現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是以動(dòng)植物為基礎(chǔ)進(jìn)行物質(zhì)生產(chǎn)或服務(wù)的重要領(lǐng)域，也是滿足人類社會(huì)對(duì)食物和工業(yè)原料需求的主要途徑。工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域則利用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物或非糧植物等可再生生物質(zhì)資源為原料，利用生物體及其組成部分的功能，制造人類所需的能源、化工、醫(yī)藥、食品等各種產(chǎn)品。生物技術(shù)與數(shù)字技術(shù)等關(guān)鍵使能技術(shù)在農(nóng)業(yè)與工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，推動(dòng)了生物農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)和合成生物制造等重點(diǎn)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展，為最終實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國(guó)2030年可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)尤其是消除饑餓，實(shí)現(xiàn)糧食安全、改善營(yíng)養(yǎng)和促進(jìn)可持續(xù)消費(fèi)與生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型奠定了基礎(chǔ)。
一、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域總體態(tài)勢(shì)
1、以數(shù)據(jù)為中心的“農(nóng)業(yè)?4.0”正在重塑農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)
農(nóng)業(yè)發(fā)展的歷史實(shí)質(zhì)上就是農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新的歷史，每一次科技的重大突破及其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，都帶來了農(nóng)業(yè)發(fā)展的新飛躍，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)向高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。從支撐產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)來看，當(dāng)前發(fā)達(dá)國(guó)家農(nóng)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入以信息技術(shù)驅(qū)動(dòng)的“農(nóng)業(yè)?4.0”時(shí)代。區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、機(jī)器人和大數(shù)據(jù)等數(shù)字技術(shù)和智能技術(shù)將引領(lǐng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全要素的數(shù)字化和快速應(yīng)用。
未來，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將以數(shù)據(jù)為中心，通過傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)，構(gòu)建多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的綜合采集、處理與分析平臺(tái)，該平臺(tái)最終通過專門的決策支持系統(tǒng)為農(nóng)民提供行動(dòng)建議，以及自動(dòng)安排相關(guān)作業(yè)。
2、生物技術(shù)的應(yīng)用引領(lǐng)物質(zhì)生產(chǎn)向綠色化發(fā)展
在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，不斷發(fā)展的農(nóng)業(yè)生物技術(shù)為應(yīng)對(duì)病蟲害、環(huán)境退化、氣候變化等挑戰(zhàn)提供了新的替代方法，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)第二次綠色革命的發(fā)展。以基因工程為核心的農(nóng)業(yè)生物技術(shù)已成為全球發(fā)展最為迅速、應(yīng)用最為廣泛的生物技術(shù)。近年來涌現(xiàn)的基因編輯、表觀遺傳修飾等新一代生物技術(shù)使動(dòng)植物育種更加高效、精準(zhǔn)。
在工業(yè)領(lǐng)域，以工業(yè)生物技術(shù)為核心的生物制造已進(jìn)入加速發(fā)展期，生物煉制向更加清潔高效的第?3?代模式轉(zhuǎn)型，技術(shù)迭代提速推動(dòng)生物工具向更加精準(zhǔn)、高效和規(guī)模化方向發(fā)展。未來合成生物制造有望革新化工、醫(yī)藥、能源等傳統(tǒng)行業(yè)的生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)綠色生物工藝過程，進(jìn)而引發(fā)新一輪產(chǎn)業(yè)變革。
二、主要國(guó)家戰(zhàn)略舉措與特點(diǎn)
世界主要國(guó)家根據(jù)自身資源稟賦和經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，紛紛出臺(tái)相關(guān)戰(zhàn)略舉措以確保自身綠色、可持續(xù)的物質(zhì)生產(chǎn)與供應(yīng)，并已形成了各具特色的發(fā)展道路。
1、美國(guó)：重視生物技術(shù)、數(shù)字技術(shù)在農(nóng)業(yè)與工業(yè)領(lǐng)域的全方位應(yīng)用，以保持其國(guó)際領(lǐng)先地位
