民以食為天，食以土為本。耕地資源是最基本的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素之一，耕地質(zhì)量直接影響到國家糧食安全與生態(tài)安全。改革開放以來，隨著我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，耕地資源連續(xù)多年的高強度利用，加上過度的不合理的化肥使用，導(dǎo)致我國耕地基礎(chǔ)肥力下降，土壤酸化、鹽堿化和黑土地退化等問題日趨嚴(yán)重。應(yīng)對耕地退化問題，是我國農(nóng)業(yè)科研的重大命題，也是“藏糧于地”國家戰(zhàn)略的重點任務(wù)之一。加強生物固氮科技創(chuàng)新，助力耕地資源保護(hù)與耕地質(zhì)量提升，具有特別重要的現(xiàn)實意義。
一、化學(xué)氮肥過度使用已成為我國保障糧食安全和生態(tài)安全的重大障礙
氮素是植物生長的必需營養(yǎng)元素，也是農(nóng)業(yè)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要限制因子。但是，不合理的氮肥施用也帶來了環(huán)境污染和食品安全等全球性問題，而我國所面臨的形勢尤為嚴(yán)峻。我國是世界上最大的氮肥生產(chǎn)和使用國，在占世界9%的耕地養(yǎng)活了全球近20%人口的同時，也消耗了全球30%以上的化學(xué)氮肥。據(jù)統(tǒng)計，我國每公頃農(nóng)田平均施用化肥量高達(dá)400公斤，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出發(fā)達(dá)國家225公斤/公頃的安全上限。導(dǎo)致我國氮肥過度使用的一個重要原因是我國農(nóng)作物氮肥利用效率普遍不高。據(jù)統(tǒng)計，目前我國氮肥利用率在9%~72%之間, 平均只有35%左右，而發(fā)達(dá)國家高達(dá)60%。我國農(nóng)田排放的氮量占全國排放總量的50%以上，是造成當(dāng)前我國土壤退化、地下水污染、河流和淺海水域生態(tài)系統(tǒng)富營養(yǎng)化的主要污染源。2015年我國制定了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，明確提出到2025年，在保證主要農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)上化學(xué)肥料減施20%。因此，中國農(nóng)業(yè)在未來發(fā)展中面臨著既要保持高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，又必須減少農(nóng)田面源污染的雙重壓力，迫切需要切實可行的高科技方案來降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對化學(xué)氮肥的依賴。
二、生物固氮替代化學(xué)氮肥是一個世界性的農(nóng)業(yè)科技難題
在自然界中，某些原核微生物在常溫常壓下通過固氮酶將空氣中的氮素轉(zhuǎn)化為氨，這一過程稱為生物固氮，這類微生物稱為固氮微生物。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計，地球上結(jié)合態(tài)氮總量有70%來源于生物固氮，每年全球微生物固定的氮素量可達(dá)2億噸，約占全球作物需氮量的3/4，相當(dāng)于工業(yè)生產(chǎn)氮肥的3倍多。利用生物固氮部分或完全替代化學(xué)氮肥，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不僅能節(jié)肥節(jié)能，同時還能增產(chǎn)增效。但是，天然固氮體系存在宿主范圍窄和固氮活性受環(huán)境影響大等缺陷，固氮生產(chǎn)菌株存在競爭力弱和田間應(yīng)用效果不穩(wěn)定等問題，從而大大局限了生物固氮在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。如何增強根際聯(lián)合固氮效率，擴(kuò)大根瘤菌共生固氮的宿主范圍，構(gòu)建自主固氮的非豆科作物，創(chuàng)制新一代固氮微生物產(chǎn)品是當(dāng)前國際固氮領(lǐng)域的研究前沿，同時也是一個世界性的農(nóng)業(yè)科技難題。本世紀(jì)興起的合成生物技術(shù)被譽為是改變世界的十大顛覆性技術(shù)之一，將為生物固氮這一世界性農(nóng)業(yè)科技難題提供革命性的解決方案。
三、我國生物固氮產(chǎn)業(yè)發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)并存
