民以食為天，食以土為本。耕地資源是最基本的農業(yè)生產(chǎn)要素之一，耕地質(zhì)量直接影響到國家糧食安全與生態(tài)安全。改革開(kāi)放以來(lái)，隨著(zhù)我國工業(yè)化、城鎮化的快速發(fā)展，耕地資源連續多年的高強度利用，加上過(guò)度的不合理的化肥使用，導致我國耕地基礎肥力下降，土壤酸化、鹽堿化和黑土地退化等問(wèn)題日趨嚴重。應對耕地退化問(wèn)題，是我國農業(yè)科研的重大命題，也是“藏糧于地”國家戰略的重點(diǎn)任務(wù)之一。加強生物固氮科技創(chuàng )新，助力耕地資源保護與耕地質(zhì)量提升，具有特別重要的現實(shí)意義。
一、化學(xué)氮肥過(guò)度使用已成為我國保障糧食安全和生態(tài)安全的重大障礙
氮素是植物生長(cháng)的必需營(yíng)養元素，也是農業(yè)高產(chǎn)穩產(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，而我國所面臨的形勢尤為嚴峻。我國是世界上最大的氮肥生產(chǎn)和使用國，在占世界9%的耕地養活了全球近20%人口的同時(shí)，也消耗了全球30%以上的化學(xué)氮肥。據統計，我國每公頃農田平均施用化肥量高達400公斤，遠遠超出發(fā)達國家225公斤/公頃的安全上限。導致我國氮肥過(guò)度使用的一個(gè)重要原因是我國農作物氮肥利用效率普遍不高。據統計，目前我國氮肥利用率在9%~72%之間, 平均只有35%左右，而發(fā)達國家高達60%。我國農田排放的氮量占全國排放總量的50%以上，是造成當前我國土壤退化、地下水污染、河流和淺海水域生態(tài)系統富營(yíng)養化的主要污染源。2015年我國制定了《到2020年化肥使用量零增長(cháng)行動(dòng)方案》，明確提出到2025年，在保證主要農作物穩產(chǎn)的基礎上化學(xué)肥料減施20%。因此，中國農業(yè)在未來(lái)發(fā)展中面臨著(zhù)既要保持高產(chǎn)穩產(chǎn)，又必須減少農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)降低農業(yè)生產(chǎn)對化學(xué)氮肥的依賴(lài)。
二、生物固氮替代化學(xué)氮肥是一個(gè)世界性的農業(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化為氨，這一過(guò)程稱(chēng)為生物固氮，這類(lèi)微生物稱(chēng)為固氮微生物。據聯(lián)合國糧農組織統計，地球上結合態(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2億噸，約占全球作物需氮量的3/4，相當于工業(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，在農業(yè)生產(chǎn)中不僅能節肥節能，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)菌株存在競爭力弱和田間應用效果不穩定等問(wèn)題，從而大大局限了生物固氮在農業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用。如何增強根際聯(lián)合固氮效率，擴大根瘤菌共生固氮的宿主范圍，構建自主固氮的非豆科作物，創(chuàng )制新一代固氮微生物產(chǎn)品是當前國際固氮領(lǐng)域的研究前沿，同時(shí)也是一個(gè)世界性的農業(yè)科技難題。本世紀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業(yè)科技難題提供革命性的解決方案。
三、我國生物固氮產(chǎn)業(yè)發(fā)展機遇與挑戰并存
近年來(lái)，全球微生物肥料市場(chǎng)規模保持穩定增長(cháng)的態(tài)勢。2017年全球微生物肥料市場(chǎng)規模為346.85億美元，比上年同期增長(cháng)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，美國固氮菌生產(chǎn)廠(chǎng)家Becker Underwood被頂級跨國公司巴斯夫收購，加拿大固氮菌生產(chǎn)廠(chǎng)家Philom Bios公司被拜耳公司收購。國際固氮微生物產(chǎn)業(yè)出現新一輪的技術(shù)升級與產(chǎn)業(yè)革命。英國農業(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(xiāo)售。2018年Envita產(chǎn)品在美國玉米、大豆和水稻的田間試驗表明可提高產(chǎn)量平均達5%-13%，在不減少氮肥用量情況下能高達20%。
