核技术如何助力中国农业发展

中国拥有世界19%的人口,但只有7%的可耕地,因此面临着一个困境:如何在保护自然资源的同时改善日益增长和富裕起来的人口的粮食供给。

核技术的使用被充分融入中国农业科学院的农业研究。这里,一名技术人员正在为食品安全测试准备样品。(照片来源:M. Gaspar/原子能机构)

中国北京 — 中国有19%的世界人口,但只有7%的可耕地,因此面临着一个困境:如何在保护自然资源的同时改善日益增长和富裕起来的人口的粮食供给。在过去的几十年里,该国的农业科学家越来越多地在农作物生产中使用核技术和同位素技术。他们与原子能机构和联合国粮食及农业组织(粮农组织)合作,目前正在利用辐照帮助亚洲及其他地区的专家开发新的作物品种。

在许多国家,农业核研究由独立于国家农业研究机构的核机构进行,而在中国,核技术在农业的使用被纳入中国农业科学院和省级农业科学院的工作。这确保了调查结果立即投入使用。

事实上,在中国利用第二广泛的小麦突变体品种鲁源502是由中国农业科学院作物科学研究所和山东农业科学院利用太空诱发突变育种(见太空诱发突变育种)开发的。该研究所副所长刘录祥说,它的产量比传统品种高11%,而且对干旱和主要疾病的耐受性更强。它已经种植在360多万公顷(几乎和瑞士一样大)的土地上。刘先生说,这是为提高耐盐抗旱性、粮食质量和产量而开发的11个小麦品种之一。

粮农组织/原子能机构粮农核技术联合处育种和遗传学科科长索卜哈娜·西瓦桑卡尔说,通过与原子能机构和粮农组织密切合作,中国在过去60年中推出了1000多个突变作物品种,中国开发的品种占目前原子能机构/粮农组织世界范围内生产的突变品种数据库中所列突变体的四分之一。她补充说,该研究所建立的新突变诱导和高通量突变选择方法为来自世界各地的研究人员提供了一个模型。

该研究所使用重离子束加速器、宇宙射线和伽马射线以及化学物质来诱导包括小麦、水稻、玉米、大豆和蔬菜在内的多种作物的突变。刘说:“核技术是我们工作的核心,被完全融入到植物品种开发中,以提高粮食安全”。

多年来,该研究所还一直是原子能机构技术合作计划的主要捐助者:来自30多个国家的150多名植物育种者参加了培训课程,并受益于中国农业科学院的进修金。 

印度尼西亚国家核能机构和中国农业科学院正在寻找合作进行植物突变育种的方法,印度尼西亚研究人员正在寻求学习中国经验的途径,国家核能机构同位素和辐射应用中心主任Totti Tjiptosumirat说。“积极传播和推广中国的植物突变育种活动将有利于亚洲的农业研究,”他说。

从食品安全到食品真实性

中国农业科学院的其他几个研究所在研究和开发工作中使用核相关和同位素技术,并参加原子能机构的若干技术合作项目和协调研究项目。农产品质量标准与检测技术研究所已经制定了一项使用同位素分析检测假蜂蜜的方案。该研究所领导使用同位素技术开展研究工作的陈刚教授说,据估计,在中国作为蜂蜜销售的大量产品是实验室合成生产,而不是蜂箱中的蜜蜂生产的,因此这是打击欺诈者的重要工具。他补充说,还制定了一项利用稳定同位素追踪牛肉地理来源的计划。

该研究所使用同位素技术测试牛奶和乳制品的安全性并验证其真实性 — 这项工作是原子能机构2013年至2018年技术协调研究与合作项目的成果。“经过几年的支持,我们现在已经完全自给自足了,”陈先生说。

提高营养效率

中国农业科学院各研究所使用稳定同位素来研究动物对营养物质的吸收、转移和代谢。这些结果用于优化饲料组成和喂养计划。动物科学研究所卜登攀教授说,同位素示踪提供了比传统分析方法更高的灵敏度,这尤其有利于研究微量营养素、维生素、激素和药物的吸收情况。

尽管中国已经完善了许多核技术的使用,但在若干领域,它正在寻求原子能机构和粮农组织的支持:该国的乳制品行业一直受到奶牛蛋白质吸收率低的困扰。动物饲料中不到一半的蛋白质被反刍动物利用,其余的最后都变成了粪便和尿液。“这对农民来说是一种浪费,粪便中的高含氮量有害于环境,”卜先生说。当氮从饲料中穿过动物身体时,使用同位素来追踪氮将有助于通过对饲料成分进行必要的调整来提高氮的效率。随着目前达全球人均三分之一的乳制品消费量持续上升,这一点将尤为重要。“我们正在通过原子能机构和粮农组织寻求国际专门知识来帮助我们解决这一问题。”

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中国科学家正寻求使用核相关技术来更好地跟踪北京附近一家农场的奶牛新陈代谢情况,并增加奶牛从饲料中吸收的氮量。(照片来源:M. Gaspar/原子能机构)

From food safety to authenticity

Several of CAAS’ other institutes use nuclear-related and isotopic techniques in their research and development work and participate in several IAEA technical cooperation and coordinated research projects. The Institute of Quality Standards and Testing Technology for Agro-Products has developed a protocol to detect fake honey, using isotopic analysis. A large amount of what is sold in China as honey is estimated to be produced synthetically in labs rather than by bees in hives, so this has been an important tool in cracking down on fraudsters, said Professor Chen Gang, who leads the research work using isotopic techniques at the Institute. A programme is also in place to trace the geographical origin of beef using stable isotopes, he added.

The Institute uses isotopic techniques to test the safety and to verify the authenticity of milk and dairy products – work that was the outcome of IAEA technical coordinated research and cooperation projects that lasted from 2013 to 2018. “After a few years of support, we are now fully self-sufficient,” Mr Gang said.

Improving nutrition efficiency

Various CAAS institutes use stable isotopes to study the absorption, transfer and metabolism of nutrients in animals. The results are used to optimize feed composition and feeding schedules. Isotope tracing offers higher sensitivity than conventional analytical methods, and this is particularly advantageous when studying the absorption of micronutrients, vitamins, hormones and drugs, said Dengpan Bu, Professor at the Institute of Animal Science.

While China has perfected the use of many nuclear techniques, in several areas it is looking to the IAEA and the FAO for support: the country’s dairy industry is dogged by the low protein absorption rate of dairy cows. Less than half of the protein in animal feed is used by the ruminants, the rest ends up in their manure and urine. “This is wasteful for the farmer and the high nitrogen content in the manure hurts the environment,” Mr Bu said. The use of isotopes to trace nitrogen as it travels from feed through the animal’s body would help improve nitrogen efficiency by making the necessary adjustments to the composition of the feed. This will be particularly important as dairy consumption, currently at a third of global average per person, continues to rise. “We are looking for international expertise, through the IAEA and the FAO, to help us tackle this problem.”

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Chinese scientists are looking to use nuclear-related techniques to better trace the metabolism of cows like these on a farm near Beijing and increase the amount of nitrogen they use from fodder. (Photo: M. Gaspar/IAEA)