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未来农业的大时代

时间: 2016-04-01浏览次数:2209
农业变革往往伴随着农耕工具与技术的演进而发生。随着基因组学技术的发展,我们迎来未来农业时代。

大约一万年前,以采集和狩猎为主要生活方式的智人群体中,爆发了农业革命。伴随定居而来的,是人们开始扮演“上帝”的角色,让一些物种照着我们希望的方向发展,比如选择作物品种,驯化家禽。


到了约4000年前,因为青铜器工具的出现,开始锄耕式生产方式。再往后一点,1400年前,铁器工具的出现,提升了农业效率。100多年前,石油资源的大范围使用,农业机械化开始流行,农药等化学药剂用于耕种,提高产量的同时也带来了污染。而后,随着绿色革命的展开,人们对物种的选择进一步的加剧。上世纪50年代,半矮秆小麦、水稻选育成功,接着杂交技术的发展带来粮食增产,不育系技术与专利保护带来种业革命。随后转基因技术带来的品种改良,例如玉米等,继而基因编辑、人工智能育种、垂直农场,小米崛起等将带来新一轮的绿色革命。


农业变革往往伴随着农耕工具与技术的演进而发生。随着基因组学技术的发展,我们迎来未来农业时代。

分子育种技术带来新的农业革命

人类进入农耕社会以后,育种基本是农业上一个永恒的主题,目标是为了获得具有更好农艺性状的品种。到目前为止,育种方法一般可以分为以下三种:传统表型选育育种、分子标记辅助育种和生物技术转基因育种。其中传统育种方法获得一个新品种常常需要10年甚至20年,费时费力,而转基因育种技术又饱受争议(而且转基因技术已是“过时”的概念,今后可以直接跳过转基因,用基因编辑技术来改良物种了),因此,包括杂交水稻之父袁隆平在内的诸多世界级科学家都把大量精力投入到分子育种技术中来。

早在上世纪90年代,分子标记辅助育种就逐渐兴起,它实质上也属于传统育种,仅仅是在育种过程当中,利用分子标记来辅助育种家选择最优的株系,可以在不改变作物基因的前提下改变其性状,或者仅仅是通过分子标记的方法筛选优良品种。但由于分子标记开发成本较高,同时能够给育种家做指引有帮助的分子标记数量非常有限,因此并没有得到大范围应用。


直到2005、2006年前后,随着二代测序技术的成熟,这才解决了材料的基因型鉴定问题。以前由于基因型鉴定成本过高,效率太低或时间太长,在实际运用中不可能实现。但现在依托于高效率、低成本的二代测序技术,育种家们完全可以在苗期甚至在种子还没有萌发时,通过基因型鉴定就能做出正确判断:哪些有价值,哪些是完全没有价值,大大的提高了育种效率。


与传统育种技术相比,分子育种技术具有诸多特点,比如选择更准确、更高效,可使育种周期缩短三分之一甚至一半;以全基因组序列为指导的新一代育种技术效率更高,成本大大降低;可以广泛运用于植物、动物、水产,推广应用潜力巨大。

>>>华大农业:分子育种的奇迹


华大基因现在已经实现了从基因组到基因挖掘到分子育种的全线贯穿。目前在基因组层面,全球与农业相关的主要物种有三分之二在华大的平台上得以破译,累计完成超过20000份农业物种基因组数据获取,拥有超过70%的全球农业基因组数据。

>>>华大农业集团成立 全面开启现代农业新篇章


早在2002年,华大通过霰弹法利用第一代测序技术完成了水稻基因组图谱,当时也是由中国人第一次完成水稻基因组测序。到了2007年,华大引入二代测序技术,利用该技术华大在农业相关物种基因组研究上取得非常大的进展,并对世界农业进展做出了贡献。从2008年到2013年,由华大自主完成或与其他单位合作,甚至多个国家共同协作完成的农业相关物种基因组超过120个。华大在水稻、谷子上都获得了一系列精准改良的品系和新的正在审定的品种。典型的是谷子的叶色改良,水稻巨穗的改良,在青山羊和石斑鱼上分子标记育种也取得了很好的成效。


过去,动植物常规育种的成功往往难以复制,且时间难以控制,一般被称作科学加艺术的过程。但是随着基因组的快速进步和在农业的快速运用,这个过程变成了科学加按图施工的过程。从之前的艺术变成现在时间可以控制,费用可以测算清楚,成果可以保障的工程过程。


农业的一种未来可能

据报道显示,联合国粮食及农业组织表示,2050年,要养活当时的人口,粮食生产必须增加一倍。我国人口密集,耕地有限。如何能够利用有限的资源养活越来越多的人口,成为亟待解决的问题,而垂直农业、立体农业则是解决这一问题的出路之一。


