高。“十三五”期間，與作物生長發育、產量、品質相關的項目數量相比“十二五”期間有所下降。然而，隨著全球氣候變化，作物逆境生物學（尤其是非生物逆境）方向相關的項目明顯增加，由“十二五”期間的40項增加到“十三五”期間的136項，增幅達248.72%。兩個五年期間資助的非生物逆境類型主要為干旱脅迫、鹽脅迫和重金屬脅迫等，相關復合脅迫的研究也有所增加。

“十二五”期間共資助作物種質資源與遺傳育種學研究領域相關項目1 417項，占作物學資助項目總數的70.92%；“十三五”期間共資助1 646項，占比略有降低，為69.72%。與“十二五”期間相比，“十三五”期間除了以豆類作物、棉麻類作物和其他類型作物為研究對象的項目數量有所降低外，以其他各類作物為研究對象的項目數量均有所增加，且資助項目數量增幅最大的三類作物分別為糖料作物（48.94%）、薯類作物（47.69%）和玉米（44.03%）。兩個五年期間，研究對象占比居整個研究領域前三位的均為稻類作物、麥類作物和玉米，但“十三五”期間麥類作物的研究占比較“十二五”期間有所降低，而玉米的研究占比增加了2.69%。

“十二五”期間共計資助作物栽培學與耕作學研究領域相關項目390項，占整個學科資助項目總數的19.52%；“十三五”期間共計資助442項，占比降低至18.72%。兩個五年期間，以雜糧作物、豆類作物為研究對象的栽培學以及耕作學方向的項目數量有所降低，以其他各類作物為研究對象的栽培學方向的項目數量均有所增加。資助項目數增幅最大的為薯類作物（150%），其次是糖料作物（100%）和油料作物（68.75%）。兩個五年期間，研究對象占比居前三位的均為稻類作物、麥類作物和玉米，但“十三五”期間稻類作物的研究占比較“十二五”期間提高了3.44%，而麥類作物和玉米的研究占比分別降低了1.19%和0.44%。此外，薯類作物、油料作物的研究占比也明顯提高，分別提高了3.09%和2.01%。

兩個五年期間，各分支領域的研究對象都發生了不同程度的變化。以玉米、糖料作物和薯類作物等為研究對象的項目呈增加趨勢，以豆類和棉麻類作物等為研究對象的項目呈減少趨勢。總體來看，多數項目注重從我國農業生產實際中凝練科學問題，聚焦國家農業重大需求開展深入的基礎研究。

1.4 各類型項目申請人的年齡結構分析

2011~2020年，各類型項目負責人的年齡結構發生了較大變化（圖1）。面上項目負責人的年齡在“十二五”期間主要分布在36~50歲之間，其中 36~40歲年齡段最多，占比為26.09%；“十三五”期間主要分布在36~40歲和41~45歲兩個年齡段，占比分別為31.40%和24.51%。兩個五年期間，青年基金項目負責人均主要分布在31~35歲，“十三五”期間該年齡段所占比例為64.32%，較“十二五”期間（63.61%）略有提高。地區基金負責人年齡主要集中在31~45歲之間，“十二五”期間36~40歲年齡段所占比例最高，為25.89%；而“十三五”期間該年齡段的比例增長至34.91%。重點項目負責人的年齡主要在46~55歲之間，“十二五”期間46~50歲年齡段所占比例最高，為36.01%；“十三五”期間51~55歲年齡段占比最高，達40.54%。杰青項目負責人主要在41~45歲之間，“十二五”期間該年齡段所占比例高達85.64%，“十三五”期間降低至79.49%；但“十三五”期間36~40歲項目負責人的占比提高至20.51%，較“十二五”期間增加了725%。兩個五年期間，優青項目負責人的年齡均主要分布在36~40歲之間，且占比均達65%以上。此外，“十三五”期間有兩位26~30歲年齡段的申請人獲得了優青項目的資助。總體來看，除重點項目外，其他5類項目的負責人年齡結構均呈現不同程度的年輕化趨勢，預計這種年輕化發展趨勢未來將更加明顯。

