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林敏:加强生物固氮科技创新,支撑“藏粮于地”国家战略

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林敏

  民以食为天,食以土为本。耕地资源是最基本的农业生产要素之一,耕地质量直接影响到国家粮食安全与生态安全。改革开放以来,随着我国工业化、城镇化的快速发展,耕地资源连续多年的高强度利用,加上过度的不合理的化肥使用,导致我国耕地基础肥力下降,土壤酸化、盐碱化和黑土地退化等问题日趋严重。应对耕地退化问题,是我国农业科研的重大命题,也是“藏粮于地”国家战略的重点任务之一。加强生物固氮科技创新,助力耕地资源保护与耕地质量提升,具有特别重要的现实意义。
  一、化学氮肥过度使用已成为我国保障粮食安全和生态安全的重大障碍
  氮素是植物生长的必需营养元素,也是农业高产稳产的主要限制因子。但是,不合理的氮肥施用也带来了环境污染和食品安全等全球性问题,而我国所面临的形势尤为严峻。我国是世界上最大的氮肥生产和使用国,在占世界9%的耕地养活了全球近20%人口的同时,也消耗了全球30%以上的化学氮肥。据统计,我国每公顷农田平均施用化肥量高达400公斤,远远超出发达国家225公斤/公顷的安全上限。导致我国氮肥过度使用的一个重要原因是我国农作物氮肥利用效率普遍不高。据统计,目前我国氮肥利用率在9%~72%之间, 平均只有35%左右,而发达国家高达60%。我国农田排放的氮量占全国排放总量的50%以上,是造成当前我国土壤退化、地下水污染、河流和浅海水域生态系统富营养化的主要污染源。2015年我国制定了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》,明确提出到2025年,在保证主要农作物稳产的基础上化学肥料减施20%。因此,中国农业在未来发展中面临着既要保持高产稳产,又必须减少农田面源污染的双重压力,迫切需要切实可行的高科技方案来降低农业生产对化学氮肥的依赖。
  二、生物固氮替代化学氮肥是一个世界性的农业科技难题
  在自然界中,某些原核微生物在常温常压下通过固氮酶将空气中的氮素转化为氨,这一过程称为生物固氮,这类微生物称为固氮微生物。据联合国粮农组织统计,地球上结合态氮总量有70%来源于生物固氮,每年全球微生物固定的氮素量可达2亿吨,约占全球作物需氮量的3/4,相当于工业生产氮肥的3倍多。利用生物固氮部分或完全替代化学氮肥,在农业生产中不仅能节肥节能,同时还能增产增效。但是,天然固氮体系存在宿主范围窄和固氮活性受环境影响大等缺陷,固氮生产菌株存在竞争力弱和田间应用效果不稳定等问题,从而大大局限了生物固氮在农业生产中广泛应用。如何增强根际联合固氮效率,扩大根瘤菌共生固氮的宿主范围,构建自主固氮的非豆科作物,创制新一代固氮微生物产品是当前国际固氮领域的研究前沿,同时也是一个世界性的农业科技难题。本世纪兴起的合成生物技术被誉为是改变世界的十大颠覆性技术之一,将为生物固氮这一世界性农业科技难题提供革命性的解决方案。
  三、我国生物固氮产业发展机遇与挑战并存
  近年来,全球微生物肥料市场规模保持稳定增长的态势。2017年全球微生物肥料市场规模为346.85亿美元,比上年同期增长11.80%。目前,微生物肥料主要以固氮菌为主,占75%,其次为溶磷菌,占15%。近年来,与生物固氮产业相关的公司频繁兼并融合,美国固氮菌生产厂家Becker Underwood被顶级跨国公司巴斯夫收购,加拿大固氮菌生产厂家Philom Bios公司被拜耳公司收购。国际固氮微生物产业出现新一轮的技术升级与产业革命。英国农业技术公司Azotic Technologies采用生物工程和种衣剂技术,研发固氮技术产品Envita并面向全球市场销售。2018年Envita产品在美国玉米、大豆和水稻的田间试验表明可提高产量平均达5%-13%,在不减少氮肥用量情况下能高达20%。