近年來，全球微生物肥料市場規(guī)模保持穩(wěn)定增長的態(tài)勢。2017年全球微生物肥料市場規(guī)模為346.85億美元，比上年同期增長11.80%。目前，微生物肥料主要以固氮菌為主，占75%，其次為溶磷菌，占15%。近年來，與生物固氮產(chǎn)業(yè)相關(guān)的公司頻繁兼并融合，美國固氮菌生產(chǎn)廠家Becker Underwood被頂級跨國公司巴斯夫收購，加拿大固氮菌生產(chǎn)廠家Philom Bios公司被拜耳公司收購。國際固氮微生物產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)新一輪的技術(shù)升級與產(chǎn)業(yè)革命。英國農(nóng)業(yè)技術(shù)公司Azotic Technologies采用生物工程和種衣劑技術(shù)，研發(fā)固氮技術(shù)產(chǎn)品Envita并面向全球市場銷售。2018年Envita產(chǎn)品在美國玉米、大豆和水稻的田間試驗表明可提高產(chǎn)量平均達(dá)5%-13%，在不減少氮肥用量情況下能高達(dá)20%。
我國非常重視生物固氮的理論基礎(chǔ)與生產(chǎn)應(yīng)用研究。近年來，在國家973計劃項目、國家863計劃和國家自然科學(xué)基金等經(jīng)費支持下，我國生物固氮研究隊伍不斷完善、科研水平不斷提高，取得一系列國際先進(jìn)水平的科研成果。但就整體而言，我國的生物固氮研究與國際水平尚有一定的差距。一是前沿交叉研究薄弱。特別是學(xué)科交叉與技術(shù)融合不夠，基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究脫節(jié)，科研經(jīng)費支持缺乏持續(xù)性。二是關(guān)鍵核心技術(shù)落后。當(dāng)前，我國固氮微生物肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，產(chǎn)業(yè)規(guī)模大但關(guān)鍵核心技術(shù)水平低，市場競爭力差，難以滿足當(dāng)前我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高質(zhì)量綠色發(fā)展的迫切需求。
四、生物固氮科技創(chuàng)新中的瓶頸問題與戰(zhàn)略目標(biāo)
針對影響固氮效率的主要脅迫因子和提高農(nóng)作物氮利用率的關(guān)鍵瓶頸因素，需要著力攻克以下兩個重大基礎(chǔ)科學(xué)問題和一個嚴(yán)重制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸技術(shù)問題。
1．天然固氮體系的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機制。針對該科學(xué)問題，需要系統(tǒng)研究共生結(jié)瘤固氮植物基因組分子演化機制，固氮與相關(guān)抗逆信號傳導(dǎo)和表觀調(diào)控機制以及根際固氮微生物組、宿主作物與根際環(huán)境三者之間相互作用機制，為共生結(jié)瘤、根際固氮相關(guān)抗逆元件及功能模塊的人工設(shè)計提供理論指導(dǎo)。
2．人工固氮線路的適配優(yōu)化機制。針對該科學(xué)問題，需要重點開展以下研究：一是構(gòu)建通用的表達(dá)載體系統(tǒng)和功能模塊，在底盤生物上進(jìn)行大規(guī)模功能測試；二是創(chuàng)建具有農(nóng)業(yè)應(yīng)用價值的人工高效固氮回路并在底盤生物中進(jìn)行適配性研究，使之標(biāo)準(zhǔn)化和最優(yōu)化。
3．新型固氮產(chǎn)品的先進(jìn)智造工藝。針對該技術(shù)瓶頸，需要通過固氮微生物組劑型（液體、干粉、顆粒包被等）和固氮菌種子包衣等工藝的優(yōu)化，解決固氮菌群在實際使用過程中活力不穩(wěn)定等關(guān)鍵問題；同時，理性設(shè)計根際環(huán)境下最小根際固氮功能群，研發(fā)新型合成固氮微生物組肥料產(chǎn)品。
目前，國內(nèi)外有關(guān)生物固氮科技創(chuàng)新的3-5年近期目標(biāo)（生物固氮1.0版）是克服天然固氮體系缺陷，創(chuàng)制新一代根際固氮微生物產(chǎn)品，在田間示范條件下替代化學(xué)氮肥25%；10年中期目標(biāo)（生物固氮2.0版）是擴(kuò)大根瘤菌宿主范圍，構(gòu)建非豆科作物結(jié)瘤固氮的新體系，減少化學(xué)氮肥用量50%；15年遠(yuǎn)期目標(biāo)（生物固氮3.0版）是探索作物自主固氮的新途徑，在特定條件下完全替代化學(xué)氮肥。