美國(guó)自然資源稟賦好，實(shí)行大規(guī)模農(nóng)場(chǎng)生產(chǎn)與經(jīng)營(yíng)，是全球最大的農(nóng)產(chǎn)品出口國(guó)。近年來，美國(guó)把農(nóng)業(yè)列為國(guó)家優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域，重視應(yīng)用生物技術(shù)與數(shù)字技術(shù)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。
未來?10?年，美國(guó)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域重點(diǎn)聚焦種業(yè)、畜牧業(yè)、食品科技、土壤科學(xué)、農(nóng)業(yè)水分高效利用、數(shù)據(jù)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)七大優(yōu)先方向，以及系統(tǒng)認(rèn)知分析、新一代傳感器、農(nóng)業(yè)食品信息學(xué)、基因組學(xué)與精準(zhǔn)育種、微生物組五大突破性技術(shù)。由于其國(guó)內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品供大于求，美國(guó)也重視生物質(zhì)能的開發(fā)與利用，并以能源需求帶動(dòng)生物精煉等增值產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。美國(guó)能源部、農(nóng)業(yè)部和國(guó)防部等機(jī)構(gòu)都出臺(tái)了相關(guān)重大計(jì)劃，推動(dòng)生物基產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。
2、歐洲各國(guó)：以綠色理念引領(lǐng)農(nóng)業(yè)與工業(yè)可持續(xù)發(fā)展
歐洲多數(shù)國(guó)家已基本解決糧食供給問題，關(guān)注純天然、無污染和高品質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)。歐洲國(guó)家重視將綠色理念植入現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域，引領(lǐng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。2020?年?5?月，歐盟發(fā)布了《從農(nóng)田到餐桌》（From Farm to Fork）和《歐盟?2030?年生物多樣性》（The EU 2030 Biodiversity Strategy）戰(zhàn)略，重點(diǎn)加強(qiáng)有機(jī)農(nóng)業(yè)，強(qiáng)制性限制和減少農(nóng)藥、化肥的使用，促進(jìn)糧食系統(tǒng)向可持續(xù)轉(zhuǎn)型。同時(shí)，歐洲各國(guó)重視生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展，利用可再生資源和先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。目前，歐洲多國(guó)已發(fā)布生物經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略，英國(guó)還建立了多元的合成生物學(xué)中心網(wǎng)絡(luò)，大力推進(jìn)合成生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
3、韓國(guó)、日本、以色列等國(guó)重視高值產(chǎn)業(yè)的發(fā)展
韓國(guó)、日本、以色列是嚴(yán)重依賴糧食進(jìn)口的國(guó)家。由于自然資源稟賦差，這些國(guó)家非常重視利用高新技術(shù)突破土地、水等資源束縛，選擇高度集約化與高值化的農(nóng)業(yè)發(fā)展道路。韓國(guó)在?2019?年發(fā)布的《未來農(nóng)業(yè)科技戰(zhàn)略》中提出以智能農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)生物技術(shù)推動(dòng)農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)高值化發(fā)展；日本重視生物與信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的融合，重點(diǎn)聚焦先進(jìn)生物制造等新一代生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展；以色列則重視人工智能技術(shù)與基因編輯技術(shù)的結(jié)合使用。
三、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與工業(yè)生物技術(shù)重點(diǎn)領(lǐng)域態(tài)勢(shì)與熱點(diǎn)
農(nóng)業(yè)生物技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展使動(dòng)植物育種和疫病防治更加精準(zhǔn)、綠色
1、動(dòng)植物基因組學(xué)研究和優(yōu)異基因挖掘是分子設(shè)計(jì)育種的基礎(chǔ)，也是動(dòng)植物育種領(lǐng)域的前沿與熱點(diǎn)
近期，水稻、豬等重要物種的基因組測(cè)序與重測(cè)序取得重要進(jìn)展，從而為后續(xù)動(dòng)植物重要性狀分子機(jī)理解析奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，光合作用效率、氮肥高效利用等性狀遺傳調(diào)控機(jī)制研究取得了多項(xiàng)突破，這為動(dòng)植物遺傳改良提供了重要基因資源。
