農業高新技術發展趨勢及應用前景

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摘要：發展農業高新技術是貫徹落實創新驅動發展戰略和鄉村振興戰略的內在需要。文章分析了生物種業、智能農業、食品與營養科學、農業新材料等領域國內外高新技術發展現狀與趨勢，探討了我國農業高新技術發展重點和應用前景，提出了明確國家發展戰略布局、加強原始創新重點任務部署、完善政策制度等促進我國農業高新技術發展的政策建議。

關鍵詞：農業；高新技術；發展趨勢；應用前景；生物技術；人工智能

農業高新技術是高新技術應用于農業領域，而衍生出的以技術、智力和研究與試驗發展（R&D）資金密集等為條件的新興技術群，具有技術、智力和資本高度密集的特征，涵蓋農業生物技術、農業信息技術、現代農業資源與環境工程技術、農業智能機械制造技術等領域，引領實現生物育種、生物產品制造、精準農業等農業應用的產業化[1]。大力發展農業高新技術，對于我國深入實施創新驅動發展戰略和鄉村振興戰略，保障國家糧食安全、食品安全和生態安全，支撐農業供給側結構性改革將起到重要作用。

1國內外農業高新技術發展現狀與趨勢

1.1農業生物技術

1）基因編輯技術。作為一種對靶標基因進行定向、準確修飾的一項革新性生物技術，基因編輯技術已廣泛應用于主要農作物、畜禽、林草花卉等種質資源創制與性狀改良。現已獲得抗旱高產玉米、抗病小麥和水稻、品質改良大豆、抗腹瀉豬、抗藍耳病豬等基因編輯作物和動物[2-3]。我國相繼建立了水稻、小麥、豬、牛、羊等重要動植物的基因組定點編輯技術體系，獲得了一批基因編輯動植物品種，技術運用已處于世界先進水平，但原始創新能力與發達國家相比差距較大，關鍵核酸內切酶和基因編輯工具等缺乏。2）全基因組選擇技術。這是基于高通量的基因型分析和生物統計預測模型，在全基因組水平上聚合優良基因型，改良動植物重要農藝性狀的新型育種技術，可以實現對一些測量困難或測量成本高的性狀的準確預測和有效選擇。國際研究機構和孟山都、杜邦先鋒等跨國公司率先開展了玉米、小麥等作物的全基因組選擇研究，形成了針對特定育種資源的全基因組選擇數據、預測模型和育種方案。我國相繼研發出水稻、小麥、玉米、大豆等高通量基因型分析芯片，構建了混合線性模型、機器學習模型等，水稻、奶牛、水生生物全基因選擇技術國際領先[4]，但在畜禽基因芯片研發和優良基因組合選擇模型構建等方面與發達國家相比差距較大。3）轉基因技術。這是指將人工分離和修飾過的基因導入目標生物基因組中，使目標生物表現出特定性狀的技術，可打破物種界限跨物種轉移基因，解決常規方法不能解決的重大生產問題。近年來，轉基因產品研發由單一性狀朝多基因疊加復合性狀改良發展，更加注重優質、增加營養功能、抗旱、養分高效利用等，產品用途由非食用或間接食用作物向直接食用作物拓展。我國轉基因技術研發水平已進入國際第一方陣，建立了水稻、小麥、玉米、大豆、棉花、油菜、魚等動植物的規模化轉基因技術體系，但在原始創新能力、技術創新體系和新一代產品研發上亟待加強[5]。4）性別控制技術。這是通過對動物的正常生殖過程進行人為干預，使成年雌性動物產出人們期望性別后代的一門生物技術。研究性別決定機制及形成機制，利用基因編輯、分子設計等手段，可建立新型高效精子分選技術。美國XY公司已研發出專門的精子分離儀。目前，我國利用該技術建立了精液長效保存和異種精子推流等技術，但只是圍繞精子分選主體技術進行了一些輔助性研究，原創核心技術高度依賴美國，產業發展面臨“卡脖子”風險[6]。5）體細胞克隆技術。這是將動物體細胞移入到去核成熟卵母細胞內，生產與體細胞供體核遺傳上同質后代的過程。目前，該技術已克隆出多種動物以及非人靈長類獼猴等。但由于對核移植重編程機制了解甚少，該技術還面臨效率低、胚胎發育異常等許多障礙。我國大動物體細胞克隆技術的研究居于世界領先水平，培育出世界首例成年體細胞克隆山羊，首次自主獲得體細胞克隆牛[7]。但受限于產業政策、社會倫理等社會因素，我國沒像美國那樣將這些優勢產品推向市場，產業化配套政策嚴重滯后。6）單倍體育種技術。利用植物組織培養或誘導系誘導產生單倍體植株，再通過染色體加倍使植物恢復正常染色體數。該技術可縮短育種周期，加快育種進程。目前，單倍體誘導產生機理還很不明確，控制單倍體的誘導基因成為該領域國際研究熱點。單倍體介導的基因編輯技術（HI-edit）將單倍體誘導育種與基因編輯技術融合發展，可在短時間內對已商業化的品種進行直接改良，已顯現出巨大的應用潛力和商業價值。我國在單倍體誘導機理和應用方面與國際保持同步，不斷創新發展[8]。

