农业高新技术发展趋势及应用前景
摘要：发展农业高新技术是贯彻落实创新驱动发展战略和乡村振兴战略的内在需要。文章分析了生物种业、智能农业、食品与营养科学、农业新材料等领域国内外高新技术发展现状与趋势，探讨了我国农业高新技术发展重点和应用前景，提出了明确国家发展战略布局、加强原始创新重点任务部署、完善政策制度等促进我国农业高新技术发展的政策建议。
关键词：农业；高新技术；发展趋势；应用前景；生物技术；人工智能
农业高新技术是高新技术应用于农业领域，而衍生出的以技术、智力和研究与试验发展（R&D）资金密集等为条件的新兴技术群，具有技术、智力和资本高度密集的特征，涵盖农业生物技术、农业信息技术、现代农业资源与环境工程技术、农业智能机械制造技术等领域，引领实现生物育种、生物产品制造、精准农业等农业应用的产业化[1]。大力发展农业高新技术，对于我国深入实施创新驱动发展战略和乡村振兴战略，保障国家粮食安全、食品安全和生态安全，支撑农业供给侧结构性改革将起到重要作用。
1国内外农业高新技术发展现状与趋势
1.1农业生物技术
1）基因编辑技术。作为一种对靶标基因进行定向、准确修饰的一项革新性生物技术，基因编辑技术已广泛应用于主要农作物、畜禽、林草花卉等种质资源创制与性状改良。现已获得抗旱高产玉米、抗病小麦和水稻、品质改良大豆、抗腹泻猪、抗蓝耳病猪等基因编辑作物和动物[2-3]。我国相继建立了水稻、小麦、猪、牛、羊等重要动植物的基因组定点编辑技术体系，获得了一批基因编辑动植物品种，技术运用已处于世界先进水平，但原始创新能力与发达国家相比差距较大，关键核酸内切酶和基因编辑工具等缺乏。2）全基因组选择技术。这是基于高通量的基因型分析和生物统计预测模型，在全基因组水平上聚合优良基因型，改良动植物重要农艺性状的新型育种技术，可以实现对一些测量困难或测量成本高的性状的准确预测和有效选择。国际研究机构和孟山都、杜邦先锋等跨国公司率先开展了玉米、小麦等作物的全基因组选择研究，形成了针对特定育种资源的全基因组选择数据、预测模型和育种方案。我国相继研发出水稻、小麦、玉米、大豆等高通量基因型分析芯片，构建了混合线性模型、机器学习模型等，水稻、奶牛、水生生物全基因选择技术国际领先[4]，但在畜禽基因芯片研发和优良基因组合选择模型构建等方面与发达国家相比差距较大。3）转基因技术。这是指将人工分离和修饰过的基因导入目标生物基因组中，使目标生物表现出特定性状的技术，可打破物种界限跨物种转移基因，解决常规方法不能解决的重大生产问题。近年来，转基因产品研发由单一性状朝多基因叠加复合性状改良发展，更加注重优质、增加营养功能、抗旱、养分高效利用等，产品用途由非食用或间接食用作物向直接食用作物拓展。我国转基因技术研发水平已进入国际第一方阵，建立了水稻、小麦、玉米、大豆、棉花、油菜、鱼等动植物的规模化转基因技术体系，但在原始创新能力、技术创新体系和新一代产品研发上亟待加强[5]。4）性别控制技术。这是通过对动物的正常生殖过程进行人为干预，使成年雌性动物产出人们期望性别后代的一门生物技术。研究性别决定机制及形成机制，利用基因编辑、分子设计等手段，可建立新型高效精子分选技术。美国XY公司已研发出专门的精子分离仪。目前，我国利用该技术建立了精液长效保存和异种精子推流等技术，但只是围绕精子分选主体技术进行了一些辅助性研究，原创核心技术高度依赖美国，产业发展面临“卡脖子”风险[6]。5）体细胞克隆技术。这是将动物体细胞移入到去核成熟卵母细胞内，生产与体细胞供体核遗传上同质后代的过程。目前，该技术已克隆出多种动物以及非人灵长类猕猴等。但由于对核移植重编程机制了解甚少，该技术还面临效率低、胚胎发育异常等许多障碍。