其中，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所傅向東團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的赤霉素信號(hào)傳導(dǎo)新機(jī)制為可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了一種新的育種策略，相關(guān)研究成果于?2020年2月7日以封面文章發(fā)表在?Science?上；中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心郭房慶團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了能使水稻增產(chǎn)?8.1%—21.0%的?D1?蛋白合成新途徑，相關(guān)研究成果于?2020?年?4?月20?日發(fā)表在?Nature Plants?上。
總體而言，中國(guó)在育種領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，尤其是水稻生物學(xué)和作物基因組學(xué)等方面優(yōu)勢(shì)明顯。Nature Plants?評(píng)論指出，植物科學(xué)研究領(lǐng)域的巨大進(jìn)步使中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)重新走在世界前沿。
2、基因編輯等新育種技術(shù)及產(chǎn)品蓬勃發(fā)展，全球基因編輯產(chǎn)品監(jiān)管尚未達(dá)成共識(shí)
在育種技術(shù)開發(fā)方面，以?CRISPR?為代表的基因編輯技術(shù)不斷升級(jí)改造，進(jìn)一步提高了動(dòng)植物育種的精準(zhǔn)度和效率。此外，基因編輯技術(shù)與無融合生殖、單倍體誘導(dǎo)等其他傳統(tǒng)育種技術(shù)的結(jié)合，進(jìn)一步豐富了育種工具的類型。在產(chǎn)品培育方面，基因編輯技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于小麥、水稻等?15?種植物，以及牛、羊、豬等農(nóng)業(yè)動(dòng)物的研究中。同時(shí)，基因編輯產(chǎn)品商業(yè)化進(jìn)程不斷加快，首款基因編輯高油酸大豆油已于?2019?年在美國(guó)上市銷售。
目前，基因編輯產(chǎn)品監(jiān)管備受關(guān)注，各國(guó)在基因編輯產(chǎn)品監(jiān)管方面的進(jìn)展不一，全球尚未就此達(dá)成共識(shí)。盡管基因編輯技術(shù)在育種中具有巨大應(yīng)用前景，但由于歐美國(guó)家掌控了基因編輯技術(shù)的核心專利并已初步形成了從基礎(chǔ)研究到技術(shù)開發(fā)服務(wù)再到育種應(yīng)用等完整的產(chǎn)業(yè)技術(shù)鏈布局，未來我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展面臨較大威脅。
3、新型生物防疫制品的研發(fā)與應(yīng)用促進(jìn)動(dòng)植物疫病防治更加綠色化
在植物病蟲害防治方面，RNAi農(nóng)藥和生物信息素等新型生物制劑是安全、有效、廉價(jià)和可持續(xù)的新型農(nóng)藥替代品，它能使植物蟲害防治更具針對(duì)性和可持續(xù)性，可比傳統(tǒng)農(nóng)藥獲得更好的保護(hù)效果和更高的收益。目前，基于?RNAi?技術(shù)的多款產(chǎn)品已獲得美國(guó)環(huán)保署批準(zhǔn)作為殺蟲劑使用。歐盟生物基產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（BBI JU）投入?640?萬歐元，利用昆蟲性信息素開發(fā)生物防治技術(shù)，并推進(jìn)其商業(yè)化應(yīng)用。
在動(dòng)物防疫方面，非洲豬瘟病毒結(jié)構(gòu)解析與組裝機(jī)制研究、非洲豬瘟候選疫苗與禽流感疫苗均取得突破，這為重大動(dòng)物疫病的綠色防控奠定了重要基礎(chǔ)。
數(shù)字技術(shù)助力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理更加高效、智能，引領(lǐng)生物合成進(jìn)入智能設(shè)計(jì)時(shí)代
1、大田作物生產(chǎn)管理和畜禽養(yǎng)殖更加高效
在數(shù)據(jù)采集方面，傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了物物相連，使數(shù)據(jù)采集更加實(shí)時(shí)便捷。例如，德國(guó)拜耳公司旗下的氣候公司（Climate Corporation）已開發(fā)了全球首個(gè)田間感應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)，為其引領(lǐng)數(shù)字農(nóng)業(yè)市場(chǎng)奠定了重要基礎(chǔ)。
在大田作物管理方面，大數(shù)據(jù)結(jié)合智能技術(shù)提高了作物生產(chǎn)率。美國(guó)微軟公司等開發(fā)的人工智能播種應(yīng)用程序（APP）使試驗(yàn)點(diǎn)作物產(chǎn)量平均增長(zhǎng)?10%—30%。
在畜禽養(yǎng)殖方面，人工智能技術(shù)使畜禽養(yǎng)殖更加便捷和高效。英國(guó)推出了?5G?智能奶牛項(xiàng)圈，實(shí)現(xiàn)了對(duì)奶牛健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
在產(chǎn)業(yè)方面，歐美農(nóng)業(yè)跨國(guó)公司憑借敏銳的洞察力，紛紛加強(qiáng)數(shù)字農(nóng)業(yè)業(yè)務(wù)布局。其中，拜耳公司是率先在業(yè)內(nèi)將大數(shù)據(jù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的企業(yè)，并通過系列并購(gòu)成為數(shù)字農(nóng)業(yè)行業(yè)的標(biāo)桿。目前，拜耳公司將農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)作為其核心業(yè)務(wù)發(fā)展，并仍在不斷拓展數(shù)字農(nóng)業(yè)平臺(tái)市場(chǎng)，以期打造覆蓋全球的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)王國(guó)。
2、農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備更加智能化、集約化
