一、关键挑战和主要目标

　　报告指出，未来十年美国食品和农业研究将面临9项关键挑战，包括需要提高作物生产系统的养分利用效率、减少土壤流失和退化、利用遗传多样性促进作物改良、优化农业水资源利用、改进食用动物遗传学研究、开发精准家畜生产系统、动植物病害的早期快速检测与预防、食源性病原体的早期快速检测，以及减少整个供应链中的食物损失和浪费。

　　针对上述挑战的共同性质，报告提出了未来十年美国食品和农业研究的3个主要目标，即提高食品和农业系统的效率，提高农业的可持续性，以及提高农业系统的恢复力以适应快速的变化和极端环境。

　　二、科学突破与建议

　　报告认为，未来十年，如果一切仍按部就班照常发展的话，农民、市场、投入供应商或当前的公共和私营研究都无法解决美国食品和农业企业存在的问题，因为食品与农业系统庞大复杂且相互关联，所面临的问题是由许多相互依存的因素导致的，是难以识别或难以解决的棘手问题，因此需要突破思维、突破学科界限寻求全新的解决方案。基于此，报告确定了可以极大提高食品与农业科学能力的5项突破性机遇，并提出了相应的建议。

　　1、跨学科研究与系统方法。突破：利用系统方法理解食品和农业系统不同要素间相互作用的本质，进一步提高整个系统的效率、适应力和可持续性。建议：优先利用跨学科的科学方法和系统方法来解决最棘手的问题。

　　2、传感技术。突破：开发并验证精准的田间传感器和生物传感器，提高跨食品和农业各学科的快速检测和监控能力。建议：建立支持有效利用现有传感技术、并开发跨领域新型传感技术的计划。

　　3、数据科学和农业食品信息学。突破：数据科学、软件工具和系统模型的应用和集成将为食品和农业系统管理提供先进的分析方法。建议：建立农业食品信息学新兴领域的培育计划，促进信息技术、数据科学和人工智能在食品和农业研究领域的开发与应用。

　　4、基因组学和精准育种。突破：提高对农业重要生物的常规基因编辑能力，以促进重要生产力性状和品质性状的精准快速改良。建议：建立一个开发利用基因组学和精准育种的计划，对重要农业生物性状进行遗传改良。

　　5、微生物组。突破：理解微生物组与农业的相关性，并利用相关知识来改进作物生产、提高饲料转化率及提高对病害和非生物胁迫的抗性。建议：建立计划支持对动物、土壤和植物微生物学的深入研究，并促进其在整个食品系统中的广泛应用。

　　三、有前景的重要研究方向

　　报告按照学科或类别列出了认为最重要、可以应对关键研究挑战、有前景的若干研究方向。这些方向之所以被认为重要，是因为它们有潜力使食品和农业研究发生变革，并且在新的科学发展的推动下可能会在短期内取得进展。另外，这些研究方向虽然都有各自的针对性，但是在应对研究挑战中是相互关联的，可以协同开展。

　　1、作物

　　（1）继续进行遗传分析，然后利用传统的遗传方法和有针对性的基因编辑技术，引入作物理想性状并去除不理想性状。

　　（2）开发简便易行的转化和再生技术，实现对所有作物进行常规遗传改良。

　　（3）开发监测植物胁迫与养分的新型传感技术，并探索利用纳米技术、合成生物学和植物微生物组学，使植物更好地应对环境挑战，包括热、冷、干旱、洪水、害虫和营养需求等，开发可以根据需要适时打开或关闭某些功能的动态作物。

　　2、畜牧业

　　（1）开发和使用传感技术和预测算法，更好地利用数据驱动的方法进行疾病检测和管理。

　　（2）利用与表型相关的大基因型和序列数据集，并结合基因组学、先进生殖技术及精准育种技术，促进家畜、家禽和水产养殖种群的可持续性状（如繁殖力、高饲料效率、福利和抗病性）的遗传改良。

　　（3）确立可持续发展的、维护动物福利的目标措施，将这些措施整合到精准畜牧系统，并利用社会科学传达和解释相关科学发现，以促进消费者对权衡的理解并能够做出知情购买决定。

　　3、食品科学与技术

　　（1）借助加工和包装技术的改进、传感器的设计和功能、“食品组学”（包括基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学）技术的应用，根据需求分析和/或改变食品特性，如化学成分、营养价值、有意和无意污染、质量和感官属性。

　　（2）开发、优化和验证先进的食品加工和包装技术，高效低成本地提高产品质量、保存养分，增强安全性和消费者吸引力，降低环境影响和减少食物浪费。

　　（3）利用新的数据分析和数据集成及开发先进的决策支持工具来改进决策，以最大限度提高食品的完整性、质量、安全性和可追溯性，减少食品损失和浪费。

　　（4）拓展对消费者行为和风险相关决策和行为的了解，加强消费者对食品生产、加工和安全处理等相关创新的理解和接受。

　　4、土壤

　　（1）采用最佳的农艺措施及结合新的传感技术、生物策略和集成系统方法，保持现有肥沃土壤的深度和质量，并恢复退化的土壤。

　　（2）集成新的传感技术、数据分析、精准植物育种和土地管理实践，显著提高和优化养分利用效率，尤其是氮的利用效率。

　　（3）识别和利用土壤微生物群落的各种能力，如产生养分、提高养分生物利用度、增强植物对环境胁迫和疾病的抵抗力等，创建更高产的可持续作物生产系统。

　　（4）通过土壤科学、技术采用和社会团体参与的聚合研究，改善技术和实践向农民的转移，以减少土壤流失。

　　5、水利用效率和生产力

　　（1）跨集成系统实施多种节水技术，提高水利用效率。

　　（2）利用规范性的水管理分析法，降低水的使用量。

　　（3）改进植物和土壤特性，提高水分利用效率。

　　（4）利用受控环境和替代水资源来提高水的生产率。

　　6、数据科学

　　（1）建造能够存放并提供FAIR（可发现、可获取、可互操作、可重用）和开放获取的农业食品数据集的数字平台，以加速创新。

　　（2）制定食品和农业研究的数据科学策略，并通过采用和影响数据科学和信息技术在食品和农业研究中的新发展，来培育农业食品信息学的新兴领域。

　　（3）利用投资匿名化、价值归属和相关技术，解决隐私问题并鼓励食品和农业企业之间共享公共数据、私有数据和辛迪加数据[2]。

　　7、系统方法

　　（1）识别机会以改进食品系统的集成系统模型和决策支持工具的性能和应用。

　　（2）将系统思想和可持续要素纳入到食品系统的各个方面，包括从教育到研究到政策。

　　四、影响食品和农业研究的其他因素

　　仅靠科学突破并不能改变食品和农业研究，还需要其他因素的介入才能促进食品和农业研究的成功，这些因素包括研究基础设施、资金和科学劳动力。此外，还要考虑各种举措的社会、经济和政治影响。

　　（1）研究基础设施。需要投资工具、设备、设施和人力资本来进行食品和农业方面的前沿研究。此外，农业实验站网络和合作推广体系对基础研究、应用研究和成果转化非常重要，值得继续支持。

　　（2）资金。目前食品和农业研究的公共和私人资金不足，不足以支持未来十年关键领域取得突破。

　　（3）教育和科学劳动力。需要努力恢复对食品和农业行业的兴趣，吸引非农专业人士参与，激发下一代学生致力于相关研究和教育。

　　（4）社会经济作用和其他因素。需要更好地理解生物物理学与社会经济学之间的联系，以支持食品和农业部门进行更有效的政策设计，促进生产者和消费者对创新的接受和采用。               （袁建霞）