【战略前沿】2030科学突破推进粮农研究(摘译)
来源: http://nap.edu/25059
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2018-09-27

摘要

1. 前言

近一个世纪以来,科学进步已经推动了美国农业进步,使美国的生产者能够为国内提供安全而丰富的食品,并在大宗和高价值农产品和粮食方面产生贸易顺差。但是,当今,美国粮农企业面临着严峻挑战,这将考验其长期的可持续性、竞争力和快速恢复的能力。在当前的发展道路上,美国农业系统的未来生产力可能需要进行权衡取舍。农业的成功与自然系统息息相关,这些自然系统显示出受到胁迫的迹象,随着气候变化的发展,这种迹象会更严重。水资源短缺、增加的异常天气、洪水和干旱等是粮农生产受胁迫的一些例子。超过三分之一的食品不是被消费掉的,在全球粮食需求上升之际,这是一种难以接受的食物与营养损失。依靠增加粮食肉类生产来满足对食品的需求,将排放更多的温室气体并产生多余的动物粪便。总体上,美国的食品供应是安全的,但却无法躲避持续爆发的食源性疾病所造成的高昂代价和致命冲击,也无法避免病虫害对农作物、家畜和家禽的持续威胁。美国的农民和生产者处于第一线,需要更多工具来应对他们所面临的压力。

在未来十年,如果一切照旧,对美国粮农企业的压力不太可能通过农民、市场、供应商投入或当前公共与私营部门的研究工作来解决。那种主要集中对复杂影响(一些来自生物和自然方面,另一些来自人为影响)进行增量修复(译者注:只修复或解决局部问题,而非彻底解决问题,或头痛医头、脚痛医脚)的方法,无法使用简单的途径解决。食品系统庞大、复杂并且相互并联。所谓的“棘手”问题——有许多相互依赖的因素使其难以确定或解决的问题——需要一种完全不同的途径来了解和揭示的解决途径,而这些解决途径只有在突破传统粮农学科界限时才能找到。需要从更广阔的视角为优化粮农系统提供更好的观点。要获得这种视角,意味着需要重新构建问题,使用新兴工具来识别和解决干预系统的关键点。

本报告确定了使美国粮农系统更高效、更有恢复力和更可持续发展的相关创新与前沿科学进展。为加速实现这些目标,美国国家科学工程和医学科学院任命了一个特别研究委员会,在《任务陈述》[1]指导下,在跨所有学科领域中探索相对前沿的科学进展。该委员会确定了可能对粮农系统产生最大的积极影响最有希望的科学突破,并且这些可能在未来10年(到2030年)实现。本报告中概括的机遇,突出了粮农科学未来创新的新途径。

2. 2030研究战略

2.1 主要目标与关键研究挑战

在研究过程中,委员会与科学界成员展开讨论,确定粮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遇。在接下来的10年中,粮农研究的主要目标包括:(1)提高粮农系统的效率;(2)提高农业的可持续性;(3)提高农业系统的可恢复性,以便适应快速的变化和极端条件。这些目标源于粮农科学家确定的关键研究挑战的共性,其中包括:

l  提高作物生产系统的养分利用效率;

l  减少土壤流失与退化;

l  调动遗传多样性来进行作物改良;

l  优化农业用水;

l  改善食用动物遗传学;

l  发展精准畜牧生产系统;

l  动植物疾病早期快速发现与预防;

l  食源性病原体早期及迅速检测;以及

l  在整个供应链中减少食品损耗与浪费。

2.2 融合

过去,受制于实用性和更容易管理等相关因素,人们更通常在给定的空间或学科中查找问题,而且这种方法能有效地在需要专门知识的领域中解决一些特定问题。而今天,要解决最具挑战性的问题,迫切需要以综合的研究途径利用整个科技企业的能力。2014年国家研究委员会报告《融合:促进生命科学跨学科综合》将融合描述为:

一种解决问题的途径,跨越学科界限并整合关于生命与健康科学、自然、数学以及计算科学、工程学科等领域的知识、工具和思维方式,形成全面的综合框架来应对存在于多领域交互的科学与社会挑战。

这意味着,融合不同的专业领域将同时激发基础科学发现和转化应用领域的创新。需要进一步扩大粮农研究,以利用数据科学、材料科学和信息技术的新进展。此外,由于粮农系统既属于人类系统,又属生物自然系统,综合社会科学(如行为科学和经济学)以正确构建问题及其解决方案空间至关重要。

