美国科学家眼中未来农业的发展方向
□高再
编者按： 早些时候，美国国家科学院、工程院和医学院联合发布了题为《到2030 年推动食品和农业研究的科学突破》的研究报告。报告阐述了使美国粮食和农业系统更高效，更具弹性和可持续性的创新性新兴科学进展，并提出了最有希望的科学突破。报告称，这些突破可能对粮食和农业产生重大的积极影响，有可能在未来10 年内，即到2030 年实现。
在研究过程中，相关科学家广泛讨论，以确定粮食和农业面临的最具挑战性的问题以及解决这些问题的最佳研究机会。报告认为，在接下来的10 年中，粮食和农业研究的主要目标在于提高粮食和农业系统的效率，提高农业的可持续性，提高农业系统的适应力，以适应快速变化和极端条件。其中主要包括提高作物生产系统中的养分利用效率，减少土壤流失和退化，调动遗传多样性以改善作物，优化农业用水，改善食用动物遗传学，开发精密的牲畜生产系统，及早和快速发现和预防动植物疾病，及早发现食源性病原体，以及减少整个供应链中的食物损失和浪费等等。
报告中的科学突破，主要围绕系统认知分析、精准动态感知、数据科学、基因编辑、微生物组等五大关键技术。这也为我国农业农机领域努力的方向提供了参考。
据了解，中国家政“兰心奖”旨在表彰中国家庭服务领域杰出人士，树立家庭服务行业优秀榜样，引导行业健康有序发展。本奖项每年评比一次，每年授予人数不超过20人。获奖者会被授予奖杯、证书和奖金，获奖名单和获奖理由向社会公布。
近一个世纪以来，科学进步推动了美国农业的进步，使美国生产者能够在国内提供安全、充足的粮食，美国散装粮食、高价值农产品和食品也持续保持贸易顺差。但如今，美国食品和农业企业面临巨大挑战，将考验其长期可持续性、竞争力和弹性。在目前的道路上，美国农业系统未来的生产力可能会伴随着权衡取舍。
农业的成功与自然系统息息相关，而当前气候变化，自然系统呈现出承受压力的迹象，例如缺水、天气多变、洪水和干旱都对粮食和农业生产造成威胁。此外，目前所生产的粮食中有超过三分之一是未消费的，或者是被浪费掉了。在全球粮食需求增加之时，粮食和营养的损失是不可接受的。美国的畜牧业平稳高速发展，但随之而来的是温室气体排放的增加和和过量的动物废物。美国的食品供应总体上是安全的，但不能忽视食源性疾病持续爆发所带来的高昂费用和致命的冲击，也无法免除有害生物和病原体对农作物、牲畜和家禽的持续威胁。总之，美国农民和生产者处于产业的最前沿，需要更多工具来应对他们面临的压力。
精确、准确、可现场部署的传感器和生物传感器的开发和验证将使跨各种食品和农业学科的快速检测和监视能力成为可能。从历史上看，传感器和传感技术已用于粮食和农业中，以提供对某些特定特征（例如温度）的点测量，但是一次连续监控多个特征的能力仍显不足。在目标系统中，材料科学、微电子学和纳米技术等方面的科技进步有望使新型纳米传感器和生物传感器的创建成为可能，以连续监测环境以及生物和非生物变化的状况。下一代传感器还可能实现在动植物出现症状之前检测疾病，在人类病原体进入食物分配链之前对其进行识别，提高近实时监测和做出决策的能力。
整体思维和系统认知
报告建议，要制定计划，更有效地利用现有的传感技术，并在粮食和农业的所有领域开发新的传感技术。这些举措必须基于整个农业和食品系统的跨学科研究、开发和应用。传感器的属性，例如形状、大小、材料、位置、可移动性、有线或无线、可生物降解等，将取决于传感器的用途，例如原位土壤和农作物传感器可以提供连续的数据输入，并且当土壤中的水分含量和植物的膨压低于临界水平时，可向农民发出警告，令其向一组植物发起特定地点的灌溉。同样，在植物中，传感器可以量化由虫害或病原体引起的生化变化，从而在发生侵害或破坏可见之前就警告生产者，并使其能够计划和部署即时的有针对性的控制策略。食品生物传感器则可能表明产品掺假或变质，提醒分销商和消费者采取必要的措施。
报告称，应优先考虑跨学科的科学和系统方法来解决农业中最棘手的问题。解决农业中最具挑战性的问题将需要融合和系统思考来解决这些问题，没有整体思维和系统认知，持久的解决方案可能无法实现。科学家和业界需要促进跨学科基于问题进行协作。要吸引和促进来自不同学科的研究人员在粮食和农业问题上开展有效的合作，基于跨学科问题的合作将使新的或多样化的利益相关者和合作伙伴参与其中，并使粮食和农业部门受益。领导能力是使团队科学取得成功的关键，因为科学管理者需要一套独特的技能，其中包括对不同观点的开放性、对总体情况进行概念化的能力以及最重要的是，需要有才能将人们团结在一个共同的使命上。这些素质对于科学家而言并不总是天生的，因此提供专业发展机会来培养跨学科模型的领导能力至关重要。
新一代传感器技术
