前言
能源技術等不斷創新發展，正帶動以綠色、智能、泛在為特徵的群體性重大技術變革。未來15~20 年，這些革命性技術向農業領域滲透，必將掀起新一輪農業生物技術浪潮，引領和支撐農業實現節能、減排、綠色、低碳的可持續發展。
註：本文主要節選與農業種養殖相關的前沿技術介紹。
一、農業領域顛覆性技術發展態勢
當前和未來技術創新活躍的農業生物技術、農業信息技術、納米材料技術等方向，對農業領域各子領域研究方向具有重要意義，並呈現出不同的發展趨勢。
(一)動植物育種
育種技術創新為確保食物安全與穩定供給提供保障。據世界銀行預測，隨著城鎮化發展及國民經濟和人口的持續增長，到2020 年，我國糧食需求將增加到6.7×108t，2030 年將達到7×108t 。
由於土地資源以及飼養規模的限制，只有通過育種技術創新，不斷提高動植物單產水平和生產效率，我國才能在現有資源條件下提高動植物食品生產總量。以動物育種為例，基因組育種、家畜胚胎基因編輯育種、幹細胞育種等技術成為畜牧種業革命的新引擎。深入開展相關研究，將有助於我國在國際競爭中搶占動植物種業制高點。
(二)農業生物藥物與生物肥料
化肥和農業化學藥物帶來的嚴重環境污染、抗藥性和健康等問題，日益受到關注。發展生物肥料和生物藥物(主要包括生物農藥、生物獸藥等)，替代和減少化肥和化學藥物使用、保證農業穩產高產、保障食品安全和公眾健康意義重大，也是改善生態、實現環境安全和農業可持續發展的重要途徑。
生命科學和新型納米材料等技術，為農業生物肥料和生物藥物發展提供了全新途徑和技術支撐，並將推動相關戰略性新興產業快速成長。如利用合成生物學製備微生物次生代謝產物、利用核糖核酸(RNA)干擾技術防治病毒病等技術，開闢了從基因水平進行病蟲害防治技術研發和藥物製備的生物學新途徑；利用新材料研發高效藥物傳遞系統，實現農藥靶向施用；革新施藥器械，促進藥劑在靶標沉積，提高藥劑利用率，減少環境污染。
利用作物微生物組學和合成菌群學構建生態穩定的多菌種復合微生物肥料；通過互作信號調控增強微生物肥料在植物根際的定殖與作用效果。農業生物肥料和生物藥物的成功產業化，將徹底改變農業生產嚴重依賴化學肥料和化學藥物的局面，改變相關產業結構，提高我國相關產業的國際競爭力。
(三)智能農業技術
信息化是農業現代化的制高點，智能化是驅動農業現代化的先導力量。
智能技術驅動的農業科技變革對農業發展呈現系統性顛覆趨勢，以物聯網、大數據、人工智慧和機器人為典型代表，通過物聯網傳感系統實現物物相連，為大數據提供渠道和數據基礎；通過對大數據進行處理與分析，為人工智慧提供精準數據處理手段和決策依據；通過人工智慧實現農業智能決策，為機器人無人化作業提供核心處理手段，四項技術高度融合構成了未來無人化、精準化、智能化、生態化農業的核心支撐。
農業動植物生理傳感器、動植物生長優化模型、裝備管理與優化和智能機器人將是智能農業技術未來的研究熱點；農業物聯網將向平台化、標準化、低成本化、高可靠性方向發展，農業大數據將由數據高效存儲向農業數據挖掘和知識發現技術方向發展，人工智慧將向物聯網和大數據融合的人機智能信息識別、分類和決策方向發展，農業機器人向基於語言理解的全過程智能化方向發展。
(四)非傳統種植空間
目前，全球約25% 的農地由於過度耕作、乾旱和污染等原因嚴重退化。未來30 年，全球糧食需求至少增長60%。除堅守原耕地面積，拓展傳統耕作空間，實現單位資源高效利用，變相增加種植空間外，還應科學開發利用鹽鹼地及荒漠等土地資源。
目前，城市農業、植物工廠、沙漠種植和虛擬種植等多項顛覆性技術逐步建立，並成為新的科技熱點和新的衝突爆發點，對於緩解全球糧食安全嚴峻形勢意義重大。未來10~15 年，顛覆性技術將源於各領域技術融合，或基於傳統技術深化後的躍遷突變，將推動著農業用地不斷向空間(包括太空)拓展。開發和改良鹽鹼土，綜合治理養分失衡土地，深化傳統耕地技術，對於增加後備耕地，保障糧食安全具有重要意義。
二、 未來 10~15 年內我國農業領域顛覆性技術的重點方向