具有集约、高效、持续、安全特点的立体农业其实并不玄乎,它在我国已有2000多年的历史,最早产生于农作物间的“间作套种”方式,就是充分利用一片土地的空间、阳光及错开种收时间,来提高这片土地的产量。立体农业也是利用时间差和空间差,有效组织生产,以获取最大的经济收益。这在20世纪初被美国哥伦比亚大学的J.R.smith教授称为“种植业、畜牧业与加工业有机联系的综合经营方式。”比如新式的大棚养殖中,西瓜种在藤蔓上,草莓等植物重在地上,也算是立体养殖的一种方式。在建筑物的楼顶种植作物,在室内养殖鱼和家禽也是立体养殖的概念体现。

垂直农场是这一设想的另一种践行方式。垂直农场又叫做立体种植农场,美国《连线》杂志称其为“改造地球的十大最疯狂生态实验之一”。


据报道,这一概念最初由美国哥伦比亚大学环境科学与微生物学教授迪克森·戴斯波米尔提出,他也认为中国印度是最适合发展垂直农场的国家。在他看来,把摩天大楼作为生产中心,150座占地一亩、30层楼高的大厦,通过无土溶液栽培、温度湿度控制的方式,就能供应整个纽约一年的蔬菜及粮食作物所需。而且,垂直农场具有极大的省水性、不受恶劣天气影响、没有污染、不怕病虫害、节省运输费用等优势。这一概念目前尚未得到大范围的普及,与巨大的资金投入与粮食安全紧迫性有关。研究者们还在通过不断试验都方式来降低成本,提高产能,使这一技术在不久的将来能够得到普及 。


对于立体养殖的一种未来设想,是退耕还林,人们都在城市中生活,种植则在高层建筑中进行。


图片来自网络,仅作内容说明之用

解决农业问题,立体农业只是其中的一个办法。将健康的种子保护起来,是避免作物生物多样性降低及“末日危机”的有效方式。挪威斯瓦尔巴末日种子库位于永冻层中,藏着数百万的植物种子。 从2008年至今已存储87万多份种子,来自71个国家的84个机构的样本,包括美国、德国、巴西、墨西哥等等,还有北朝鲜、台湾,目前尚未有中国大陆机构在此存储样本,但是有其他国家机构提供、但来源于中国的样本。华大基因与种子库从2012年就开始接触并探讨战略性的合作。华大基因负责深圳国家基因库的建设,保存样本资源和基因数据资源。未来华大和种子库将在数字化样本信息,样本间交流合作和共同制定国际标准方面开展合作。除了实体的样本保存,其实可以再有一份数字拷贝——测序所有这些物种,为他们建立数字档案,才是最全面和完整的资源保存。


深圳国家基因库的建筑理念:人与自然和谐共处


老汪的未来农业设想

2016年3月29日,华大农业集团成立仪式上,华大集团董事长汪建从未来种什么、怎么种、怎么吃几个方面和大家分享了他的未来设想。他想和大家一起探讨,从天然的食物能量转化,到人工培育,到物种迁徙,到工业化的控制,到人工条件下的精准农业,是不是人类未来发展根本的出路。


种什么?除了四大主粮,我们还须要做一些新的东西。用国家基因库跟全球合作、全国合作,合理合法把最新的物种引进、驯化,培养新的东西。


怎么种?首先,可以尝试改变种植的方式。传统的播种后连根拔起的收割方式是否能够改良,让粮食作物的收获变成割韭菜式,收割了马上能接着长出来。动物、水产实现全生态养殖,构建鱼菜菇共生系统,打造高效生态农业,动物、水产、蔬菜、水果一体化生态圈。搭建农业云与物联网系统,建设海洋牧场,实现精准扶贫。


工业化的进程是否能快速推进城市农村的立体农业的发展?如果我们的甘蔗、纤维类的作物每亩地能够到30、40吨的话,以这种作物来进行后面分子层面上工业加工,把它转化糖、淀粉、纤维素,存储起来。就是一个极大的、全新的农业、工业一体化发展模式。


怎么吃?中国的心脑血管疾病发病率日益增长,部分原因是饮食不当和缺乏运动。营养和健康是我们最大的需求。最健康的食品是什么?我认为一定是婴儿的食物,一定是老年的食物,一定是军队的食物,一定是猫食、狗食。我们现在吃的那些山珍海味,既是营养过剩,又是营养失衡。了解我们自己的身体需要,了解我们的食物成分,匹配性地进行个性化营养补充,是实现个人健康的有效方式。而且更重要,所有这些都是从我们做起,从华大食堂做起,从我们日常生活做起。


部分地区的农产品加工已经变成第一大产业,怎么样让它更加健康,有极其重要的意义,也是中国的国家战略需求。


三农院一体的方式,全新的农科院、全新的农业学院、全新的大农场,从大目标走到大数据,这条路已经走通了,我们应该沿着这条路走到一个全新的农业发展全新道路上。这种农业发展创新之路也许会引领着中国长期的可持续发展,至少有巨大的参考作用。“我坚信在我们理想、在我们需求驱动下,我们一定能走出一个珠三角从未有过的农业发展创新之路”。汪建如此期待。



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