本文节选自华高莱斯“技术要点”系列丛书《产业新赛道之农业振兴》。
一、种业：经国之大业，不朽之盛事
中国作为农耕文明历史悠久的大国，早在数千年前就关注到育种对于农业生产的重要作用。
▲中国的农耕文明历史悠久
西周时期，我国已有“嘉种”（良种）的概念，并且提出了产量高、品质好和熟期适宜的选种目标；秦汉时期，已开始采用田间穗选和干燥防虫的种子贮藏技术；魏晋南北朝时期，我国已培育出一大批各种作物的优良品种。《康熙几暇格物编》中也记载了康熙皇帝关于育种的见闻，康熙皇帝就曾表示“想上古之各种嘉谷或先无而后有者，概如此”。这也足以见得，育种历来受到国家政府的高度关注。
种业发展到今天，更是肩负着国家重大的战略意义。发展种业，是实现我国粮食安全、经济发展、供给多样三者协调发展的命脉所在！
▲育种
自2010年国务院发布《关于加快推进现代农作物种业发展的意见（2011-2020年）》首次明确“农作物种业作为国家战略性、基础性核心产业的地位”以来，种业发展始终备受关注，是我国实现粮食安全的根本保障。
2020年中央经济工作会议和中央农村工作会议强调：种子是农业的“芯片”，要“打一场种业翻身仗”，开展种源“卡脖子”技术攻关。2021年中央一号文件再次提出“打好种业翻身仗”，明确了种业的基础性、战略性地位；同时，也是全面实现乡村振兴、农业现代化的重要内容。
要保障国家粮食安全，必须从市场角度破解当前农业发展的“鸡肋”局面，提高农业效益和农民积极性。2019年，全国农业增加值占GDP的比重仅为7.1%，而在北京、上海等超大城市，农业增加值占地区生产总值甚至不足1%，农业对于城市发展的贡献十分有限！
只有改变“靠天吃饭”的局面，通过选育高价值作物，提高单位面积的农业产业附加值，才能改变当前局面。
▲粮食种植
尽管目前我国农作物自主选育品种面积占比超过95%，水稻、小麦两大口粮作物品种100%做到了完全自给，蔬菜种子自给率已达到87%，但是种业发展还存在着不容忽视的短板弱项。这是因为随着改革开放40多年来，我国居民生活水平的提高和农产品供给的多样化，居民对于农产品消费有了更高的需求。
*党**的十九届五中全会也强调，要保证粮、棉、油、糖、肉等重要农产品的供给安全。这为种业的国产自给提出了更高的要求，然而当前还存在短板：种子质量的差距导致了“国产蔬菜种子按斤卖，洋种子按粒卖”的残酷现实处境。
正如从日本进口的一种耐寒性好的西蓝花品种，10万粒包装的种子在2015年卖3500元，而到2017年就涨到2万元，但在这两年间国产种子的价格没有太大变化。
而随着动物性蛋白食品比例持续增加，我国对于牧草的刚性需求也在不断增加，但对于牧草品种的选育工作迟迟无法取得重大突破，我国的高质量牧草品种培育十分紧迫。“牧草种业成为我国食物供应安全和乡村振兴战略的堵点产业之一。”
▲牧草种业成为我国食物供应安全和乡村振兴战略的堵点产业之一
二、育种4.0：“智能”育种带来革命性突破
种业作为“国之命脉”，步入4.0时代，先进科技的应用将不断加速新的作物品种的选育，为我国打赢种业翻身仗创造了更大可能。在此之前，世界种业发展已经历了3个阶段。
在1.0阶段，主要依靠对作物表型变异的肉眼观察，凭借耕作者的经验和主观判断，筛选符合期望的育种材料。在2.0阶段，随着人类对生物遗传规律的认知，及其在育种中的应用，职业从事育种的人可以通过预先设计杂交试验选育新品种。
▲育种
在3.0阶段，随着现代分子生物学与基因工程的快速发展，高通量测序与芯片平台的出现，使全基因组选择辅助育种技术在作物育种中逐步应用起来，人类的育种研究实现了从对作物表型观察的感性认知到对影响性状的微观DNA结构理性分析的巨大飞跃。
