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農業微生物產業發展趨勢

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農業微生物產業發展趨勢

發布日期:2022/11/21 16:29:26 點擊:1154

農業微生物產業發展趨勢

(一) 國家層面重視微生物產業發展布局,開始研究制定產業發展政策

多個國家制定了戰略規劃來推動本國微生物產業發展。美國將微生物組列入國家計劃,形成了“微生物組技術對認

知和理解農業系統運行至關重要”的結論,將之作為農業領域亟待突破的研究方向。在北美、歐洲等地區,有機農

業、可持續農業理念更加深入,優質高產農作物、土地生產力、土壤健康等需求推動了微生物產品市場份額的增

長。

 

我國尚未專門針對農業微生物產業發布政策文件,一般以農業產業、生物技術、微生物性質的政策作為依據。農業

微生物產業作為種業、生物技術的重要環節,已經納入國家層面的發展規劃,如“十四五”規劃綱要中加強種質資

源保護利用和種子庫建設、培育具有國際競爭力的種業龍頭企業、深入實施農藥化肥減量行動、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略性新興產業

之一。管理部門以更為細化的形式明確了農業微生物產業的發展重點和方向,如《2020年種植業工作要點》提出深

入開展有機肥替代化肥工作,向長江經濟帶、黃河流域等區域傾斜;《科技部對十三屆全國人大一次會議第7313號

建議的答復》明確了有關微生物科技創新的支持舉措,將在加強微生物資源保護、開發、利用,加快微生物研究在

農業、食品、藥物領域應用與產業化等方面進行部署。


(二) 微生物種質資源開始發揮農業微生物產業的“芯片”作用

農業微生物種質資源指能夠純培養、具有一定研究與應用價值的細菌和真菌等,是整個微生物行業的核心,微生物

學和生物技術研究、微生物產業持續發展的重要物質基礎。性能優異的微生物菌種資源已成為農業微生物產業的核

心關鍵,一個菌種支撐一個細分產業的現象趨于普遍。例如,阿維菌素曾是農用殺蟲劑的重點產品,科研人員基于

阿維鏈霉菌高產菌株的阿維菌素生物合成適配性體系,設計了高效生產高效阿維菌素的元件與模塊,將阿維菌素產

量提高了1000倍,市場價格下降至原來的1/50以下;阿維菌素的生產技術革新引領了農用抗生素產業的快速發展,

也為其他天然產物生物制品的改良提供了啟示和借鑒。


以原位培養、微流控培養、細胞分選、單細胞測序等為代表的新型培養技術逐步成熟,發展了多種“非定向”“定

向”相結合的“未 / 難培養微生物”分離技術與方法,為發掘新的農業微生物資源創造了技術條件,也為獲取優良

菌種提供了基礎。在后基因組時代,未培養微生物的分離培養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、營養需求等方面探析微生物可培養機理,從而獲取性狀優良的可培養農業微生物菌

