向微生物要食物：加强农业微生物产品科技创新的建议

向微生物要食物：加强农业微生物产品科技创新的建议

观点摘要：利用现代科学技术，挖掘和改造微生物资源，创制农业微生物新食品与新产品，将有力保障食物安全并大幅缓解生态环境压力。向“微生物要热量要蛋白”重点可以开发三大类产品：真菌源蛋白产品、微生物合成型替代蛋白产品以及动植物安全生产微生物制品。预计未来15年内，全球微生物合成的替代蛋白产品将约占全球食用蛋白市场份额的22%，产业规模达到2900亿美元左右。若将我国每年四分之一的秸秆和林木生物质用于生产食用菌，可生产蛋白约3150万吨，相当于7875万吨大豆的蛋白总量，折合6亿亩农田种植大豆所生产的蛋白。2035年全球微生物合成型替代蛋白市场有望达到600亿美元。未来30年内，若用微生物蛋白替代全球20%的牛肉消费量，可降低56%的森林砍伐量和与之相关的碳排放量。2021年全球益生菌市场规模约610亿美元，我国益生菌市场平均每年增速约15%，预计今年将达到接近900亿元市场规模。为此，建议国家大力加强农业微生物领域的科技战略布局，着力打造农业微生物国家战略科技创新平台，进一步加大微生物食物资源开发重大科技项目支持，壮大微生物领域高端创新人才队伍，深度挖掘微生物食物供给潜力，做强农业微生物产业，加快我国由微生物资源大国向微生物产品强国的转变。

一、开发利用农业微生物资源的意义

（一）农业微生物资源丰富，开发食物潜力大有可为。微生物生长快、易于培养、所需生产空间小、蛋白含量高，可将农作物秸秆和林木生物质等农林废弃物转化为食品，为“人造肉”“人造奶”等合成型替代蛋白产品和动物饲养等提供优质蛋白和油脂等。预计未来15年内，全球微生物合成的替代蛋白产品将占全球食用蛋白市场份额约22%，产业规模达到2900亿美元左右。目前，人类认识的微生物种类尚不到地球微生物总量的1%，开发前景十分广阔。我国食用菌鲜品产量已达4061万吨，可提供约140万吨的优质蛋白质（相当于350万吨大豆），总产值达3466亿元。

（二）微生物理论与技术突飞猛进，开发食物利用技术可行。微生物组学理论和技术的快速发展，正在赋予未知微生物的生物学、生态学功能，为挖掘微生物资源提供线索；微生物－宿主－环境相互作用研究为农业绿色生产理论和技术革新提供了原动力，将不断从微生物中挖掘出阻断农作物有害生物生长、繁殖和致害的精准靶标；基因编辑、合成生物学等新型技术和方法为人类改造乃至创造新型微生物资源提供了可能，可定制化设计和合成人工微生物及其群落，包括微生物肥料、环境修复剂、益生菌剂、动植物疫苗等，也可开发出更具营养价值的微生物蛋白和食物。

二、农业微生物产品开发潜力与路径

高质量完成向“微生物要热量、要蛋白”的重大战略任务，需要着力研发真菌源蛋白产品、合成型替代蛋白产品、服务动植物生产的保障型产品。

（一）真菌源蛋白产品。真菌生长繁殖速度快，能将作物秸秆和林木生物质等废弃物转化为蛋白和热量，且生产蛋白的效率高于动物。真菌源蛋白产品按用途可分为3类：一是直接食用，包括香菇、平菇等食用菌，其干物质的蛋白质含量约占22%-42%，且能提供8种必需氨基酸，为优质蛋白；二是为合成“人造肉”和“人造奶”等人造食物提供蛋白原料；三是为畜禽等动物饲养提供蛋白，替代植物蛋白，具有缓解“人畜争粮”矛盾的作用。我国每年产生农作物秸秆9亿吨和林木生物质9.2亿吨，若将四分之一的秸秆和林木生物质用于生产蘑菇，可生产蛋白约3150万吨，相当于7875万吨大豆的蛋白总量，折合6亿亩农田种植大豆所生产的蛋白。未来30年内，若用真菌蛋白替代全球20%的牛肉消费量，可降低56%的森林砍伐量和与之相关的碳排放量。主要开发路径包括：一是建立可用于生产优质蛋白的真菌种质资源库。采集、鉴定可用于转化农作物秸秆和林木生物质的真菌，阐明其转化能力及生产蛋白的效率，解析真菌源蛋白的营养特性，建立真菌种质资源库，挖掘优质真菌蛋白资源。二是设计和改造真菌使其成为优质蛋白的生物反应器。采用转基因技术、基因编辑技术和合成生物学技术等，对可用于生产优质蛋白的食用菌进行分子设计和遗传改造，大幅度提高工程菌株的转化效益和蛋白品质，创制生产真菌源蛋白的真菌“奶牛”。三是研创真菌高效生物转化蛋白关键核心技术。包括碳氮高效协同转化技术、真菌蛋白智能化生产技术、实现真菌蛋白及其它营养物质的高效绿色生产技术等。

