民以食為天，食以土為本。耕地資源是最基本的農業生產要素之一，耕地質量直接影響到國家糧食安全與生態安全。改革開放以來，隨著我國工業化、城鎮化的快速發展，耕地資源連續多年的高強度利用，加上過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題日趨嚴重。應對耕地退化問題，是我國農業科研的重大命題，也是“藏糧于地”國家戰略的重點任務之一。加強生物固氮科技創新，助力耕地資源保護與耕地質量提升，具有特別重要的現實意義。
一、化學氮肥過度使用已成為我國保障糧食安全和生態安全的重大障礙
氮素是植物生長的必需營養元素，也是農業高產穩產的主要限制因子。但是，不合理的氮肥施用也帶來了環境污染和食品安全等全球性問題，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和使用國，在占世界9%的耕地養活了全球近20%人口的同時，也消耗了全球30%以上的化學氮肥。據統計，我國每公頃農田平均施用化肥量高達400公斤，遠遠超出發達國家225公斤/公頃的安全上限。導致我國氮肥過度使用的一個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系統富營養化的主要污染源。2015年我國制定了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，明確提出到2025年，在保證主要農作物穩產的基礎上化學肥料減施20%。因此，中國農業在未來發展中面臨著既要保持高產穩產，又必須減少農田面源污染的雙重壓力，迫切需要切實可行的高科技方案來降低農業生產對化學氮肥的依賴。
二、生物固氮替代化學氮肥是一個世界性的農業科技難題
在自然界中，某些原核微生物在常溫常壓下通過固氮酶將空氣中的氮素轉化為氨，這一過程稱為生物固氮，這類微生物稱為固氮微生物。據聯合國糧農組織統計，地球上結合態氮總量有70%來源于生物固氮，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，相當于工業生產氮肥的3倍多。利用生物固氮部分或完全替代化學氮肥，在農業生產中不僅能節肥節能，同時還能增產增效。但是，天然固氮體系存在宿主范圍窄和固氮活性受環境影響大等缺陷，固氮生產菌株存在競爭力弱和田間應用效果不穩定等問題，從而大大局限了生物固氮在農業生產中廣泛應用。如何增強根際聯合固氮效率，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，創制新一代固氮微生物產品是當前國際固氮領域的研究前沿，同時也是一個世界性的農業科技難題。本世紀興起的合成生物技術被譽為是改變世界的十大顛覆性技術之一，將為生物固氮這一世界性農業科技難題提供革命性的解決方案。
三、我國生物固氮產業發展機遇與挑戰并存
近年來，全球微生物肥料市場規模保持穩定增長的態勢。2017年全球微生物肥料市場規模為346.85億美元，比上年同期增長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，與生物固氮產業相關的公司頻繁兼并融合，美國固氮菌生產廠家Becker Underwood被頂級跨國公司巴斯夫收購，加拿大固氮菌生產廠家Philom Bios公司被拜耳公司收購。國際固氮微生物產業出現新一輪的技術升級與產業革命。英國農業技術公司Azotic Technologies采用生物工程和種衣劑技術，研發固氮技術產品Envita并面向全球市場銷售。2018年Envita產品在美國玉米、大豆和水稻的田間試驗表明可提高產量平均達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應用研究。近年來，在國家973計劃項目、國家863計劃和國家自然科學基金等經費支持下，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。特別是學科交叉與技術融合不夠，基礎研究與應用研究脫節，科研經費支持缺乏持續性。二是關鍵核心技術落后。當前，我國固氮微生物肥料產業發展迅猛，產業規模大但關鍵核心技術水平低，市場競爭力差，難以滿足當前我國現代農業高質量綠色發展的迫切需求。
四、生物固氮科技創新中的瓶頸問題與戰略目標
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鍵瓶頸因素，需要著力攻克以下兩個重大基礎科學問題和一個嚴重制約產業發展的關鍵瓶頸技術問題。
1．天然固氮體系的網絡調控機制。針對該科學問題，需要系統研究共生結瘤固氮植物基因組分子演化機制，固氮與相關抗逆信號傳導和表觀調控機制以及根際固氮微生物組、宿主作物與根際環境三者之間相互作用機制，為共生結瘤、根際固氮相關抗逆元件及功能模塊的人工設計提供理論指導。
