農業領域若干顛覆性技術初探

王棟 ，陳源泉 ，李道亮 ，朱萬斌 ，譚偉明 ，杜太生 ，田見暉 ，康紹忠

（1. 中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，北京 100193；2. 中國農業大學，北京 100193）

一、前言

當前，生物技術、信息技術、新材料技術、新能源技術等不斷創新發展，正帶動以綠色、智能、泛在為特征的群體性重大技術變革，并將深刻影響農業科技和產業發展。未來15～20年內，這些革命性技術向農業領域滲透，必將掀起新一輪農業生物技術浪潮，促進“互聯網+”產業興起，引領和支撐農業實現節能、減排、綠色、低碳的可持續發展。當前，我國整體上形成了少量領跑、多數并行和跟跑的農業科技基本格局，與發達國家相比，仍然存在原始創新能力不足、產業支撐能力偏弱等差距。面對即將到來的新一輪世界科技革命，必須面向世界農業科技前沿、面向農業農村主戰場、面向國家農業科技重大需求，研究提出我國農業領域顛覆性技術的研究方向，搶占全球農業科技競爭先機，提升我國農業科技創新力和產業競爭力。本研究通過會議調研、訪談、文獻研究及專利分析等方法，以具有重大技術創新和突破、顛覆了傳統技術路線、改變了現有業態形式并催生和構建新興產業、產生重大綜合效益、影響和改變了社會經濟發展道路與方式為標準，梳理出未來農業領域顛覆性技術的發展方向。

二、農業領域顛覆性技術發展態勢

當前和未來技術創新活躍的農業生物技術、農業信息技術、納米材料技術等方向，對農業領域各子領域研究方向具有重要意義，并呈現出不同的發展趨勢。

（一）動植物育種

育種技術創新為確保食物安全與穩定供給提供保障。據世界銀行預測，隨著城鎮化發展及國民經濟和人口的持續增長，到2020年，我國糧食需求將增加到 6.7×108t，2030年將達到 7×108t [1]。由于土地資源以及飼養規模的限制，只有通過育種技術創新，不斷提高動植物單產水平和生產效率，我國才能在現有資源條件下提高動植物食品生產總量。以動物育種為例，隨著動物基因組測序技術的突破，利用基因組信息直接進行基因組選擇，就可對目標性狀進行準確選育，顛覆了大群體遺傳評估、后裔驗證的傳統育種技術路線，基因組育種正成為各大育種公司爭奪的戰略高地[2]；家畜胚胎基因編輯育種取得突破，通過直接編輯決定遺傳性狀的胚胎基因，即可精確改良家畜遺傳性狀，獲得一批傳統育種較難培育、肉用性能和抗病力顯著提高的牛、羊、豬，徹底顛覆了通過表型性狀進行選育的傳統育種技術路線，成為畜牧種業革命的新引擎[3～5]；干細胞育種以更早、更高效的育種潛力，正在逐漸被認可，特別是干細胞與誘導分化、體外受精、基因組選擇等技術結合，可根本改變以往出生初選、斷奶再選等選擇時限和技術路線[6]。這些技術對動植物育種技術路線、繁育形式與效率將產生顛覆性影響。我國基因組育種技術已在奶牛上率先突破[7]，并由跟跑逐漸走向并跑，家畜胚胎基因編輯育種和誘導性多能干細胞（iPS）技術世界領先，而畜禽干細胞等技術還處于跟跑階段。深入開展相關研究，將有助于我國在國際競爭中搶占動物種業制高點。

（二）農業生物藥物與生物肥料

化肥和農業化學藥物帶來的嚴重環境污染、抗藥性和健康等問題，日益受到關注。發展生物肥料和生物藥物（主要包括生物農藥、生物獸藥等），替代和減少化肥和化學藥物使用、保證農業穩產高產、保障食品安全和公眾健康意義重大，也是改善生態、實現環境安全和農業可持續發展的重要途徑。生命科學和新型納米材料等技術，為農業生物肥料和生物藥物發展提供了全新途徑和技術支撐，并將推動相關戰略性新興產業快速成長。如利用合成生物學制備微生物次生代謝產物、利用核糖核酸（RNA）干擾技術防治病毒病等技術，開辟了從基因水平進行病蟲害防治技術研發和藥物制備的生物學新途徑；利用新材料研發高效藥物傳遞系統，實現農藥靶向施用；革新施藥器械，促進藥劑在靶標沉積，提高藥劑利用率，減少環境污染。利用作物微生物組學和合成菌群學構建生態穩定的多菌種復合微生物肥料；通過互作信號調控增強微生物肥料在植物根際的定殖與作用效果。農業生物肥料和生物藥物的成功產業化，將徹底改變農業生產嚴重依賴化學肥料和化學藥物的局面，改變相關產業結構，提高我國相關產業的國際競爭力。

