吴清平院士：我国农业微生物发展趋势
来源：admin发布时间：2023-7-6 10:03:06浏览：/次
以动物、植物″二元结构″为特征的传统农业正在向动物、植物、微生物″三元结构″的新型农业转变，微生物在农业领域中的重要性得到了更多认识。发展农业微生物产业事关国家粮食安全保障和耕地质量提升，支持农业碳达峰、碳中和目标实现，促进可持续农业发展。保障国家粮食安全的压力始终存在，而微生物产业将在解决粮食可靠供给方面发挥积极作用。
近年来，我国农业微生物市场发展势头迅猛，而市场空间依然较大，如微生物肥料仅占肥料总用量的10%。微生物及其相关技术开始向农业生产的诸多方面渗透，以微生物农药、菌肥、堆肥、微生物饲料等为代表的产品，其技术研究和生产应用取得一定进展。也要注意到，相比微生物技术在医学上的应用，农业微生物发展整体上仍处于初级阶段。国家层面重视微生物产业发展布局，开始研究制定产业发展政策多个国家制定了战略规划来推动本国微生物产业发展。美国将微生物组列入国家计划，将之作为农业领域亟待突破的研究方向。在北美、欧洲等地区，有机农业、可持续农业理念更加深入，优质高产农作物、土地生产力、土壤健康等需求推动了微生物产品市场份额的增长。我国尚未专门针对农业微生物产业发布政策文件，一般以农业产业、生物技术、微生物性质的政策作为依据。农业微生物产业作为种业、生物技术的重要环节，已经纳入国家层面的发展规划，如″十四五″规划纲要中加强种质资源保护利用和种子库建设、培育具有国际竞争力的种业龙头企业、深入实施农药化肥减量行动、推进秸秆综合利用和畜禽粪污资源化利用等内容；基因与生物技术列入七大科技前沿攻关领域，将生物技术作为九大战略性新兴产业之一。管理部门以更为细化的形式明确了农业微生物产业的发展重点和方向。微生物种质资源开始发挥农业微生物产业的″芯片″作用农业微生物种质资源指能够纯培养、具有一定研究与应用价值的细菌和真菌等，是整个微生物行业的核心，微生物学和生物技术研究、微生物产业持续发展的重要物质基础。性能优异的微生物菌种资源已成为农业微生物产业的核心关键，一个菌种支撑一个细分产业的现象趋于普遍。例如，阿维菌素曾是农用杀虫剂的重点产品，科研人员基于阿维链霉菌高产菌株的阿维菌素生物合成适配性体系，设计了高效生产高效阿维菌素的元件与模块，将阿维菌素产量提高了1000倍，市场价格下降至原来的1/50以下；阿维菌素的生产技术革新引领了农用抗生素产业的快速发展，也为其他天然产物生物制品的改良提供了启示和借鉴。以原位培养、微流控培养、细胞分选、单细胞测序等为代表的新型培养技术逐步成熟，发展了多种″非定向″″定向″相结合的″未 / 难培养微生物″分离技术与方法，为发掘新的农业微生物资源创造了技术条件，也为获取优良菌种提供了基础。在后基因组时代，未培养微生物的分离培养将以基因组功能预测为基础，重点开展原位功能活性测试，从生理特点、代谢途径、营养需求等方面探析微生物可培养机理，从而获取性状优良的可培养农业微生物菌种资源。从自然界中分离获得的野生菌种，通常不满足规模化生产要求，需要进行选育以获得优质高产的菌种。以合成生物学、高通量自动化筛选为核心的现代生物技术，为菌种改良提供了新手段，筛选效率较传统诱变方式高出千倍以上。生物信息大数据、基因编辑等技术，成为利用合成生物学技术对微生物进行更为精准的人工调控以实现更高效的定向进化，进而开展农业微生物菌种选育及改造的技术基础，相关研究正在引领微生物产业的创新发展。农作物微生物组技术可揭示作物微生物组的功能，阐明与农业有关微生物的特性、生命活动规律、作用过程调控机制，正处于从基础研究成果向田间应用转化的阶段，将为农业生产共性关键问题提供新的解决方案。伴随着现代生物科学的发展，农业微生物研究进步迅速。多组学联用研究的深入，新一代测序、基因编辑、微生物组、新兴培养、合成生物、生物信息、人工智能、大数据等技术的突破，驱动微生物从传统单一功能菌株到合成功能菌株、从自然筛选菌株到人工设计菌株的重要转变，代表着农业微生物的新一轮技术革命。单细胞成像、分析检测、高通量筛选等方向取得了积极进展，显著提升了微生物资源的分离筛选、细胞工厂构建筛选等能力。