吳清平院士：我國農(nóng)業(yè)微生物發(fā)展趨勢

      以動物、植物“二元結構”為特征的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正在向動物、植物、微生物“三元結構”的新型農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，微生物在農(nóng)業(yè)領域中的重要性得到了更多認識。發(fā)展農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)事關國家糧食安全保障和耕地質(zhì)量提升，支持農(nóng)業(yè)碳達峰、碳中和目標實現(xiàn)，促進可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展。保障國家糧食安全的壓力始終存在，而微生物產(chǎn)業(yè)將在解決糧食可靠供給方面發(fā)揮積極作用。       近年來，我國農(nóng)業(yè)微生物市場發(fā)展勢頭迅猛，而市場空間依然較大，如微生物肥料僅占肥料總用量的10%。微生物及其相關技術開始向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的諸多方面滲透，以微生物農(nóng)藥、菌肥、堆肥、微生物飼料等為代表的產(chǎn)品，其技術研究和生產(chǎn)應用取得一定進展。也要注意到，相比微生物技術在醫(yī)學上的應用，農(nóng)業(yè)微生物發(fā)展整體上仍處于初級階段。

一、國家層面重視微生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局，開始研究制定產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策

      多個國家制定了戰(zhàn)略規(guī)劃來推動本國微生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展。美國將微生物組列入國家計劃，將之作為農(nóng)業(yè)領域亟待突破的研究方向。在北美、歐洲等地區(qū)，有機農(nóng)業(yè)、可持續(xù)農(nóng)業(yè)理念更加深入，優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)農(nóng)作物、土地生產(chǎn)力、土壤健康等需求推動了微生物產(chǎn)品市場份額的增長。       我國尚未專門針對農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)發(fā)布政策文件，一般以農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)、生物技術、微生物性質(zhì)的政策作為依據(jù)。農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)作為種業(yè)、生物技術的重要環(huán)節(jié)，已經(jīng)納入國家層面的發(fā)展規(guī)劃，如“十四五”規(guī)劃綱要中加強種質(zhì)資源保護利用和種子庫建設、培育具有國際競爭力的種業(yè)龍頭企業(yè)、深入實施農(nóng)藥化肥減量行動、推進秸稈綜合利用和畜禽糞污資源化利用等內(nèi)容；基因與生物技術列入七大科技前沿攻關領域，將生物技術作為九大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。管理部門以更為細化的形式明確了農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點和方向。
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二、微生物種質(zhì)資源開始發(fā)揮農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)的“芯片”作用

      農(nóng)業(yè)微生物種質(zhì)資源指能夠純培養(yǎng)、具有一定研究與應用價值的細菌和真菌等，是整個微生物行業(yè)的核心，微生物學和生物技術研究、微生物產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎。性能優(yōu)異的微生物菌種資源已成為農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)的核心關鍵，一個菌種支撐一個細分產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)象趨于普遍。例如，阿維菌素曾是農(nóng)用殺蟲劑的重點產(chǎn)品，科研人員基于阿維鏈霉菌高產(chǎn)菌株的阿維菌素生物合成適配性體系，設計了高效生產(chǎn)高效阿維菌素的元件與模塊，將阿維菌素產(chǎn)量提高了1000倍，市場價格下降至原來的1/50以下；阿維菌素的生產(chǎn)技術革新引領了農(nóng)用抗生素產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，也為其他天然產(chǎn)物生物制品的改良提供了啟示和借鑒。
以原位培養(yǎng)、微流控培養(yǎng)、細胞分選、單細胞測序等為代表的新型培養(yǎng)技術逐步成熟，發(fā)展了多種“非定向”“定向”相結合的“未 / 難培養(yǎng)微生物”分離技術與方法，為發(fā)掘新的農(nóng)業(yè)微生物資源創(chuàng)造了技術條件，也為獲取優(yōu)良菌種提供了基礎。在后基因組時代，未培養(yǎng)微生物的分離培養(yǎng)將以基因組功能預測為基礎，重點開展原位功能活性測試，從生理特點、代謝途徑、營養(yǎng)需求等方面探析微生物可培養(yǎng)機理，從而獲取性狀優(yōu)良的可培養(yǎng)農(nóng)業(yè)微生物菌種資源。
從自然界中分離獲得的野生菌種，通常不滿足規(guī)模化生產(chǎn)要求，需要進行選育以獲得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的菌種。以合成生物學、高通量自動化篩選為核心的現(xiàn)代生物技術，為菌種改良提供了新手段，篩選效率較傳統(tǒng)誘變方式高出千倍以上。生物信息大數(shù)據(jù)、基因編輯等技術，成為利用合成生物學技術對微生物進行更為精準的人工調(diào)控以實現(xiàn)更高效的定向進化，進而開展農(nóng)業(yè)微生物菌種選育及改造的技術基礎，相關研究正在引領微生物產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。農(nóng)作物微生物組技術可揭示作物微生物組的功能，闡明與農(nóng)業(yè)有關微生物的特性、生命活動規(guī)律、作用過程調(diào)控機制，正處于從基礎研究成果向田間應用轉(zhuǎn)化的階段，將為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)共性關鍵問題提供新的解決方案。
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三、基礎研究和前沿技術進展助推農(nóng)業(yè)微生物的技術革命

      伴隨著現(xiàn)代生物科學的發(fā)展，農(nóng)業(yè)微生物研究進步迅速。多組學聯(lián)用研究的深入，新一代測序、基因編輯、微生物組、新興培養(yǎng)、合成生物、生物信息、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術的突破，驅(qū)動微生物從傳統(tǒng)單一功能菌株到合成功能菌株、從自然篩選菌株到人工設計菌株的重要轉(zhuǎn)變，代表著農(nóng)業(yè)微生物的新一輪技術革命。單細胞成像、分析檢測、高通量篩選等方向取得了積極進展，顯著提升了微生物資源的分離篩選、細胞工廠構建篩選等能力。微生物新技術的不斷涌現(xiàn)，支持農(nóng)業(yè)微生物開發(fā)成為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，相應市場將主要由新技術、創(chuàng)新優(yōu)良種質(zhì)等推動。
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四、微生物資源鑒定精準化、功能評價系統(tǒng)化成為發(fā)展潮流

      對微生物資源進行規(guī)模化、精準化鑒定評價，發(fā)掘滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展需求的新型資源和基因，已經(jīng)成為微生物利用領域的重要內(nèi)容。在持續(xù)開展微生物資源的收集、保藏、應用開發(fā)等工作的同時，世界主要保藏中心正在由單一資源保藏機構轉(zhuǎn)向包含評價、專業(yè)應用開發(fā)在內(nèi)的綜合性資源中心，注重將資源保藏與研發(fā)相結