（二）微生物合成型替代蛋白产品。我国是动物肉制品和奶制品生产和消费大国。2021年，我国猪牛羊禽肉总产量8887万吨、奶类消费总量5972万吨。传统动物养殖方式面临资源超载、环境污染、疫病多发、投入产出比低等诸多压力。基于酵母、藻类、芽孢杆菌等微生物细胞工厂，改善物质、能量代谢效率及产物性能，合成蛋白质主料及相关风味、色泽、营养配料，并采用特殊配方和工艺获得的非动物源替代蛋白食品，即微生物合成型替代蛋白产品。主要产品包括替代蛋白肉、蛋、奶等。替代蛋白肉是模拟动物肉风味、口感、色泽和形态的仿真肉制品；替代蛋白奶是模拟牛奶风味、口感和营养的仿真奶制品。微生物替代蛋白是变革传统养殖业、满足人民对蛋白需求的有效解决方案。2035年全球微生物合成型替代蛋白市场有望达到600亿美元。主要开发路径包括：一是通过食品组分的生物合成和重组加工开发合成型蛋白产品。通过人工智能和高通量筛选等手段挖掘优质原料组分，依靠合成生物学技术构建高产优质原料的微生物细胞工厂，借助3D打印、双螺杆挤压等新技术对原料进行重组加工获得替代蛋白产品。二是通过微生物全性能改造直接发酵获得合成型蛋白产品。通过合成生物学技术改造微生物性能，获得模拟动物源蛋白制品风味、色泽、营养和口感的超级微生物细胞工厂，通过发酵方式直接复原获得动物源蛋白产品。

（三）保障植物生产的微生物投入品。据研究，根瘤菌与豆科植物共生固氮每年为地球提供1.2-1.4亿纯氮（若为人工合成，须消耗相当于3.92-4.56亿吨煤）。欧美国家的微生物农药和肥料的使用比例已达45-70%，接种根瘤菌可使大豆每公顷增产225-300kg，花生增产10%-50%。然而，我国微生物农药的使用比例约为12%，大豆和花生的根瘤菌接种面积不足播种面积的1%。保障植物生产的微生物投入品主要为微生物农药和微生物肥料。微生物农药是用于农作物病虫害防控的有益微生物及其次生代谢产物制剂等，可以抑制甚至杀死农业生产中的有害生物、提高作物的抗病能力，其来源广泛，具体包括真菌、细菌和病毒等。微生物肥料是促进农作物生长和营养高效的有益微生物制剂，用于其创制的微生物包括根瘤菌、菌根真菌以及解磷菌等。主要开发路径包括：一是系统阐明微生物与作物互作机制，挖掘促进植物生长、抗病虫的微生物新资源。利用分子生物学及微生物组学理论和技术深入解析有害生物致害机制、有益微生物促生抗病虫的作用机制，精准发掘出新型有益微生物（群）、筛选出安全高效的功能菌株及其活性物质。二是利用现代生物技术定向改造促生、抗病虫害的有益微生物。结合多重基因组编辑技术、合成生物学技术和高通量筛选技术等定向、高效地改良杀虫抗病和促进植物生长的有益微生物。设计、改造和创制新型根瘤菌资源，实现根瘤菌与豆科及非豆科植物高效共生固氮，创制高效的根瘤菌菌肥。