2 作物學領域研究熱點和取得的主要成果

2.1 作物學領域研究熱點

兩個五年期間，作物生理學領域的研究方向由單純的利用生理學、生物化學和分子生物學手段，發展為從生理水平、代謝水平、分子水平、基因水平和蛋白水平共同揭示作物生長發育，產量、品質性狀形成和作物抗逆的生理生化與分子生物學機制。作物種質資源與遺傳育種學領域的研究目標和方向已逐漸由單一作物的單一目標性狀（產量、品質、抗性等），逐步向多種作物產量或品質性狀形成的共性遺傳規律以及作物產量與品質性狀協同形成與改良的遺傳網絡解析等轉變。作物栽培學與耕作學領域的主要研究方向也已經由單純的追求產量逐步向產量、品質協同提高且環境友好轉變，同時逐漸由傳統的栽培耕作方式逐步向綠色輕簡化方向轉變。

現代生物技術的快速發展有力推動了作物學的基礎研究。例如，以CRISPR/Cas為代表的基因編輯技術，自2012年底問世以來，因其具有設計簡單、操作容易和靶標特異性強等特點，可實現對基因的定點敲除、插入、替換和單堿基編輯等，已成為農作物種質資源創制與遺傳改良的重要研究手段和研究熱點[2-4]。育種方法的進步顯著加快了作物遺傳改良進程，傳統育種及誘變育種周期長、有利變異少、效率低，而轉基因育種技術日趨成熟[5]、單倍體誘導技術體系效率大幅度提高[6]、分子設計育種逐步智能化[7]、全基因組選擇育種技術廣泛應用[8]、基因編輯育種技術的逐步精準化[9]以及合成生物學育種技術的快速發展[10, 11]，有力推動了傳統“經驗育種”向高效“精準育種”的轉變，高產優質多抗農作物新品種大批涌現。此外，表觀遺傳設計育種技術體系在實現高效利用資源、智能響應環境變化的高產優質品種的創制方面也取得了突破，開辟了全新的育種方向[12]。作物學基礎研究也離不開測序技術的快速發展，全基因組重測序、轉錄組測序、表觀修飾測序等技術的更新升級，以及高質量基因組的組裝使得目標性狀的定位及候選基因篩選等都取得了突破性進展[13-18]。

此外，儀器設備的更新換代以及研究手段的不斷更新，也為作物學的研究提供了便利。基于多傳感器的作物表型分析技術，實現了對作物生長發育過程中植株表型的無損、客觀及高通量的評價量化[19]，已廣泛應用于作物形態結構特征、生理生化性狀及產量品質等方面的監測[20-22]，在作物高產性狀、抗逆能力評價以及相關基因的鑒選和挖掘等方面發揮了重要作用[23-25]。掃描電鏡、透射電鏡、CT及核磁共振等成像技術以及石蠟、半薄等各種切片技術可以精確的獲取作物不同器官的內部形態學特征；冷凍切片技術和激光捕獲顯微切割等技術為實現作物不同部位微量樣品的精準獲取提供了可能[26]；冷凍電鏡技術實現了植物重要功能蛋白的結構和功能化位點的解析[27]；高效液相色譜（HPLC）、超高效液相色譜—三重四級桿串聯質譜（UPLC-QqQ-MS/MS）等可針對痕量物質進行化學定量，其測定的靈敏度和重現性不斷提高，為精確測定植物內源激素等指標提供了可能[28, 29]；連續流動分析儀、快速定氮儀以及全自動間斷化學元素分析儀使植株氮含量測定效率不斷提高。

2.2 “十二五”和“十三五”期間作物學領域研究取得的主要成果

2011~2020年已資助項目中，有2 883項已順利結題。共獲得國家級獎勵46項，省部級獎勵248項；發表期刊論文11 734篇，其中SCI/SSCI論文 7 004 篇，EI論文141篇；共計申請ZL1 403項，授權ZL1 744項；培養出站博士后190名，研究生4 749 名。在國家自然科學基金項目的持續支持下，相繼完成了水稻、小麥、玉米、大豆、油菜、棉花等多個重要農作物的基因組測序及其種質資源基因組的重測序，克隆了一批調控株型、品質、氮高效利用、耐低溫、抗旱、耐鹽堿等具有重大育種價值的新基因。

