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現代農業是以動植物為基礎進行物質生產或服務的重要領域，也是滿足人類社會對食物和工業原料需求的主要途徑。工業生物技術領域則利用農業生產廢棄物或非糧植物等可再生生物質資源為原料，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、醫藥、食品等各種產品。生物技術與數字技術等關鍵使能技術在農業與工業生物技術領域發展中發揮著重要作用，推動了生物農業、數字農業和合成生物制造等重點領域的創新發展，為最終實現聯合國2030年可持續發展目標尤其是消除饑餓，實現糧食安全、改善營養和促進可持續消費和生產模式轉型奠定了基礎。

1現代農業與工業生物技術領域總體態勢

（1）以數據為中心的“農業4.0”正在重塑農業產業。農業發展的歷史實質上就是農業科技創新的歷史，每一次科技的重大突破及其在農業中的應用，都帶來了農業發展的新飛躍，推動了農業產業向高技術產業發展。從支撐產業的核心技術來看，當前發達國家農業已經進入以信息技術驅動的“農業4.0”時代。區塊鏈、物聯網、人工智能、機器人和大數據等數字技術和智能技術將引領現代農業快速發展，推動農業生產全要素的數字化和快速應用。未來，農業生產將以數據為中心，通過傳感器、物聯網、云計算等技術，構建多源異構數據的綜合采集、處理與分析平臺，該平臺最終通過專門的決策支持系統為農民提供行動建議，以及自動安排相關作業。

（2）生物技術的應用引領物質生產向綠色化發展。農業生物技術和工業生物技術在推動現代農業與工業領域綠色發展方面，發揮著至關重要的作用。在農業領域，不斷發展的農業生物技術為應對病蟲害、環境退化、氣候變化等挑戰提供了新的替代方法，推動了農業第二次綠色革命的發展。以基因工程為核心的農業生物技術已成為全球發展最為迅速、應用最為廣泛的生物技術。近年來涌現的基因編輯、表觀遺傳修飾等新一代生物技術使動植物育種更加高效、精準。在工業領域，以工業生物技術為核心的生物制造已進入加速發展期，生物煉制向更加清潔高效的第3代模式轉型，技術迭代提速推動生物工具向更加精準、高效和規模化方向發展。未來合成生物制造有望革新化工、醫藥、能源等傳統行業的生產模式，實現綠色生物工藝過程，進而引發新一輪產業變革。

2主要國家戰略舉措與特點

世界主要國家根據自身資源稟賦和經濟基礎，紛紛出臺相關戰略舉措以確保自身綠色、可持續的物質生產與供應，并已形成了各具特色的發展道路。

（1）美國：重視生物技術、數字技術在農業與工業領域的全方位應用，以保持其國際領先地位。美國自然資源稟賦好，實行大規模農場生產與經營，是全球最大的農產品出口國。近年來，美國把農業列為國家優先發展領域，重視應用生物技術與數字技術提高農業生產效率。未來10年，美國在農業領域重點聚焦種業、畜牧業、食品科技、土壤科學、農業水分高效利用、數據科學和系統科學七大優先方向，以及系統認知分析、新一代傳感器、農業食品信息學、基因組學與精準育種、微生物組五大突破性技術。由于其國內農產品供大于求，美國也重視生物質能的開發與利用，并以能源需求帶動生物精煉等增值產業的發展。美國能源部、農業部和國防部等機構都出臺了相關重大計劃，推動生物基產業創新發展。

（2）歐洲各國：以綠色理念引領農業與工業可持續發展。歐洲多數國家已基本解決糧食供給問題，關注純天然、無污染和高品質的農產品生產。歐洲國家重視將綠色理念植入現代農業和工業領域，引領社會經濟可持續發展。2020年5月，歐盟了《從農田到餐桌》（FromFarmtoFork）和《歐盟2030年生物多樣性》（TheEU2030BiodiversityStrategy）戰略，重點加強有機農業，強制性限制和減少農藥、化肥的使用，促進糧食系統向可持續轉型。同時，歐洲各國重視生物經濟發展，利用可再生資源和先進技術實現低碳經濟增長。目前，歐洲多國已生物經濟戰略，英國還建立了多元的合成生物學中心網絡，大力推進合成生物產業的發展。