我国大动物体细胞克隆技术的研究居于世界领先水平，培育出世界首例成年体细胞克隆山羊，首次自主获得体细胞克隆牛[7]。但受限于产业政策、社会伦理等社会因素，我国没像美国那样将这些优势产品推向市场，产业化配套政策严重滞后。6）单倍体育种技术。利用植物组织培养或诱导系诱导产生单倍体植株，再通过染色体加倍使植物恢复正常染色体数。该技术可缩短育种周期，加快育种进程。目前，单倍体诱导产生机理还很不明确，控制单倍体的诱导基因成为该领域国际研究热点。单倍体介导的基因编辑技术（HI-edit）将单倍体诱导育种与基因编辑技术融合发展，可在短时间内对已商业化的品种进行直接改良，已显现出巨大的应用潜力和商业价值。我国在单倍体诱导机理和应用方面与国际保持同步，不断创新发展[8]。
1.2智能农业技术
1）农业物联网技术。美国、德国、日本等发达国家研发了农业环境和动植物生命信息感知技术，实现了实时感知和反馈调控，构建了多种动植物发育模拟与诊断模型、生产环境监测模型，指导农业生产要素的精准精量调控与农业生产管理决策。我国实现了农业环境信息传感器和仪器仪表的国产化且国内市场占有量超过进口产品，但在精度、稳定性、可靠性等方面与国外产品差距巨大[9]。2）农业大数据技术。美国等国家研发了适应于农业领域的非结构化数据库系统、农业知识计算引擎、农业可视交互服务引擎等农业大数据核心技术，实现了数据驱动的知识决策替代人工经验决策、智能控制替代简单的时序控制。我国在结构化数据收集、整理、汇聚、分析等方面进行了研究，积累了大量数据资源，但在核心技术方面与美国差距巨大，大型农业大数据数据库软件全部依赖国外产品。3）农业人工智能技术。美国、加拿大等发达国家研发了农业认知计算、深度强化学习、智能工作空间、虚拟助手等一系列深刻影响农业发展的人工智能核心技术。我国在农业人工智能技术的应用方面基本与国外处于相同发展阶段，但计算芯片、主要算法、平台软件等全部依赖国外。4）智能农机装备。欧美发达国家研发了动植物作业对象感知与跟踪、农机工况实时监测与智能测控等技术，与自动导航系统、机器视觉与数字信息感知系统、智能决策系统等集成，推进农业装备的智能化、网联化。我国在小麦、水稻、玉米等主要农作物耕种管收全程机械化作业装备的故障监测、自动测产、远程运维等信息化、智能化技术方面跟踪研究，研制出无人驾驶拖拉机、植保无人机、精量播种机等农机装备。但总体来看，我国智能农机在材料质量、装备性能、智能控制系统上与发达国家相比仍有较大差距[10]。
1.3农业新材料技术
1）纳米材料技术。新型纳米材料及其功能挖掘已成为农业前沿交叉领域的研究热点，通过纳米构型设计提高有效性与安全性已经成为新型绿色农业投入品发展主流。欧美发达国家在纳米材料的构型设计、组装合成、物性表征及其生物学与环境效应方面开展了系统研究，研制了新型纳米生物传感器、重大疫病快速检测试剂盒、多功能纳米农膜与包装材料等产品。我国在农业药物载体、分子与微生物探针、环境净化材料、农业物料纳米构型设计等方面奠定了良好的研究基础，创制了一批绿色纳米农药新制剂[11]。但与发达国家相比，在多功能纳米材料创制、纳米载体物质传输与生物机能调控以及纳米生物传感器与生物信息在线检测等方面仍有较大差距。2）可降解材料技术。目前，天然高分子材料成为研究热点，欧美发达国家以玉米、马铃薯和青豌豆等为主要原料，开发出了可完全降解且降解过程可控的全淀粉型塑料。我国紧跟国际形势，在可完全降解的聚乳酸合成关键催化技术、淀粉改性技术等方面形成若干具有自主知识产权的核心技术和工艺。目前，已在地膜覆盖，青贮饲料、昆虫信息素包装材料，肥料、杀虫剂、激素和种子的包覆膜等领域得到广泛应用。但在产品性能、制造成本、关键技术、技术集成与产业化规模等方面还与发达国家还存在较大差距。