“十二五”以來，在植物科學主流期刊發表的論文數量顯著增加。據不完全統計，“十三五”期間，中國科學家在5種植物科學主流期刊Molecular Plant、Nature Plants、The Plant Cell、Plant Physiology和The Plant Journal發表論文數量為2 313篇，較“十二五”期間增加了1 013篇，增幅達77.92%（表4）。“十二五”期間，中國科學家在上述期刊上發表研究論文數僅占其總載文數的18.8%，而“十三五”期間則增長至29.6%，且2019年和2020年所發表論文的占比位居世界第一。通過對2011~2020年我國科學家在5種主流期刊發表論文的研究材料進行分析，擬南芥仍然是當前主要的研究對象，但“十三五”期間以玉米和小麥等農作物為研究對象的論文數顯著增加（表5）。

2011~2020年我國作物學領域科學家在Cell、Nature和Science等國際綜合性學術期刊上發表的論文數量也不斷增加。例如，在水稻研究方面，中國農業科學院萬建民院士團隊利用亞洲栽培稻和南方野生稻材料，系統解析了野生稻與栽培稻間雜種不育問題與遺傳特性，發現了水稻自私基因系統，成果于2018年發表在Science上[30]。中國水稻研究所王克劍研究員團隊利用多基因編輯技術同時編輯水稻生殖發育過程的4個關鍵基因（REC8、PAIR1、OSD1和MTL），成功獲得雜交稻克隆種子，實現了雜交水稻無融合生殖的突破，成果于2019年發表在Nature Biotechnology上[31]。在玉米研究方面，中國農業大學田豐教授團隊從玉米野生近緣種大芻草中克隆了控制玉米緊湊株型、密植增產的關鍵基因，建立了玉米緊湊株型的分子調控網絡，為玉米理想株型分子育種、培育耐密高產品種提供了重要基因資源和理論基礎，成果于2019年發表在Science上[32]。在小麥研究方面，山東農業大學孔令讓教授團隊從小麥近緣植物長穗偃麥草中克隆出抗赤霉病基因Fhb7，并揭示了其抗病分子機制，解決了小麥赤霉病抗性育種的世界性難題，成果于2020年發表在Science上[15]。在大豆研究方面，中國科學院遺傳與發育生物學研究所田志喜研究員團隊突破傳統線性基因組的存儲形式，在大豆中首次實現基于圖形結構的泛基因組構建，成果于2020年發表在Cell上[17]。廣州大學劉寶輝教授和孔凡江教授團隊克隆了大豆長童期關鍵基因J和長日照條件下控制開花期的關鍵基因Tof11和Tof12，系統鑒定了其調控大豆光周期適應性進化的分子機制，為大豆品種適應性和產量分子育種提供了重要的理論依據，成果分別于2017年和2020年發表在Nature Genetics上[14, 33]。

“十二五”以來，在國家自然科學基金等項目支持下，作物學相關研究獲得了多項國家獎。李家洋院士團隊完成的項目“水稻高產優質性狀形成的分子機理及品種設計”獲2017年度國家自然科學獎一等獎；張啟發院士團隊完成的項目“水稻產量性狀的遺傳與分子生物學基礎”，揚州大學楊建昌教授團隊完成的項目“促進稻麥同化物向籽粒轉運和籽粒灌漿的調控途徑與生理機制”和劉耀光院士團隊完成的項目“雜交稻育性控制的分子遺傳基礎”分別獲得了2016、2017和2018年度國家自然科學獎二等獎；中國農業大學孫傳清教授團隊完成的項目“水稻馴化的分子機理研究”和中國科學院遺傳與發育生物學研究所傅向東研究員團隊完成的項目“水稻高產與氮肥高效利用協同調控的分子基礎”分別獲得了2020年度國家自然科學獎二等獎。中國農業科學院作物科學研究所何中虎研究員團隊完成的項目“CIMMYT小麥引進、研究與創新利用”，西南大學李加納教授團隊完成的項目“甘藍型黃籽油菜遺傳機理與新品種選育”和中國農業大學孫其信教授團隊完成的項目“小麥抗病、優質多樣化基因資源的發掘、創新和利用”分別獲2015年度國家科技進步二等獎；中國農業科學院作物科學研究所邱麗娟研究員團隊完成的項目“大豆優異種質挖掘、創新與利用”獲2018年度國家科技進步獎二等獎。