2.3 科学突破与建议

委员会确定了五大突破机遇,可以大大提高粮农科学的能力。随后的建议需要研究界在如何开展工作方面有所转变,并且对每项突破的举措都需要强有力的支持。

跨学科研究与系统途径

突破1:利用一种系统途径来了解粮农系统中各不同要素之间相互作用的性质,以提高整体系统效率、恢复力和可持续性。只有当科学界开始更有条理地将科学、技术、人类行为、经济和政策综合到生物物理和经验模型中,这些主要目标才会取得进展。例如,需要将采用新技术、实践、产品和加工创新的速率和决定因素综合到粮农系统模型中。需要采用这种途径来适当量化资源利用、市场效应及响应的转变,并确定通过科学技术突破可带来的效益。对这些系统相互作用的考虑,对于找到威胁安全和竞争力的粮农挑战整体解决方案非常重要。

建议1:应该优先采用跨学科的科学与系统途径来解决农业最棘手的问题。 解决农业中最具挑战性的问题,需要融合和系统思维来处理问题;如果没有这两者,就没有持久的解决方案。需要推动基于问题的跨学科合作(团队科学),因为对于某些人来说,很难被吸引到其专业知识以外的科学领域。这种转变需要学会在跨学科团队中工作。为了吸引并使来自不同学科的研究人员在粮农问题上有效合作,需要激励措施来支持合作。采用融合途径也将推动新的合作,在各自领域从事不同学科单独工作的研究人员,可能也不会产生这类合作。基于问题的跨学科合作能使新的或各种利益相关方和合作伙伴参与进来,并使粮农部门受益。领导力是确保团队科学成功的关键,因为科学带头人需要一套独特的技能,包括对不同观点的开放性、对大局进行概念化的能力,以及可能最重要的是,将人们凝聚在共同使命周围的才能。对科学家来说,这些品质并不总是天生的,因此提供专业发展机会来培养跨学科模式的领导力非常关键。

已有许多需要跨学科开展工作的项目实例:例如,美国国家科学基金会创新计划在给“食品、能源、水系统关联(INFEWS)” 项目提供的拨款,以及由美国农业部(USDA)“农业与食品研究”项目管理的2018可持续农业系统竞争性资助项目所发出的研究计划提案申请概述。NSF的INFEWS项目以及最近USDA对可持续农业系统的拨款有相对较多的预算,可以支持融合的团队科学。然而,大量需要“跨学科”途径的标准拨款并没有提供足够资金来支持团队科学,因此对跨学科科学的激励仍然缺乏。为了真正实现富有成效的融合,需要财政激励措施来鼓励资助申请人走出舒适区,并在多领域业务专家之间建立深层联系。

传感技术

突破2:精确、准确、可现场部署的传感器和生物传感器的开发与验证,将实现多种粮农学科的快速检测和监测能力。历史上,传感器和传感技术已用于粮农研究中,为某些感兴趣的特征(例如温度)提供点测量,但是,连续同时监测多个特征的能力,才是在目标系统中了解如何及为何发生的关键。材料科学、微电子学及纳米技术等领域的科技进步,有望创造新型纳米和生物传感器,以持续监测环境刺激、以及生物和非生物胁迫的情况。下一代传感器也许还可以彻底改变在动植物疾病症状发作之前的检测能力,在人类病原体进入食物链之前识别它们,并实现近实时的监测与决策。

建议2:创建新举措以更有效地利用现有传感技术,并开发跨粮农所有领域新型传感技术。该新举措将推进整个食品系统开展跨学科的研究、开发与应用。 传感器的属性(如形状、大小、材料、原位或在植物体内、移动、有线或无线、可生物降解)将取决于传感器的目的、应用、持续时间与位置。比如,原位土壤和作物传感器可以提供连续数据馈送,并可能在土壤含水量和植物膨压降至临界水平以下时向农民发出警报,从而开始对一组植物进行特殊位点(site-specific)灌溉,从而无需对整片农田进行灌溉。同样,在植物体内的传感器可以量化由害虫或病原体引起的植物生物化学变化,在可见的感染或损害发生之前警告生产者,以便实施直接定点控制策略的计划与部署。食品生物传感器可指示产品掺假或腐败,还能提醒经销商和消费者采取必要的行动。

