未来15~20 年，农业将因这些技术发生颠覆性变化
前言
能源技术等不断创新发展，正带动以绿色、智能、泛在为特征的群体性重大技术变革。未来15~20 年，这些革命性技术向农业领域渗透，必将掀起新一轮农业生物技术浪潮，引领和支撑农业实现节能、减排、绿色、低碳的可持续发展。
注：本文主要节选与农业种养殖相关的前沿技术介绍。
一、农业领域颠覆性技术发展态势
当前和未来技术创新活跃的农业生物技术、农业信息技术、纳米材料技术等方向，对农业领域各子领域研究方向具有重要意义，并呈现出不同的发展趋势。
(一)动植物育种
育种技术创新为确保食物安全与稳定供给提供保障。据世界银行预测，随着城镇化发展及国民经济和人口的持续增长，到2020 年，我国粮食需求将增加到6.7×108t，2030 年将达到7×108t 。
由于土地资源以及饲养规模的限制，只有通过育种技术创新，不断提高动植物单产水平和生产效率，我国才能在现有资源条件下提高动植物食品生产总量。以动物育种为例，基因组育种、家畜胚胎基因编辑育种、干细胞育种等技术成为畜牧种业革命的新引擎。深入开展相关研究，将有助于我国在国际竞争中抢占动植物种业制高点。
(二)农业生物药物与生物肥料
化肥和农业化学药物带来的严重环境污染、抗药性和健康等问题，日益受到关注。发展生物肥料和生物药物(主要包括生物农药、生物兽药等)，替代和减少化肥和化学药物使用、保证农业稳产高产、保障食品安全和公众健康意义重大，也是改善生态、实现环境安全和农业可持续发展的重要途径。
生命科学和新型纳米材料等技术，为农业生物肥料和生物药物发展提供了全新途径和技术支撑，并将推动相关战略性新兴产业快速成长。如利用合成生物学制备微生物次生代谢产物、利用核糖核酸(RNA)干扰技术防治病毒病等技术，开辟了从基因水平进行病虫害防治技术研发和药物制备的生物学新途径；利用新材料研发高效药物传递系统，实现农药靶向施用；革新施药器械，促进药剂在靶标沉积，提高药剂利用率，减少环境污染。
利用作物微生物组学和合成菌群学构建生态稳定的多菌种复合微生物肥料；通过互作信号调控增强微生物肥料在植物根际的定殖与作用效果。农业生物肥料和生物药物的成功产业化，将彻底改变农业生产严重依赖化学肥料和化学药物的局面，改变相关产业结构，提高我国相关产业的国际竞争力。
(三)智能农业技术
信息化是农业现代化的制高点，智能化是驱动农业现代化的先导力量。
智能技术驱动的农业科技变革对农业发展呈现系统性颠覆趋势，以物联网、大数据、人工智能和机器人为典型代表，通过物联网传感系统实现物物相连，为大数据提供渠道和数据基础；通过对大数据进行处理与分析，为人工智能提供精准数据处理手段和决策依据；通过人工智能实现农业智能决策，为机器人无人化作业提供核心处理手段，四项技术高度融合构成了未来无人化、精准化、智能化、生态化农业的核心支撑。
农业动植物生理传感器、动植物生长优化模型、装备管理与优化和智能机器人将是智能农业技术未来的研究热点；农业物联网将向平台化、标准化、低成本化、高可靠性方向发展，农业大数据将由数据高效存储向农业数据挖掘和知识发现技术方向发展，人工智能将向物联网和大数据融合的人机智能信息识别、分类和决策方向发展，农业机器人向基于语言理解的全过程智能化方向发展。
(四)非传统种植空间
目前，全球约25% 的农地由于过度耕作、干旱和污染等原因严重退化。未来30 年，全球粮食需求至少增长60%。除坚守原耕地面积，拓展传统耕作空间，实现单位资源高效利用，变相增加种植空间外，还应科学开发利用盐碱地及荒漠等土地资源。
目前，城市农业、植物工厂、沙漠种植和虚拟种植等多项颠覆性技术逐步建立，并成为新的科技热点和新的冲突爆发点，对于缓解全球粮食安全严峻形势意义重大。未来10~15 年，颠覆性技术将源于各领域技术融合，或基于传统技术深化后的跃迁突变，将推动着农业用地不断向空间(包括太空)拓展。开发和改良盐碱土，综合治理养分失衡土地，深化传统耕地技术，对于增加后备耕地，保障粮食安全具有重要意义。