3 作物學領域存在的主要問題分析

在國家自然科學基金的持續支持下，我國作物學基礎研究水平迅速提升，“十二五”以來，在水稻、小麥、玉米等作物的遺傳改良、生理機制和耕作栽培等研究領域均取得了許多突破性進展，促進了作物學研究的快速發展。盡管近年來項目申請數量在持續增長，申請書質量也在不斷提高，但在項目申請中依然存在一些值得注意和改進的問題，主要包括以下4個方面。

3.1 基礎研究支撐實際應用的能力不強

作物學是一個應用型學科，其最終目的是解決作物生產的實際問題。因此，一方面要求基礎研究領域能夠真正為學科發展提供創新性的理論基礎；另一方面，要面向國家重大需求，服務國家的糧食生產。然而，當前的研究存在研究方向與我國農業生產實際結合不夠緊密的現象，基礎研究支撐實際應用的能力不強。例如，隨著近年來高溫出現頻次和強度的不斷增加，作物栽培學和耕作學研究領域開始重點關注高溫對作物生產的影響，作物種質資源和遺傳育種研究也更加關注挖掘和利用特殊的抗逆資源，培育耐高溫的優良品種，但更側重基礎理論研究的作物生理學領域對于作物耐高溫的機制研究尚需進一步加強。我國在種質資源基礎研究方面取得了諸多突破，發掘了一大批重要功能基因，但能夠在育種實踐中加以利用的基因卻相對較少。此外，以測序為基礎的作物基因組和基因功能研究項目較多，但針對目標性狀的關鍵調控基因及其自然變異在作物遺傳育種方面的應用研究卻不夠。

3.2 聚焦農業生產實際問題不夠

作物學研究應堅持“四個面向”，堅持問題導向和需求導向，從國家農業發展需求的重大問題出發，聚焦我國農業生產實際來提出并解決真正的科學問題。例如，針對集約化作物生產體系，未能充分將土壤、作物群體與環境作為一個整體進行研究，難以提供降排增產提質增效的融合技術方案；當前對高產田相關產量與品質形成規律的研究較多，但是針對不同類型中低產田限制產量與品質提升的關鍵生理、生化過程研究不足；針對當前氣候變暖導致的極端性災害天氣頻發、重發、突發現象，未能從深層次明確其對作物生產的致災機理，導致其防災減災技術的有效性降低；面對我國“小雜糧”作物種植分散、生產水平低下、現有品種混雜退化、優良品種少且推廣困難的生產現狀，對雜糧作物種質資源利用、優化耕作栽培措施的研究不夠。

3.3 對交叉研究重視度不足

多學科交叉研究有助于作物學內涵和外延拓展、基礎研究深化與應用基礎研究的創新。然而，目前多數研究僅限于作物學研究本身，與其他學科的實質性交叉不夠，需要將現代分子生物學技術、信息技術以及智能裝備技術等與作物學研究緊密結合起來，達到加強學科交叉，拓寬研究領域，進一步提升作物學整體研究水平的目的。通過多學科融合，才有可能突破關鍵技術瓶頸問題，提升我國種質資源保護和利用領域的原始創新能力。同時，作物學內部交叉領域的研究也較少。在種質創新層面，常存在“遺傳”和“育種”脫節的情況，而種質資源創新要與作物育種學緊密結合，才能從根本上解決種業“卡脖子”問題；在作物生產層面，作物栽培學也需要與耕作學緊密結合才能最大程度地發揮增產、提質和增效的作用。