2．人工固氮線路的適配優化機制。針對該科學問題，需要重點開展以下研究：一是構建通用的表達載體系統和功能模塊，在底盤生物上進行大規模功能測試；二是創建具有農業應用價值的人工高效固氮回路并在底盤生物中進行適配性研究，使之標準化和最優化。
3．新型固氮產品的先進智造工藝。針對該技術瓶頸，需要通過固氮微生物組劑型（液體、干粉、顆粒包被等）和固氮菌種子包衣等工藝的優化，解決固氮菌群在實際使用過程中活力不穩定等關鍵問題；同時，理性設計根際環境下最小根際固氮功能群，研發新型合成固氮微生物組肥料產品。
目前，國內外有關生物固氮科技創新的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，創制新一代根際固氮微生物產品，在田間示范條件下替代化學氮肥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氮肥。
五、中國農科院在生物固氮科技創新支撐“藏糧于地”戰略中的引領作用
中國農業科學院是我國生物固氮領域的優勢單位，擁有國際一流的生物固氮研究平臺和研發團隊，近年來在生物固氮資源利用、基因組演化、代謝網絡解析、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等方面取得重要研究進展，部分研究成果具有國際先進水平。2020年，中國農業科學院創新工程聯合攻關重大科研任務“高效固氮生物學基礎與農業應用”正式啟動。該重大科研任務圍繞國家農業生產的重大需求，針對天然生物固氮體系的能力缺陷和我國固氮微生物產業發展的瓶頸問題，系統開展生物固氮系統的前沿理論、生物固氮模塊的適配性、人工固氮線路的系統優化以及高效固氮體系的田間應用等研發工作。
該重大科研任務根據 “突出中國農科院特色優勢、聚焦重點科研任務、組建大兵團協同攻關和加強高層次戰略研討”要求，將進一步加強學科交叉融合和項目頂層設計，圍繞“聯合固氮”和“結瘤固氮”兩個優勢學科領域組建協同攻關大兵團，打造“共性技術”和“卡脖子技術”集成創新大平臺。進一步加強與高技術企業合作，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展生物固氮田間示范試驗，力爭取得重大理論與技術突破。進一步加強高層次戰略研討與國內外學術交流，在我國生物固氮及農業合成生物學領域搭建國際化與高層次交流與合作平臺，充分發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”引領作用。
一、化學氮肥過度使用已成為我國保障糧食安全和生態安全的重大障礙
氮素是植物生長的必需營養元素，也是農業高產穩產的主要限制因子。但是，不合理的氮肥施用也帶來了環境污染和食品安全等全球性問題，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和使用國，在占世界9%的耕地養活了全球近20%人口的同時，也消耗了全球30%以上的化學氮肥。據統計，我國每公頃農田平均施用化肥量高達400公斤，遠遠超出發達國家225公斤/公頃的安全上限。導致我國氮肥過度使用的一個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系統富營養化的主要污染源。2015年我國制定了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，明確提出到2025年，在保證主要農作物穩產的基礎上化學肥料減施20%。因此，中國農業在未來發展中面臨著既要保持高產穩產，又必須減少農田面源污染的雙重壓力，迫切需要切實可行的高科技方案來降低農業生產對化學氮肥的依賴。
二、生物固氮替代化學氮肥是一個世界性的農業科技難題
在自然界中，某些原核微生物在常溫常壓下通過固氮酶將空氣中的氮素轉化為氨，這一過程稱為生物固氮，這類微生物稱為固氮微生物。據聯合國糧農組織統計，地球上結合態氮總量有70%來源于生物固氮，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，相當于工業生產氮肥的3倍多。利用生物固氮部分或完全替代化學氮肥，在農業生產中不僅能節肥節能，同時還能增產增效。但是，天然固氮體系存在宿主范圍窄和固氮活性受環境影響大等缺陷，固氮生產菌株存在競爭力弱和田間應用效果不穩定等問題，從而大大局限了生物固氮在農業生產中廣泛應用。如何增強根際聯合固氮效率，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，創制新一代固氮微生物產品是當前國際固氮領域的研究前沿，同時也是一個世界性的農業科技難題。本世紀興起的合成生物技術被譽為是改變世界的十大顛覆性技術之一，將為生物固氮這一世界性農業科技難題提供革命性的解決方案。