1.2智能農業技術

1）農業物聯網技術。美國、德國、日本等發達國家研發了農業環境和動植物生命信息感知技術，實現了實時感知和反饋調控，構建了多種動植物發育模擬與診斷模型、生產環境監測模型，指導農業生產要素的精準精量調控與農業生產管理決策。我國實現了農業環境信息傳感器和儀器儀表的國產化且國內市場占有量超過進口產品，但在精度、穩定性、可靠性等方面與國外產品差距巨大[9]。2）農業大數據技術。美國等國家研發了適應于農業領域的非結構化數據庫系統、農業知識計算引擎、農業可視交互服務引擎等農業大數據核心技術，實現了數據驅動的知識決策替代人工經驗決策、智能控制替代簡單的時序控制。我國在結構化數據收集、整理、匯聚、分析等方面進行了研究，積累了大量數據資源，但在核心技術方面與美國差距巨大，大型農業大數據數據庫軟件全部依賴國外產品。3）農業人工智能技術。美國、加拿大等發達國家研發了農業認知計算、深度強化學習、智能工作空間、虛擬助手等一系列深刻影響農業發展的人工智能核心技術。我國在農業人工智能技術的應用方面基本與國外處于相同發展階段，但計算芯片、主要算法、平臺軟件等全部依賴國外。4）智能農機裝備。歐美發達國家研發了動植物作業對象感知與跟蹤、農機工況實時監測與智能測控等技術，與自動導航系統、機器視覺與數字信息感知系統、智能決策系統等集成，推進農業裝備的智能化、網聯化。我國在小麥、水稻、玉米等主要農作物耕種管收全程機械化作業裝備的故障監測、自動測產、遠程運維等信息化、智能化技術方面跟蹤研究，研制出無人駕駛拖拉機、植保無人機、精量播種機等農機裝備。但總體來看，我國智能農機在材料質量、裝備性能、智能控制系統上與發達國家相比仍有較大差距[10]。

1.3農業新材料技術

1）納米材料技術。新型納米材料及其功能挖掘已成為農業前沿交叉領域的研究熱點，通過納米構型設計提高有效性與安全性已經成為新型綠色農業投入品發展主流。歐美發達國家在納米材料的構型設計、組裝合成、物性表征及其生物學與環境效應方面開展了系統研究，研制了新型納米生物傳感器、重大疫病快速檢測試劑盒、多功能納米農膜與包裝材料等產品。我國在農業藥物載體、分子與微生物探針、環境凈化材料、農業物料納米構型設計等方面奠定了良好的研究基礎，創制了一批綠色納米農藥新制劑[11]。但與發達國家相比，在多功能納米材料創制、納米載體物質傳輸與生物機能調控以及納米生物傳感器與生物信息在線檢測等方面仍有較大差距。2）可降解材料技術。目前，天然高分子材料成為研究熱點，歐美發達國家以玉米、馬鈴薯和青豌豆等為主要原料，開發出了可完全降解且降解過程可控的全淀粉型塑料。我國緊跟國際形勢，在可完全降解的聚乳酸合成關鍵催化技術、淀粉改性技術等方面形成若干具有自主知識產權的核心技術和工藝。目前，已在地膜覆蓋，青貯飼料、昆蟲信息素包裝材料，肥料、殺蟲劑、激素和種子的包覆膜等領域得到廣泛應用。但在產品性能、制造成本、關鍵技術、技術集成與產業化規模等方面還與發達國家還存在較大差距。