1.4食品先进制造技术
1）食品合成生物学技术。细胞培养肉技术是合成生物学制造的热点，通过体外培养动物干细胞、分化重组、适当加工，得到具有与普通肉口感、风味和质地相似的一类肉，正在颠覆传统食品生产方式[12]。目前，世界上已有28家公司开展牛肉、猪肉、鸡肉、鸭肉、鱼肉等培养肉的研发。我国合成生物学在食品领域的研究及应用相对较少，存在食品功能组分及食品添加剂在天然原料中的代谢合成途径未知、限速酶的催化效率低等问题。2）食品智能制造技术。集成先进食品制造、人工智能、计算机科学技术，研发出食品智能装备，是世界食品制造业发展的核心方向，也是全球食品产业转型升级的必经之路。目前，以3D打印为代表的食品增材制造技术成为研究热点。美国、日本和欧盟等发达国家和地区在食品装备制造领域的技术水平居世界前列，我国食品装备产业的技术水平远落后于发达国家，国产设备的智能化、规模化和连续化能力相对较低，核心装备长期依赖进口。3）精准营养和个性化定制技术。世界食品科技正进入以满足营养品质需要为特征的营养健康食品制造试验阶段，精准个性化营养健康调控技术已成为世界各国争夺的战略高地。发达国家正在将生物工程、基因工程、现代分子营养设计等前沿绿色制造技术应用于健康食品生产，靶向生产精准营养与个性化高品质健康食品。我国的技术短板在于食品营养与健康基础理论和系统化基础数据库支撑薄弱、不同个体遗传背景下营养素对代谢途径和体内生理系统的影响研究不足、膳食营养素强化及精准营养控制技术匮乏。
2我国农业高新技术发展重点与应用前景
2.1农业生物技术
重点开展基因定向编辑效应新蛋白克隆和具有我国自主知识产权的新型基因定向编辑技术研发，摆脱国外的专利限制。构建农业合成生物学集成创新的理论与技术体系，创制新型高效智能农业合成生物技术产品。采用机器学习的策略建立全基因组选择育种模型，建立基因选择高通量、自动化、智能化分析平台，开发主要作物及畜禽育种芯片，研究构建各种模型和全基因组选择技术方法。突破无外源基因、无基因型依赖高效遗传转化技术，研制多基因复合性状叠加新品种。加大动物克隆机理研究力度，聚焦克隆胚附植前和附植后调控研究。加强单倍体诱导产生机理的研究，将单倍体诱导与基因编辑技术结合，打破单纯基因编辑育种技术对材料遗传转化能力的依赖[13]。
2.2智能农业技术
加大农业专用传感器与仪器仪表的核心感知元器件、大型农业大数据数据库软件，以及农业认知计算、知识服务等主要算法和平台软件等关键技术研发力度。研发农业农村综合信息智能服务、农业资源智能监管、农情智能监测、农用物资智能调度与运维管理、农产品质量安全智能监管等管理与服务系统，构建面向生产、经营、管理和服务全过程、全环节的农业智能服务平台。研发智能种植生产系统、智能畜禽水产养殖系统、智能农产品加工车间等集约化设施农业环境优化决策关键技术，构建设施农业智能生产技术体系。开展视觉系统及识别算法、导航定位算法、精密伺服电机等关键技术及核心零部件的研发与制造，实现自主创新。
2.3农业新材料技术
开展纳米材料构型设计与功能开发，开拓纳米材料在生物环境监控、重大疫情防控、农产品溯源、食品安全检测、水质与环境净化等领域的新功能与新用途，创建纳米农药、控释肥料、靶向兽药、功能饲料等新型绿色农业投入品集群，加速农业生产资料行业转型升级。深入开展可降解材料降解机理与调控技术研究，同时，降低生产成本，发展自主知识产权，促进研究成果转化。
2.4食品先进制造技术