三、我國生物固氮產業發展機遇與挑戰并存
近年來，全球微生物肥料市場規模保持穩定增長的態勢。2017年全球微生物肥料市場規模為346.85億美元，比上年同期增長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，與生物固氮產業相關的公司頻繁兼并融合，美國固氮菌生產廠家Becker Underwood被頂級跨國公司巴斯夫收購，加拿大固氮菌生產廠家Philom Bios公司被拜耳公司收購。國際固氮微生物產業出現新一輪的技術升級與產業革命。英國農業技術公司Azotic Technologies采用生物工程和種衣劑技術，研發固氮技術產品Envita并面向全球市場銷售。2018年Envita產品在美國玉米、大豆和水稻的田間試驗表明可提高產量平均達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應用研究。近年來，在國家973計劃項目、國家863計劃和國家自然科學基金等經費支持下，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。特別是學科交叉與技術融合不夠，基礎研究與應用研究脫節，科研經費支持缺乏持續性。二是關鍵核心技術落后。當前，我國固氮微生物肥料產業發展迅猛，產業規模大但關鍵核心技術水平低，市場競爭力差，難以滿足當前我國現代農業高質量綠色發展的迫切需求。
四、生物固氮科技創新中的瓶頸問題與戰略目標
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鍵瓶頸因素，需要著力攻克以下兩個重大基礎科學問題和一個嚴重制約產業發展的關鍵瓶頸技術問題。
1．天然固氮體系的網絡調控機制。針對該科學問題，需要系統研究共生結瘤固氮植物基因組分子演化機制，固氮與相關抗逆信號傳導和表觀調控機制以及根際固氮微生物組、宿主作物與根際環境三者之間相互作用機制，為共生結瘤、根際固氮相關抗逆元件及功能模塊的人工設計提供理論指導。
2．人工固氮線路的適配優化機制。針對該科學問題，需要重點開展以下研究：一是構建通用的表達載體系統和功能模塊，在底盤生物上進行大規模功能測試；二是創建具有農業應用價值的人工高效固氮回路并在底盤生物中進行適配性研究，使之標準化和最優化。
3．新型固氮產品的先進智造工藝。針對該技術瓶頸，需要通過固氮微生物組劑型（液體、干粉、顆粒包被等）和固氮菌種子包衣等工藝的優化，解決固氮菌群在實際使用過程中活力不穩定等關鍵問題；同時，理性設計根際環境下最小根際固氮功能群，研發新型合成固氮微生物組肥料產品。
目前，國內外有關生物固氮科技創新的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，創制新一代根際固氮微生物產品，在田間示范條件下替代化學氮肥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氮肥。
五、中國農科院在生物固氮科技創新支撐“藏糧于地”戰略中的引領作用
中國農業科學院是我國生物固氮領域的優勢單位，擁有國際一流的生物固氮研究平臺和研發團隊，近年來在生物固氮資源利用、基因組演化、代謝網絡解析、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等方面取得重要研究進展，部分研究成果具有國際先進水平。2020年，中國農業科學院創新工程聯合攻關重大科研任務“高效固氮生物學基礎與農業應用”正式啟動。該重大科研任務圍繞國家農業生產的重大需求，針對天然生物固氮體系的能力缺陷和我國固氮微生物產業發展的瓶頸問題，系統開展生物固氮系統的前沿理論、生物固氮模塊的適配性、人工固氮線路的系統優化以及高效固氮體系的田間應用等研發工作。
該重大科研任務根據 “突出中國農科院特色優勢、聚焦重點科研任務、組建大兵團協同攻關和加強高層次戰略研討”要求，將進一步加強學科交叉融合和項目頂層設計，圍繞“聯合固氮”和“結瘤固氮”兩個優勢學科領域組建協同攻關大兵團，打造“共性技術”和“卡脖子技術”集成創新大平臺。進一步加強與高技術企業合作，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展生物固氮田間示范試驗，力爭取得重大理論與技術突破。進一步加強高層次戰略研討與國內外學術交流，在我國生物固氮及農業合成生物學領域搭建國際化與高層次交流與合作平臺，充分發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”引領作用。
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