数据科学与粮农信息学

突破3:数据科学、软件工具及系统模型的应用与综合,将实现粮农系统管理的先进性分析。粮农系统收集了海量数据,但尚无合适的工具来有效地使用。在研究实验室和田间产生的数据以互不联系的方式进行维护,从而无法从其综合中获得洞见。数据科学与分析的发展与应用,被强调为提高粮农研究和知识应用的一个重大突破机遇。更快速地获取、分析、存储、共享以及综合高度异构数据集的能力,将为极大提高对复杂问题的了解,并为最终广泛使用近实时、数据驱动的管理方法创造机遇。

建议3:制定新举措以培育新兴的粮农信息学,在粮农研究中推进对信息技术、数据科学和人工智能的采用与发展。最大化从大型研究数据集中获得知识和利用,需要实施战略性的努力,在粮农系统中提供更好的数据访问、数据协调和数据分析。需要解决如何处理跨时空、高度异构的大型数据集带来的挑战。需要建立数据标准,并且大量数据需要更易查找、可互操作和可重用等特性。需要提高数据处理速度,开发快速评估数据准确性的方法,并为开发和推广粮农信息学能力提供支持,包括用于在动态变化条件下实时建模应用程序的工具。

区块链和人工智能,包括机器学习算法等技术,对尚未充分开发的粮农系统的独特需求来说很有前景。先进分析途径的发展,例如用于自动化快速表型分析的机器学习算法,需要更好的平台来研究食品系统中各种组分如何相互作用。应用这些途径将需要进行基础设施投资,以存放大量记录,以及通过将这些记录综合起来的手段,有效用于决策制定的目的。要实现这些机遇的潜力,需要融合许多学科的专业知识。

2.4 有前景的研究方向

 

委员会探讨了重要研究方向,以按学科或类别解决关键研究挑战。其中,最有前景的研究方向为表S-1中描述的方向。这些被选为重要机遇,是因为它们有转变粮农的潜力,而且因为新的科学发展使其可能在短期内实现。尽管这些研究方向具有聚焦的目标,但这些研究方向针对研究挑战的更广泛目标是相互关联的,可以协同推进。前文所述的突破新举措将促进表-1中的研究方向取得成功。

 

S-1:按学科或类别的研究方向建议

作物

1、继续开展基因解剖(genetically dissect),然后通过使用传统遗传方法和靶向基因编辑,引入需要的性状,并从作物植株中去除不需要的性状。

2、通过开发快速转化和再生技术,实现所有农作物的常规基因修饰。

3、通过发展新型传感技术,监测植物的胁迫力和养分;通过探索纳米技术、合成生物学以及植物微生物群的应用,使植物能更好地应对环境挑战(热、冷、干旱、洪水、害虫、营养需求),从而开发出能够只在需要时才开启或关闭某些功能的动态作物(dynamic crops)。

畜牧业

1、通过开发和使用传感技术与预测算法,使用数据驱动途径实现更佳的疾病检测与管理。

2、通过使用与田间表型连接的基因测序大数据,结合基因组学、先进繁殖技术和精准育种技术,加速畜牧业、家禽和水产养殖群的可持续性特征(如繁殖力、改善饲料转化率、福利以及抗病性)的遗传改良。

3、确定可持续性和动物福利的客观衡量标准,如何将其纳入精准畜牧系统,以及社会科学如何把这些科学发现进行传播并解释,来促进消费者更好理解取舍并使他们做出明智的购买决策。

食品科学与技术

1、通过改进加工与包装技术、传感器的设计与功能以及“食品组学”技术(包括基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学)的应用,描述和/或改变食品性状的期许(如化学成分、营养价值、有意和无意污染以及质量与感官属性)。

2、通过开发、优化和验证先进的食品加工与包装技术,以经济高效、同时减少环境影响和食品浪费的方式,提供增强的产品质量、营养保持、安全和消费者吸引力。

3、通过利用新型数据分析、数据集成以及高级决策支持工具的开发,支持改进决策,最大限度地提高食品完整性、质量、安全性和可追溯性,同时减少食品的损失与浪费。

4、通过扩展与消费者行为与风险决策相关的知识和实践,增强消费者对食品生产、加工以及食品安全处理等方面创新的了解和接受程度。

 

