我國農業微生物產業發展的對策建議

郭靜利， 尼魯帕爾·迪力夏提， 王大慶

（1.中國農業科學院生物技術研究所，北京 100081； 2.新疆農業科學院科技成果轉化中心，烏魯木齊 830091；3. ?？诮洕鷮W院，?？?571132；4. 黑龍江省農墾管理干部學院，哈爾濱 150090）

微生物作為研究生物體進化演變和遺傳變異基本規律的模式生物，是推動農業科技進步的重要源泉。系統生物學、合成生物學、人工智能等現代學科的發展推動農業微生物產業技術創新進入“大數據-大平臺-大發現”的新發展階段，農業生物育種、種養殖高效生產、農產品綠色加工、生態環境保護等生物農業全產業鏈發展中微生物的作用不斷增強。來源于微生物的重要工具酶和元器件已廣泛應用于基因編輯和合成生物技術，在高產、抗逆節水、營養高效利用和機械化種植等農業領域，農業微生物產業已成為當前經濟發展中較為重要的新興產業之一。本文系統梳理了當前農業微生物產業發展趨勢，對標我國農業微生物產業發展需求和存在的問題提出相應的措施建議，對推動我國農業微生物產業的健康有序發展具有一定的現實意義。

1 農業微生物產業發展趨勢

1.1 農業微生物種質資源開發力度不斷加大

種質資源是農業微生物產業發展的基本要素，充分開發種質資源已經成為農業微生物產業發展的基礎保障。美國在2010 年啟動“地球微生物組計劃（Earth Microbiome Project，EMP）”，致力于鑒定世界各地的20萬個微生物樣本[1]，挖掘高價值科學問題，受到全球科學家的普遍關注。當前，全球78 個國家和地區共有在冊微生物菌種保藏機構804 家，微生物保存總量達327 萬余株，其中美國農業微生物種質資源戰略儲備庫保藏量居世界首位，近10 萬株，中國作為世界12 個高度生物多樣性國家之一，農業微生物資源專業菌種庫資源保藏量卻不足2萬株[2]，隨著中國科技創新力度的持續加大，農業微生物資源開發力度有望不斷加強。

1.2 農業微生物關鍵技術突破成為產業發展的關鍵

微生物前沿科學問題與21 世紀人類面臨的健康、農業、生態、氣候和糧食安全等重大問題密切相關。隨著新型微生物分離培養技術、微生物組學和合成生物學的興起，農業微生物基礎研究和關鍵技術突破面臨新的機遇與挑戰[3]。植物根系被視為是第二次綠色革命的關鍵，叢枝菌根真菌與植株共生可表現出良好的生產效應，對促進植物生長發育、增強植物抗逆性、減少植物土傳病害發生具有重要意義[4]，但現有鑒定方法仍在很大程度上依賴于傳統經驗?；诜肿予b定技術可獲得個體基因組，但完整的植物微生物群在很大程度上缺失，這有賴于測序技術和生物信息學的進一步發展?？蓪崿F環境友好和資源節約目的的微生物蛋白替代產品是食品和生物產業的重要發展方向[5]，但蛋白合成效率提升及蛋白功能調控等技術仍需深入研究。此外，開發益生菌產品以治療人類疾病及推動無抗健康養殖都是當前迫切需要推進的微生物產業技術難題。

1.3 農業微生物產業市場份額占有率不斷上升

豐富的微生物資源只有經過分類篩選成為可培養的菌種資源后才具備應用價值[6]，菌種資源的精準評鑒及育種創新水平是種質資源優勢的體現，現有資源的開發利用及產業優勢的轉化成為未來農業微生物種質資源強國的核心所在。2020年麥肯錫發布的《生物革命：變革經濟、社會和生活的創新》報告預測，2030到2040年間，農業和食品領域微生物制造直接年度經濟貢獻在8 000~12 000億美元。國際大型跨國集團公司憑借其雄厚的資金和研發實力，加快農業微生物酶制劑的系列開發，壟斷了國際高端酶市場。微生物替代蛋白的工業化生產將顛覆傳統養殖業生產方式，未來15 年內全球微生物替代蛋白產品將約占全球食用蛋白市場份額的22%，產業規模達到2 900億美元左右[7]。拜耳等國際跨國公司利用農業微生物抗蟲、耐除草劑和耐旱基因培育轉基因作物新品種，奠定其在轉基因作物產業化中長達數十年的全球壟斷地位。

