近年來,我國農(nóng)業(yè)微生物市場發(fā)展勢頭迅猛,而市場空間依然較大,如微生物肥料僅占肥料總用量的10%。微生物及其相關(guān)技術(shù)開始向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的諸多方面滲透,以微生物農(nóng)藥、菌肥、堆肥、微生物飼料等為代表的產(chǎn)品,其技術(shù)研究和生產(chǎn)應(yīng)用取得一定進(jìn)展。也要注意到,相比微生物技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用,農(nóng)業(yè)微生物發(fā)展整體上仍處于初級階段。

農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

國家層面重視微生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局,開始研究制定產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策

多個國家制定了戰(zhàn)略規(guī)劃來推動本國微生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展。美國將微生物組列入國家計劃,將之作為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域亟待突破的研究方向。在北美、歐洲等地區(qū),有機(jī)農(nóng)業(yè)、可持續(xù)農(nóng)業(yè)理念更加深入,優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)農(nóng)作物、土地生產(chǎn)力、土壤健康等需求推動了微生物產(chǎn)品市場份額的增長。

我國尚未專門針對農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)發(fā)布政策文件,一般以農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)、微生物性質(zhì)的政策作為依據(jù)。農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)作為種業(yè)、生物技術(shù)的重要環(huán)節(jié),已經(jīng)納入國家層面的發(fā)展規(guī)劃,如″十四五″規(guī)劃綱要中加強(qiáng)種質(zhì)資源保護(hù)利用和種子庫建設(shè)、培育具有國際競爭力的種業(yè)龍頭企業(yè)、深入實施農(nóng)藥化肥減量行動、推進(jìn)秸稈綜合利用和畜禽糞污資源化利用等內(nèi)容；基因與生物技術(shù)列入七大科技前沿攻關(guān)領(lǐng)域,將生物技術(shù)作為九大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。管理部門以更為細(xì)化的形式明確了農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點和方向。

微生物種質(zhì)資源開始發(fā)揮農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)的″芯片″作用

農(nóng)業(yè)微生物種質(zhì)資源指能夠純培養(yǎng)、具有一定研究與應(yīng)用價值的細(xì)菌和真菌等,是整個微生物行業(yè)的核心,微生物學(xué)和生物技術(shù)研究、微生物產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。性能優(yōu)異的微生物菌種資源已成為農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)的核心關(guān)鍵,一個菌種支撐一個細(xì)分產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)象趨于普遍。例如,阿維菌素曾是農(nóng)用殺蟲劑的重點產(chǎn)品,科研人員基于阿維鏈霉菌高產(chǎn)菌株的阿維菌素生物合成適配性體系,設(shè)計了高效生產(chǎn)高效阿維菌素的元件與模塊,將阿維菌素產(chǎn)量提高了1000倍,市場價格下降至原來的1/50以下；阿維菌素的生產(chǎn)技術(shù)革新引領(lǐng)了農(nóng)用抗生素產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,也為其他天然產(chǎn)物生物制品的改良提供了啟示和借鑒。

以原位培養(yǎng)、微流控培養(yǎng)、細(xì)胞分選、單細(xì)胞測序等為代表的新型培養(yǎng)技術(shù)逐步成熟,發(fā)展了多種″非定向″″定向″相結(jié)合的″未 / 難培養(yǎng)微生物″分離技術(shù)與方法,為發(fā)掘新的農(nóng)業(yè)微生物資源創(chuàng)造了技術(shù)條件,也為獲取優(yōu)良菌種提供了基礎(chǔ)。在后基因組時代,未培養(yǎng)微生物的分離培養(yǎng)將以基因組功能預(yù)測為基礎(chǔ),重點開展原位功能活性測試,從生理特點、代謝途徑、營養(yǎng)需求等方面探析微生物可培養(yǎng)機(jī)理,從而獲取性狀優(yōu)良的可培養(yǎng)農(nóng)業(yè)微生物菌種資源。