进入21世纪第二个10年，随着全球人工智能技术、基因工程技术、生命科学突飞猛进，育种进入“按需定制”时代。2018年年初，美国康奈尔大学玉米遗传育种学家、美国科学院院士Edwards Buckler教授正式提出“育种4.0”的理念。
在育种4.0阶段，强调的是生命科学、信息科学与育种科学的深度融合。科学家通过针对动植物的特定性状或功能所对应的基因进行编辑，人为“改良”出新的作物品种，并且培育周期可以缩短至一年或数月，甚至实现在短时期内快速驯化出新品种为人类社会所用。
袁隆平院士曾说过，“分子技术与常规育种结合如虎添翼。4.0时代的作物基因组智能设计育种，将推动育种技术实现从“艺术”到“科学”再到“智能”的革命性转变。”
不仅如此，4.0时代智能育种所采用的基因编辑技术，与3.0时代的转基因技术有着本质的不同。转基因技术是将人工分离和修饰过的外部基因导入目的生物体的基因组，从而改造物种的性状，以达到抗虫、抗病、抗除草剂等目的，本质上是“创造”新物种的过程。
▲育种
而基因编辑技术可以做到不转入外源基因，只是通过使用CRISPR-Cas9或锌指核酸酶（ZFN）等技术对生物体内部存在的“不良基因”进行修饰，达到去劣存优的目的，本质上是“改良”或“重塑”原有物种的过程。
正是由于不涉及转基因，基因编辑的作物品种在审批上有更大自由度，国际上对此监管也普遍更宽松。美国农业部（USDA）在2018年做出决定，对采用CRISPR基因编辑技术繁育的农作物不进行审查管制，截至2020年年底，美国已经批准了超过70种基因编辑作物。
2021年，日本也批准了一种基因编辑番茄的商业化生产和食用，该品种可增加γ-氨基丁酸含量，食用后有稳定情绪的作用。在国内，已有袁隆平院士团队采用CRISPR技术筛选出新一代抗镉超级稻；中国科学院高彩霞研究员将抵抗*粉白**病的基因引入小麦等成功案例。
因此，在4.0时代，借助合成生物学、基因编辑技术及人工智能、大数据等跨界技术的融合应用，种业发展出现由随机向定向、可设计的革命性转变，品种“按需定制”成为现实。并且，新技术下育种周期大大缩短，将为我国的农产品新品种选育创造绝佳机遇，有助于尽快摆脱“卡脖子”的束缚。
本文仅从植物育种领域触发，浅析城市种业的新赛道。
三、科技造就城市种业3大新机遇
智能育种时代为农业的物种重塑奠定了坚实的科技基础，种业发展迎来了前所未有的重大机遇期。
当前，除海南省、甘肃省、四川省这三大国家级育制种基地外，已有武汉、新乡等城市提出建设“中国种谷”，长沙、广州等城市也提出建设“种业硅谷”。另有一些城市针对特定领域提出建设目标，如三明打造“稻种硅谷”，寿光打造“蔬菜种业硅谷”等。
▲山东寿光是我国重要蔬菜生产基地
那么，对于我国众多希望入局种业发展的城市而言，应当如何根据自身发展条件，选择合适的切入点实现产业布局呢？
从产业链条来看，智能育种对于种业发展的提升，不仅限于技术层面，而是对于农产品“生产-监测反馈-消费”的全过程提升。具体来说，智能育种将在生产端促进农业研发与生产的传统优势地区加速发展，加快其新品种的研发和应用推广进程。
同时，基因编辑技术能够保障消费端对于农产品（如口味、功效等）诉求得以实现，从需求侧反向牵引新品种的推出。此外，智能育种对于物联网、云计算、人工智能等数据科学的需求，为数据类企业在监测环节跨界进入农业领域拓展了全新的渠道。
1.新品种迭代加速——智能育种加速品种研发
智能育种精准定向、周期短的特点，将进一步放大农业传统优势地区的领先地位，加速其改良新品种进入市场的速度。
具体来说，将为三类地区的种业发展带来利好：
第一，促进种质资源丰富地区兑现自身的产业价值。