（三）農業生物質工程

生物質產業是戰略性新興產業，具有可再生、清潔、低碳、惠農和對化石能源多途徑替代等優勢，還能夠將秸稈、糞污等農林廢棄物資源化利用，大幅度減少面源污染[8,9]。中近期內生物質工程每年可為我國提供1×108t生物質運輸燃料和1×1011m3生物天然氣，在世界貿易格局洗牌的大形勢下，對降低石油和天然氣的進口依賴度，提高國家能源乃至金融安全具有重大意義。生物質能源已經成為領先風能和太陽能的全球第一大可再生能源品種[10,11]，到21世紀中葉，將很可能進一步成為全球第一大能源品種；生物基材料是不可再生化工原料唯一的替代途徑，已成為生物質轉化的主導方向和化工材料的重要來源；生物質原料成為全球農業生產的主要目標之一。高效低成本利用木質纖維素原料已成為研究的熱點和難點，以生物質原料生產化工平臺化合物是生物質工程未來20年的發展重點。關鍵技術一旦取得突破，能源和材料不可再生的威脅、生物質能源與糧食安全的矛盾、生物質產業的規模限制、生物質工程的轉化效率和能源轉化率等問題都將迎刃而解。我國生物質產業起步晚，研發投入力度小，相關科技相對落后。加快生物質顛覆性技術研發，才能使我國生物質產業躋身世界一流行業，支撐國家強盛。

（四）智能農業技術

信息化是農業現代化的制高點，智能化是驅動農業現代化的先導力量[12]。智能技術驅動的農業科技變革對農業發展呈現系統性顛覆趨勢，以物聯網、大數據、人工智能和機器人為典型代表，通過物聯網傳感系統實現物物相連，為大數據提供渠道和數據基礎[13]；通過對大數據進行處理與分析，為人工智能提供精準數據處理手段和決策依據[14]；通過人工智能實現農業智能決策，為機器人無人化作業提供核心處理手段，四項技術高度融合構成了未來無人化、精準化、智能化、生態化農業的核心支撐[15]。農業動植物生理傳感器、動植物生長優化模型、裝備管理與優化和智能機器人將是智能農業技術未來的研究熱點；農業物聯網將向平臺化、標準化、低成本化、高可靠性方向發展，農業大數據將由數據高效存儲向農業數據挖掘和知識發現技術方向發展，人工智能將向物聯網和大數據融合的人機智能信息識別、分類和決策方向發展，農業機器人向基于語言理解的全過程智能化方向發展[16]。

（五）非傳統種植空間

目前，全球約25%的農地由于過度耕作、干旱和污染等原因嚴重退化。未來30年，全球糧食需求至少增長60%。除堅守原耕地面積，拓展傳統耕作空間，實現單位資源高效利用，變相增加種植空間外，還應科學開發利用鹽堿地及荒漠等土地資源。目前，城市農業、植物工廠、沙漠種植和虛擬種植等多項顛覆性技術逐步建立，并成為新的科技熱點和新的沖突爆發點，對于緩解全球糧食安全嚴峻形勢意義重大[17,18]。未來10～15年，顛覆性技術將源于各領域技術融合，或基于傳統技術深化后的躍遷突變，將推動著農業用地不斷向空間（包括太空）拓展。開發和改良鹽堿土，綜合治理養分失衡土地，深化傳統耕地技術，對于增加后備耕地，保障糧食安全具有重要意義。

三、未來10～15年內我國農業領域顛覆性技術的重點方向

（一）動植物高效生物育種領域重大顛覆性技術方向

1. 動植物基因編輯技術

由最初的鋅指核酸內切酶（ZFN）發展為類轉錄激活因子效應物核酸酶（TALEN）技術，再到目前 的 CRISPR/Cas9（clustered regulatory interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9）系統，基因編輯技術靶向性更強、更高效，也更廉價。已成功改良了豬、牛、羊和魚等抗病性和肉質等，使性狀測量、變異發現、變異篩選等傳統育種路徑更改為目標性狀的直接編輯和表型確認，育種群體大大縮小，育種周期大大縮短。但性狀基因解析研究還不能提供更多的可編輯基因位點。隨著功能基因解析的逐漸深入，在今后10～15年間，該技術將逐漸走向大規模應用，并對相關性狀育種產生顛覆性影響。目前，該原創技術來自國外。高效自主知識產權技術將是我國研發的重點。