微生物新技术的不断涌现，支持农业微生物开发成为战略性新兴产业，相应市场将主要由新技术、创新优良种质等推动。对微生物资源进行规模化、精准化鉴定评价，发掘满足现代农业发展需求的新型资源和基因，已经成为微生物利用领域的重要内容。在持续开展微生物资源的收集、保藏、应用开发等工作的同时，世界主要保藏中心正在由单一资源保藏机构转向包含评价、专业应用开发在内的综合性资源中心，注重将资源保藏与研发相结合，使高附加值化微生物资源得以充分利用。此外，随着微生物组研究的深入，针对微生物遗传资源、代谢物的合成生物学研究，生物制造先进技术和颠覆性技术开发是未来农业微生物领域的研究热点。我国虽是微生物种质资源大国，但未进入种质资源强国行列，菌种资源的精准鉴评能力亟待提升。微生物多样性高、代谢途径多样，然而大量具有优良性状的微生物资源″深藏库中无人识″：通过表型与基因型精准鉴定、用于育种创新的微生物种质资源比例不足10%，多数资源尚未进行有效的开发利用，资源优势未能转化为产业优势。精准鉴评微生物遗传资源，发掘适应现代农业发展所需的新资源和功能基因，是农业微生物利用的重要方向。基于农业微生物的资源、基因、蛋白、代谢物等的合成生物学研究与应用正在积极开展之中。多学科技术交叉与融合助力农业微生物智能制造和精准应用大数据技术推动了农业微生物研究与应用朝着数据化模式发展，为农业微生物产业迈向现代化提供了新的支撑。物理、材料、计算机科学等学科与生命科学的交叉与融合，推动了生物成像、基因编辑、微生物组学等技术革新。测序技术的通量、准确度显著提高，基因编辑、合成生物学、现代生物信息学等促进了农业微生物产业的深刻变革。利用智能传感器、智能控制装备、深度学习等技术，构建发酵工艺的智能在线监测能力、微生物制造智能化技术与工艺体系，据此实现农业微生物产品的智能制造，逐步成为农业微生物产业的发展潮流。农业智能装备、大数据、人工智能、机器学习、区块链等技术，提供了异构数据的收集、分析、存储、共享、集成能力（及相应的高级分析方法），可实时监测日照、温 / 湿度、土壤养分、作物 / 养殖动物生长，水分、病原体、微生物在跨越土壤、动植物、环境时的循环运动过程以及病虫害情况。利用数据科学、信息技术实现农业微生物产品的精准应用，在动态变化条件下自动整合数据并进行实时建模，促进形成数据驱动的智慧管控及精准应用，成为重要的发展趋势之一。农业微生物的研究和应用成为加快农业创新发展、提升农业科技竞争力的主导力量，国际农业强国已将微生物组列入农业领域五大亟待突破的方向。随着微生物技术的发展：农业微生物催生新产业发展，成为农业领域碳达峰、碳中和的核心途径。受良好前景的吸引，社会资本积极涌入农业微生物领域，微生物科技公司成为新兴的投资对象。美国Indigo Ag公司率先创建了农业微生物基因组信息数据库，获取了有利于植物营养和健康的微生物且增产提质效果明显，累计融资达到6.09亿美元。在我国，南宁汉和生物科技股份有限公司、甘肃中成德润生物科技有限公司、慕恩（北京）生物科技有限公司、成都新朝阳作物科学股份有限公司、北京蓝晶微生物科技有限公司等成功获得了融资，积极拓展微生物肥料、微生物菌剂、微生物农药、养殖替抗、农业面源污染治理、退化耕地质量提升等方面的业务。例如，慕恩（北京）生物科技有限公司选择农业作为微生物组产业化的应用方向，在多轮融资的支持下快速推动了植物微生物组产品线的产业化。各国高度重视农业微生物，生物安全问题更为突出，相应的监管法规进一步规范。农业微生物菌种的精准鉴定、生物安全等级要求更为严格，环境安全评价已纳入菌剂产品的质量监督和管理程序。例如，不在农业微生物领域中使用溶血型枯草芽胞杆菌已成为共识，从而将该菌的限制使用从医药行业拓展至农业领域。转基因微生物的研发及产业化正在快速发展，突出问题便是对其进行有效的安全评价和法律监管；基因工程菌不能直接进行环境释放也成为多国的应用惯例。《中华人民共和国生物安全法》已经颁布和实施，″保护生物资源″″生物资源安全″成为法定事项，标志着生物安全进入依法治理的新阶段。
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