（3）韓國、日本、以色列等國重視高值產業的發展。韓國、日本、以色列是嚴重依賴糧食進口的國家。由于自然資源稟賦差，這些國家非常重視利用高新技術突破土地、水等資源束縛，選擇高度集約化與高值化的農業發展道路。韓國在2019年的《未來農業科技戰略》中提出以智能農業和農業生物技術推動農業全產業高值化發展；日本重視生物與信息技術產業的融合，重點聚焦先進生物制造等新一代生物產業技術的發展；以色列則重視人工智能技術與基因編輯技術的結合使用。

3現代農業與工業生物技術重點領域態勢與熱點

3.1農業生物技術應用與發展使動植物育種和疫病防治更加精準、綠色

（1）動植物基因組學研究和優異基因挖掘是分子設計育種的基礎，也是動植物育種領域的前沿與熱點。近期，水稻、豬等重要物種的基因組測序與重測序取得重要進展，從而為后續動植物重要性狀分子機理解析奠定了基礎。同時，光合作用效率、氮肥高效利用等性狀遺傳調控機制研究取得了多項突破，這為動植物遺傳改良提供了重要基因資源。其中，中國科學院遺傳與發育生物學研究所傅向東團隊發現的赤霉素信號傳導新機制為可持續農業發展提供了一種新的育種策略，相關研究成果于2020年2月7日以封面文章發表在Science上；中國科學院分子植物科學卓越創新中心郭房慶團隊發現了能使水稻增產8.1%—21.0%的D1蛋白合成新途徑，相關研究成果于2020年4月20日發表在NaturePlants上。總體而言，中國在育種領域的基礎研究，尤其是水稻生物學和作物基因組學等方面優勢明顯。NaturePlants評論指出，植物科學研究領域的巨大進步使中國農業科學重新走在世界前沿。

（2）基因編輯等新育種技術及產品蓬勃發展，全球基因編輯產品監管尚未達成共識。在育種技術開發方面，以CRISPR為代表的基因編輯技術不斷升級改造，進一步提高了動植物育種的精準度和效率。此外，基因編輯技術與無融合生殖、單倍體誘導等其他傳統育種技術的結合，進一步豐富了育種工具的類型。在產品培育方面，基因編輯技術已經應用于小麥、水稻等15種植物，以及牛、羊、豬等農業動物的研究中。同時，基因編輯產品商業化進程不斷加快，首款基因編輯高油酸大豆油已于2019年在美國上市銷售。目前，基因編輯產品監管備受關注，各國在基因編輯產品監管方面的進展不一，全球尚未就此達成共識。盡管基因編輯技術在育種中具有巨大應用前景，但由于歐美國家掌控了基因編輯技術的核心專利并已初步形成了從基礎研究到技術開發服務再到育種應用等完整的產業技術鏈布局，未來我國相關產業的發展面臨較大威脅。

（3）新型生物防疫制品的研發與應用促進動植物疫病防治更加綠色化。在植物病蟲害防治方面，RNAi農藥和生物信息素等新型生物制劑是安全、有效、廉價和可持續的新型農藥替代品，它能使植物蟲害防治更具針對性和可持續性，可比傳統農藥獲得更好的保護效果和更高的收益。目前，基于RNAi技術的多款產品已獲得美國環保署批準作為殺蟲劑使用。歐盟生物基產業聯盟（BBIJU）投入640萬歐元，利用昆蟲性信息素開發生物防治技術，并推進其商業化應用。在動物防疫方面，非洲豬瘟病毒結構解析與組裝機制研究、非洲豬瘟候選疫苗與禽流感疫苗均取得突破，這為重大動物疫病的綠色防控奠定了重要基礎。

3.2數字技術助力農業生產管理更加高效、智能，引領生物合成進入智能設計時代

（1）大田作物生產管理和畜禽養殖更加高效。在數據采集方面，傳感系統實現了物物相連，使數據采集更加實時便捷。例如，德國拜耳公司旗下的氣候公司（ClimateCorporation）已開發了全球首個田間感應器網絡，為其引領數字農業市場奠定了重要基礎。在大田作物管理方面，大數據結合智能技術提高了作物生產率。美國微軟公司等開發的人工智能播種應用程序（APP）使試驗點作物產量平均增長10%—30%。在畜禽養殖方面，人工智能技術使畜禽養殖更加便捷和高效。英國推出了5G智能奶牛項圈，實現了對奶牛健康狀況的實時監測。在產業方面，歐美農業跨國公司憑借敏銳的洞察力，紛紛加強數字農業業務布局。其中，拜耳公司是率先在業內將大數據應用到農業領域的企業，并通過系列并購成為數字農業行業的標桿。目前，拜耳公司將農業大數據業務作為其核心業務發展，并仍在不斷拓展數字農業平臺市場，以期打造覆蓋全球的農業生產數據王國。