當(dāng)前，智能農(nóng)機(jī)裝備不斷推陳出新。例如，草莓采摘機(jī)器人、跨物種收獲機(jī)器人、無人駕駛拖拉機(jī)等集高精度定位、大數(shù)據(jù)分析、智能識(shí)別等技術(shù)于一體，大幅提高了農(nóng)業(yè)自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率。植物工廠發(fā)展快速，受到各國(guó)廣泛關(guān)注。英國(guó)加強(qiáng)資助新一代植物工廠種植技術(shù)研究，新加坡擬籌建室內(nèi)植物工廠，日本商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的植物工廠超過120家，我國(guó)也緊跟步伐并取得了重要進(jìn)展。
總體而言，貫穿于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程的農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備本質(zhì)上是一個(gè)技術(shù)密集型的產(chǎn)業(yè)。由于我國(guó)農(nóng)機(jī)裝備粗放式發(fā)展，并一直依靠引進(jìn)國(guó)外農(nóng)機(jī)技術(shù)體系，導(dǎo)致目前與美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在動(dòng)力換擋、液壓控制、農(nóng)機(jī)可靠性等方面存在代差。
3、生物合成進(jìn)入智能設(shè)計(jì)時(shí)代
目前，研究人員在從基因、蛋白質(zhì)、生物體設(shè)計(jì)到生物制造過程研發(fā)等方面取得了多項(xiàng)重要進(jìn)展。其中，美國(guó)華盛頓大學(xué)和斯坦福大學(xué)利用計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)出首個(gè)人造抗癌蛋白；美國(guó)伊利諾伊大學(xué)開發(fā)出集人工智能設(shè)計(jì)、構(gòu)建、測(cè)試和學(xué)習(xí)于一體的工程化平臺(tái)，并完成了番茄紅素生物制造實(shí)證。
工業(yè)生物技術(shù)應(yīng)用范圍和深度不斷擴(kuò)展，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)重大挑戰(zhàn)提供綠色解決方案
1、基于細(xì)胞工廠、體外酶分子機(jī)器等技術(shù)制造的新型生物制造產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)
研究人員已經(jīng)在細(xì)胞培養(yǎng)肉、大麻素及其衍生物的生物全合成、二氧化碳/氮?dú)廪D(zhuǎn)化成生物柴油、人造葉綠體等方面取得重大突破，為未來農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥、能源等行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展提供了更多可能。其中，來自德國(guó)馬普學(xué)會(huì)地球微生物學(xué)研究所和法國(guó)波爾多大學(xué)的研究人員將菠菜的“捕光器”與?9?種不同生物體的酶結(jié)合起來，制造了人造葉綠體，并利用光和該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了二氧化碳的固定，相關(guān)研究成果于2020年5月8日發(fā)表在?Science?雜志上。
2、生物制造產(chǎn)品有望為解決社會(huì)重大挑戰(zhàn)提供綠色解決方案
當(dāng)前，塑料污染成為全球性威脅，全球已有?50?多個(gè)國(guó)家和地區(qū)推出禁用、限用或管控不可降解塑料使用的政策和法規(guī)；其中，我國(guó)也在?2020?年初出臺(tái)更具體且嚴(yán)格的新版“限塑令”。工業(yè)生物技術(shù)在解決上述重大挑戰(zhàn)方面大有作為。其中，法國(guó)圖盧茲大學(xué)開發(fā)出的新型水解酶能以較低成本在?10?小時(shí)內(nèi)水解?90%?的飽和聚酯（PET）塑料；中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過程研究所、理化技術(shù)研究所在酶降解PET塑料、海水降解塑料等方面的研究也取得進(jìn)展。同時(shí)，可降解生物塑料和生物基塑料的研發(fā)與量產(chǎn)均已取得較好進(jìn)展，從而為未來部分替代傳統(tǒng)石油基塑料產(chǎn)品奠定了重要基礎(chǔ)。
四、未來展望
1、依據(jù)自身資源稟賦選擇適合我國(guó)國(guó)情的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展道路
我國(guó)幅員遼闊，自然環(huán)境復(fù)雜多樣化，不同區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展的條件差異大。因此，我國(guó)不應(yīng)盲目照搬國(guó)外農(nóng)業(yè)發(fā)展模式，需因地制宜確定各地區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。同時(shí)，應(yīng)以創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變，持續(xù)加快生物技術(shù)、數(shù)字技術(shù)等關(guān)鍵使能技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，推進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，保障我國(guó)糧食安全與營(yíng)養(yǎng)。
2、掌握生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略主動(dòng)權(quán)
當(dāng)前，主要發(fā)達(dá)國(guó)家掀起新一輪全球科技和產(chǎn)業(yè)競(jìng)賽，以搶占下一輪經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。美國(guó)視生物經(jīng)濟(jì)為關(guān)系到經(jīng)濟(jì)繁榮和國(guó)家安全的重要議題，將生物技術(shù)納入出口管制清單并試圖遏制我國(guó)生物技術(shù)快速崛起。因此，我國(guó)應(yīng)重視生物技術(shù)自主創(chuàng)新，增強(qiáng)生物制造核心技術(shù)能力，推動(dòng)生物技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)與應(yīng)用，從而保障我國(guó)生物產(chǎn)業(yè)安全。