以核心种质为重点的基因产品知识产权，已经成为跨国种业公司保持市场竞争优势的有力*器武**。猕猴桃和奇异果，正是种质资源知识产权竞争的典型案例。
猕猴桃本是我国本土水果品种，但此前国内并未有对于其种质资源保护的意识。1904年，猕猴桃的种子由湖北宜昌引至新西兰，此后四川的野生猕猴桃种质资源也被国外引进，最终，猕猴桃经新西兰育种改良后，以“奇异果”的身份实现商业化开发，在国际大放异彩。
▲猕猴桃种植
如今，新西兰佳沛奇异果销售市场遍及全球70多个国家和地区，占全球奇异果市场总销量的33％，高居世界第一。然而，国内直到20世纪90年代才意识到猕猴桃作为本土水果品种的价值，选育出蒲江“金艳”等品种，方才与新西兰奇异果开展竞争。
在国际上，秘鲁CIP国际马铃薯研究中心正是依靠马铃薯种质资源，在新品种选育方面引领世界种业发展的杰出案例。该中心依托安第斯山地区丰富的马铃薯种质资源，建设起世界上最大的马铃薯种子和基因资源库，存有马铃薯、红薯等根茎植物样本2万多份。依托基因库的种质资源，中心进行新品种培育，以研制抵抗病菌能力更强的马铃薯品种，并且无偿向世界各国输出。
我国如云南农科院经作所马铃薯研究中心所保存的国内外马铃薯品种资源1170份中，来自国际马铃薯中心的资源是云南省育成品种的主要亲本来源。在近10年云南省审定的44个品种中，国际马铃薯中心亲本血缘的品种就有27个，占61.4%。
▲马铃薯种植
如今，种质资源保护已经受到我国国家层面的高度重视。2021年7月5日，最高人民法院发布《最高人民法院关于审理侵害植物新品种权纠纷案件具体应用法律问题的若干规定（二）》（2021年7月7日起施行），明确了裁判规则，加强了种业知识产权保护，并针对当前种业领域侵权、*牌套**等突出问题，形成高压严打态势。
各地城市政府也开始积极抢占种质资源的战略高地，如在西部科学城（重庆），种质创制大科学中心已启动建设，将着力打造规模化创制设施和生物育种科学中心。借助智能育种的先进技术，种质资源丰富或拥有特殊种质资源的地区，必将迎来种业发展的春天。
▲重庆西部科学城
第二，农业锚机构对地区的牵引作用更为明显。
在育种更加依靠科技创新带动的时代，农业院校集中的大城市无疑更具优势。而在中小城市中，无论是美国加利福尼亚州的“农业硅谷”戴维斯，还是我国的“种业硅谷”杨凌等，这些拥有顶尖农业科研院所（锚机构）的区域将迎来科研成果的井喷期。
只有创新才能吸引创新。农业锚机构的存在，会持续促进形成有利创业的创新生态系统，以及建立公司所需的公共研发设施。而由于区域知识基础设施和人力资本固定投资的“黏性”，相对于信息，知识更不容易在不同地点之间转移。锚机构的强大聚集力将在未来更为有力地决定新兴农业生物技术创新区域的位置。
以美国加利福尼亚州的戴维斯为例，它虽然仅是一个人口6.5万的小城，但依托坐落于本地的世界知名农业学府——加利福尼亚大学戴维斯分校，不少农业科研机构和农业高新技术公司聚集在戴维斯，使这里被称作“农业硅谷”。
▲加利福尼亚大学戴维斯分校
戴维斯分校植物科学系教授肯特·布拉德福德于1999年牵头创立了“种子生物技术中心”。如今，该中心已是植物繁殖和育种领域的领先研究机构，为美国和其他一些国家的种子行业贡献了许多成果，包括基因改良育种等先进技术。世界上第一种获准商业化种植的转基因农作物，一种延熟保鲜的转基因番茄，就是一家名为“卡尔基因”的企业，在戴维斯分校研究人员的帮助下研发出来的。
“在戴维斯分校周边地区，有50多家种业公司，如果算上再远一些的地区，大约有150家，其中包括美国最大的9家种业公司。”
第三，能够成就有基础并且有意向的地区抢占种业高地。
四川攀枝花虽然地处亚热带地区，但依靠自身干热河谷小气候的特殊优势，非常适宜热带水果种植，是我国热带水果的重要产地。