五、中國農(nóng)科院在生物固氮科技創(chuàng)新支撐“藏糧于地”戰(zhàn)略中的引領(lǐng)作用
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院是我國生物固氮領(lǐng)域的優(yōu)勢單位，擁有國際一流的生物固氮研究平臺和研發(fā)團(tuán)隊，近年來在生物固氮資源利用、基因組演化、代謝網(wǎng)絡(luò)解析、微生物與宿主互作、人工固氮體系構(gòu)建以及固氮結(jié)構(gòu)生物學(xué)等方面取得重要研究進(jìn)展，部分研究成果具有國際先進(jìn)水平。2020年，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程聯(lián)合攻關(guān)重大科研任務(wù)“高效固氮生物學(xué)基礎(chǔ)與農(nóng)業(yè)應(yīng)用”正式啟動。該重大科研任務(wù)圍繞國家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重大需求，針對天然生物固氮體系的能力缺陷和我國固氮微生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題，系統(tǒng)開展生物固氮系統(tǒng)的前沿理論、生物固氮模塊的適配性、人工固氮線路的系統(tǒng)優(yōu)化以及高效固氮體系的田間應(yīng)用等研發(fā)工作。
該重大科研任務(wù)根據(jù) “突出中國農(nóng)科院特色優(yōu)勢、聚焦重點科研任務(wù)、組建大兵團(tuán)協(xié)同攻關(guān)和加強高層次戰(zhàn)略研討”要求，將進(jìn)一步加強學(xué)科交叉融合和項目頂層設(shè)計，圍繞“聯(lián)合固氮”和“結(jié)瘤固氮”兩個優(yōu)勢學(xué)科領(lǐng)域組建協(xié)同攻關(guān)大兵團(tuán)，打造“共性技術(shù)”和“卡脖子技術(shù)”集成創(chuàng)新大平臺。進(jìn)一步加強與高技術(shù)企業(yè)合作，針對我國東北黑土地保護(hù)、西南干旱地區(qū)酸性紅壤和黃河三角洲鹽堿地改良等開展生物固氮田間示范試驗，力爭取得重大理論與技術(shù)突破。進(jìn)一步加強高層次戰(zhàn)略研討與國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流，在我國生物固氮及農(nóng)業(yè)合成生物學(xué)領(lǐng)域搭建國際化與高層次交流與合作平臺，充分發(fā)揮中國農(nóng)科院在生物固氮科技支撐“藏糧于地”戰(zhàn)略中的“國家隊”引領(lǐng)作用。
一、化學(xué)氮肥過度使用已成為我國保障糧食安全和生態(tài)安全的重大障礙
氮素是植物生長的必需營養(yǎng)元素，也是農(nóng)業(yè)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要限制因子。但是，不合理的氮肥施用也帶來了環(huán)境污染和食品安全等全球性問題，而我國所面臨的形勢尤為嚴(yán)峻。我國是世界上最大的氮肥生產(chǎn)和使用國，在占世界9%的耕地養(yǎng)活了全球近20%人口的同時，也消耗了全球30%以上的化學(xué)氮肥。據(jù)統(tǒng)計，我國每公頃農(nóng)田平均施用化肥量高達(dá)400公斤，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出發(fā)達(dá)國家225公斤/公頃的安全上限。導(dǎo)致我國氮肥過度使用的一個重要原因是我國農(nóng)作物氮肥利用效率普遍不高。據(jù)統(tǒng)計，目前我國氮肥利用率在9%~72%之間, 平均只有35%左右，而發(fā)達(dá)國家高達(dá)60%。我國農(nóng)田排放的氮量占全國排放總量的50%以上，是造成當(dāng)前我國土壤退化、地下水污染、河流和淺海水域生態(tài)系統(tǒng)富營養(yǎng)化的主要污染源。2015年我國制定了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，明確提出到2025年，在保證主要農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)上化學(xué)肥料減施20%。因此，中國農(nóng)業(yè)在未來發(fā)展中面臨著既要保持高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，又必須減少農(nóng)田面源污染的雙重壓力，迫切需要切實可行的高科技方案來降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對化學(xué)氮肥的依賴。