我國非常重視生物固氮的理論基礎與生產(chǎn)應用研究。近年來(lái)，在國家973計劃項目、國家863計劃和國家自然科學(xué)基金等經(jīng)費支持下，我國生物固氮研究隊伍不斷完善、科研水平不斷提高，取得一系列國際先進(jìn)水平的科研成果。但就整體而言，我國的生物固氮研究與國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，基礎研究與應用研究脫節，科研經(jīng)費支持缺乏持續性。二是關(guān)鍵核心技術(shù)落后。當前，我國固氮微生物肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，產(chǎn)業(yè)規模大但關(guān)鍵核心技術(shù)水平低，市場(chǎng)競爭力差，難以滿(mǎn)足當前我國現代農業(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)題與戰略目標
針對影響固氮效率的主要脅迫因子和提高農作物氮利用率的關(guān)鍵瓶頸因素，需要著(zhù)力攻克以下兩個(gè)重大基礎科學(xué)問(wèn)題和一個(gè)嚴重制約產(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 )調控機制。針對該科學(xué)問(wèn)題，需要系統研究共生結瘤固氮植物基因組分子演化機制，固氮與相關(guān)抗逆信號傳導和表觀(guān)調控機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制，為共生結瘤、根際固氮相關(guān)抗逆元件及功能模塊的人工設計提供理論指導。
2．人工固氮線(xiàn)路的適配優(yōu)化機制。針對該科學(xué)問(wèn)題，需要重點(diǎn)開(kāi)展以下研究：一是構建通用的表達載體系統和功能模塊，在底盤(pán)生物上進(jìn)行大規模功能測試；二是創(chuàng )建具有農業(yè)應用價(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，使之標準化和最優(yōu)化。
3．新型固氮產(chǎn)品的先進(jìn)智造工藝。針對該技術(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)程中活力不穩定等關(guān)鍵問(wèn)題；同時(shí)，理性設計根際環(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，國內外有關(guān)生物固氮科技創(chuàng )新的3-5年近期目標（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（生物固氮2.0版）是擴大根瘤菌宿主范圍，構建非豆科作物結瘤固氮的新體系，減少化學(xué)氮肥用量50%；15年遠期目標（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、中國農科院在生物固氮科技創(chuàng )新支撐“藏糧于地”戰略中的引領(lǐng)作用
中國農業(yè)科學(xué)院是我國生物固氮領(lǐng)域的優(yōu)勢單位，擁有國際一流的生物固氮研究平臺和研發(fā)團隊，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、人工固氮體系構建以及固氮結構生物學(xué)等方面取得重要研究進(jìn)展，部分研究成果具有國際先進(jìn)水平。2020年，中國農業(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)基礎與農業(yè)應用”正式啟動(dòng)。該重大科研任務(wù)圍繞國家農業(yè)生產(chǎn)的重大需求，針對天然生物固氮體系的能力缺陷和我國固氮微生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題，系統開(kāi)展生物固氮系統的前沿理論、生物固氮模塊的適配性、人工固氮線(xiàn)路的系統優(yōu)化以及高效固氮體系的田間應用等研發(fā)工作。
該重大科研任務(wù)根據 “突出中國農科院特色優(yōu)勢、聚焦重點(diǎn)科研任務(wù)、組建大兵團協(xié)同攻關(guān)和加強高層次戰略研討”要求，將進(jìn)一步加強學(xué)科交叉融合和項目頂層設計，圍繞“聯(lián)合固氮”和“結瘤固氮”兩個(gè)優(yōu)勢學(xué)科領(lǐng)域組建協(xié)同攻關(guān)大兵團，打造“共性技術(shù)”和“卡脖子技術(shù)”集成創(chuàng )新大平臺。進(jìn)一步加強與高技術(shù)企業(yè)合作，針對我國東北黑土地保護、西南干旱地區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，力爭取得重大理論與技術(shù)突破。進(jìn)一步加強高層次戰略研討與國內外學(xué)術(shù)交流，在我國生物固氮及農業(yè)合成生物學(xué)領(lǐng)域搭建國際化與高層次交流與合作平臺，充分發(fā)揮中國農科院在生物固氮科技支撐“藏糧于地”戰略中的“國家隊”引領(lǐng)作用。