（四）保障动物生产的微生物投入品。我国动物疫苗销售额从2011年73亿元增至2020年的142亿元，年复合增长率达7.6%，预计2022年我国动物疫苗市场规模有望达到153亿元。同时，动物益生菌已成为替代抗生素维持人和动物健康的主要产品。2021年全球益生菌市场规模约610亿美元，其中饲用益生菌市场规模约40亿美元。我国益生菌市场平均每年增速约15%，预计今年将达到接近900亿元市场规模。保障动物生产的微生物投入品主要为动物疫苗和动物益生菌。动物疫苗具体包括抗细菌、病毒和寄生虫疫苗，如口蹄疫疫苗、猪圆环疫苗、伪狂犬病疫苗和禽流感疫苗、非洲猪瘟疫苗等。动物益生菌具有保障畜禽健康、高效转化饲料的功能，包括产芽孢类、乳酸菌类、酵母类、肠道高丰度土著菌和具有特定治疗功能的合成益生菌等。主要开发路径包括：一是通过研究微生物与畜禽等宿主互作机制挖掘精准疫苗靶标。开发防控非洲猪瘟、禽流感、口蹄疫等重大动物疾病的基因工程疫苗、多价疫苗、多联疫苗，实现安全高效、一针多防，减少疫苗运输、存放、接种的成本。二是系统阐明微生物与动物互作机制，挖掘和定向改造动物益生菌种质资源。筛选促进动物生长和保障动物健康的有益微生物，解析促进动物健康和饲料高效的益生机制，克隆及解析益生菌的功能基因、产物及其合成途径，利用基因编辑技术、合成生物学技术等改造和设计新型动物益生菌，创制下一代动物益生菌产品和动物益生菌菌剂，实现更高效的动物疫病预防和治疗效果。

 三、政策建议

我国是微生物资源大国，但却并非微生物资源利用强国。与动植物种质资源的研究相比，微生物资源开发和利用尚未得到足够重视。建议按照“基础研究+应用基础研究+应用成果转化”三个层次，从平台创新、专项攻关、人才引育、产业开发等方面加强科技创新。

（一）打造农业微生物国家战略科技创新平台。在微生物领域谋划布局国家实验室建设，推动布局该领域基础前沿科学中心等基础研究类科技创新平台建设。以“综合+优势单项”组建原则，加快推动农业领域微生物方向国家重点实验室体系重组，纳入全国重点实验室建设规划。高标准推进该领域国家工程研究中心、国家技术创新中心等技术创新与成果转化类国家科技创新基地的建设。加快微生物领域具有前瞻性、战略性国家重大科技基础设施的建设，有力支撑微生物领域共性关键技术突破、原创性研究。

（二）进一步加大布局微生物食物资源开发重大科技项目。将微生物种业纳入国家种业体系，将微生物种质资源发掘与利用纳入国家“重大微生物产品创制专项计划”，将微生物种业提升至与动物、植物种业同等重要的地位。加快布局“食用菌蛋白提升研究计划”等育种国家重大专项，加强已有领域“关键卡脖子技术”定向协同攻关。在农业微生物高效基因编辑与智能改造、活性化合物分子设计与微生物合成、精准疫苗设计、微生物高效发酵和转化等前沿技术和基础研究领域采取“点将配兵”的项目组织方式，加快攻关速度。

（三）建强微生物领域高端创新人才队伍。打破常规，特殊学科领域人才引育实施“一人一策”；建立、跟踪和完善全球微生物领域领军人才专家信息库，重点全职引进活跃在微生物领域国际学术前沿且具有引领能力的优秀青年人才。完善微生物领域后备人才培养系统，改革人才培养模式，通过订单式、共培养、“嵌入式”等方式，加强高校、科研院所与企业的人才合作培养。着力打造一支在微生物领域基础理论、应用基础研究、前沿技术攻关、产业化开发等创新链、产业链各个环节上高水平科技创新人才队伍。

（四）壮大做强农业微生物产业化。促进微生物产业创新链、产业链、价值链的三链交叉融合，组建“微生物食物资源开发”技术创新联盟，实现科技创新与经济价值同步提升。推进微生物替代食品开发技术标准、食品标签、行业准入等领域的流程优化与管理改革，构建政府、市场、社会协同互补的微生物产业化新格局。支持市场主体牵头承担微生物创新中心等平台建设工作，提升微生物产业资源配置效率，降低产业化运行成本，发挥科创企业在科技创新、供应链升级与产业化中的引领支撑作用。

研究专家：

李召虎  华中农业大学校长、教授

姜道宏  华中农业大学植物科学技术学院教授

彭  楠  华中农业大学生命科学技术学院教授

吕学良  华中农业大学植物科学技术学院研究员

李晓云  华中农业大学经济管理学院教授

张  露  华中农业大学经济管理学院教授

康  恒  华中农业大学植物科学技术学院副教授

魏雪团  华中农业大学食品科学技术学院副教授