德国生物经济中的高新技术

　　中国科协创新战略研究院 编译

　　2016年12月26日

　　生物经济的发展很大程度上依赖于先进的科学技术。分子生物学、生物化学、植物工程、设备工程和信息技术等学科的有机结合奠定了生物经济的高新技术基础。本报告主要介绍了不同学科创新成果的结合在德国生物经济中产生的广阔发展前景。

　　一、快速高效的现代育种技术

　　近几十年来，分子遗传学取得了巨大进展，特别是大量模式植物基因组的破译使复杂庞大的植物基因重组成为可能，这将大大降低育种成本，提高育种效率。这些基因组数据库为构建精细的遗传图谱提供可能，遗传图谱能够支持育种者更快速有效地利用分子标记辅助育种技术来选择目标性状，可作为鉴别亲本亲缘关系、杂种后代选择及品种纯度鉴定等各个育种环节的辅助手段。对于农业动植物育种而言，可以有效减少人工成本和时间成本。

　　转基因技术突破了远缘物种无法杂交的难题，能够将控制目标性状的基因片段插入到动植物基因组中，实现更优化的育种目标。目前，由于欧盟成员国中有声音强烈反对转基因作物的商业化，只有个别欧盟成员国种植了转基因作物。然而，转基因作物的种植正在世界范围内不断增加，如美国、巴西、加拿大和阿根廷等。在欧盟以外的国家，棉花、大豆、玉米、水稻、油菜、甜菜、马铃薯、南瓜、甜瓜、番木瓜、番茄、甜椒、萝卜、李子、苜蓿、杨树等已经获得转基因作物种植批准，这个列表在未来几年将持续增加。目前，全球范围内约80%的大豆和70%的棉花都由转基因而来。

　　二、农业生物多样性保护

　　在传统育种中首次选择植物或动物种类时，通常只有少数种类被驯化并被继续选择用于后续的育种过程。德国联邦农业和粮食署发布的报告称，德国目前只有11种牲畜物种构成牲畜繁育的基础物种。此外，在受《动物育种法》保护的74个驯化品种中，52个品种(来自五大物种)已濒临灭绝。进一步假设认为，国际上75%的栽培植物的遗传多样性已经丧失。

　　在此背景下，育种者和生物学家已经开始构建种质资源库以保证遗传多样性。例如，德国植物遗传与栽培作物研究所构建的基因多样性文库包含收集到的来自世界各地作物的近145,000份种质资源，其中仅大麦的种质资源就有20,000份。此外，还有德国联邦食品和农业部资金支持构建的野生和观赏植物基因库和德国牲畜基因库。

　　三、自动筛选表型技术

　　基因型检测一般只能揭露动植物的部分遗传构造。因此，现代育种需要进一步观察表型，以揭示内部遗传信息如何决定表观性状。这对于植物育种者而言非常重要，可以用于研究植物与其环境的交互作用。研究者已经建立表型平台以便能够分析大量的植物，该平台可以根据特定性状指标大范围内自动筛选植物。最终实现利用非侵入性技术完成大量植物表型无损筛选的理想化应用。

　　这种自动筛选表型技术是获得新的育种和农业实践的关键，对于生态研究也有重要意义。在这些表型数据的基础上，计算机辅助技术和智能算法可以在一定程度上对育种结果进行模拟和预测。基因组研究、表型与育种三者之间的密切联系有助于构建未来的农业制度，将成为德国生物经济未来发展的基石。这一向可持续农业方向发展的项目将由德国联邦食品和农业部和德国联邦教育与研究部提供资金支持。

　　四、农田上的智能技术

　　对于农作物种植业和畜牧业来说，高新技术不仅在动植物育种中发挥重要作用，而且在工厂、设备以及机器工程上的创新也越来越多地进入农业生产领域。精细农业是把最新的自动化农业技术与传感器和数据处理系统相结合，确保生产能够以需求为驱动，进行可持续管理并最优应对农业生态系统的波动。在一处农田或者牧场中，农业管理措施可以通过农业器械进行智能操作，能在减少环境负担的同时有效提高肥料和饲料的利用率。

　　现今，德国许多农用拖拉机都应用了先进的技术，如传感器技术、计算机和卫星导航等。可记录作物生长情况，结合测量和定位信息，获得植物的营养需求并计算所需肥料用量。先进农业的特点是不仅有各种智能化的农田机械，而且它们之间可建立紧密的系统联系。在畜牧业，高新技术工具也十分常见。先进传感器可以精确检查动物的健康状态，帮助农民更快地为牲畜进行疾病的诊断和治疗。

　　五、生物学与工程学的融合创新

　　除了动植物之外，微生物和细胞以及从它们身上获得的代谢产物也构成了生物农业经济的基本板块，已被广泛用于微生物工厂生产燃料、药物以及化学制品中。工业和商业领域将对微生物、细胞和酶的多样性利用称为工业生物技术(或白色生物技术)。越来越精确的分析和实验室技术能够追踪和监测到微生物自身的生长代谢过程。在生物工厂的生产过程中，需要大量关于微生物和细胞应用的生产和工艺工程方面的专业知识，而这也是目前广泛研究的重点。

　　在生物经济的生产系统中(包括沼气植物、水产养殖、生物炼制)，系统循环结合了材料和能源的应用，或者采用了创新的回收技术。所有技术难题的攻克不仅需要工程技术和植物工程的专业知识，而且要有分子生物学基础。德国联邦教育与研究部资助的大量科研项目集中于这一领域的研究和开发，尤其适用于中小企业和缺乏生物生产过程经验的企业。

　　六、智能结合创新材料

　　生物经济快速发展的根本动力来源于材料科学和生产工程。例如，材料学家已经把传统未加工的木头转化成为一种能满足现代高层建筑需求的高技术材料，这种材料表现出类似于钢筋混凝土的物理特性。新材料的合成说明生物材料可以有效地与传统石油材料结合。混合产品和复合材料的生产也能节约能源、减少二氧化碳排放，促进生物塑料的发展。

　　利用高新技术将可再生的原始材料创造出高级的建筑材料和中间产品，这为石油化学工业中将其他来源的物质结合提供了可能性。在生物经济的研究发展过程中，应将基于生物的高新技术逐步整合到现有的基础设施中。

　　联系人：高晓巍

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