*本文由中國(guó)科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技情報(bào)團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院成都文獻(xiàn)情報(bào)中心生物科技情報(bào)團(tuán)隊(duì)共同撰稿，執(zhí)筆人包括：楊艷萍、李東巧、謝華玲、遲培娟、陳方、丁陳君。
一、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域總體態(tài)勢(shì)
1、以數(shù)據(jù)為中心的“農(nóng)業(yè)?4.0”正在重塑農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)
農(nóng)業(yè)發(fā)展的歷史實(shí)質(zhì)上就是農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新的歷史，每一次科技的重大突破及其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，都帶來了農(nóng)業(yè)發(fā)展的新飛躍，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)向高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。從支撐產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)來看，當(dāng)前發(fā)達(dá)國(guó)家農(nóng)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入以信息技術(shù)驅(qū)動(dòng)的“農(nóng)業(yè)?4.0”時(shí)代。區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、機(jī)器人和大數(shù)據(jù)等數(shù)字技術(shù)和智能技術(shù)將引領(lǐng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全要素的數(shù)字化和快速應(yīng)用。
未來，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將以數(shù)據(jù)為中心，通過傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)，構(gòu)建多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的綜合采集、處理與分析平臺(tái)，該平臺(tái)最終通過專門的決策支持系統(tǒng)為農(nóng)民提供行動(dòng)建議，以及自動(dòng)安排相關(guān)作業(yè)。
2、生物技術(shù)的應(yīng)用引領(lǐng)物質(zhì)生產(chǎn)向綠色化發(fā)展
在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，不斷發(fā)展的農(nóng)業(yè)生物技術(shù)為應(yīng)對(duì)病蟲害、環(huán)境退化、氣候變化等挑戰(zhàn)提供了新的替代方法，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)第二次綠色革命的發(fā)展。以基因工程為核心的農(nóng)業(yè)生物技術(shù)已成為全球發(fā)展最為迅速、應(yīng)用最為廣泛的生物技術(shù)。近年來涌現(xiàn)的基因編輯、表觀遺傳修飾等新一代生物技術(shù)使動(dòng)植物育種更加高效、精準(zhǔn)。
在工業(yè)領(lǐng)域，以工業(yè)生物技術(shù)為核心的生物制造已進(jìn)入加速發(fā)展期，生物煉制向更加清潔高效的第?3?代模式轉(zhuǎn)型，技術(shù)迭代提速推動(dòng)生物工具向更加精準(zhǔn)、高效和規(guī)模化方向發(fā)展。未來合成生物制造有望革新化工、醫(yī)藥、能源等傳統(tǒng)行業(yè)的生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)綠色生物工藝過程，進(jìn)而引發(fā)新一輪產(chǎn)業(yè)變革。
二、主要國(guó)家戰(zhàn)略舉措與特點(diǎn)
世界主要國(guó)家根據(jù)自身資源稟賦和經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，紛紛出臺(tái)相關(guān)戰(zhàn)略舉措以確保自身綠色、可持續(xù)的物質(zhì)生產(chǎn)與供應(yīng)，并已形成了各具特色的發(fā)展道路。
1、美國(guó)：重視生物技術(shù)、數(shù)字技術(shù)在農(nóng)業(yè)與工業(yè)領(lǐng)域的全方位應(yīng)用，以保持其國(guó)際領(lǐng)先地位
美國(guó)自然資源稟賦好，實(shí)行大規(guī)模農(nóng)場(chǎng)生產(chǎn)與經(jīng)營(yíng)，是全球最大的農(nóng)產(chǎn)品出口國(guó)。近年來，美國(guó)把農(nóng)業(yè)列為國(guó)家優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域，重視應(yīng)用生物技術(shù)與數(shù)字技術(shù)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。