2. 家畜干細胞育種技術

干細胞育種包括干細胞建系培養、生殖細胞定向分化誘導、體外受精、基因組選擇等技術環節，目前，家畜干細胞建系培養及生殖細胞定向分化誘導尚未取得突破性進展，估計今后15～20年，人類將攻克上述技術瓶頸，建立成熟的干細胞育種技術體系。干細胞育種實現了實驗室育種，由于細胞選育環節的開發，使飼養的成年動物種群數量大幅縮減。育種周期的縮短、成本的降低、場所的改變等都是顛覆性的。我國iPS技術國際領先，但畜禽干細胞技術處于跟跑階段，應加快發展。

3. 動植物品種分子設計技術

“品種分子設計”是指以分子設計理論為指導，綜合運用各種生物信息和基因操作技術，從基因（分子）到整體（系統）不同層次對目標性狀進行設計與操作，以實現優良基因的最佳配置，培育新品種。品種分子設計技術體系將推動傳統育種向“精準育種”轉變，大幅提高動植物育種效率和技術水平，引領動植物育種的創新與發展。估計通過15～20年努力，將突破動植物多基因聚合和基因編輯操作技術瓶頸，創建動植物分子設計技術體系。我國在動植物多基因聚合與基因編輯領域取得了一些突破性成果，但是，迫切需要加強對動植物重要經濟性狀形成機理進行研究，為分子設計鑒定出更多的功能基因。

4. 體外肉類合成與培養技術

通過肌肉干細胞培養與分化誘導，進行動物肉品生產，已對牛、雞、魚等物種實驗成功，該技術越過了飼草料生產與加工、動物飼養、動物屠宰等多個生產環節，在實驗室即可完成動物肉品生產的全過程，不但減少了資源與環境壓力，還可進行產品訂制和批次化生產。但多組織聯合培養、組織深部代謝和循環技術還在研發中。預計今后15年內，該技術將大規模應用，并對產業產生顛覆性影響。我國學者僅進行肌肉干細胞相關研究，未見細胞培養肉領域的相關報道。

（二） 農業生物藥物與生物肥料領域重大顛覆性技術 方向

1. 基于RNA干擾技術的基因農藥

利用RNA干擾技術，防治病毒病、防除雜草、調節植物重要階段的生長（脫葉、打頂等），顛覆了以往化學農藥防治思路。該技術瓶頸是靶標基因選擇和高效特異運載體系開發。澳大利亞和英國科學家利用納米材料BioClay裝載dsRNA，沉默同源RNA，控制了煙草病毒病[19]。目前國際農業化學巨頭已開始進行相關技術和產品的研發[20]。預計未來5～10年將有產品進入應用，15～30年大規模應用。化學農藥將逐漸被取代。我國目前還沒有相關的研究報道。

2. 基于智能生物材料的農藥控釋技術

智能生物材料是指利用對溫度、酸堿性、氧化還原勢等生物或非生物脅迫信號敏感的材料，將藥物傳遞至靶標位置，通過生物信號變化精確控制給藥。靶向給藥和精準施藥，對提高農作物抗病性以及受到干旱、低溫等非生物逆境的防御保護意義重大。澳大利亞對介孔二氧化硅載體進行修飾，制備了對氧化還原勢敏感的功能材料，智能控制水楊酸釋放，提高擬南芥抗病性[21]。目前，醫藥領域有很多相關研究。預計未來10～15年將有農藥產品出現。我國目前還沒有相關的研究報道。

3. 人造病毒作為預防性疫苗或者治療性疫苗

利用反向遺傳學和合成生物學技術，按照計算機模擬程序，突變病毒基因組三聯碼，人為控制病毒復制從而將病毒直接轉化為預防性疫苗，再突變為治療病毒感染的藥物。這種通用方法可以研制任意致命性病毒的疫苗和治療性藥物，并開發影響國防安全的預防性生化武器。目前北京大學已在實驗室水平研制了流感疫苗[22]。

4. 納米佐劑

納米顆粒與微生物相當，能夠更好地被抗原遞呈細胞吞噬，還可以增加小分子抗原的尺寸，并對其表面進行修飾，增強疫苗的機體免疫應答效果[23,24]。因此，納米顆粒有可能發展成為一類新型納米佐劑。但是其作用機理及副作用仍不清楚，很少有納米佐劑進入臨床試驗階段。我國已提出一套標準化納米材料安全評價體系，以評價納米材料的生物毒性和納米效應等，有待解決以上問題。