一、化學(xué)氮肥過(guò)度使用已成為我國保障糧食安全和生態(tài)安全的重大障礙
氮素是植物生長(cháng)的必需營(yíng)養元素，也是農業(yè)高產(chǎn)穩產(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，而我國所面臨的形勢尤為嚴峻。我國是世界上最大的氮肥生產(chǎn)和使用國，在占世界9%的耕地養活了全球近20%人口的同時(shí)，也消耗了全球30%以上的化學(xué)氮肥。據統計，我國每公頃農田平均施用化肥量高達400公斤，遠遠超出發(fā)達國家225公斤/公頃的安全上限。導致我國氮肥過(guò)度使用的一個(gè)重要原因是我國農作物氮肥利用效率普遍不高。據統計，目前我國氮肥利用率在9%~72%之間, 平均只有35%左右，而發(fā)達國家高達60%。我國農田排放的氮量占全國排放總量的50%以上，是造成當前我國土壤退化、地下水污染、河流和淺海水域生態(tài)系統富營(yíng)養化的主要污染源。2015年我國制定了《到2020年化肥使用量零增長(cháng)行動(dòng)方案》，明確提出到2025年，在保證主要農作物穩產(chǎn)的基礎上化學(xué)肥料減施20%。因此，中國農業(yè)在未來(lái)發(fā)展中面臨著(zhù)既要保持高產(chǎn)穩產(chǎn)，又必須減少農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)降低農業(yè)生產(chǎn)對化學(xué)氮肥的依賴(lài)。
二、生物固氮替代化學(xué)氮肥是一個(gè)世界性的農業(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化為氨，這一過(guò)程稱(chēng)為生物固氮，這類(lèi)微生物稱(chēng)為固氮微生物。據聯(lián)合國糧農組織統計，地球上結合態(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2億噸，約占全球作物需氮量的3/4，相當于工業(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，在農業(yè)生產(chǎn)中不僅能節肥節能，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)菌株存在競爭力弱和田間應用效果不穩定等問(wèn)題，從而大大局限了生物固氮在農業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用。如何增強根際聯(lián)合固氮效率，擴大根瘤菌共生固氮的宿主范圍，構建自主固氮的非豆科作物，創(chuàng )制新一代固氮微生物產(chǎn)品是當前國際固氮領(lǐng)域的研究前沿，同時(shí)也是一個(gè)世界性的農業(yè)科技難題。本世紀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業(yè)科技難題提供革命性的解決方案。
三、我國生物固氮產(chǎn)業(yè)發(fā)展機遇與挑戰并存
近年來(lái)，全球微生物肥料市場(chǎng)規模保持穩定增長(cháng)的態(tài)勢。2017年全球微生物肥料市場(chǎng)規模為346.85億美元，比上年同期增長(cháng)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，美國固氮菌生產(chǎn)廠(chǎng)家Becker Underwood被頂級跨國公司巴斯夫收購，加拿大固氮菌生產(chǎn)廠(chǎng)家Philom Bios公司被拜耳公司收購。國際固氮微生物產(chǎn)業(yè)出現新一輪的技術(shù)升級與產(chǎn)業(yè)革命。英國農業(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(xiāo)售。2018年Envita產(chǎn)品在美國玉米、大豆和水稻的田間試驗表明可提高產(chǎn)量平均達5%-13%，在不減少氮肥用量情況下能高達20%。