未來?10?年，美國(guó)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域重點(diǎn)聚焦種業(yè)、畜牧業(yè)、食品科技、土壤科學(xué)、農(nóng)業(yè)水分高效利用、數(shù)據(jù)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)七大優(yōu)先方向，以及系統(tǒng)認(rèn)知分析、新一代傳感器、農(nóng)業(yè)食品信息學(xué)、基因組學(xué)與精準(zhǔn)育種、微生物組五大突破性技術(shù)。由于其國(guó)內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品供大于求，美國(guó)也重視生物質(zhì)能的開發(fā)與利用，并以能源需求帶動(dòng)生物精煉等增值產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。美國(guó)能源部、農(nóng)業(yè)部和國(guó)防部等機(jī)構(gòu)都出臺(tái)了相關(guān)重大計(jì)劃，推動(dòng)生物基產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。
2、歐洲各國(guó)：以綠色理念引領(lǐng)農(nóng)業(yè)與工業(yè)可持續(xù)發(fā)展
歐洲多數(shù)國(guó)家已基本解決糧食供給問題，關(guān)注純天然、無污染和高品質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)。歐洲國(guó)家重視將綠色理念植入現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域，引領(lǐng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。2020?年?5?月，歐盟發(fā)布了《從農(nóng)田到餐桌》（From Farm to Fork）和《歐盟?2030?年生物多樣性》（The EU 2030 Biodiversity Strategy）戰(zhàn)略，重點(diǎn)加強(qiáng)有機(jī)農(nóng)業(yè)，強(qiáng)制性限制和減少農(nóng)藥、化肥的使用，促進(jìn)糧食系統(tǒng)向可持續(xù)轉(zhuǎn)型。同時(shí)，歐洲各國(guó)重視生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展，利用可再生資源和先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。目前，歐洲多國(guó)已發(fā)布生物經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略，英國(guó)還建立了多元的合成生物學(xué)中心網(wǎng)絡(luò)，大力推進(jìn)合成生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
3、韓國(guó)、日本、以色列等國(guó)重視高值產(chǎn)業(yè)的發(fā)展
韓國(guó)、日本、以色列是嚴(yán)重依賴糧食進(jìn)口的國(guó)家。由于自然資源稟賦差，這些國(guó)家非常重視利用高新技術(shù)突破土地、水等資源束縛，選擇高度集約化與高值化的農(nóng)業(yè)發(fā)展道路。韓國(guó)在?2019?年發(fā)布的《未來農(nóng)業(yè)科技戰(zhàn)略》中提出以智能農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)生物技術(shù)推動(dòng)農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)高值化發(fā)展；日本重視生物與信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的融合，重點(diǎn)聚焦先進(jìn)生物制造等新一代生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展；以色列則重視人工智能技術(shù)與基因編輯技術(shù)的結(jié)合使用。
三、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與工業(yè)生物技術(shù)重點(diǎn)領(lǐng)域態(tài)勢(shì)與熱點(diǎn)
農(nóng)業(yè)生物技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展使動(dòng)植物育種和疫病防治更加精準(zhǔn)、綠色
1、動(dòng)植物基因組學(xué)研究和優(yōu)異基因挖掘是分子設(shè)計(jì)育種的基礎(chǔ)，也是動(dòng)植物育種領(lǐng)域的前沿與熱點(diǎn)
近期，水稻、豬等重要物種的基因組測(cè)序與重測(cè)序取得重要進(jìn)展，從而為后續(xù)動(dòng)植物重要性狀分子機(jī)理解析奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，光合作用效率、氮肥高效利用等性狀遺傳調(diào)控機(jī)制研究取得了多項(xiàng)突破，這為動(dòng)植物遺傳改良提供了重要基因資源。
其中，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所傅向東團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的赤霉素信號(hào)傳導(dǎo)新機(jī)制為可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了一種新的育種策略，相關(guān)研究成果于?2020年2月7日以封面文章發(fā)表在?Science?上；中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心郭房慶團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了能使水稻增產(chǎn)?8.1%—21.0%的?D1?蛋白合成新途徑，相關(guān)研究成果于?2020?年?4?月20?日發(fā)表在?Nature Plants?上。
總體而言，中國(guó)在育種領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，尤其是水稻生物學(xué)和作物基因組學(xué)等方面優(yōu)勢(shì)明顯。Nature Plants?評(píng)論指出，植物科學(xué)研究領(lǐng)域的巨大進(jìn)步使中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)重新走在世界前沿。