土壤

1、通过采用最佳农艺措施,结合使用新型传感技术、生物战略以及综合系统方法,保持现有肥沃土壤的深度和质量,恢复退化土壤。

2、通过综合新型传感技术、数据分析、精准植物育种以及土地管理实践,显著提高并优化养分利用效率(尤其是氮)。

3、通过识别和利用土壤微生物群落的能力生产养分,提高养分生物利用率并提高植物对环境压力和疾病的恢复力,创造更高产和可持续的作物生产系统。

4、通过融合土壤科学、技术采用以及社区参与,改善向农民转让技术与实践,以减少土壤流失。

用水效率与生产率

1、通过在综合系统中实施多种节水技术,提高用水效率。

2、通过应用规范分析管理水资源,降低用水量。

3、通过改善植物和土壤特性来降低用水需求,提高用水效率。

4、通过使用受控环境和替代水资源,提高水资源生产力。

数据科学

1、通过构建一个稳健的数字基础设施来加速创新,包含建筑物并提供FAIR(可查找、可访问、可互操作和可重复利用),以及对粮农数据的开放访问。

2、通过采用并影响粮农研究中数据科学和信息技术的新发展,制定粮农研究中的数据科学战略,培育新兴的农产品信息学领域。

3、通过投资匿名化、价值归因及相关技术,解决隐私问题,鼓励在粮农企业中共享公共、私人和联合数据。

系统途径

1、确定改善食品系统综合系统模型和决策支持工具的性能及采用的机遇。

2、将系统思维和可持续性等要素融入到食品系统(从教育到研究再到政策)的各个方面。

 

3. 进一步考虑

由于还有其他因素有助于粮农业研究取得成功,仅靠科学突破并不能使粮农研究转型。毕竟这些因素包括研究基础设施、经费以及科研人员队伍。其他的考虑因素包括各种途径的社会、经济以及政治产出。

3.1研究基础设施方面的考虑

 

结论1:需要对工具、设备、设施及人力资本进行投资,以开展粮农领域的前沿研究。以一种连贯的方式解决农业最棘手的问题,将需要投资研究基础设施来促进粮农业研究的多学科融合。这些可能包括用于实验的物理基础设施以及能够共享想法、数据、模型和知识的网络基础设施。需要对知识基础设施进行投资,培养一支能在跨学科团队中以融合方式开展工作的队伍。还需要建立机制,促进建立公私伙伴关系并使公众参与粮农研究。

结论2:农业实验站网络和合作推广系统应得到继续支持,因其对基础研究和应用研究至关重要,在粮农部门把研究有效地转化成有影响的成果很有必要。农业科学以基础科学为基础,但着眼于应用;历史上,这一观念得到州农业试验推广站的推动,也得到扩张和宣传推广工作的推动。具有这些功能的人员和设施使科学家能够将基于实验室的研究结果转化为最相关的实际产品和工艺,最终传达给关键利益相关者和最终用户。这些利益相关者包括工业、监管机构、农民与牧场主以及公众。认识到科学家需要与利益相关者合作,并将基础研究转化为有益和适用的结果来造福社会,这是农业科学的基本价值。通过提供资源来认识和加强这一价值,对于将农业科学突破融入日常生活结构至关重要。

3.2 经费方面的考虑

结论3:目前用于粮农业研究的公共和私人经费不足,难以解决未来10年的关键突破领域。迅速增长的对食品安全与健康的新兴需求,值得国家优先考虑并为之提供应对未来10年复杂挑战所需的经费。 如果一个稳健的食品系统对于确保国家健康和福祉至关重要,那么在公共和私营部门的经费分配中,应对将此作为优先事项有所反应。

过去一个世纪期间,粮农研究的公共经费对美国有才华的科学家开展基础科学研究并提供改善食品与农业的创新解决方案至关重要。然而,在过去10年中,美国已不再是全球公共农业研究与开发(R&D)的最佳表现者。除非美国扭转这种趋势并进行投资,否则美国在农业增长方面将落后于其他国家。2017财年(FY),美国国立卫生研究院(NIH)拨款182亿美元用于竞争性研究经费,而比较USDA仅获取拨款3.25亿美元用于竞争性研究经费(不到NIH金额的2%),这一预算还不到国会批准的一半。因此,目前用于粮农研究的联邦资金水平如此的不足。需要突破性的科学技术来帮助粮农业企业在未来发展壮大,这将需要大量投资。还需要更多的努力来维持协调与合作水平,解决日益综合、扩大和富有远见的研究问题,确保未来的安全与竞争力。