(一)動植物高效生物育種領域重大顛覆性技術方向
1. 動植物基因編輯技術
由最初的鋅指核酸內切酶(ZFN)發展為類轉錄激活因子效應物核酸酶(TALEN)技術，再到目前的CRISPR/Cas9(clustered regulatory interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9) 系統，基因編輯技術靶向性更強、更高效，也更廉價。
已成功改良了豬、牛、羊和魚等抗病性和肉質等，使性狀測量、變異發現、變異篩選等傳統育種路徑更改為目標性狀的直接編輯和表型確認，育種群體大大縮小，育種周期大大縮短。但性狀基因解析研究還不能提供更多的可編輯基因位點。
隨著功能基因解析的逐漸深入，在今後10~15 年間，該技術將逐漸走向大規模應用，並對相關性狀育種產生顛覆性影響。目前，該原創技術來自國外，高效自主智慧財產權技術將是我國研發的重點。
2. 家畜幹細胞育種技術
幹細胞育種包括幹細胞建系培養、生殖細胞定向分化誘導、體外受精、基因組選擇等技術環節，目前，家畜幹細胞建系培養及生殖細胞定向分化誘導尚未取得突破性進展，估計今後15~20 年，人類將攻克上述技術瓶頸，建立成熟的幹細胞育種技術體系。
幹細胞育種實現了實驗室育種，由於細胞選育環節的開發，使飼養的成年動物種群數量大幅縮減。育種周期的縮短、成本的降低、場所的改變等 都是顛覆性的。我國iPS 技術國際領先，但畜禽幹細胞技術處於跟跑階段，應加快發展。
3. 動植物品種分子設計技術
「品種分子設計」是指以分子設計理論為指導，綜合運用各種生物信息和基因操作技術，從基因(分子)到整體(系統)不同層次對目標性狀進行設計與操作，以實現優良基因的最佳配置，培育新品種。
品種分子設計技術體系將推動傳統育種向「精準育種」轉變，大幅提高動植物育種效率和技術水平，引領動植物育種的創新與發展。估計通過 15~20 年努力，將突破動植物多基因聚合和基因編輯操作技術瓶頸，創建動植物分子設計技術體系。我國在動植物多基因聚合與基因編輯領域取得了一些突破性成果，但是，迫切需要加強對動植物重要經濟性狀形成機理進行研究，為分子設計鑑定出更多的功能基因。
4. 體外肉類合成與培養技術
通過肌肉乾細胞培養與分化誘導，進行動物肉品生產，已對牛、雞、魚等物種實驗成功，該技術越過了飼草料生產與加工、動物飼養、動物屠宰等多個生產環節，在實驗室即可完成動物肉品生產的 全過程，不但減少了資源與環境壓力，還可進行產品訂製和批次化生產。
但多組織聯合培養、組織深部代謝和循環技術還在研發中。預計今後15 年內，該技術將大規模應用，並對產業產生顛覆性影響。我國學者僅進行肌肉乾細胞相關研究，未見細胞培養肉領域的相關報道。
(二) 農業生物藥物與生物肥料領域重大顛覆性技術方向
1. 基於 RNA 干擾技術的基因農藥
利用RNA 干擾技術，防治病毒病、防除雜草、調節植物重要階段的生長(脫葉、打頂等)，顛覆了以往化學農藥防治思路。該技術瓶頸是靶標基因選擇和高效特異運載體系開發。
澳大利亞和英國科學家利用納米材料BioClay 裝載dsRNA，沉默同源RNA，控制了煙草病毒病。目前國際農業化學巨頭已開始進行相關技術和產品的研發。預計未來 5~10 年將有產品進入應用，15~30 年大規模應用，化學農藥將逐漸被取代。
2. 基於智能生物材料的農藥控釋技術
智能生物材料是指利用對溫度、酸鹼性、氧化還原勢等生物或非生物脅迫信號敏感的材料，將藥物傳遞至靶標位置，通過生物信號變化精確控制給藥。靶向給藥和精準施藥，對提高農作物抗病性以及受到乾旱、低溫等非生物逆境的防禦保護意義重大。
澳大利亞對介孔二氧化矽載體進行修飾，製備了對氧化還原勢敏感的功能材料，智能控制水楊酸釋放，提高擬南芥抗病性。目前，醫藥領域有很多相關研究。預計未來 10~15 年將有農藥產品出現。
3. 人造病毒作為預防性疫苗或者治療性疫苗