（2）農業機械裝備更加智能化、集約化。當前，智能農機裝備不斷推陳出新。例如，草莓采摘機器人、跨物種收獲機器人、無人駕駛拖拉機等集高精度定位、大數據分析、智能識別等技術于一體，大幅提高了農業自動化水平和生產效率。植物工廠發展快速，受到各國廣泛關注。英國加強資助新一代植物工廠種植技術研究，新加坡擬籌建室內植物工廠，日本商業化運營的植物工廠超過120家，我國也緊跟步伐并取得了重要進展。總體而言，貫穿于農業生產全過程的農業機械裝備本質上是一個技術密集型的產業。由于我國農機裝備粗放式發展，并一直依靠引進國外農機技術體系，導致目前與美國等發達國家在動力換擋、液壓控制、農機可靠性等方面存在代差。

（3）生物合成進入智能設計時代。目前，研究人員在從基因、蛋白質、生物體設計到生物制造過程研發等方面取得了多項重要進展。其中，美國華盛頓大學和斯坦福大學利用計算機程序設計出首個人造抗癌蛋白；美國伊利諾伊大學開發出集人工智能設計、構建、測試和學習于一體的工程化平臺，并完成了番茄紅素生物制造實證。

3.3工業生物技術應用范圍和深度不斷擴展，為經濟社會重大挑戰提供綠色解決方案

（1）基于細胞工廠、體外酶分子機器等技術制造的新型生物制造產品不斷涌現。研究人員已經在細胞培養肉、大麻素及其衍生物的生物全合成、二氧化碳/氮氣轉化成生物柴油、人造葉綠體等方面取得重大突破，為未來農業、工業、醫藥、能源等行業創新發展提供了更多可能。其中，來自德國馬普學會地球微生物學研究所和法國波爾多大學的研究人員將菠菜的“捕光器”與9種不同生物體的酶結合起來，制造了人造葉綠體，并利用光和該系統實現了二氧化碳的固定，相關研究成果于2020年5月8日發表在Science雜志上。

（2）生物制造產品還有望為解決社會重大挑戰提供綠色解決方案。當前，塑料污染成為全球性威脅，全球已有50多個國家和地區推出禁用、限用或管控不可降解塑料使用的政策和法規；其中，我國也在2020年初出臺更具體且嚴格的新版“限塑令”。工業生物技術在解決上述重大挑戰方面大有作為。其中，法國圖盧茲大學開發出的新型水解酶能以較低成本在10小時內水解90%的飽和聚酯（PET）塑料；中國科學院青島生物能源與過程研究所、理化技術研究所在酶降解PET塑料、海水降解塑料等方面的研究也取得進展。同時，可降解生物塑料和生物基塑料的研發與量產均已取得較好進展，從而為未來部分替代傳統石油基塑料產品奠定了重要基礎。

4未來展望

（1）依據自身資源稟賦選擇適合我國國情的農業現代化發展道路。我國幅員遼闊，自然環境復雜多樣化，不同區域農業發展的條件差異大。因此，我國不應盲目照搬國外農業發展模式，需因地制宜確定各地區農業產業發展方向。同時，應以創新驅動促進農業發展方式轉變，持續加快生物技術、數字技術等關鍵使能技術在農業中的應用，推進農業可持續發展，保障我國糧食安全與營養。

（2）掌握生物經濟發展的戰略主動權。當前，主要發達國家掀起新一輪全球科技和產業競賽，以搶占下一輪經濟增長的戰略制高點。美國視生物經濟為關系到經濟繁榮和國家安全的重要議題，將生物技術納入出口管制清單并試圖遏制我國生物技術快速崛起。因此，我國應重視生物技術自主創新，增強生物制造核心技術能力，推動生物技術產品研發與應用，從而保障我國生物產業安全。

作者：楊艷萍  單位：中國科學院