  我国非常重视生物固氮的理论基础与生产应用研究。近年来,在国家973计划项目、国家863计划和国家自然科学基金等经费支持下,我国生物固氮研究队伍不断完善、科研水平不断提高,取得一系列国际先进水平的科研成果。但就整体而言,我国的生物固氮研究与国际水平尚有一定的差距。一是前沿交叉研究薄弱。特别是学科交叉与技术融合不够,基础研究与应用研究脱节,科研经费支持缺乏持续性。二是关键核心技术落后。当前,我国固氮微生物肥料产业发展迅猛,产业规模大但关键核心技术水平低,市场竞争力差,难以满足当前我国现代农业高质量绿色发展的迫切需求。
  四、生物固氮科技创新中的瓶颈问题与战略目标
  针对影响固氮效率的主要胁迫因子和提高农作物氮利用率的关键瓶颈因素,需要着力攻克以下两个重大基础科学问题和一个严重制约产业发展的关键瓶颈技术问题。
  1.天然固氮体系的网络调控机制。针对该科学问题,需要系统研究共生结瘤固氮植物基因组分子演化机制,固氮与相关抗逆信号传导和表观调控机制以及根际固氮微生物组、宿主作物与根际环境三者之间相互作用机制,为共生结瘤、根际固氮相关抗逆元件及功能模块的人工设计提供理论指导。
  2.人工固氮线路的适配优化机制。针对该科学问题,需要重点开展以下研究:一是构建通用的表达载体系统和功能模块,在底盘生物上进行大规模功能测试;二是创建具有农业应用价值的人工高效固氮回路并在底盘生物中进行适配性研究,使之标准化和最优化。
  3.新型固氮产品的先进智造工艺。针对该技术瓶颈,需要通过固氮微生物组剂型(液体、干粉、颗粒包被等)和固氮菌种子包衣等工艺的优化,解决固氮菌群在实际使用过程中活力不稳定等关键问题;同时,理性设计根际环境下最小根际固氮功能群,研发新型合成固氮微生物组肥料产品。
  目前,国内外有关生物固氮科技创新的3-5年近期目标(生物固氮1.0版)是克服天然固氮体系缺陷,创制新一代根际固氮微生物产品,在田间示范条件下替代化学氮肥25%;10年中期目标(生物固氮2.0版)是扩大根瘤菌宿主范围,构建非豆科作物结瘤固氮的新体系,减少化学氮肥用量50%;15年远期目标(生物固氮3.0版)是探索作物自主固氮的新途径,在特定条件下完全替代化学氮肥。
  五、中国农科院在生物固氮科技创新支撑“藏粮于地”战略中的引领作用
  中国农业科学院是我国生物固氮领域的优势单位,拥有国际一流的生物固氮研究平台和研发团队,近年来在生物固氮资源利用、基因组演化、代谢网络解析、微生物与宿主互作、人工固氮体系构建以及固氮结构生物学等方面取得重要研究进展,部分研究成果具有国际先进水平。2020年,中国农业科学院创新工程联合攻关重大科研任务“高效固氮生物学基础与农业应用”正式启动。该重大科研任务围绕国家农业生产的重大需求,针对天然生物固氮体系的能力缺陷和我国固氮微生物产业发展的瓶颈问题,系统开展生物固氮系统的前沿理论、生物固氮模块的适配性、人工固氮线路的系统优化以及高效固氮体系的田间应用等研发工作。
  该重大科研任务根据 “突出中国农科院特色优势、聚焦重点科研任务、组建大兵团协同攻关和加强高层次战略研讨”要求,将进一步加强学科交叉融合和项目顶层设计,围绕“联合固氮”和“结瘤固氮”两个优势学科领域组建协同攻关大兵团,打造“共性技术”和“卡脖子技术”集成创新大平台。进一步加强与高技术企业合作,针对我国东北黑土地保护、西南干旱地区酸性红壤和黄河三角洲盐碱地改良等开展生物固氮田间示范试验,力争取得重大理论与技术突破。进一步加强高层次战略研讨与国内外学术交流,在我国生物固氮及农业合成生物学领域搭建国际化与高层次交流与合作平台,充分发挥中国农科院在生物固氮科技支撑“藏粮于地”战略中的“国家队”引领作用。(来源:中国农业科学院生物技术研究所)

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