虽然私人研发不能替代公共研发经费,但私人基金和行业可以提供一些研究经费,补充美国农业创新体系中的公共经费。创新的商业模式可以更广泛地用来吸引研究人员。例如,为科技行业界的创业公司提供风险投资十分普遍,也正为粮农研究提供创纪录的投资源。有些新的资助研究并实施由研究引起创新的机构与机制,提供扩大经费(如粮农研究基金会)的潜力。然而,仅靠这些资源不足以实现本报告中提出的目标。为了使美国农业企业能够充分利用目前正被许多其他行业(如传感技术、无线通信、机器学习)积极开展的综合、扩张性和高瞻远瞩的研究工具,现在需要对重大投资作出承诺,以确保其在粮农方面的相关应用。

3.3 教育与科技人才

结论4:需要努力恢复对粮农研究的兴趣来吸引非农业专业人士参与并激励下一代学生。有大量机会供非传统农业专业人员参与到粮业领域中来。然而,他们的参与可能存在障碍,例如,一些误解包括对农业技术复杂程度,以及缺乏建立跨学科农业研究团队的持续经费,这些团队包括非农业专业人员和来自其他学科的科学家从事粮农业科学工作。一支强大的粮农研究队伍需要人才,他们精通食品系统所面临的挑战,同时还了解用突破框架的思考发现创新机会。招募人才从事粮农研究,需要证明并转变对粮农研究可以创新的看法。

3.4社会经济贡献及其他考虑因素

结论5:需要更好地了解生物自然科学和社会经济科学之间的联系,以支持粮农部门开展更有效的政策设计、生产者采用及消费者接受创新。科学创新在该领域的成功应用取决于利益相关者成功应用和使用新产品和新工艺的意愿和能力;还取决于他们是否将高科技、特殊地点途径(site-specific approaches)视为对经济或生态有益。在公共和私营部门的双重投入下,迫切需要更好了解在生产过程中有效技术开发和综合的最佳手段与方法。为了支持研究创新政策的有效设计和应用,需要更好地了解与技术创新的采纳和利用有关的政治经济、行为与选择过程以及对新产品的接受与感知。例如,来自遥感设备的数字信息可以输入到新型决策支持系统中,帮助农业劳动者作出关于田间操作或动物处理的选择。 然而,这些劳动者需要足够的培训和积极性,来应对预期和意外的结果、以及不确定性(如动物对治疗或极端天气事件的反应)。行为科学的经验可能有助于支持行为改变及培训需要。

科学进步的成功实施还需要考虑其他重要因素。关于土地或投入使用、环境影响、动物福利以及食品处理加工的政策,会对农业与食品可持续性产生重大的短期与长期影响。某些政策或技术变更可能会在系统中产生意想不到的后果,需要对系统交互作用进行仔细检查,包括与采纳和利用新输入、产品及工艺相关的人类行为。来自行为科学的见解有助于为政策设计提供信息并降低转变成本,提供该领域技术采用信息(如生态保护设计或面耕法应用,或向消费者提供产品信息),并解决产品认可和消费者对食品系统的信任问题。

4. 结束语

在历史上这个关键时期,全球不断扩增的人口从日益脆弱的自然资源基础上得到更多需求,如今,食品与农业比以往任何时候都更需要科学突破。作为世界上最大的农业生产国,美国承担着实施科学进步来支持国家福祉与安全,甚至全球稳定的巨大责任。美国科技企业愿意应对这些挑战,本报告中确定的工具和资源可确保其成功。

引用建议:美国国家科学工程医学院,20182030科学突破推进粮农研究》。 美国科学院出版社,华盛顿特区。

DOI https://doi.org/10.17226/25059

 

 

原文题目:Science Breakthroughs to Advance Food and Agricultural Research by 2030

资料来源:http://nap.edu/25059

 

(黄铭瑞,王化编译,殷永元审核)

 


[1] 任务陈述详见本报告原文第一章表1-2。