2、基因編輯等新育種技術(shù)及產(chǎn)品蓬勃發(fā)展，全球基因編輯產(chǎn)品監(jiān)管尚未達(dá)成共識(shí)
在育種技術(shù)開發(fā)方面，以?CRISPR?為代表的基因編輯技術(shù)不斷升級(jí)改造，進(jìn)一步提高了動(dòng)植物育種的精準(zhǔn)度和效率。此外，基因編輯技術(shù)與無融合生殖、單倍體誘導(dǎo)等其他傳統(tǒng)育種技術(shù)的結(jié)合，進(jìn)一步豐富了育種工具的類型。在產(chǎn)品培育方面，基因編輯技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于小麥、水稻等?15?種植物，以及牛、羊、豬等農(nóng)業(yè)動(dòng)物的研究中。同時(shí)，基因編輯產(chǎn)品商業(yè)化進(jìn)程不斷加快，首款基因編輯高油酸大豆油已于?2019?年在美國(guó)上市銷售。
目前，基因編輯產(chǎn)品監(jiān)管備受關(guān)注，各國(guó)在基因編輯產(chǎn)品監(jiān)管方面的進(jìn)展不一，全球尚未就此達(dá)成共識(shí)。盡管基因編輯技術(shù)在育種中具有巨大應(yīng)用前景，但由于歐美國(guó)家掌控了基因編輯技術(shù)的核心專利并已初步形成了從基礎(chǔ)研究到技術(shù)開發(fā)服務(wù)再到育種應(yīng)用等完整的產(chǎn)業(yè)技術(shù)鏈布局，未來我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展面臨較大威脅。
3、新型生物防疫制品的研發(fā)與應(yīng)用促進(jìn)動(dòng)植物疫病防治更加綠色化
在植物病蟲害防治方面，RNAi農(nóng)藥和生物信息素等新型生物制劑是安全、有效、廉價(jià)和可持續(xù)的新型農(nóng)藥替代品，它能使植物蟲害防治更具針對(duì)性和可持續(xù)性，可比傳統(tǒng)農(nóng)藥獲得更好的保護(hù)效果和更高的收益。目前，基于?RNAi?技術(shù)的多款產(chǎn)品已獲得美國(guó)環(huán)保署批準(zhǔn)作為殺蟲劑使用。歐盟生物基產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（BBI JU）投入?640?萬歐元，利用昆蟲性信息素開發(fā)生物防治技術(shù)，并推進(jìn)其商業(yè)化應(yīng)用。
在動(dòng)物防疫方面，非洲豬瘟病毒結(jié)構(gòu)解析與組裝機(jī)制研究、非洲豬瘟候選疫苗與禽流感疫苗均取得突破，這為重大動(dòng)物疫病的綠色防控奠定了重要基礎(chǔ)。
數(shù)字技術(shù)助力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理更加高效、智能，引領(lǐng)生物合成進(jìn)入智能設(shè)計(jì)時(shí)代
1、大田作物生產(chǎn)管理和畜禽養(yǎng)殖更加高效
在數(shù)據(jù)采集方面，傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了物物相連，使數(shù)據(jù)采集更加實(shí)時(shí)便捷。例如，德國(guó)拜耳公司旗下的氣候公司（Climate Corporation）已開發(fā)了全球首個(gè)田間感應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)，為其引領(lǐng)數(shù)字農(nóng)業(yè)市場(chǎng)奠定了重要基礎(chǔ)。
在大田作物管理方面，大數(shù)據(jù)結(jié)合智能技術(shù)提高了作物生產(chǎn)率。美國(guó)微軟公司等開發(fā)的人工智能播種應(yīng)用程序（APP）使試驗(yàn)點(diǎn)作物產(chǎn)量平均增長(zhǎng)?10%—30%。
在畜禽養(yǎng)殖方面，人工智能技術(shù)使畜禽養(yǎng)殖更加便捷和高效。英國(guó)推出了?5G?智能奶牛項(xiàng)圈，實(shí)現(xiàn)了對(duì)奶牛健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
在產(chǎn)業(yè)方面，歐美農(nóng)業(yè)跨國(guó)公司憑借敏銳的洞察力，紛紛加強(qiáng)數(shù)字農(nóng)業(yè)業(yè)務(wù)布局。其中，拜耳公司是率先在業(yè)內(nèi)將大數(shù)據(jù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的企業(yè)，并通過系列并購(gòu)成為數(shù)字農(nóng)業(yè)行業(yè)的標(biāo)桿。目前，拜耳公司將農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)作為其核心業(yè)務(wù)發(fā)展，并仍在不斷拓展數(shù)字農(nóng)業(yè)平臺(tái)市場(chǎng)，以期打造覆蓋全球的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)王國(guó)。
2、農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備更加智能化、集約化
當(dāng)前，智能農(nóng)機(jī)裝備不斷推陳出新。例如，草莓采摘機(jī)器人、跨物種收獲機(jī)器人、無人駕駛拖拉機(jī)等集高精度定位、大數(shù)據(jù)分析、智能識(shí)別等技術(shù)于一體，大幅提高了農(nóng)業(yè)自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率。植物工廠發(fā)展快速，受到各國(guó)廣泛關(guān)注。英國(guó)加強(qiáng)資助新一代植物工廠種植技術(shù)研究，新加坡擬籌建室內(nèi)植物工廠，日本商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的植物工廠超過120家，我國(guó)也緊跟步伐并取得了重要進(jìn)展。