從自然界中分離獲得的野生菌種,通常不滿足規(guī)模化生產(chǎn)要求,需要進(jìn)行選育以獲得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的菌種。以合成生物學(xué)、高通量自動化篩選為核心的現(xiàn)代生物技術(shù),為菌種改良提供了新手段,篩選效率較傳統(tǒng)誘變方式高出千倍以上。生物信息大數(shù)據(jù)、基因編輯等技術(shù),成為利用合成生物學(xué)技術(shù)對微生物進(jìn)行更為精準(zhǔn)的人工調(diào)控以實現(xiàn)更高效的定向進(jìn)化,進(jìn)而開展農(nóng)業(yè)微生物菌種選育及改造的技術(shù)基礎(chǔ),相關(guān)研究正在引領(lǐng)微生物產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。農(nóng)作物微生物組技術(shù)可揭示作物微生物組的功能,闡明與農(nóng)業(yè)有關(guān)微生物的特性、生命活動規(guī)律、作用過程調(diào)控機(jī)制,正處于從基礎(chǔ)研究成果向田間應(yīng)用轉(zhuǎn)化的階段,將為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)共性關(guān)鍵問題提供新的解決方案。

基礎(chǔ)研究和前沿技術(shù)進(jìn)展助推農(nóng)業(yè)微生物的技術(shù)革命

伴隨著現(xiàn)代生物科學(xué)的發(fā)展,農(nóng)業(yè)微生物研究進(jìn)步迅速。多組學(xué)聯(lián)用研究的深入,新一代測序、基因編輯、微生物組、新興培養(yǎng)、合成生物、生物信息、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的突破,驅(qū)動微生物從傳統(tǒng)單一功能菌株到合成功能菌株、從自然篩選菌株到人工設(shè)計菌株的重要轉(zhuǎn)變,代表著農(nóng)業(yè)微生物的新一輪技術(shù)革命。單細(xì)胞成像、分析檢測、高通量篩選等方向取得了積極進(jìn)展,顯著提升了微生物資源的分離篩選、細(xì)胞工廠構(gòu)建篩選等能力。微生物新技術(shù)的不斷涌現(xiàn),支持農(nóng)業(yè)微生物開發(fā)成為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),相應(yīng)市場將主要由新技術(shù)、創(chuàng)新優(yōu)良種質(zhì)等推動。

微生物資源鑒定精準(zhǔn)化、功能評價系統(tǒng)化成為發(fā)展潮流

對微生物資源進(jìn)行規(guī)模化、精準(zhǔn)化鑒定評價,發(fā)掘滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展需求的新型資源和基因,已經(jīng)成為微生物利用領(lǐng)域的重要內(nèi)容。在持續(xù)開展微生物資源的收集、保藏、應(yīng)用開發(fā)等工作的同時,世界主要保藏中心正在由單一資源保藏機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向包含評價、專業(yè)應(yīng)用開發(fā)在內(nèi)的綜合性資源中心,注重將資源保藏與研發(fā)相結(jié)合,使高附加值化微生物資源得以充分利用。此外,隨著微生物組研究的深入,針對微生物遺傳資源、代謝物的合成生物學(xué)研究,生物制造先進(jìn)技術(shù)和顛覆性技術(shù)開發(fā)是未來農(nóng)業(yè)微生物領(lǐng)域的研究熱點。

我國雖是微生物種質(zhì)資源大國,但未進(jìn)入種質(zhì)資源強(qiáng)國行列,菌種資源的精準(zhǔn)鑒評能力亟待提升。微生物多樣性高、代謝途徑多樣,然而大量具有優(yōu)良性狀的微生物資源″深藏庫中無人識″：通過表型與基因型精準(zhǔn)鑒定、用于育種創(chuàng)新的微生物種質(zhì)資源比例不足10%,多數(shù)資源尚未進(jìn)行有效的開發(fā)利用,資源優(yōu)勢未能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。精準(zhǔn)鑒評微生物遺傳資源,發(fā)掘適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展所需的新資源和功能基因,是農(nóng)業(yè)微生物利用的重要方向?；谵r(nóng)業(yè)微生物的資源、基因、蛋白、代謝物等的合成生物學(xué)研究與應(yīng)用正在積極開展之中。