1.4 農業微生物安全保護體系建設日益重要

微生物安全是以病原微生物為對象，利用現代科學技術對其在人類生活與健康、國家安全、經濟社會、生態環境等方面已產生或潛在存在的各種危害和風險進行檢測、診斷和防控[8]。隨著現代基因工程的發展，某些經過性狀改良的基因工程微生物被廣泛應用于農業領域，應用地點不限于人工封閉環境，而是進入到更容易產生微生物間基因轉移的自然環境中，從而提高產生具有新特性微生物的幾率，同時也可能會對當地原有的微生物群落產生影響。此外，用于研究的高致病性病原體的安全儲存與利用也是微生物安全保護的關鍵所在。國際社會對微生物安全給予高度關注，2000 年，聯合國環境規劃署和秘書處會議通過《卡塔赫納生物安全議定書》，目前已有百余個國家和地區成為締約方，中國也位列其中。有些國家的地區將生物安全納入國家安全體系，成為戰略部署，如美國發布《國家生物防御戰略》，部署“生物盾牌”“生物監測”“生物感知”三項計劃[9]，推進“國家微生物組計劃”“全球病毒組項目”“阿波羅生物防御計劃”等戰略項目，組織政府及社會的大量資源投入技術研發，相關科技工作者及機構規模日益龐大。

2 我國農業微生物產業發展現狀

目前，我國初步建立了農業微生物種質資源保護體系。2022 年8 月，農業農村部公布第一批國家農業微生物種質資源庫名單，包括1 個長期庫和18 個專業性種質資源庫，涉及食用菌、肥料微生物、植保微生物、飼料微生物等多個類別，初步建立了我國農業微生物種質資源保護體系[10]。目前我國農業微生物產業發展規模大、市場潛力廣，農用疫苗、食用菌、微生物肥料、農藥和飼料產業等市場規模位居全球前列。進一步拉動對農業微生物產業發展的需求，凸顯出農業微生物產業的市場潛力。

2.1 養殖業相關的農業微生物市場規模持續擴大，市場份額不斷上升

近年我國養殖產業發展迅猛，隨著養殖農戶數量不斷下降和大型養殖場的興起，市場對生物防疫、保健等產前產業的重視程度不斷提升。微生物技術在疾病預防和治療中的應用有助于減少抗生素和化學藥品的使用，同時提高畜禽的免疫力。如益生菌可增強宿主免疫力，預防和治療腸道疾病。通過微生物發酵可以生產出具有抗菌和抗病毒作用的發酵產品，用于預防和治療畜禽疾病，農業微生物市場份額呈現不斷上升態勢。

2.2 種植業相關的農業微生物市場需求轉旺，應用得到提升

隨著我國逐漸從粗放型、小農戶為主的農業種植形態轉向適度規模經營模式，種植業不僅需要保障作物產量，還要持續提高農業生產效率，改善生態環境。在這一過程中，微生物技術以微生物肥料的產品形態被廣泛應用于農業生產中，通過土壤、環境、植物營養元素的供應以及所產生代謝產物對植物產生有益的作用。微生物肥料在提高谷物產量和質量、提高蔬菜品質和增加水果的甜度及口感方面的作用，以及其對減少化肥使用的貢獻都顯現出微生物技術在種植業中的巨大發展潛力。