二、生物固氮替代化學(xué)氮肥是一個世界性的農(nóng)業(yè)科技難題
在自然界中，某些原核微生物在常溫常壓下通過固氮酶將空氣中的氮素轉(zhuǎn)化為氨，這一過程稱為生物固氮，這類微生物稱為固氮微生物。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計，地球上結(jié)合態(tài)氮總量有70%來源于生物固氮，每年全球微生物固定的氮素量可達(dá)2億噸，約占全球作物需氮量的3/4，相當(dāng)于工業(yè)生產(chǎn)氮肥的3倍多。利用生物固氮部分或完全替代化學(xué)氮肥，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不僅能節(jié)肥節(jié)能，同時還能增產(chǎn)增效。但是，天然固氮體系存在宿主范圍窄和固氮活性受環(huán)境影響大等缺陷，固氮生產(chǎn)菌株存在競爭力弱和田間應(yīng)用效果不穩(wěn)定等問題，從而大大局限了生物固氮在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。如何增強根際聯(lián)合固氮效率，擴(kuò)大根瘤菌共生固氮的宿主范圍，構(gòu)建自主固氮的非豆科作物，創(chuàng)制新一代固氮微生物產(chǎn)品是當(dāng)前國際固氮領(lǐng)域的研究前沿，同時也是一個世界性的農(nóng)業(yè)科技難題。本世紀(jì)興起的合成生物技術(shù)被譽為是改變世界的十大顛覆性技術(shù)之一，將為生物固氮這一世界性農(nóng)業(yè)科技難題提供革命性的解決方案。
三、我國生物固氮產(chǎn)業(yè)發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)并存
近年來，全球微生物肥料市場規(guī)模保持穩(wěn)定增長的態(tài)勢。2017年全球微生物肥料市場規(guī)模為346.85億美元，比上年同期增長11.80%。目前，微生物肥料主要以固氮菌為主，占75%，其次為溶磷菌，占15%。近年來，與生物固氮產(chǎn)業(yè)相關(guān)的公司頻繁兼并融合，美國固氮菌生產(chǎn)廠家Becker Underwood被頂級跨國公司巴斯夫收購，加拿大固氮菌生產(chǎn)廠家Philom Bios公司被拜耳公司收購。國際固氮微生物產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)新一輪的技術(shù)升級與產(chǎn)業(yè)革命。英國農(nóng)業(yè)技術(shù)公司Azotic Technologies采用生物工程和種衣劑技術(shù)，研發(fā)固氮技術(shù)產(chǎn)品Envita并面向全球市場銷售。2018年Envita產(chǎn)品在美國玉米、大豆和水稻的田間試驗表明可提高產(chǎn)量平均達(dá)5%-13%，在不減少氮肥用量情況下能高達(dá)20%。
我國非常重視生物固氮的理論基礎(chǔ)與生產(chǎn)應(yīng)用研究。近年來，在國家973計劃項目、國家863計劃和國家自然科學(xué)基金等經(jīng)費支持下，我國生物固氮研究隊伍不斷完善、科研水平不斷提高，取得一系列國際先進(jìn)水平的科研成果。但就整體而言，我國的生物固氮研究與國際水平尚有一定的差距。一是前沿交叉研究薄弱。特別是學(xué)科交叉與技術(shù)融合不夠，基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究脫節(jié)，科研經(jīng)費支持缺乏持續(xù)性。二是關(guān)鍵核心技術(shù)落后。當(dāng)前，我國固氮微生物肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，產(chǎn)業(yè)規(guī)模大但關(guān)鍵核心技術(shù)水平低，市場競爭力差，難以滿足當(dāng)前我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高質(zhì)量綠色發(fā)展的迫切需求。
四、生物固氮科技創(chuàng)新中的瓶頸問題與戰(zhàn)略目標(biāo)
針對影響固氮效率的主要脅迫因子和提高農(nóng)作物氮利用率的關(guān)鍵瓶頸因素，需要著力攻克以下兩個重大基礎(chǔ)科學(xué)問題和一個嚴(yán)重制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸技術(shù)問題。