我國非常重視生物固氮的理論基礎與生產(chǎn)應用研究。近年來(lái)，在國家973計劃項目、國家863計劃和國家自然科學(xué)基金等經(jīng)費支持下，我國生物固氮研究隊伍不斷完善、科研水平不斷提高，取得一系列國際先進(jìn)水平的科研成果。但就整體而言，我國的生物固氮研究與國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，基礎研究與應用研究脫節，科研經(jīng)費支持缺乏持續性。二是關(guān)鍵核心技術(shù)落后。當前，我國固氮微生物肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，產(chǎn)業(yè)規模大但關(guān)鍵核心技術(shù)水平低，市場(chǎng)競爭力差，難以滿(mǎn)足當前我國現代農業(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)題與戰略目標
針對影響固氮效率的主要脅迫因子和提高農作物氮利用率的關(guān)鍵瓶頸因素，需要著(zhù)力攻克以下兩個(gè)重大基礎科學(xué)問(wèn)題和一個(gè)嚴重制約產(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 )調控機制。針對該科學(xué)問(wèn)題，需要系統研究共生結瘤固氮植物基因組分子演化機制，固氮與相關(guān)抗逆信號傳導和表觀(guān)調控機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制，為共生結瘤、根際固氮相關(guān)抗逆元件及功能模塊的人工設計提供理論指導。
2．人工固氮線(xiàn)路的適配優(yōu)化機制。針對該科學(xué)問(wèn)題，需要重點(diǎn)開(kāi)展以下研究：一是構建通用的表達載體系統和功能模塊，在底盤(pán)生物上進(jìn)行大規模功能測試；二是創(chuàng )建具有農業(yè)應用價(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，使之標準化和最優(yōu)化。
3．新型固氮產(chǎn)品的先進(jìn)智造工藝。針對該技術(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)程中活力不穩定等關(guān)鍵問(wèn)題；同時(shí)，理性設計根際環(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，國內外有關(guān)生物固氮科技創(chuàng )新的3-5年近期目標（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（生物固氮2.0版）是擴大根瘤菌宿主范圍，構建非豆科作物結瘤固氮的新體系，減少化學(xué)氮肥用量50%；15年遠期目標（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、中國農科院在生物固氮科技創(chuàng )新支撐“藏糧于地”戰略中的引領(lǐng)作用
中國農業(yè)科學(xué)院是我國生物固氮領(lǐng)域的優(yōu)勢單位，擁有國際一流的生物固氮研究平臺和研發(fā)團隊，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、人工固氮體系構建以及固氮結構生物學(xué)等方面取得重要研究進(jìn)展，部分研究成果具有國際先進(jìn)水平。2020年，中國農業(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)基礎與農業(yè)應用”正式啟動(dòng)。該重大科研任務(wù)圍繞國家農業(yè)生產(chǎn)的重大需求，針對天然生物固氮體系的能力缺陷和我國固氮微生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題，系統開(kāi)展生物固氮系統的前沿理論、生物固氮模塊的適配性、人工固氮線(xiàn)路的系統優(yōu)化以及高效固氮體系的田間應用等研發(fā)工作。
該重大科研任務(wù)根據 “突出中國農科院特色優(yōu)勢、聚焦重點(diǎn)科研任務(wù)、組建大兵團協(xié)同攻關(guān)和加強高層次戰略研討”要求，將進(jìn)一步加強學(xué)科交叉融合和項目頂層設計，圍繞“聯(lián)合固氮”和“結瘤固氮”兩個(gè)優(yōu)勢學(xué)科領(lǐng)域組建協(xié)同攻關(guān)大兵團，打造“共性技術(shù)”和“卡脖子技術(shù)”集成創(chuàng )新大平臺。進(jìn)一步加強與高技術(shù)企業(yè)合作，針對我國東北黑土地保護、西南干旱地區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，力爭取得重大理論與技術(shù)突破。進(jìn)一步加強高層次戰略研討與國內外學(xué)術(shù)交流，在我國生物固氮及農業(yè)合成生物學(xué)領(lǐng)域搭建國際化與高層次交流與合作平臺，充分發(fā)揮中國農科院在生物固氮科技支撐“藏糧于地”戰略中的“國家隊”引領(lǐng)作用。
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