在接下来的十年中，农民、市场、投入品供应商以及目前的公共和私营部门的研究工作将持续进行，但要想彻底解决美国粮食和农业企业面临的压力和挑战，必须站在更高的高度考虑解决问题的方法，逐步解决由复杂影响（包括生物学和物理原因以及人为因素）引起的问题。农业与食品系统庞大、复杂且相互联系，具有许多相互依存的因素，导致的棘手问题使它们难以定义或解决，需要一种截然不同的方法来理解和发现解决方案，而这些解决方案只有在超越食品和农业学科的传统界限时才能找到。因此，科学家和相关从业者需要更广阔的视野，为优化粮食和农业系统提供更好的看法。掌握这种观点意味着重新定义问题并采用新兴工具来识别和解决系统中干预的关键点。
农业系统是复杂系统，已经很难再依靠“点”上的技术突破实现整体提升。报告认为，应利用一种系统方法来了解粮食和农业系统不同要素之间相互作用的性质，以提高整体系统效率、适应力和可持续性。只有当科学界开始更加系统地将科学、技术、人类行为、经济学和政策纳入生物、物理和经验模型时，才能实现实现主要目标的进步。例如，需要将采用新技术、实践、产品以及加工创新的速度和决定因素整合到粮食和农业系统模型中。需要使用此方法来正确地量化资源使用、市场影响和响应的变化，并确定可从科学技术突破中获得的收益。这些系统相互作用的考虑对于找到整体解决方案对威胁我们的安全和竞争力的粮食和农业挑战至关重要。
对菌株Q12的16S rDNA基因进行PCR扩增，获得了基因片段(1479 bp)，见图2。所得扩增产物纯化后测序，输入GenBank中进行同源性比对，结果显示菌株16S rDNA基因片段与植物乳杆菌同源性均达到99.9%以上，由此可判定菌株Q12为植物乳杆菌(L. plantarum)。
尽管“道”是多义的，但其中有一条主线，即首先将“道”作为“物”，指一种特殊的存在体。它存在于形上领域，由其运动或者说在展开存在的过程中开出了天然现象之“物”。规律、准则或典范都是由这层含义的“道”延伸出来的。
数据科学和信息技术
其中，区块链和人工智能（包括机器学习算法）被认为是最有前途的技术，可满足尚未完全开发的粮食和农业系统的独特需求。先进的分析方法的开发，例如用于自动快速表型分析的机器学习算法，将需要更好的平台来研究食品系统中各种成分之间的相互作用。数据科学和信息技术能够极大地提高对复杂问题的解决能力，将农业、资源等相关领域的大量研究成果应用在生产实践中，在动态变化条件下自动整合数据并进行实时建模，促进形成数据驱动的智慧管控。
数据科学、软件工具和系统模型的应用和集成将实现用于管理粮食和农业系统的高级分析。此前，粮食和农业系统收集了大量数据，但苦于没有有效使用数据的正确工具。研究实验室和该领域中生成的数据以非连接方式进行维护，因此无法通过集成来生成见解。能够更快地收集、分析、存储、共享和集成高度异构的数据集的能力，被强调为提升食品和农业研究及知识应用的重要突破机会。这将极大地提高我们对复杂问题的理解，并最终促进近实时数据驱动的管理方法的广泛使用。
基因组学和精准育种
随着基因编辑技术的出现，有针对性的遗传改良可以以传统方法无法实现的方式对植物和动物进行改良。通过将基因组信息、先进育种技术和精确育种方法纳入常规育种和选择计划，可以精确、快速地改善对农业生产力和农产品质量有重要影响的生物性状。这种能力为培育新作物和土壤微生物、开发抗病动植物、控制生物对压力的反应，以及挖掘有用基因的生物多样性等打开了技术大门。应当鼓励并采用其中一些突破性技术，提高农业生产力、抗病抗旱能力以及农产品的营养价值。
选取于2015年4月至2017年3月本院收治的90例OSAHS患者作为本次研究对象,根据患者夜间7h呼吸暂停通气指数(ADI)分为三组,分别为轻度组、中度组及重度组每组各30人。选取同时期门诊健康体检者30例作为对照组。
例如，科学家对番茄代谢组进行了有效修饰，以增强口感，营养价值和抗病性，并成功引入了对猪繁殖与呼吸综合征病毒的抗性，从而有效地靶向了猪基因组。这种能力为驯化新作物和土壤微生物，开发抗病家畜，控制生物体对压力的反应以及为有用的基因挖掘生物多样性打开了大门。同样，通过基因编辑工具在作物中掺入必需的微量营养素或其他与质量相关的性状，可提高食品质量和货架期，增强营养，减少粮食损失和食物浪费。这些技术也适用于食用动物，遗传改良的可能目标包括提高繁殖力，去除过敏原，改善饲料转化率，抗病性和动物福利。
微生物组与农业
报告还提出，应加快研究微生物组与农业的相关性，并利用该知识来提高作物产量，转化饲料效率并增强对压力和疾病的抵抗力。通过近年来大量的研究报道，我们知道了人体微生物对身体健康的重要性，相比而言我们对农业中土壤、植物和动物的微生物组及其影响还不够了解。我们要更好地了解土壤、植物和动物微生物群之间的分子水平相互作用，通过改善土壤结构，提高饲料效率和养分利用率并增强对压力和疾病的抵抗力来彻底改变农业。随着探测农业微生物群落的工具越来越复杂，未来十年的研究有望使它们在农业生产力和复原力中的作用越来越清晰。例如，了解动物中的微生物组可以帮助更精确地调整营养比并提高饲料效率。知道哪些微生物或生物群落可能对感染具有保护作用，可以降低疾病的发病率和严重性，从而降低损失。为了确定微生物的参考数据库，研究工作已经在进行，在植物科学中正在建立以工程学为重点的研究课题。这对确保全球范围内可持续的作物生产至关重要。