1．天然固氮體系的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機制。針對該科學(xué)問題，需要系統(tǒng)研究共生結(jié)瘤固氮植物基因組分子演化機制，固氮與相關(guān)抗逆信號傳導(dǎo)和表觀調(diào)控機制以及根際固氮微生物組、宿主作物與根際環(huán)境三者之間相互作用機制，為共生結(jié)瘤、根際固氮相關(guān)抗逆元件及功能模塊的人工設(shè)計提供理論指導(dǎo)。
2．人工固氮線路的適配優(yōu)化機制。針對該科學(xué)問題，需要重點開展以下研究：一是構(gòu)建通用的表達(dá)載體系統(tǒng)和功能模塊，在底盤生物上進(jìn)行大規(guī)模功能測試；二是創(chuàng)建具有農(nóng)業(yè)應(yīng)用價值的人工高效固氮回路并在底盤生物中進(jìn)行適配性研究，使之標(biāo)準(zhǔn)化和最優(yōu)化。
3．新型固氮產(chǎn)品的先進(jìn)智造工藝。針對該技術(shù)瓶頸，需要通過固氮微生物組劑型（液體、干粉、顆粒包被等）和固氮菌種子包衣等工藝的優(yōu)化，解決固氮菌群在實際使用過程中活力不穩(wěn)定等關(guān)鍵問題；同時，理性設(shè)計根際環(huán)境下最小根際固氮功能群，研發(fā)新型合成固氮微生物組肥料產(chǎn)品。
目前，國內(nèi)外有關(guān)生物固氮科技創(chuàng)新的3-5年近期目標(biāo)（生物固氮1.0版）是克服天然固氮體系缺陷，創(chuàng)制新一代根際固氮微生物產(chǎn)品，在田間示范條件下替代化學(xué)氮肥25%；10年中期目標(biāo)（生物固氮2.0版）是擴(kuò)大根瘤菌宿主范圍，構(gòu)建非豆科作物結(jié)瘤固氮的新體系，減少化學(xué)氮肥用量50%；15年遠(yuǎn)期目標(biāo)（生物固氮3.0版）是探索作物自主固氮的新途徑，在特定條件下完全替代化學(xué)氮肥。
五、中國農(nóng)科院在生物固氮科技創(chuàng)新支撐“藏糧于地”戰(zhàn)略中的引領(lǐng)作用
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院是我國生物固氮領(lǐng)域的優(yōu)勢單位，擁有國際一流的生物固氮研究平臺和研發(fā)團(tuán)隊，近年來在生物固氮資源利用、基因組演化、代謝網(wǎng)絡(luò)解析、微生物與宿主互作、人工固氮體系構(gòu)建以及固氮結(jié)構(gòu)生物學(xué)等方面取得重要研究進(jìn)展，部分研究成果具有國際先進(jìn)水平。2020年，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程聯(lián)合攻關(guān)重大科研任務(wù)“高效固氮生物學(xué)基礎(chǔ)與農(nóng)業(yè)應(yīng)用”正式啟動。該重大科研任務(wù)圍繞國家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重大需求，針對天然生物固氮體系的能力缺陷和我國固氮微生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題，系統(tǒng)開展生物固氮系統(tǒng)的前沿理論、生物固氮模塊的適配性、人工固氮線路的系統(tǒng)優(yōu)化以及高效固氮體系的田間應(yīng)用等研發(fā)工作。
該重大科研任務(wù)根據(jù) “突出中國農(nóng)科院特色優(yōu)勢、聚焦重點科研任務(wù)、組建大兵團(tuán)協(xié)同攻關(guān)和加強高層次戰(zhàn)略研討”要求，將進(jìn)一步加強學(xué)科交叉融合和項目頂層設(shè)計，圍繞“聯(lián)合固氮”和“結(jié)瘤固氮”兩個優(yōu)勢學(xué)科領(lǐng)域組建協(xié)同攻關(guān)大兵團(tuán)，打造“共性技術(shù)”和“卡脖子技術(shù)”集成創(chuàng)新大平臺。進(jìn)一步加強與高技術(shù)企業(yè)合作，針對我國東北黑土地保護(hù)、西南干旱地區(qū)酸性紅壤和黃河三角洲鹽堿地改良等開展生物固氮田間示范試驗，力爭取得重大理論與技術(shù)突破。進(jìn)一步加強高層次戰(zhàn)略研討與國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流，在我國生物固氮及農(nóng)業(yè)合成生物學(xué)領(lǐng)域搭建國際化與高層次交流與合作平臺，充分發(fā)揮中國農(nóng)科院在生物固氮科技支撐“藏糧于地”戰(zhàn)略中的“國家隊”引領(lǐng)作用。
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