利用反向遺傳學和合成生物學技術，按照計算機模擬程序，突變病毒基因組三聯碼，人為控制病毒複製從而將病毒直接轉化為預防性疫苗，再突變為治療病毒感染的藥物。這種通用方法可以研製任意致命性病毒的疫苗和治療性藥物，並開發影響國防安全的預防性生化武器。目前北京大學已在實驗室水平研製了流感疫苗。
4. 納米佐劑
納米顆粒與微生物相當，能夠更好地被抗原遞呈細胞吞噬，還可以增加小分子抗原的尺寸，並對其表面進行修飾，增強疫苗的機體免疫應答效果 。因此，納米顆粒有可能發展成為一類新型納米佐劑。但是其作用機理及副作用仍不清楚，很少有納米佐劑進入臨床試驗階段。我國已提出一套標準化納米材料安全評價體系，以評價納米材料的生物毒性和納米效應等，有待解決以上問題。
5. 作物微生物組技術
應用作物微生物組技術，通過對不同作物微生物組的高通量分離和大數據分析，獲取對不同作物發揮各種有益功能的微生物組，通過微生物合成菌群學原理和技術，理性設計出對不同作物發揮特定功能、結構穩定的組合微生物群，開發基於作物微生物組技術的高效微生物肥料。
(三)智能農業領域顛覆性技術方向
1. 農業物聯網技術
運用傳感器等各類感知技術、實時獲取農業現場信息，通過各類網絡傳輸，將信息融合處理並通過農業作業終端實現最優化的精準作業與控制。
2035—2050 年，農業物聯網技術將實現全面應用和徹底實現農業顛覆。2035 年將達到2000 億 ~3000 億元的市場規模。農業生產過程將完全可感知，並實現精細化、精準化、無人化。我國農業物聯網整體技術完全成熟，商業化機制也完全形成。
2. 農業大數據技術
對大規模多源異構農業數據進行採集、清洗、存儲、挖掘，用於農業智能與精準決策。
2035 年，大數據技術進入成熟期，將為農業生產、經營、管理和服務提供全面、準確、客觀的指導，農業生產數據化，農村治理透明化，農民服務個性化，產業規模將達2000 億元人民幣以上。
3. 農業人工智慧技術
基於大數據智能、感知計算、人機混合智能、群體智能、自主協同與決策等的新一代人工智慧技術將覆蓋農業生產、農村治理和農民生活。
2035 年市場規模將接近2500 億元人民幣。農業生產效率、資源利用率、土地產出率都將成倍增加，農村治理更加高效透明，農民生活更加便利。再過10~15 年，我國人工智慧將深入到農業生產、農村治理和農民生活的各個層面，並進入更高層次。
4. 農業機器人技術
導航、定位、識別、作業等智能機器人技術和裝備將逐漸應用於農業，2035 年將進入成熟期，並大規模應用和實現產業顛覆，達到約3000 億 ~5000 億元的市場規模。將極大解放勞動生產力，提高勞動效率。
農業機器人技術與工業製造、人工智慧技術發展密切相連，隨著我國農村城鎮化的進一步推進和勞動力老齡化趨勢，再過10~15 年，我國將成為世界農業機器人技術的引領者，在農業耕種、收穫、植保以及畜禽和水產養殖各個環節，農業機器人均會得到大規模利用。
(四)非傳統種植空間利用重大顛覆性技術方向
(1)根據收集的土壤和植物數據，利用電腦虛擬種植農作物，加快選擇性作物育種並對耐鹽品種進行篩選和分類，通過分布式種植，實現農田節水、抑鹽平衡調控和精量灌溉。
(2)開發高效抗堵塞的根區水鹽精準調控灌溉系統；揭示暗管排鹽工程與土壤介面鹽分積聚堵塞機制；篩選高效排鹽材料、優化階梯式暗管排鹽工程結構與布局；嚴格預防地下水埋深較淺區域土壤次生鹽鹼化。
(3)發展數字農業，從土壤墒情監測到田間施肥及灌溉決策，從作物病蟲害監測及預防到判斷收穫時間及採摘等，通過通信網絡、人工智慧、微型機器人、無人機和傳感器等先進設備實現智能化和信息共享化，同時向農民實時反饋決策實施過程。
(4)綜合農業 – 水產養殖系統實現水的二次利用，在遠離海岸線的鹽鹼地區進行水產養殖，實現水產養殖增氧機、投料機、水泵等電器設備管理智能化。5‰ ~30‰的微鹹水養殖對蝦，顛覆了內陸地區養殖箱養殖海蝦需外加海鹽的技術路線，擺脫了海鹽添加成本與海岸線距離正相關的限制。
文章來源：農環視界
資料來源：《中國工程科學》