5. 作物微生物組技術

應用作物微生物組技術，通過對不同作物微生物組的高通量分離和大數據分析，獲取對不同作物發揮各種有益功能的微生物組[25～27]，通過微生物合成菌群學原理和技術，理性設計出對不同作物發揮特定功能、結構穩定的組合微生物群，開發基于作物微生物組技術的高效微生物肥料。

（三）農業生物質工程領域顛覆性技術方向

1. 生物質油、氣聯產工程技術

以木質纖維素為原料，大規模、高效率、低成本的生產生物質油和生物天然氣，是對常規化石運輸燃料應用體系的顛覆。通過關鍵工藝、設備和酶、菌的突破，結合生物質資源多級利用和多產品聯合生產模式，使生物質油、氣產品具有較強的經濟競爭力，大規模進入市場，中期內實現每年1×108t生物燃油、1×1011m3生物天然氣，中遠期翻番的生產能力，完成對進口石油、天然氣60%以上的替代，保障國家能源和金融安全，減少秸稈、畜禽糞污等農林廢棄物污染。我國在該領域的技術已經接近產業化，生物天然氣領域具有一定領先性。

2. 能源作物分子和基因調控技術

顛覆作物育種降低作物總生物量，提高收獲指數的思路，培育高光合效率、高生物產量和易于降解轉化利用的新型作物品種。通過基因調控，改變作物光合特性和作物木質纖維素組成，培育適宜特定降解轉化途徑的專用能源作物，如高含油微藻、木質素含量低的林木等，使總生物量和轉化效率大幅提高、轉化成本大幅降低。新型能源作物將改變農業生產和產業鏈模式，推動生物質工程發展。我國在該領域的技術處于起步階段，具備較好的基因育種技術基礎。

3. 生物質一鍋法轉化利用技術

生物質一鍋法轉化利用技術顛覆了先將生物質分離為纖維素、半纖維素和木質素，然后分別單相催化轉化的過程繁復、成本高、得率低的傳統技術路線，依據纖維素及其降解產物特性，設計以石墨烯為載體的碳基無金屬催化、高效多相催化體系，實現從纖維素等糖類物質到生物基平臺化合物5-羥甲基糠醛（5-HMF）及其系列呋喃基衍生物的一鍋法（one-pot reaction）轉化，極大地簡化操作步驟并提升效率、降低能耗。大幅提高生物質利用率和效益，整體推動產業發展。我國在該領域具有一定先進性。

4. 木質素天然結構利用技術

木質素轉化利用技術限制了木質纖維素的利用。木質素催化轉化可生成環烷烴化合物，生產高性能航空燃料，綜合性能可以超過石油基航空煤油；利用木質素天然苯環結構，通過納米技術碳化重整，制造納米碳管材料、光解材料等高性能或可降解材料。直接利用木質素天然結構，顛覆了傳統降解木質素再利用模式。該領域是國際生物質工程的新方向，我國在該領域具有一定領先性。

5. 生物質熱化學和生物轉化耦合技術

利用熱化學方法降解生物質材料，再利用生物方法將小分子化合物轉化成長碳鏈化合物。可實現溫和條件下高轉化率、低成本的生物質資源高值利用。例如，采用碳原料（CO、CO2、CH4等）生產生物基能源和材料產品，是對石油化工大分子裂解路線的顛覆。通過多種技術耦合將生物質原料液化，可以克服生物質松散、分散和能量密度低等問題，使之能夠像原油那樣采集、運輸和集中加工。該方向的突破將徹底改變整個生物質工程的產業形態。該領域是國際探索的新方向，我國在該領域具有一定先進性。

（四）智能農業領域顛覆性技術方向

1. 農業物聯網技術

運用傳感器等各類感知技術、實時獲取農業現場信息，通過各類網絡傳輸，將信息融合處理并通過農業作業終端實現最優化的精準作業與控制。2035—2050年，農業物聯網技術將實現全面應用和徹底實現農業顛覆。2035年將達到2 000億～3 000億元的市場規模。農業生產過程將完全可感知，并實現精細化、精準化、無人化。我國農業物聯網整體技術完全成熟，商業化機制也完全形成。

2. 農業大數據技術

對大規模多源異構農業數據進行采集、清洗、存儲、挖掘，用于農業智能與精準決策。2035年，大數據技術進入成熟期，將為農業生產、經營、管理和服務提供全面、準確、客觀的指導，農業生產數據化，農村治理透明化，農民服務個性化，產業規模將達2 000億元人民幣以上。