1.4食品先進制造技術

1）食品合成生物學技術。細胞培養肉技術是合成生物學制造的熱點，通過體外培養動物干細胞、分化重組、適當加工，得到具有與普通肉口感、風味和質地相似的一類肉，正在顛覆傳統食品生產方式[12]。目前，世界上已有28家公司開展牛肉、豬肉、雞肉、鴨肉、魚肉等培養肉的研發。我國合成生物學在食品領域的研究及應用相對較少，存在食品功能組分及食品添加劑在天然原料中的代謝合成途徑未知、限速酶的催化效率低等問題。2）食品智能制造技術。集成先進食品制造、人工智能、計算機科學技術，研發出食品智能裝備，是世界食品制造業發展的核心方向，也是全球食品產業轉型升級的必經之路。目前，以3D打印為代表的食品增材制造技術成為研究熱點。美國、日本和歐盟等發達國家和地區在食品裝備制造領域的技術水平居世界前列，我國食品裝備產業的技術水平遠落后于發達國家，國產設備的智能化、規模化和連續化能力相對較低，核心裝備長期依賴進口。3）精準營養和個性化定制技術。世界食品科技正進入以滿足營養品質需要為特征的營養健康食品制造試驗階段，精準個性化營養健康調控技術已成為世界各國爭奪的戰略高地。發達國家正在將生物工程、基因工程、現代分子營養設計等前沿綠色制造技術應用于健康食品生產，靶向生產精準營養與個性化高品質健康食品。我國的技術短板在于食品營養與健康基礎理論和系統化基礎數據庫支撐薄弱、不同個體遺傳背景下營養素對代謝途徑和體內生理系統的影響研究不足、膳食營養素強化及精準營養控制技術匱乏。

2我國農業高新技術發展重點與應用前景

2.1農業生物技術

重點開展基因定向編輯效應新蛋白克隆和具有我國自主知識產權的新型基因定向編輯技術研發，擺脫國外的專利限制。構建農業合成生物學集成創新的理論與技術體系，創制新型高效智能農業合成生物技術產品。采用機器學習的策略建立全基因組選擇育種模型，建立基因選擇高通量、自動化、智能化分析平臺，開發主要作物及畜禽育種芯片，研究構建各種模型和全基因組選擇技術方法。突破無外源基因、無基因型依賴高效遺傳轉化技術，研制多基因復合性狀疊加新品種。加大動物克隆機理研究力度，聚焦克隆胚附植前和附植后調控研究。加強單倍體誘導產生機理的研究，將單倍體誘導與基因編輯技術結合，打破單純基因編輯育種技術對材料遺傳轉化能力的依賴[13]。

2.2智能農業技術

加大農業專用傳感器與儀器儀表的核心感知元器件、大型農業大數據數據庫軟件，以及農業認知計算、知識服務等主要算法和平臺軟件等關鍵技術研發力度。研發農業農村綜合信息智能服務、農業資源智能監管、農情智能監測、農用物資智能調度與運維管理、農產品質量安全智能監管等管理與服務系統，構建面向生產、經營、管理和服務全過程、全環節的農業智能服務平臺。研發智能種植生產系統、智能畜禽水產養殖系統、智能農產品加工車間等集約化設施農業環境優化決策關鍵技術，構建設施農業智能生產技術體系。開展視覺系統及識別算法、導航定位算法、精密伺服電機等關鍵技術及核心零部件的研發與制造，實現自主創新。

2.3農業新材料技術

開展納米材料構型設計與功能開發，開拓納米材料在生物環境監控、重大疫情防控、農產品溯源、食品安全檢測、水質與環境凈化等領域的新功能與新用途，創建納米農藥、控釋肥料、靶向獸藥、功能飼料等新型綠色農業投入品集群，加速農業生產資料行業轉型升級。深入開展可降解材料降解機理與調控技術研究，同時，降低生產成本，發展自主知識產權，促進研究成果轉化。