研究食品智能装备数字化设计、信息感知、仿真优化与智能装备制造技术，开发食品装备智能控制系统及相关应用软件、故障诊断软件和工具、传感和互联网系统。研究食品柔性制造与组分互作调控的数字化设计、基料模块化建设、物性数字化技术、高效精确的食品3D打印制造技术与装备。解析食品加工中特征组分效应变化机制与质量品质调控机理，研发高、精、自主可控的食品质量安全速测技术、产品及装备，研究危害物非靶向智能识别技术。研发融合大数据、组学和无损检测等新技术的新资源及食品真实性鉴别与溯源技术体系。
2.5其他高新技术
利用人工智能进行多元化数据的采集与建模分析，实现精准种植、养殖，缓解信息不对称导致的农产品供需失衡及农业融资难等问题。运用区块链技术构建数字农场，推动农业线上、线下、物联、农村新电商的发展，打通整合各个环节，实现农业多场景结合的模式创新。在农业环境监测、农业遥感、农业生产信息监测等领域引进量子信息技术，实现数据加密传输。
3促进我国农业高新技术发展的政策建议
3.1明确国家发展战略与布局
针对实施乡村振兴战略的重大需求与重点任务，加强规划、政策、机制引导，充分发挥高新技术对科技创新的引领与驱动作用。强化国家目标需求和重大任务导向，成立国家级农业高新技术发展委员会，制订农业高新技术基础创新、技术集成、产业发展的战略规划，并在国家主体科技计划中重点部署。加大财政投入力度，持续支持以农业领域高新技术为核心的国家科技重大专项，建设国家实验室，启动国际农业大科学计划，为农业高新技术发展提供强劲动力。
3.2加强原始创新重点任务部署，加速核心技术突破
借鉴国际先进经验，结合我国实情，以农业生物技术、信息技术、智能技术、新材料技术等为重点，加强前沿与交叉学科研究，瞄准“卡脖子”技术与核心关键技术，优化国家科技计划项目体系，形成覆盖与产业强关联、紧融合的基础研究、前沿技术研究、产业应用研究支撑体系。积极开展农业领域颠覆性技术研究，形成常态化研究机制。针对颠覆性技术开发投资大、不确定性强、失败率高，以及短期集中攻关难以取得实质性效果等特点，加强未来10年可能产业化的颠覆性农业高新技术前瞻性研究，通过增加人力、财力投入，持续深入研发，加速核心技术突破。
3.3完善政策制度，营造良好氛围
明确农业高新技术特别是生物技术领域的产业化政策，对新一代生物技术在确保规范的基础上依法监管，形成明确的市场预期。鼓励农业高新技术企业上市融资，引导社会资本投入创新。鼓励开展农业高新技术传播、公众认知和公众参与的社会调查分析和相关机制研究，建立各级农业生物技术科普教育基地，充分发挥传统媒体和新媒体的宣传作用。建立农业高新技术专利保护“绿色通道”，切实保护原创性、突破性成果。制定与新一轮国家中长期科技发展规划和新一轮知识产权强国战略相匹配的农业高新技术专项知识产权战略，完善制度设计。在自主创新的基础上，更加注重国际专利的布局，增强国际竞争力，避免核心技术、装备受制于人。
3.4建立科企融合研发机制，推动科技与经济结合
加强公益性科研院所与企业的合作，构建产学研深度融合的创新机制，加速我国创新性农业龙头企业成长。培育以企业为主体的农业高新技术创新体制，利用科研院所基础研究创新优势，培育科企深度融合创新机制，建立知识产权管理与收益分配的市场化机制。建立以市场为导向的应用基础研究和高新技术创新体系，建立以政府引导、专职科研人员为研发主体、企业为投资主体的研发和产业紧密结合的协同攻关模式，以科技创新链条为主线，统筹基础研究、关键技术研发、产品创制的有机衔接，努力克服“碎片化”创新，提升集成式、全产业链创新能力。
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作者：谭永强 田帅 刘蓉蓉 单位：襄阳市农业科学院
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