3.4 研究技術的創新性亟需提高

我國種質資源保護和利用的關鍵技術存在明顯的“卡脖子”現象。在技術創新推動作物種質改良方面，我國總體處于跟跑階段，僅在水稻分子設計育種、小麥染色體工程和玉米單倍體育種等領域處于并跑階段。當前研究項目多數注重跟蹤國際研究熱點，如基因編輯等技術多基于國外報道的原理和方法，然后加以優化改進，未能做到從源頭上創新。“十二五”和“十三五”期間，國際上人工智能技術、基因工程等技術發展迅猛，為我國作物種質資源與遺傳育種領域步入嶄新發展階段提供了良好機遇，但我國在現代技術應用方面與西方發達國家相比仍有較大差距，亟需在高通量表型精準鑒定技術、基因精準編輯和選擇技術、代謝途徑重構技術、合成生物學技術、全基因組選擇育種技術以及大數據分析與智能決策技術等方面實現自主創新。

4 作物學未來發展的關鍵科學問題分析

4.1 優異種質資源形成與演化機制解析

種業是現代農業發展的核心，而種質資源是種業的“芯片”，因此要加強種質資源的基礎研究，必須要強化農業生物育種的源頭創新。目前，我國具有育種應用價值的重要基因資源缺乏，復雜性狀形成的調控網絡尚未闡明，優異種質形成的全景組學研究和新型種質資源創制還剛剛起步，亟需加強優異種質資源形成與演化機制的研究。其關鍵科學問題主要包括：以水稻和小麥等主要農作物優異種質資源為研究對象，通過高通量組學分析和鑒定野生種、農家種、育成品種的遺傳與表型特征，挖掘主要農作物種質資源在馴化和改良以及區域適應過程中的全景組學基礎與多樣性產生機制，克隆關鍵調控基因，揭示重要性狀的形成與演化規律，明晰作物平行馴化的遺傳基礎，闡明種質資源快速馴化改良的協同調控機理。

4.2 作物智能育種的理論和技術研發

隨著生物技術、育種技術的發展，農作物生物育種發展到了智能育種時代。智能分子設計育種完全以需求為目標進行新品種設計，通過利用基因編輯、生物合成、人工智能等手段，結合作物性狀形成的分子遺傳學機理以及作物與營養、環境互作的機理研究，構建分子設計的人工智能大數據分析模型。其關鍵科學問題主要包括：如何整合多維大數據并快速針對需求，智能化地在體外構建相應的分子代謝途徑與對應的基因組結構、環境調控因素，從而整合基因編輯技術、合成生物技術、生物信息技術、育種技術等多領域的最新成果，快速地形成新品種。搭建全基因組基因型和重要性狀表現型的大數據平臺，開發耦合效應分子模塊以及系統模型分析的計算體系，構建農業生物智能育種信息網絡。在此基礎上，深入開展基因組編輯、智能分子設計、全基因組選擇育種和工程化的單倍體技術等研究，構筑智能育種的技術體系，實現育種理論和關鍵技術的新突破，搶占育種技術的制高點。

4.3 作物表型組學的研究與利用

表型組學是促進功能基因組學研究、加速作物分子育種與高效栽培進程的重要推動力。然而，我國在高通量作物表型組學技術研發及裝備研制方面相對薄弱，大部分表型組設備和技術依賴進口，缺少自主創新的設備和技術。此外，我國尚未建立起具有精準表型的大規模參考群體，缺少精準的植物表型及生長調控模型，表型數據測定技術薄弱，亟需在表型組學研究領域有所突破。其關鍵科學問題主要包括：解析作物生長發育規律的核心問題，綜合利用現代組學技術、基因操作技術、環境模擬與智能監控技術、高分辨成像技術、自動化信息分析技術等，實現田間和人工可控環境下多群體、多尺度、多樣本、多組織、多性狀的實時采集，建立作物表型高通量精準鑒定的現代技術體系，支撐我國作物栽培和育種的創新與發展。