2.4食品先進制造技術

研究食品智能裝備數字化設計、信息感知、仿真優化與智能裝備制造技術，開發食品裝備智能控制系統及相關應用軟件、故障診斷軟件和工具、傳感和互聯網系統。研究食品柔性制造與組分互作調控的數字化設計、基料模塊化建設、物性數字化技術、高效精確的食品3D打印制造技術與裝備。解析食品加工中特征組分效應變化機制與質量品質調控機理，研發高、精、自主可控的食品質量安全速測技術、產品及裝備，研究危害物非靶向智能識別技術。研發融合大數據、組學和無損檢測等新技術的新資源及食品真實性鑒別與溯源技術體系。

2.5其他高新技術

利用人工智能進行多元化數據的采集與建模分析，實現精準種植、養殖，緩解信息不對稱導致的農產品供需失衡及農業融資難等問題。運用區塊鏈技術構建數字農場，推動農業線上、線下、物聯、農村新電商的發展，打通整合各個環節，實現農業多場景結合的模式創新。在農業環境監測、農業遙感、農業生產信息監測等領域引進量子信息技術，實現數據加密傳輸。

3促進我國農業高新技術發展的政策建議

3.1明確國家發展戰略與布局

針對實施鄉村振興戰略的重大需求與重點任務，加強規劃、政策、機制引導，充分發揮高新技術對科技創新的引領與驅動作用。強化國家目標需求和重大任務導向，成立國家級農業高新技術發展委員會，制訂農業高新技術基礎創新、技術集成、產業發展的戰略規劃，并在國家主體科技計劃中重點部署。加大財政投入力度，持續支持以農業領域高新技術為核心的國家科技重大專項，建設國家實驗室，啟動國際農業大科學計劃，為農業高新技術發展提供強勁動力。

3.2加強原始創新重點任務部署，加速核心技術突破

借鑒國際先進經驗，結合我國實情，以農業生物技術、信息技術、智能技術、新材料技術等為重點，加強前沿與交叉學科研究，瞄準“卡脖子”技術與核心關鍵技術，優化國家科技計劃項目體系，形成覆蓋與產業強關聯、緊融合的基礎研究、前沿技術研究、產業應用研究支撐體系。積極開展農業領域顛覆性技術研究，形成常態化研究機制。針對顛覆性技術開發投資大、不確定性強、失敗率高，以及短期集中攻關難以取得實質性效果等特點，加強未來10年可能產業化的顛覆性農業高新技術前瞻性研究，通過增加人力、財力投入，持續深入研發，加速核心技術突破。

3.3完善政策制度，營造良好氛圍

明確農業高新技術特別是生物技術領域的產業化政策，對新一代生物技術在確保規范的基礎上依法監管，形成明確的市場預期。鼓勵農業高新技術企業上市融資，引導社會資本投入創新。鼓勵開展農業高新技術傳播、公眾認知和公眾參與的社會調查分析和相關機制研究，建立各級農業生物技術科普教育基地，充分發揮傳統媒體和新媒體的宣傳作用。建立農業高新技術專利保護“綠色通道”，切實保護原創性、突破性成果。制定與新一輪國家中長期科技發展規劃和新一輪知識產權強國戰略相匹配的農業高新技術專項知識產權戰略，完善制度設計。在自主創新的基礎上，更加注重國際專利的布局，增強國際競爭力，避免核心技術、裝備受制于人。

3.4建立科企融合研發機制，推動科技與經濟結合

加強公益性科研院所與企業的合作，構建產學研深度融合的創新機制，加速我國創新性農業龍頭企業成長。培育以企業為主體的農業高新技術創新體制，利用科研院所基礎研究創新優勢，培育科企深度融合創新機制，建立知識產權管理與收益分配的市場化機制。建立以市場為導向的應用基礎研究和高新技術創新體系，建立以政府引導、專職科研人員為研發主體、企業為投資主體的研發和產業緊密結合的協同攻關模式，以科技創新鏈條為主線，統籌基礎研究、關鍵技術研發、產品創制的有機銜接，努力克服“碎片化”創新，提升集成式、全產業鏈創新能力。

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作者：譚永強 田帥 劉蓉蓉 單位：襄陽市農業科學院