多學(xué)科技術(shù)交叉與融合助力農(nóng)業(yè)微生物智能制造和精準(zhǔn)應(yīng)用

大數(shù)據(jù)技術(shù)推動了農(nóng)業(yè)微生物研究與應(yīng)用朝著數(shù)據(jù)化模式發(fā)展,為農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)邁向現(xiàn)代化提供了新的支撐。物理、材料、計算機(jī)科學(xué)等學(xué)科與生命科學(xué)的交叉與融合,推動了生物成像、基因編輯、微生物組學(xué)等技術(shù)革新。測序技術(shù)的通量、準(zhǔn)確度顯著提高,基因編輯、合成生物學(xué)、現(xiàn)代生物信息學(xué)等促進(jìn)了農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)的深刻變革。利用智能傳感器、智能控制裝備、深度學(xué)習(xí)等技術(shù),構(gòu)建發(fā)酵工藝的智能在線監(jiān)測能力、微生物制造智能化技術(shù)與工藝體系,據(jù)此實現(xiàn)農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)品的智能制造,逐步成為農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展潮流。農(nóng)業(yè)智能裝備、大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、區(qū)塊鏈等技術(shù),提供了異構(gòu)數(shù)據(jù)的收集、分析、存儲、共享、集成能力(及相應(yīng)的高級分析方法),可實時監(jiān)測日照、溫 / 濕度、土壤養(yǎng)分、作物 / 養(yǎng)殖動物生長,水分、病原體、微生物在跨越土壤、動植物、環(huán)境時的循環(huán)運(yùn)動過程以及病蟲害情況。利用數(shù)據(jù)科學(xué)、信息技術(shù)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)品的精準(zhǔn)應(yīng)用,在動態(tài)變化條件下自動整合數(shù)據(jù)并進(jìn)行實時建模,促進(jìn)形成數(shù)據(jù)驅(qū)動的智慧管控及精準(zhǔn)應(yīng)用,成為重要的發(fā)展趨勢之一。

農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)成為資本市場的熱點

農(nóng)業(yè)微生物的研究和應(yīng)用成為加快農(nóng)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展、提升農(nóng)業(yè)科技競爭力的主導(dǎo)力量,國際農(nóng)業(yè)強(qiáng)國已將微生物組列入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域五大亟待突破的方向。隨著微生物技術(shù)的發(fā)展：農(nóng)業(yè)微生物催生新產(chǎn)業(yè)發(fā)展,成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰、碳中和的核心途徑。受良好前景的吸引,社會資本積極涌入農(nóng)業(yè)微生物領(lǐng)域,微生物科技公司成為新興的投資對象。美國Indigo Ag公司率先創(chuàng)建了農(nóng)業(yè)微生物基因組信息數(shù)據(jù)庫,獲取了有利于植物營養(yǎng)和健康的微生物且增產(chǎn)提質(zhì)效果明顯,累計融資達(dá)到6.09億美元。在我國,南寧漢和生物科技股份有限公司、甘肅中成德潤生物科技有限公司、慕恩(北京)生物科技有限公司、成都新朝陽作物科學(xué)股份有限公司、北京藍(lán)晶微生物科技有限公司等成功獲得了融資,積極拓展微生物肥料、微生物菌劑、微生物農(nóng)藥、養(yǎng)殖替抗、農(nóng)業(yè)面源污染治理、退化耕地質(zhì)量提升等方面的業(yè)務(wù)。例如,慕恩(北京)生物科技有限公司選擇農(nóng)業(yè)作為微生物組產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用方向,在多輪融資的支持下快速推動了植物微生物組產(chǎn)品線的產(chǎn)業(yè)化。

農(nóng)業(yè)微生物安全監(jiān)管法規(guī)趨于完善

各國高度重視農(nóng)業(yè)微生物,生物安全問題更為突出,相應(yīng)的監(jiān)管法規(guī)進(jìn)一步規(guī)范。農(nóng)業(yè)微生物菌種的精準(zhǔn)鑒定、生物安全等級要求更為嚴(yán)格,環(huán)境安全評價已納入菌劑產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)督和管理程序。例如,不在農(nóng)業(yè)微生物領(lǐng)域中使用溶血型枯草芽胞桿菌已成為共識,從而將該菌的限制使用從醫(yī)藥行業(yè)拓展至農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。轉(zhuǎn)基因微生物的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化正在快速發(fā)展,突出問題便是對其進(jìn)行有效的安全評價和法律監(jiān)管；基因工程菌不能直接進(jìn)行環(huán)境釋放也成為多國的應(yīng)用慣例?！吨腥A人民共和國生物安全法》已經(jīng)頒布和實施,″保護(hù)生物資源″″生物資源安全″成為法定事項,標(biāo)志著生物安全進(jìn)入依法治理的新階段。