▲攀枝花
目前，攀枝花热带水果的种植面积达到了70万亩，其中以芒果为主，达到51万亩，其他种植面积大的有樱桃4万亩，枇杷3.2万亩，石榴1.2万亩。以芒果为例，目前主要通过引种筛选、杂交育种、诱变育种来进行新品种选育，而在攀枝花农林科学研究院里还有多达25科、100多种热带水果没有进入规模化种植阶段。未来智能育种将加快适宜本地气候生长的热带水果品种培育。
▲攀枝花芒果
湖南常德西湖牧业小镇则是没有本地基础，由牧业发展起牧草育种及种植产业的成功案例。在2013年，湖南德人牧业集团落户常德的西湖管理区，从事奶牛养殖。随着企业养殖规模不断扩大，进口牧草的成本制约了公司的发展，西湖管理区政府制定了一系列奖励科研、鼓励人才引进、补贴土地流转等政策支持企业攻关。
2014年，由湖南农业大学草业科学研究所在此引进了8个紫花苜蓿品种，培育出能够适应湖南环境的紫花苜蓿新品种；德人牧业还与中国农业科学院麻类研究所合作，成功开发出蛋白含量高、抗病性强的饲用苎麻新品种。
▲紫花苜蓿
为扶持牧草产业发展，西湖管理区决定利用自身地势平整、土地肥沃的优势在全区推广牧草种植，为农户提供每亩200元的补贴作为鼓励。经过产业扶持，2020年，当地3100多户农户与企业签订了订购合同，种植包括紫花苜蓿、饲用苎麻在内的各类牧草近5000亩，参与种植的农户每户每年增收超过了1万元。2020年，常德西湖牧业小镇和牧草相关的产值已经达到了4个亿，被评为省级特色农业小镇，并在2021年4月11日荣登央视“焦点访谈”栏目从而获得推介。
北京林业大学草业与草原学院尹康权副教授指出：“通过基因编辑技术育种，可以在一定程度上解决牧草育种周期长的问题；基因编辑技术有很好的发展前景，未来将为牧草育种带来一片新天地。”
2.新蓝海商机涌现—— 功能农业育种实现“消费牵引”
以育种实现作物营养强化，并非近年来新生的概念。早在2004年，中国农业科学院就已启动中国作物营养强化项目，目前已培育出20多个富含铁、锌等微量营养素的水稻、玉米、小麦和马铃薯新品种。
但是，传统育种方式，仅能从农作物的生产端进行营养强化，不能实现对于消费者需求的定制满足。随着人们对于农产品的消费从“吃饱”到“吃得安全”再到“吃得健康”迈进，现代都市人迫切需要改善“隐性饥饿”的困扰。
所谓隐性饥饿，是指食物摄入的某些营养过剩而某些人体必需的维生素、矿物质依然缺乏。根据联合国粮食及农业组织资料显示，全球约有20亿人正在遭受隐性饥饿的困扰，其中，中国隐性饥饿人口达3亿。
在智能育种时代，面对都市消费者的隐性饥饿困扰，将迎来功能农业的新蓝海。所谓功能农业，就是通过育种种出具有保健功能的农产品，让农产品中的营养物质从“富含”变为“定向含有”。
▲功能农业所衍生出的保健功能农产品，未来会愈加流行（示意图）
2017年，日本筑波大学通过基因编辑技术成功培育出一种能够预防高血压的西红柿。这项研究着眼于合成西红柿富含健康功能成分γ-氨基丁酸（GABA）的研究，利用基因编辑技术在这种合成酶基因的一部分上导入变异基因，培育成功了富含GABA的西红柿。
韩国早在2008年就已开展对于降糖青椒的研发，并且成功打入中国、日本等市场。该青椒品种自2013年引入我国以来，已在河北鸡泽县、陕西杨凌、四川成都等地成功种植，每斤售价是普通青椒的10倍，而且亩产量更高，大幅增加了农民的种植收益。
我国城市瞄准功能农业，已有湖南桃源、湖北仙桃、河北承德等地围绕富硒农业研发作物新品种。2020年，国家功能农业科技创新联盟以南京国家农创园（南京恒宝田功能农业产业研究院）为依托正式成立。