3. 農業人工智能技術

基于大數據智能、感知計算、人機混合智能、群體智能、自主協同與決策等的新一代人工智能技術將覆蓋農業生產、農村治理和農民生活。2035年市場規模將接近2 500億元人民幣。農業生產效率、資源利用率、土地產出率都將成倍增加，農村治理更加高效透明，農民生活更加便利。再過10～15年，我國人工智能將深入到農業生產、農村治理和農民生活的各個層面，并進入更高層次。

4. 農業機器人技術

導航、定位、識別、作業等智能機器人技術和裝備將逐漸應用于農業，2035年將進入成熟期，并大規模應用和實現產業顛覆，達到約3 000億～5 000億元的市場規模。將極大解放勞動生產力，提高勞動效率。農業機器人技術與工業制造、人工智能技術發展密切相連，隨著我國農村城鎮化的進一步推進和勞動力老齡化趨勢，再過10～15年，我國將成為世界農業機器人技術的引領者，在農業耕種、收獲、植保以及畜禽和水產養殖各個環節，農業機器人均會得到大規模利用。

（五）非傳統種植空間利用重大顛覆性技術方向

（1）根據收集的土壤和植物數據，利用電腦虛擬種植農作物，加快選擇性作物育種并對耐鹽品種進行篩選和分類，通過分布式種植，實現農田節水、抑鹽平衡調控和精量灌溉。

（2）開發高效抗堵塞的根區水鹽精準調控灌溉系統；揭示暗管排鹽工程與土壤界面鹽分積聚堵塞機制；篩選高效排鹽材料、優化階梯式暗管排鹽工程結構與布局；嚴格預防地下水埋深較淺區域土壤次生鹽堿化。

（3）發展數字農業，從土壤墑情監測到田間施肥及灌溉決策，從作物病蟲害監測及預防到判斷收獲時間及采摘等，通過通信網絡、人工智能、微型機器人、無人機和傳感器等先進設備實現智能化和信息共享化，同時向農民實時反饋決策實施過程。

（4）綜合農業-水產養殖系統實現水的二次利用，在遠離海岸線的鹽堿地區進行水產養殖，實現水產養殖增氧機、投料機、水泵等電器設備管理智能化[28]。5‰～30‰的微咸水養殖對蝦，顛覆了內陸地區養殖箱養殖海蝦需外加海鹽的技術路線，擺脫了海鹽添加成本與海岸線距離正相關的限制[29,30]。

四、促進農業領域顛覆性技術發展的建議

（一）加快創新性人才培育

長期以來，對農業重視不夠，以及農業領域基礎條件較差等原因，導致農業領域高層次創新型人才總體不足，質量有待提高，需要加大培育力度。

（二）設立農業領域顛覆性技術基礎研究專項

顛覆性技術主要源于基礎研究的長期積累，而我國農業科研多年來多關注短期效益的技術攻關，對于基礎性、交叉性研究重視不足，需要建立長期、穩定的研究專項，進行長期培育。此外，也需要借鑒農業產業技術體系的組織方法，組建一批長期從事農業重大戰略問題和戰略技術研究的專門團隊，對農業長遠發展的關鍵戰略問題和戰略方向進行長期的創新研究。

（三）建立以企業為主體的創新機制

建立以企業為主體的創新機制，加快形成以企業為主體的自主創新局面，以促進技術研發與實施，并更快地形成產業規模。需要準確定位政府、企業與高校間的關系，既要更好激發高校科技創新能力，又保證風險利益的主體企業肯投入、樂于投入，形成“產學研”合作鏈條的良性循環。不采用行政手段強制性派任務、壓指標，充分發揮技術服務和市場開發的潛力，使農業“產學研”一體化向新的水平發展。需要盡快建立商業化技術應用體系，充分尊重人才、科技、資金、種質等資源自由流動的社會屬性，積極構建以市場為主導的資源自由流動與優化配置的政策環境，確立人才和科技在顛覆性技術產業發展中的經濟地位，健全保護與利用人才和科技的政策機制。

（四）建立適應產業發展的政策體系

顛覆性技術往往會帶動大范圍產業變革、大范圍投資和商業開發，新型商業模式和新興產業往往不適應現有產業政策。對于顛覆性技術帶動的產業發展，需要給予寬松的發展環境，在優先促進產業發展中去解決存在的問題。由于顛覆性技術開發投資大，不確定性強，失敗率高，短期的、集中的攻關難以取得實質性效果，后期應用推廣亦面臨許多挑戰，須建立長效研究機制，并逐步建立其與市場相結合的體制機制及相關法律法規。