2.3 食用菌產業持續轉型升級，供銷兩旺

隨著居民收入水平不斷提升，個人保健意識持續增強，加之食用菌保健功能的宣傳效應，人們愈發認識到食用菌的營養價值，對食用菌的需求逐年增加，除了白靈菇、金針菇、杏鮑菇、雞腿菇等傳統食用菌，美味牛肝菌等珍惜食用菌的市場規模不斷擴大[11]。2020年我國食用菌鮮品總產量已經達到4 061.4 萬t，相比于2019 年增長了3.2%，2020 年食用菌鮮品總產值3 465.65 億元，比2019年增長了10%[12]。此外，微生物在食品加工領域應用廣泛，如在果汁加工時，應用微生物酶技術可以分解果汁內的果膠，降低黏度，提升果汁產出量以及相應的澄清效果；在現代蔬菜食品加工中，應用微生物能使蔬菜產品的口感更加爽脆；在乳制品中，乳酸菌能與蛋白質、乳糖等發生相應的反應，達到改善乳制品口味、口感的目的。

3 農業微生物產業發展的戰略意義

3.1 加強農業微生物科技創新和產業發展，確保國家食物安全

我國是糧食生產大國，糧食生產已實現十九連豐，2022 年糧食產量達6.87 億t，人均糧食483 kg，高于國際公認的400 kg 糧食安全線，做到了谷物基本自給、口糧絕對安全[13]。然而，在口糧和谷物始終保持較高自給率的同時，蛋白質食品供應缺口繼續擴大，食品自給率持續下降[14]。2021 年我國糧食進口總量達1.65億t，相當于我國糧食生產總量的24%，對外依存度達19%[15]。按照我國單位產出水平計算，包括棉花、油料、糖料以及肉類、乳制品在內的全部農產品進口量已相當于進口虛擬耕地面積7 億畝（0.47 億hm2）或播種面積10 億畝（0.67 億hm2）左右的當量[16]。我國作為成長型糧食消費大國，存在農業資源環境約束趨緊、農業科技取得新突破難度增大等現實困境與挑戰，包括土地和勞動力在內的糧食生產成本不斷上升、世界糧食供應鏈不穩定導致進口風險加大，使得糧食安全任務壓力將在未來一段較長時間內持續存在。據預測，2030 年農業微生物技術可使作物增產1.3~2.5 億t，減少500~2 000 萬t糧食損失，到2035 年全球替代蛋白市場規模預計達到2 900 億美元，其中微生物發酵蛋白占到22%[17]。因此，加強農業微生物科技創新和產業發展對保障國家食物安全意義重大。

3.2 加強農業微生物產業發展，為促進農業綠色發展提供有力支撐

經濟合作與發展組織（Organization for Economic Co-operation and Development， OECD）將綠色理念視為促進可持續發展的催化劑，將綠色發展視為實現可持續發展的方法論。當前，我國農業發展面臨資源約束和生態環境保護雙重壓力，農藥、化肥及抗生素的濫用，不僅造成生物多樣性銳減、生態系統失衡等嚴峻問題，也對我國農產品消費者身體健康帶來損害。2000 年以來，我國農業溫室氣體生產排放量增加了16%，農田年均氮肥施用量達到了305 kg·hm-2，是全球平均水平的4 倍以上[18]，對實現“碳達峰”“碳中和”目標造成阻礙。合成生物技術在高光效固碳、固氮節肥增效、生物抗逆節水、生物質資源化等方面顯示巨大應用潛力，可減少98%用水量、91%土地需求、84%溫室氣體排放和節約65%能源[19]，這對實現農業綠色發展作用巨大。