總體而言，貫穿于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程的農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備本質(zhì)上是一個(gè)技術(shù)密集型的產(chǎn)業(yè)。由于我國(guó)農(nóng)機(jī)裝備粗放式發(fā)展，并一直依靠引進(jìn)國(guó)外農(nóng)機(jī)技術(shù)體系，導(dǎo)致目前與美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在動(dòng)力換擋、液壓控制、農(nóng)機(jī)可靠性等方面存在代差。
3、生物合成進(jìn)入智能設(shè)計(jì)時(shí)代
目前，研究人員在從基因、蛋白質(zhì)、生物體設(shè)計(jì)到生物制造過程研發(fā)等方面取得了多項(xiàng)重要進(jìn)展。其中，美國(guó)華盛頓大學(xué)和斯坦福大學(xué)利用計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)出首個(gè)人造抗癌蛋白；美國(guó)伊利諾伊大學(xué)開發(fā)出集人工智能設(shè)計(jì)、構(gòu)建、測(cè)試和學(xué)習(xí)于一體的工程化平臺(tái)，并完成了番茄紅素生物制造實(shí)證。
工業(yè)生物技術(shù)應(yīng)用范圍和深度不斷擴(kuò)展，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)重大挑戰(zhàn)提供綠色解決方案
1、基于細(xì)胞工廠、體外酶分子機(jī)器等技術(shù)制造的新型生物制造產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)
研究人員已經(jīng)在細(xì)胞培養(yǎng)肉、大麻素及其衍生物的生物全合成、二氧化碳/氮?dú)廪D(zhuǎn)化成生物柴油、人造葉綠體等方面取得重大突破，為未來農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥、能源等行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展提供了更多可能。其中，來自德國(guó)馬普學(xué)會(huì)地球微生物學(xué)研究所和法國(guó)波爾多大學(xué)的研究人員將菠菜的“捕光器”與?9?種不同生物體的酶結(jié)合起來，制造了人造葉綠體，并利用光和該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了二氧化碳的固定，相關(guān)研究成果于2020年5月8日發(fā)表在?Science?雜志上。
2、生物制造產(chǎn)品有望為解決社會(huì)重大挑戰(zhàn)提供綠色解決方案
當(dāng)前，塑料污染成為全球性威脅，全球已有?50?多個(gè)國(guó)家和地區(qū)推出禁用、限用或管控不可降解塑料使用的政策和法規(guī)；其中，我國(guó)也在?2020?年初出臺(tái)更具體且嚴(yán)格的新版“限塑令”。工業(yè)生物技術(shù)在解決上述重大挑戰(zhàn)方面大有作為。其中，法國(guó)圖盧茲大學(xué)開發(fā)出的新型水解酶能以較低成本在?10?小時(shí)內(nèi)水解?90%?的飽和聚酯（PET）塑料；中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過程研究所、理化技術(shù)研究所在酶降解PET塑料、海水降解塑料等方面的研究也取得進(jìn)展。同時(shí)，可降解生物塑料和生物基塑料的研發(fā)與量產(chǎn)均已取得較好進(jìn)展，從而為未來部分替代傳統(tǒng)石油基塑料產(chǎn)品奠定了重要基礎(chǔ)。
四、未來展望
1、依據(jù)自身資源稟賦選擇適合我國(guó)國(guó)情的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展道路
我國(guó)幅員遼闊，自然環(huán)境復(fù)雜多樣化，不同區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展的條件差異大。因此，我國(guó)不應(yīng)盲目照搬國(guó)外農(nóng)業(yè)發(fā)展模式，需因地制宜確定各地區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。同時(shí)，應(yīng)以創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變，持續(xù)加快生物技術(shù)、數(shù)字技術(shù)等關(guān)鍵使能技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，推進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，保障我國(guó)糧食安全與營(yíng)養(yǎng)。
2、掌握生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略主動(dòng)權(quán)
當(dāng)前，主要發(fā)達(dá)國(guó)家掀起新一輪全球科技和產(chǎn)業(yè)競(jìng)賽，以搶占下一輪經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。美國(guó)視生物經(jīng)濟(jì)為關(guān)系到經(jīng)濟(jì)繁榮和國(guó)家安全的重要議題，將生物技術(shù)納入出口管制清單并試圖遏制我國(guó)生物技術(shù)快速崛起。因此，我國(guó)應(yīng)重視生物技術(shù)自主創(chuàng)新，增強(qiáng)生物制造核心技術(shù)能力，推動(dòng)生物技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)與應(yīng)用，從而保障我國(guó)生物產(chǎn)業(yè)安全。
*本文由中國(guó)科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技情報(bào)團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院成都文獻(xiàn)情報(bào)中心生物科技情報(bào)團(tuán)隊(duì)共同撰稿，執(zhí)筆人包括：楊艷萍、李東巧、謝華玲、遲培娟、陳方、丁陳君。
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