二、 未来 10~15 年内我国农业领域颠覆性技术的重点方向
(一)动植物高效生物育种领域重大颠覆性技术方向
1. 动植物基因编辑技术
由最初的锌指核酸内切酶(ZFN)发展为类转录激活因子效应物核酸酶(TALEN)技术，再到目前的CRISPR/Cas9(clustered regulatory interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9) 系统，基因编辑技术靶向性更强、更高效，也更廉价。
已成功改良了猪、牛、羊和鱼等抗病性和肉质等，使性状测量、变异发现、变异筛选等传统育种路径更改为目标性状的直接编辑和表型确认，育种群体大大缩小，育种周期大大缩短。但性状基因解析研究还不能提供更多的可编辑基因位点。
随着功能基因解析的逐渐深入，在今后10~15 年间，该技术将逐渐走向大规模应用，并对相关性状育种产生颠覆性影响。目前，该原创技术来自国外，高效自主知识产权技术将是我国研发的重点。
2. 家畜干细胞育种技术
干细胞育种包括干细胞建系培养、生殖细胞定向分化诱导、体外受精、基因组选择等技术环节，目前，家畜干细胞建系培养及生殖细胞定向分化诱导尚未取得突破性进展，估计今后15~20 年，人类将攻克上述技术瓶颈，建立成熟的干细胞育种技术体系。
干细胞育种实现了实验室育种，由于细胞选育环节的开发，使饲养的成年动物种群数量大幅缩减。育种周期的缩短、成本的降低、场所的改变等 都是颠覆性的。我国iPS 技术国际领先，但畜禽干细胞技术处于跟跑阶段，应加快发展。
3. 动植物品种分子设计技术
“品种分子设计”是指以分子设计理论为指导，综合运用各种生物信息和基因操作技术，从基因(分子)到整体(系统)不同层次对目标性状进行设计与操作，以实现优良基因的最佳配置，培育新品种。
品种分子设计技术体系将推动传统育种向“精准育种”转变，大幅提高动植物育种效率和技术水平，引领动植物育种的创新与发展。估计通过 15~20 年努力，将突破动植物多基因聚合和基因编辑操作技术瓶颈，创建动植物分子设计技术体系。我国在动植物多基因聚合与基因编辑领域取得了一些突破性成果，但是，迫切需要加强对动植物重要经济性状形成机理进行研究，为分子设计鉴定出更多的功能基因。
4. 体外肉类合成与培养技术
通过肌肉干细胞培养与分化诱导，进行动物肉品生产，已对牛、鸡、鱼等物种实验成功，该技术越过了饲草料生产与加工、动物饲养、动物屠宰等多个生产环节，在实验室即可完成动物肉品生产的 全过程，不但减少了资源与环境压力，还可进行产品订制和批次化生产。
但多组织联合培养、组织深部代谢和循环技术还在研发中。预计今后15 年内，该技术将大规模应用，并对产业产生颠覆性影响。我国学者仅进行肌肉干细胞相关研究，未见细胞培养肉领域的相关报道。
(二) 农业生物药物与生物肥料领域重大颠覆性技术方向
1. 基于 RNA 干扰技术的基因农药
利用RNA 干扰技术，防治病毒病、防除杂草、调节植物重要阶段的生长(脱叶、打顶等)，颠覆了以往化学农药防治思路。该技术瓶颈是靶标基因选择和高效特异运载体系开发。
澳大利亚和英国科学家利用纳米材料BioClay 装载dsRNA，沉默同源RNA，控制了烟草病毒病。目前国际农业化学巨头已开始进行相关技术和产品的研发。预计未来 5~10 年将有产品进入应用，15~30 年大规模应用，化学农药将逐渐被取代。
2. 基于智能生物材料的农药控释技术
智能生物材料是指利用对温度、酸碱性、氧化还原势等生物或非生物胁迫信号敏感的材料，将药物传递至靶标位置，通过生物信号变化精确控制给药。靶向给药和精准施药，对提高农作物抗病性以及受到干旱、低温等非生物逆境的防御保护意义重大。
澳大利亚对介孔二氧化硅载体进行修饰，制备了对氧化还原势敏感的功能材料，智能控制水杨酸释放，提高拟南芥抗病性。目前，医药领域有很多相关研究。预计未来 10~15 年将有农药产品出现。
3. 人造病毒作为预防性疫苗或者治疗性疫苗