3.3 加強農業微生物前沿技術創新應用，夯實農業強國根基

農業強國是在農業現代化的持續推進中發展而成的，其作為一種社會形態和產業形式，是現代農業成功的標志。得益于改革開放，中國已成為世界第二大經濟體，2022 年人均國民生產總值接近高收入國家水平，農業現代化各項指標取得可喜成就。然而，隨著經濟發展帶來的增長性需求、工業化城鎮化持續推進、由農產品生產者轉換為消費者帶來的轉變性需求以及國際環境復雜多變，中國由農業大國向農業強國轉型任務艱巨[20]。依照發達國家和地區的經驗，大都是基于農業科技革命和農業生產方式的創新改進，全方位推進農業現代化發展，形成了全球不同類型的農業強國，科技成為實現農業現代化發展的根本出路。2000—2020 年，中國農業科技進步貢獻率從35%快速上升至超過60%的水平，但低于發達國家和地區80%的平均水平[21]，農業科技創新與應用滯后成為我國現代農業發展的瓶頸。加強農業微生物前沿技術創新應用對促進循環農業、生態農業、細胞農業和工廠農業等農業新業態和新動能發展，實現農業高質量發展，夯實農業強國根基，將發揮重大作用。

4 我國農業微生物產業發展中存在的主要問題

4.1 農業微生物資源挖掘利用能力較弱

全球微生物多樣性高達1 萬億種，我國作為生物多樣性較豐富的國家之一，農業微生物資源專業菌種庫可公開獲取庫藏資源總量不足[2]。由于地理環境復雜，系統梳理和資源挖掘不夠，尤其是生態環境脆弱區及自然極端環境地域，豐富的微生物遺傳資源還沒有挖掘利用。鹽堿地、深海區、核爆區等極端環境區域的微生物和難培養微生物的基因資源挖掘還相當欠缺。我國微生物資源自主挖掘研發能力還比較弱，目前我國健康產業對核心菌株的利用方面，國家批準的嬰幼兒食品菌株主要從國外進口，一定程度上還存在重挖掘、輕保護的現象。

4.2 農業微生物關鍵核心技術研發力量不足

我國農業微生物產業發展還處于起步階段，尚未建立完整的農業微生物學科體系，缺乏專業人才隊伍，戰略性支撐人才和領軍人才嚴重短缺。從技術鏈支撐農業微生物全產業鏈建設來看，農業微生物制造技術的結構性差異比較大，產業鏈高端技術創新能力不強，諸如生物反應器和精密高端儀器等還一定程度上受制于國外。此外，農業微生物檢測和診斷技術不夠先進，高純度試劑還比較短缺，一定程度上依賴進口。

4.3 農業微生物產業發展國際競爭力不強

目前，我國農業微生物產業普遍存在大而不強的情況，產業聚集效應不明顯，缺乏具備國際競爭力的龍頭企業。如我國肥效微生物企業產品同質化嚴重，2008年至2018年全國肥料登記數量超過10個的企業僅65家，80%以上企業10年肥料登記數量僅為1個，且領軍企業數量少[22]。新型肥料行業被國外市場占據，如美國ECO-GREEN和英國翠苒等進口產品占據了國內高端水溶肥市場的主導地位[23]，我國生產的標志性薄膜控釋肥幾乎都由國外研發。健康產品市場亦被國外品牌占據，如生產益生菌膳食補充劑的全球十大品牌中無一中國品牌[24]。產業支持政策和保護制度還不夠到位，具有高附加值的一些食用菌產業面臨瀕危，僅云南分布的野生食用菌就有1種瀕危、16種易危，野生食用菌生存狀況面臨嚴重威脅[25]。

4.4 農業微生物安全防控體系建設不完善

我國農業微生物安全防控體系建設基礎比較薄弱。農業微生物安全防控法律法規、生產技術規程、加工和貿易安全防控政策、專業防控隊伍建設，及至微生物安全應急處置等方面，一體化安全管理體系尚未形成。作為生物防控重要保障的生物安全三級實驗室，我國還不足100 家，美國則已超1 500家，P4實驗室美國有15家，我國僅有2家，且地域分布不平衡、協同運行合力尚未形成。肥效微生物行業已建立近30 個微生物肥標準和技術規程等，但仍普遍存在產品質量偏低、肥效穩定性不一致等問題[26]。飼用微生物標準基本參照食品行業相關標準，標準品種少、更新速度無法匹配行業需求，標準體系建設滯后。