目前，在四大国家级农高区中，山西晋中农高区也提出建设全国健康食品和功能农业综合示范区的发展目标。从当前提出发展功能农业的市县布局来看，以功能农业为导向的种业发展，将为大都市及周边地区的城乡融合发展带来新机――市场在都市，生产在周边，科创在都市，应用在周边。
3.新渠道跨界入局—— 数据科学开辟种业入局新方式
智能育种对于数据科学的需求，为数据类企业的跨界进入拓展了渠道。数据科学对于育种产业的加持，可沿产业链条概括分为3类：采集端-田间数据、处理端-基因数据、市场端-市场需求数据。
数据科学，已经成为未来生命科学迭代的核心。数据的样本采集量、收集速度、分析处理能力，将直接反馈到研发端，对作物品种培育起到重大影响。
一方面，智能育种时代对于数据科学的高需求表现在大型种业公司向“数据分析公司”的转型。如世界知名农企拜耳作物科学公司，以旗下气候公司为核心，通过数字技术为美洲和欧洲的种植者提供播种、施肥、打药、灌溉、收获等种植全过程的智能决策支持。
拜耳气候公司的Field View数字农业平台，在全球的付费使用面积超5.4亿亩。而拜耳收购的另一大农企孟山都，则通过并购、合作等方式获取了全世界范围内海量的优良种质资源。
▲Field View数字农业平台(climate.com网站截图)
作为种业公司，事实上是通过数据工程师将数十年来各大洲的田间数据、基因数据与市场需求数据整合，形成强大的中央数据库，支撑育种平台翻倍地高速运转，大幅度地提升种质资源的开发和利用。
另一方面，数据科学的跨界催生了一批农业初创公司。正如总部位于美国圣路易斯的Benson Hill公司，首先将其研究积累的植物基因型与表现型之间的关联信息数据建成计算平台，推出了可商用的Crop O数据平台，其只需要几周就可以识别出最具开发潜力的植物基因，并且能通过大数据的运算，预测出基因组杂交后的表型，从而省去进行实物育种所花费的观察时间。
而在每次使用时，Crop OS都能够受到训练并获得提升，通过深度学习变得更加智能。基于Crop OS平台，Benson Hill又上市了基于CRISPR 3.0技术的第一款全基因编辑系统Edit。一言以蔽之，Benson Hill公司证明了“云计算+人工智能+基因编辑=育种行业的革命”。
农业初创公司远不止这一家，从事如物联网现场监控平台、气候天气、数据分析平台、ERP农场、农作物管理软件、现场监测传感器方案等方向的初创企业，正在蓬勃发展。
相比欧美国家，我国的农业数据开放程度较低、时序性短，而数据的短缺尤为致命。在国内，阿里、京东、拼多多、字节跳动、华为等拥有云计算、大数据技术的龙头企业都已经入局，但整体仍处于跑马圈地的阶段，其中农业数据的产生和沉淀能力是未来竞争的关键。
目前，国内的大数据应用显得广而不精，在气象、土壤、GIS影像系统及分析、虚拟现实技术分析及应用等专业化的应用场景方面，仍有很大差距。在这部分稀缺的应用场景方面，将会有大量的新兴企业杀入，而这正是拥有数据科学龙头企业的城市跨界进入农业育种领域的机遇。另外，如同圣路易斯那样拥有农业锚机构的北京、武汉、杨凌等“农谷”，也将培育出众多种业相关的初创企业，成为种业初创企业的聚集区。
▲美国圣路易斯，是农业与生物科技产业的重要城市
综上所述，在种业上升为国家战略，并且国内众多城市纷纷有意布局的时点下，智能育种时代的到来，为城市种业发展、实现物种重塑创造出前所未有的机遇。无论是传统农业优势地区，还是服务大都市消费市场发展功能农业的地区，亦或借助数据科学基础跨界入局的地区，只要找准自身优势并努力放大，都能在4.0时代找到属于自己的独特赛道！
作者：鲁世超
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