4.4 作物產量、品質協同提高及環境友好的理論基礎與配套技術

作物產量與品質同步提高已成為各國作物產業化發展的共同戰略，發達國家把優質、專用農產品的生產技術研發和應用放在首位。我國在主攻單產兼 顧優質、高效、質量安全的作物栽培技術創新和應用方面雖然取得了顯著成效，但是作物產量、品質協同提高的理論基礎依然薄弱。此外，我國還需在傳統栽培技術和耕作方式上有所創新和突破，才有可能進一步實現作物高產優質、養分高效和環境友好，保障農業可持續發展。其關鍵科學問題主要包括：通過多學科交叉研究，從作物光合性能、源庫關系和資源高效等角度，在研究作物產量和品質形成規律與調控機理的基礎上，重點關注產量與品質形成之間的關系，探討作物產量、品質協同提高的理論基礎；針對主要農作物特別是糧食作物在主產區的高產、優質、安全、高效及全程機械化栽培技術進行深入研究，為實現我國糧食安全和生態安全提供技術支撐。

4.5 作物抗逆減災、豐產高效的生物學基礎及關鍵技術

隨著全球氣候變化，各種非生物逆境發生頻率增加、多重并發突出，對作物的高產穩產影響逐年加重。我國主要作物的非生物逆境發生規律及致災機理研究較為薄弱，有效應對非生物逆境對作物不利影響的基礎研究和技術較少，迫切需要全面深入地闡明作物感受、應答和適應非生物逆境脅迫的機理和調控網絡，并明確能夠提高作物抗逆減災能力的關鍵栽培和耕作技術，為實現作物高產、穩產提供理論和技術支撐。其關鍵科學問題主要包括：通過應用生理學、分子生物學與生物化學等技術手段，明確作物感知、響應和適應各種非生物逆境的遺傳及分子調控機理，揭示植物抗逆應答和生長發育的協同關系；從種植制度、品種篩選與布局、化學調控、農田培肥等關鍵栽培技術和耕作技術等方面開展系統深入研究，明確提高主要農作物抗逆減災能力的關鍵技術，實現穩產豐產。

5 作物學基礎研究展望

新時期科學基金的資助導向為：“鼓勵探索、突出原創；聚焦前沿、獨辟蹊徑；需求牽引、突破瓶頸；共性導向、交叉融通”。作物學研究具有明顯的以“需求牽引，突破瓶頸”為主的科學問題屬性特征。為貫徹落實國家自然科學基金“優化學科布局”的改革任務，2021年農學基礎與作物學學科對申請代碼進行了更新和整合，二級申請代碼由原先的6個調整為12個，每個二級申請代碼下設置多個研究方向供申請人選擇。新的申請代碼體現了農學基礎的多學科交叉，作物產量、品質與抗性形成與調控的理論與方法，作物種質資源利用與遺傳育種的國家需求，作物生產過程及其關鍵技術等。展望“十四五”，貫徹落實“藏糧于地、藏糧于技”戰略和強化農作物種業基礎研究，作物學需要重點關注的研究領域包括：農作物種質資源挖掘與創新利用，農作物種質優異性狀形成、調控規律及環境適應性，主要農作物重要性狀的遺傳調控網絡，作物基因組與分子設計育種的理論與方法，作物產量潛力挖掘、品質改良與資源效率協同提高的栽培生理機制及種植制度等。作物學研究應從我國農業生產實際中凝練科學問題；鼓勵將現代生物技術、信息技術、智能裝備技術與作物生產緊密結合開展多學科交叉研究；鼓勵應用新型基礎生物學研究思路與方法，開辟新的作物學研究領域；鼓勵采用新技術、新方法開展種質資源挖掘與創新；鼓勵關注適應機械化生產的農藝性狀研究；鼓勵圍繞作物豐產優質、輕簡宜機、資源高效的根本問題，開展作物栽培調控與耕作制度研究。