5 我國農業微生物產業發展建議

5.1 加快推進農業微生物種質資源庫建設

加強頂層設計，整合目前小而分散的農業微生物資源，加快推進國家級農業微生物種質資源庫建設。加強農業微生物種質資源的收集、保存，建立農業微生物國家標準，構建布局合理、分類清晰的種質資源收集保護體系。強化種質資源評價與鑒定，突出種質資源的基礎性定位，開展重要農業微生物資源的遺傳分析和功能解析，建立功能基因與活性產物高通量篩選、精準化鑒定、系統性評價和高水平表達技術平臺，提升庫藏菌種資源的收集整合與深度利用水平。

5.2 強化農業微生物關鍵核心技術突破

利用多學科交叉和國際化協作的大科學計劃組織模式，強化“產學研用”深度融合，充分發揮科研院所、高校在產業上游的技術研發優勢，激活企業在產業下游的產品研發與推廣優勢，占領世界農業微生物產業發展技術創新高地，推動農業微生物關鍵技術實現新突破。在農業微生物資源挖掘、生產技術、加工技術、檢測技術等方面建立一體化創新機制。重點解析農業微生物種質資源形成與演化規律、農業微生物與環境互作機理、農業微生物代謝合成與網絡調控機制等科學問題，突破農業微生物資源高效篩選與精準鑒定技術、農業微生物系統理性設計與定向合成技術、農業微生物細胞工廠創制與智造工藝等重大關鍵技術。

5.3 優化農業微生物產業發展與結構布局

依托現有基地、園區打造具有引領性的國家級農業微生物產業發展集群。政策扶持具有創新性和引領型的農業微生物企業，培育出具有自主知識產權和市場競爭力的菌種與關鍵酶，創新出多功能和差異性的微生物新產品、新業態，培育具有國際競爭力的農業微生物產業龍頭企業，引領國內農業微生物產業的發展[27]。加快推進農業微生物產業生產要素的優化配置，大力挖掘特色功能微生物種質資源，優化微生物產業發展結構，推動農業微生物制造業、健康業、新型發酵業、環保業進入產業鏈的價值高端，占領更大的國際市場份額。

5.4 加強農業微生物安全保護與監測體系建設

建立農業微生物資源保護中長期規劃，強化農業微生物一般性和特殊性安全管理規范，發展農業微生物循環經濟與生態經濟，實現菌種信息標準化、菌種流通安全化、菌種保護制度化[28]。加強農業微生物科學布局觀測試驗站及監測點，穩定數據監測隊伍和經費支持，發展科學監測數據獲取和分析手段方法[29]。加強農業微生物長期數據庫建設，推動農業微生物功能監測數據的標準化，提高農業微生物安全防控水平，增加更多的檢測手段為開展長期監控打好基礎。

6 結語

相較于動植物產業，農業微生物產業發展交叉性很強、產業覆蓋面很廣。本文從農業微生物資源挖掘、關鍵技術突破、產業國際競爭力和安全防控等視角概括了國際上農業微生物產業發展的基本態勢，從種植業、養殖業和食用菌3 個層面分析了我國農業微生物產業發展的基本情況，闡釋了當前推動我國農業微生物產業發展的重要性和現實意義，立足我國農業微生物產業發展的問題和瓶頸，從政策層面提出了加快建設國家農業微生物庫建設、突破農業微生物產業發展關鍵技術、提升國際市場占有率和競爭力、抓好微生物防控建設等對策建議。我國農業微生物產業發展潛力巨大，隨著我國農業微生物生產體系、加工體系、貿易體系、政策支持體系和安全防控體系建設的不斷推進，我國農業微生物國際市場的占有份額會不斷提高，國際市場競爭力也會不斷增強，這對新發展階段下，彌補農業農村發展短板，構建農業農村新發展格局起到重要的產業支撐作用。