利用反向遗传学和合成生物学技术，按照计算机模拟程序，突变病毒基因组三联码，人为控制病毒复制从而将病毒直接转化为预防性疫苗，再突变为治疗病毒感染的药物。这种通用方法可以研制任意致命性病毒的疫苗和治疗性药物，并开发影响国防安全的预防性生化武器。目前北京大学已在实验室水平研制了流感疫苗。
4. 纳米佐剂
纳米颗粒与微生物相当，能够更好地被抗原递呈细胞吞噬，还可以增加小分子抗原的尺寸，并对其表面进行修饰，增强疫苗的机体免疫应答效果 。因此，纳米颗粒有可能发展成为一类新型纳米佐剂。但是其作用机理及副作用仍不清楚，很少有纳米佐剂进入临床试验阶段。我国已提出一套标准化纳米材料安全评价体系，以评价纳米材料的生物毒性和纳米效应等，有待解决以上问题。
5. 作物微生物组技术
应用作物微生物组技术，通过对不同作物微生物组的高通量分离和大数据分析，获取对不同作物发挥各种有益功能的微生物组，通过微生物合成菌群学原理和技术，理性设计出对不同作物发挥特定功能、结构稳定的组合微生物群，开发基于作物微生物组技术的高效微生物肥料。
(三)智能农业领域颠覆性技术方向
1. 农业物联网技术
运用传感器等各类感知技术、实时获取农业现场信息，通过各类网络传输，将信息融合处理并通过农业作业终端实现最优化的精准作业与控制。
2035—2050 年，农业物联网技术将实现全面应用和彻底实现农业颠覆。2035 年将达到2000 亿 ~3000 亿元的市场规模。农业生产过程将完全可感知，并实现精细化、精准化、无人化。我国农业物联网整体技术完全成熟，商业化机制也完全形成。
2. 农业大数据技术
对大规模多源异构农业数据进行采集、清洗、存储、挖掘，用于农业智能与精准决策。
2035 年，大数据技术进入成熟期，将为农业生产、经营、管理和服务提供全面、准确、客观的指导，农业生产数据化，农村治理透明化，农民服务个性化，产业规模将达2000 亿元人民币以上。
3. 农业人工智能技术
基于大数据智能、感知计算、人机混合智能、群体智能、自主协同与决策等的新一代人工智能技术将覆盖农业生产、农村治理和农民生活。
2035 年市场规模将接近2500 亿元人民币。农业生产效率、资源利用率、土地产出率都将成倍增加，农村治理更加高效透明，农民生活更加便利。再过10~15 年，我国人工智能将深入到农业生产、农村治理和农民生活的各个层面，并进入更高层次。
4. 农业机器人技术
导航、定位、识别、作业等智能机器人技术和装备将逐渐应用于农业，2035 年将进入成熟期，并大规模应用和实现产业颠覆，达到约3000 亿 ~5000 亿元的市场规模。将极大解放劳动生产力，提高劳动效率。
农业机器人技术与工业制造、人工智能技术发展密切相连，随着我国农村城镇化的进一步推进和劳动力老龄化趋势，再过10~15 年，我国将成为世界农业机器人技术的引领者，在农业耕种、收获、植保以及畜禽和水产养殖各个环节，农业机器人均会得到大规模利用。
(四)非传统种植空间利用重大颠覆性技术方向
(1)根据收集的土壤和植物数据，利用电脑虚拟种植农作物，加快选择性作物育种并对耐盐品种进行筛选和分类，通过分布式种植，实现农田节水、抑盐平衡调控和精量灌溉。
(2)开发高效抗堵塞的根区水盐精准调控灌溉系统；揭示暗管排盐工程与土壤界面盐分积聚堵塞机制；筛选高效排盐材料、优化阶梯式暗管排盐工程结构与布局；严格预防地下水埋深较浅区域土壤次生盐碱化。
(3)发展数字农业，从土壤墒情监测到田间施肥及灌溉决策，从作物病虫害监测及预防到判断收获时间及采摘等，通过通信网络、人工智能、微型机器人、无人机和传感器等先进设备实现智能化和信息共享化，同时向农民实时反馈决策实施过程。
(4)综合农业 – 水产养殖系统实现水的二次利用，在远离海岸线的盐碱地区进行水产养殖，实现水产养殖增氧机、投料机、水泵等电器设备管理智能化。5‰ ~30‰的微咸水养殖对虾，颠覆了内陆地区养殖箱养殖海虾需外加海盐的技术路线，摆脱了海盐添加成本与海岸线距离正相关的限制。