多年生谷物

01概述与价值链

标记：[EC: Farm to Fork Strategy | OECD: Agricultural biotechnology | Regulator: USDA-APHIS (USA), EPA (USA), EFSA (EU)]

多年生谷物代表了全球农业的根本性重塑，从依赖每年耕作的系统过渡到可以年复一年留在土壤中的作物。通过建立深层、持久的根系，像 Kernza（中间偃麦草）和多年生稻等多年生作物能够大幅减少水土流失、将氮素渗漏降至最低，并显著增强碳固存。与每年春季需要大量合成肥料、燃料和劳动力的年生植物不同，多年生谷物在一次种植后可以保持 3 到 5 年的高产。虽然这些作物的早期世代在种子大小和可收获产量方面面临着与其高度驯化的年生对应物相比的挑战，但高级基因组作图和加速育种迅速缩小了这一差距。即使在全球 10% 的可耕地上采用多年生谷物，也能从根本上将农业从净碳排放源转变为巨大的碳汇。

多年生谷物的主要发展方向包括：

1. 从头驯化 (De Novo Domestication)： 提取野生多年生物种（如中间偃麦草）并通过几代育种以获得更大的种子体积、抗落粒性和更高的产量。
2. 远缘杂交 (Wide Hybridization)： 将高产年生作物（如现代小麦或水稻）与野生多年生近缘种杂交，从而将多年生性状转移到主要粮食作物中。
3. 农艺优化： 为无需耕作的田地开发全新的田间管理系统，用于收获、杂草控制和养分施用。
4. 供应链商业化： 建立专门的制粉、加工和消费品管道（例如酿造和烘焙），以适应多年生谷物独特的营养和物理特征。

行业价值链

[种质收集] ──> [基因组育种] ──> [田间农艺] ──> [收获与制粉]
                                  │
                          (土壤固碳)
                                  │
                                  ▼
[消费品] <─── [供应链整合] <─────┘

价值链层级

该行业的跨领域技术：

• 基因组选择 (GS)： 对数千株植物的基因组进行测序，在它们还是幼苗时预测其成熟性状。
• 同位素示踪： 使用稳定同位素精确测量多年生根系在土壤剖面深处沉积了多少碳。
• 食品挤压与加工： 修改食品工程技术，以利用 Kernza 等新型谷物独特的面筋和淀粉曲线。

02美国

美国是多年生谷物商业化的中心，这主要受到雄厚的慈善研究支持以及具有前瞻性消费品牌的积极采用的推动。

Kernza先驱、企业支持、再生供应

• 土地研究所 (The Land Institute)： 这一领域无可争议的先驱，通过数十年的开源育种推动了 Kernza 和多年生高粱的驯化。
• 品牌采用： General Mills 和 Patagonia Provisions 等大公司对市场进行了大量补贴，将 Kernza 融入谷物食品和精酿啤酒中以产生市场拉动力。
• 扩展基础设施： 像 Sustain-A-Grain 这样的初创公司提供了关键的中间层，将优良种子分发给农民并汇总收获。

03中国

中国在多年生谷物的田间规模化成功部署方面引领世界，尤其侧重于粮食安全和减少水稻种植中的劳动力投入。

多年生稻、劳动力减少、国家支持

• 云南大学： 通过将栽培的亚洲稻与非洲多年生近缘种杂交，开发了全球公认的多年生稻23（PR23）。
• 商业部署： PR23 目前在中国南方数万公顷的土地上种植，一次种植可实现多次收获，大幅降低了农民的劳动力成本。
• 粮食安全指令： 中央政府大力支持这些举措，因为它们能稳定边际土地的产量，同时防止土壤退化和养分流失。

04欧盟

欧盟侧重于将多年生谷物整合到受严格监管的可持续农业系统中，强调生物多样性和气候适应能力，而非单纯的产量。

NUCNet、传统谷物、农业生态学

• 合作研究： 像瑞典农业科学大学（SLU）和英国詹姆斯·赫顿研究所（The James Hutton Institute）等机构正在领导 NUCNet 等泛欧网络。
• 农业生态学重点： 欧洲的研究强烈强调在多混作（例如与三叶草或紫花苜蓿间作）中种植多年生谷物，以消除对合成氮的需求。
• 供应链联盟： Axfoundation 等组织直接与研究人员和面包师合作，测试多年生小麦近缘种的商业生存能力和消费者接受度。

05领先企业与研究机构

06技术栈与创新

从野生杂草向可行的商业主粮的转变在很大程度上依赖于分子遗传学，从而将几千年的传统驯化压缩到短短十年中。

1. 基因组选择与标记辅助育种：
   • 对野生多年生植物的基因组进行测序，以识别负责根茎持久性和越冬存活率的特定基因座。
   • 使用高通量 DNA 筛选幼苗的抗落粒种子头，无需等待植物成熟数年。
2. 农艺数据建模：
   • 部署土壤传感器以跟踪氮通量和深层土壤碳沉积，证明多年生系统的生态投资回报率（ROI）。
3. 食品科学与流变学：
   • 分析新型谷物的蛋白质结构以制定专门的制粉配置文件，使其即使不同于标准年生小麦也能被有效地烘焙或酿造。

07价值链与生产流程

多年生谷物商业化工业流程（ISO/IEC 标准）

┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 1. 基因组选择              │ ───> │ 2. 多年田间试验            │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘
                                                 │
                                                 ▼
┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 4. 农场种植                │ <─── │ 3. 原种扩繁                │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘
              │
              ▼
┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 5. 汇总与制粉              │ ───> │ 6. 消费品制造              │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘

阶段 1：基因组选择

研究人员利用广泛的全基因组关联分析 (GWAS) 来选择中间偃麦草或水稻的育种品系。

阶段 2：多年田间试验

选定的品系种植在不同的农业气候区。与年生植物不同，这些试验必须进行 3 到 5 年。

阶段 3：原种扩繁

一旦建立稳定、高产的品种，农业初创公司或大学推广部门就会扩繁原种以生产足够的商业种植量。

阶段 4：农场种植

农民使用改装的免耕播种机播种。在接下来的几年里，农场管理从整地播种转向精准的杂草管理和交错收获。

阶段 5：汇总与制粉

收获的谷物通常比年生小麦更小。专门的聚合设施对谷物进行脱壳、清洁和研磨，以满足食品级标准。

阶段 6：消费品制造

快速消费品 (CPG) 公司将多年生面粉或全谷物配制成优质产品，利用谷物的生态故事吸引具有气候意识的消费者。