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(guó)家糧食安全與生態(tài)安全。改革開(kāi)放以來(lái)，隨著我國(guó)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(qiáng)度利用，加上過(guò)度的不合理的化肥使用，導(dǎo)致我國(guó)耕地基礎(chǔ)肥力下降，土壤酸化、鹽堿化和黑土地退化等問(wèn)題日趨嚴(yán)重。應(yīng)對(duì)耕地退化問(wèn)題，是我國(guó)農(nóng)業(yè)科研的重大命題，也是“藏糧于地”國(guó)家戰(zhàn)略的重點(diǎn)任務(wù)之一。加強(qiáng)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(shí)意義。
一、化學(xué)氮肥過(guò)度使用已成為我國(guó)保障糧食安全和生態(tài)安全的重大障礙
氮素是植物生長(zhǎng)的必需營(yíng)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(lái)了環(huán)境污染和食品安全等全球性問(wèn)題，而我國(guó)所面臨的形勢(shì)尤為嚴(yán)峻。我國(guó)是世界上最大的氮肥生產(chǎn)和使用國(guó)，在占世界9%的耕地養(yǎng)活了全球近20%人口的同時(shí)，也消耗了全球30%以上的化學(xué)氮肥。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)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(guó)家225公斤/公頃的安全上限。導(dǎo)致我國(guó)氮肥過(guò)度使用的一個(gè)重要原因是我國(guó)農(nóng)作物氮肥利用效率普遍不高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)氮肥利用率在9%~72%之間， 平均只有35%左右，而發(fā)達(dá)國(guó)家高達(dá)60%。我國(guó)農(nóng)田排放的氮量占全國(guó)排放總量的50%以上，是造成當(dāng)前我國(guó)土壤退化、地下水污染、河流和淺海水域生態(tài)系統(tǒng)富營(yíng)養(yǎng)化的主要污染源。2015年我國(guó)制定了《到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)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(guó)農(nóng)業(yè)在未來(lái)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(shí)可行的高科技方案來(lái)降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)化學(xué)氮肥的依賴。
二、生物固氮替代化學(xué)氮肥是一個(gè)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(guò)固氮酶將空氣中的氮素轉(zhuǎn)化為氨，這一過(guò)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(guó)糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)，地球上結(jié)合態(tài)氮總量有70%來(lái)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(shí)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(jìng)爭(zhēng)力弱和田間應(yīng)用效果不穩(wěn)定等問(wèn)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(qiáng)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(guó)際固氮領(lǐng)域的研究前沿，同時(shí)也是一個(gè)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(yù)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(guó)生物固氮產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存
近年來(lái)，全球微生物肥料市場(chǎng)規(guī)模保持穩(wěn)定增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。2017年全球微生物肥料市場(chǎng)規(guī)模為346.85億美元，比上年同期增長(zhǎng)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(lái)，與生物固氮產(chǎn)業(yè)相關(guān)的公司頻繁兼并融合，美國(guó)固氮菌生產(chǎn)廠家Becker Underwood被頂級(jí)跨國(guó)公司巴斯夫收購(gòu)，加拿大固氮菌生產(chǎn)廠家Philom Bios公司被拜耳公司收購(gòu)。國(guó)際固氮微生物產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)新一輪的技術(shù)升級(jí)與產(chǎn)業(yè)革命。英國(guó)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(chǎng)銷售。2018年Envita產(chǎn)品在美國(guó)玉米、大豆和水稻的田間試驗(yàn)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(guó)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(lái)，在國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家863計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等經(jīng)費(fèi)支持下，我國(guó)生物固氮研究隊(duì)伍不斷完善、科研水平不斷提高，取得一系列國(guó)際先進(jìn)水平的科研成果。但就整體而言，我國(guó)的生物固氮研究與國(guó)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(fèi)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(guó)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力差，難以滿足當(dāng)前我國(guó)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(wèn)題與戰(zhàn)略目標(biāo)
針對(duì)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(gè)重大基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題和一個(gè)嚴(yán)重制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸技術(shù)問(wèn)題。
1.天然固氮體系的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機(jī)制。針對(duì)該科學(xué)問(wèn)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(jī)制，固氮與相關(guān)抗逆信號(hào)傳導(dǎo)和表觀調(diào)控機(jī)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(jī)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(jì)提供理論指導(dǎo)。
2.人工固氮線路的適配優(yōu)化機(jī)制。針對(duì)該科學(xué)問(wèn)題，需要重點(diǎn)開(kāi)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(pán)生物上進(jìn)行大規(guī)模功能測(cè)試；二是創(chuàng)建具有農(nóng)業(yè)應(yīng)用價(jià)值的人工高效固氮回路并在底盤(pán)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(duì)該技術(shù)瓶頸，需要通過(guò)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(shí)際使用過(guò)程中活力不穩(wěn)定等關(guān)鍵問(wèn)題；同時(shí)，理性設(shè)計(jì)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(guó)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(guó)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(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院是我國(guó)生物固氮領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)單位，擁有國(guó)際一流的生物固氮研究平臺(tái)和研發(fā)團(tuán)隊(duì)，近年來(lái)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(guó)際先進(jìn)水平。2020年，中國(guó)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(dòng)。該重大科研任務(wù)圍繞國(guó)家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重大需求，針對(duì)天然生物固氮體系的能力缺陷和我國(guó)固氮微生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題，系統(tǒng)開(kāi)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(guó)農(nóng)科院特色優(yōu)勢(shì)、聚焦重點(diǎn)科研任務(wù)、組建大兵團(tuán)協(xié)同攻關(guān)和加強(qiáng)高層次戰(zhàn)略研討”要求，將進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)科交叉融合和項(xiàng)目頂層設(shè)計(jì)，圍繞“聯(lián)合固氮”和“結(jié)瘤固氮”兩個(gè)優(yōu)勢(shì)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(tái)。進(jìn)一步加強(qiáng)與高技術(shù)企業(yè)合作，針對(duì)我國(guó)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(kāi)展生物固氮田間示范試驗(yàn)，力爭(zhēng)取得重大理論與技術(shù)突破。進(jìn)一步加強(qiáng)高層次戰(zhàn)略研討與國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)交流，在我國(guó)生物固氮及農(nóng)業(yè)合成生物學(xué)領(lǐng)域搭建國(guó)際化與高層次交流與合作平臺(tái)，充分發(fā)揮中國(guó)農(nóng)科院在生物固氮科技支撐“藏糧于地”戰(zhàn)略中的“國(guó)家隊(duì)”引領(lǐng)作用。
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