種資源。


從自然界中分離獲得的野生菌種,通常不滿足規模化生產要求,需要進行選育以獲得優質高產的菌種。以合成生物

學、高通量自動化篩選為核心的現代生物技術,為菌種改良提供了新手段,篩選效率較傳統誘變方式高出千倍以

上。生物信息大數據、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控以實現更高效

的定向進化,進而開展農業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業的創新發展。農作物

微生物組技術可揭示作物微生物組的功能,闡明與農業有關微生物的特性、生命活動規律、作用過程調控機制,正

處于從基礎研究成果向田間應用轉化的階段,將為農業生產共性關鍵問題提供新的解決方案。


(三) 基礎研究和前沿技術進展助推農業微生物的技術革命

農業微生物領域的技術創新與成果轉化進步顯著。以我國為例,在Web of Science數據庫中(截至2021年年底),

農業微生物領域的發表論文數超過1.3×104篇;近10年的技術專利占比超過90%。伴隨著現代生物科學的發展,農業

微生物研究進步迅速。多組學聯用研究的深入,新一代測序、基因編輯、微生物組、新興培養、合成生物、生物信

息、人工智能、大數據等技術的突破,驅動微生物從傳統單一功能菌株到合成功能菌株、從自然篩選菌株到人工設

計菌株的重要轉變,代表著農業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,支持農業微生物

開發成為戰略性新興產業,相應市場將主要由新技術、創新優良種質等推動。


(四) 微生物資源鑒定精準化、功能評價系統化成為發展潮流

對微生物資源進行規模化、精準化鑒定評價,發掘滿足現代農業發展需求的新型資源和基因,已經成為微生物利用

領域的重要內容。在持續開展微生物資源的收集、保藏、應用開發等工作的同時,世界主要保藏中心正在由單一資

源保藏機構轉向包含評價、專業應用開發在內的綜合性資源中心,注重將資源保藏與研發相結合,使高附加值化微

生物資源得以充分利用。此外,隨著微生物組研究的深入,針對微生物遺傳資源、代謝物的合成生物學研究,生物

制造先進技術和顛覆性技術開發是未來農業微生物領域的研究熱點。


我國雖是微生物種質資源大國,但未進入種質資源強國行列,菌種資源的精準鑒評能力亟待提升。微生物多樣性

高、代謝途徑多樣,然而大量具有優良性狀的微生物資源“深藏庫中無人識”:通過表型與基因型精準鑒定、用于

育種創新的微生物種質資源比例不足10%,多數資源尚未進行有效的開發利用,資源優勢未能轉化為產業優勢。精準

鑒評微生物遺傳資源,發掘適應現代農業發展所需的新資源和功能基因,是農業微生物利用的重要方向。基于農業

微生物的資源、基因、蛋白、代謝物等的合成生物學研究與應用正在積極開展之中。

 
(五) 多學科技術交叉與融合助力農業微生物智能制造和精準應用

大數據技術推動了農業微生物研究與應用朝著數據化模式發展,為農業微生物產業邁向現代化提供了新的支撐。物

理、材料、計算機科學等學科與生命科學的交叉與融合,推動了生物成像、基因編輯、微生物組學等技術革新。測

序技術的通量、準確度顯著提高,基因編輯、合成生物學、現代生物信息學等促進了農業微生物產業的深刻變革。

利用智能傳感器、智能控制裝備、深度學習等技術,構建發酵工藝的智能在線監測能力、微生物制造智能化技術與

工藝體系,據此實現農業微生物產品的智能制造,逐步成為農業微生物產業的發展潮流。農業智能裝備、大數據、

人工智能、機器學習、區塊鏈等技術,提供了異構數據的收集、分析、存儲、共享、集成能力(及相應的高級分析

方法),可實時監測日照、溫 / 濕度、土壤養分、作物 / 養殖動物生長,水分、病原體、微生物在跨越土壤、動

植物、環境時的循環運動過程以及病蟲害情況。利用數據科學、信息技術實現農業微生物產品的精準應用,在動態

變化條件下自動整合數據并進行實時建模,促進形成數據驅動的智慧管控及精準應用,成為重要的發展趨勢之一。

 
(六) 農業微生物產業成為資本市場的熱點

農業微生物的研究和應用成為加快農業創新發展、提升農業科技競爭力的主導力量,國際農業強國已將微生物組列

入農業領域五大亟待突破的方向。隨著微生物技術的發展:農業微生物催生新產業發展,成為農業領域碳達峰、碳

中和的核心途徑。受良好前景的吸引,社會資本積極涌入農業微生物領域,微生物科技公司成為新興的投資對象。

美國Indigo Ag公司率先創建了農業微生物基因組信息數據庫,獲取了有利于植物營養和健康的微生物且增產提質效

果明顯,累計融資達到6.09億美元。在我國,南寧漢和生物科技股份有限公司、甘肅中成德潤生物科技有限公司、

慕恩(北京)生物科技有限公司、成都新朝陽作物科學股份有限公司、北京藍晶微生物科技有限公司等成功獲得了

融資,積極拓展微生物肥料、微生物菌劑、微生物農藥、養殖替抗、農業面源污染治理、退化耕地質量提升等方面

的業務。例如,慕恩(北京)生物科技有限公司選擇農業作為微生物組產業化的應用方向,在多輪融資的支持下快

速推動了植物微生物組產品線的產業化。


(七) 農業微生物安全監管法規趨于完善

各國高度重視農業微生物,生物安全問題更為突出,相應的監管法規進一步規范。農業微生物菌種的精準鑒定、生

物安全等級要求更為嚴格,環境安全評價已納入菌劑產品的質量監督和管理程序。例如,不在農業微生物領域中使

用溶血型枯草芽胞桿菌已成為共識,從而將該菌的限制使用從醫藥行業拓展至農業領域。轉基因微生物的研發及產

業化正在快速發展,突出問題便是對其進行有效的安全評價和法律監管;基因工程菌不能直接進行環境釋放也成為

多國的應用慣例。《中華人民共和國生物安全法》已經頒布和實施,“保護生物資源”“生物資源安全”成為法定

事項,標志著生物安全進入依法治理的新階段。


本文選自中國工程院院刊《中國工程科學》

2022年第5期
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