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文档简介
21/24生物技术-科技探索生命奥秘第一部分生物技术概述-探索生命奥秘的前沿科技 2第二部分生物技术发展历史-从古至今的探索历程 6第三部分生物技术三大核心领域-基因工程、细胞工程、生物加工 8第四部分生物技术应用领域-涵盖医疗、农业、环境等多个学科 10第五部分生物技术对医学的贡献-疾病诊断、治疗与疫苗研发 12第六部分生物技术在农业中的作用-提高作物产量和质量 13第七部分生物技术对于环境保护的意义-污染治理和资源利用 15第八部分生物技术面临的挑战-伦理、知识产权和安全问题 17第九部分生物技术未来的发展方向-个性化医疗和精准农业 19第十部分生物技术对人类社会的积极影响-改善健康、提高生产力 21
第一部分生物技术概述-探索生命奥秘的前沿科技生物技术概述——探索生命奥秘的前沿科技
一、生物技术定义及历史
生物技术是指利用生物体、细胞或其组成成分来生产有用物质或服务的一系列技术。它是一门综合性的学科,融合了生物学、化学、工程学、计算机科学等多个领域的知识。生物技术的发展历史可以追溯到远古时代,人类开始利用微生物发酵生产食品和饮料。19世纪末,随着微生物学和遗传学的快速发展,生物技术开始进入现代化阶段。20世纪中叶,DNA双螺旋结构的发现和基因重组技术的突破,标志着现代生物技术的诞生。
二、生物技术应用领域
生物技术在医药、农业、工业、环境等多个领域都有着广泛的应用。
1.医药领域:生物技术在医药领域的应用主要体现在药物研发、疾病诊断和治疗等方面。例如,利用基因工程技术生产的胰岛素、生长激素等药物,可以治疗糖尿病、侏儒症等疾病;利用生物芯片技术开发的疾病诊断试剂盒,可以快速准确地检测出多种疾病;利用基因治疗技术,可以对某些遗传疾病进行治疗。
2.农业领域:生物技术在农业领域的应用主要体现在作物育种、农产品加工和农业废弃物处理等方面。例如,利用基因工程技术培育出抗病虫害、耐干旱、高产的农作物,可以提高农业生产效率;利用发酵技术生产乳制品、酱油等食品,可以丰富人们的饮食;利用生物技术处理农业废弃物,可以减少环境污染。
3.工业领域:生物技术在工业领域的应用主要体现在酶工程、发酵工程和生物能源等方面。例如,利用酶工程技术生产的酶制剂,可以用于食品、制药、日化等多个行业;利用发酵工程技术生产的酒精、有机酸等产品,可以作为工业原料或燃料;利用生物能源技术生产的生物柴油、生物乙醇等燃料,可以替代化石燃料,减少温室气体排放。
4.环境领域:生物技术在环境领域的应用主要体现在污染物处理、环境修复和生物多样性保护等方面。例如,利用微生物技术处理工业废水、生活污水和固体废物,可以减少环境污染;利用植物修复技术修复被污染的土壤和水体,可以恢复生态环境;利用生物技术保护濒危物种和生物多样性,可以维护生态平衡。
三、生物技术发展趋势
生物技术是一门快速发展的学科,其发展趋势主要体现在以下几个方面:
1.基因组学和蛋白质组学的发展:基因组学和蛋白质组学是研究生物体基因组和蛋白质组的技术,它们的发展为生物技术提供了大量的数据和信息。这些数据和信息可以用于药物研发、疾病诊断和治疗、作物育种、农产品加工等多个领域。
2.生物信息学的发展:生物信息学是一门利用计算机技术处理和分析生物数据和信息的技术。它的发展为生物技术的研究和应用提供了强大的工具。生物信息学可以用于基因组学和蛋白质组学数据的分析、药物研发、疾病诊断和治疗、作物育种等多个领域。
3.合成生物学的发展:合成生物学是一门利用工程学原理设计和构建生物系统和生物实体的技术。它的发展为生物技术的研究和应用提供了新的思路和方法。合成生物学可以用于药物研发、疾病诊断和治疗、作物育种、生物能源等多个领域。
4.纳米生物技术的发展:纳米生物技术是一门将纳米技术与生物技术相结合的技术。它的发展为生物技术的研究和应用提供了新的工具和方法。纳米生物技术可以用于药物研发、疾病诊断和治疗、生物传感器、生物材料等多个领域。
四、生物技术面临的挑战
虽然生物技术取得了巨大的进步,但也面临着一些挑战。这些挑战主要包括:
1.生物技术伦理问题:生物技术的发展可能会带来一些伦理问题,例如,基因工程技术可能被用于制造转基因生物,这些转基因生物可能会对生态环境造成危害;克隆技术可能会被用于复制人类,这可能会带来伦理和社会问题。
2.生物技术安全问题:生物技术的发展可能会带来一些安全问题,例如,基因工程技术可能会被用于制造生物武器;生物技术中使用的一些微生物和病毒可能会对人体健康造成危害。
3.生物技术知识产权问题:生物技术的发展可能会带来一些知识产权问题,例如,基因工程技术可能会被用于专利保护,这可能会限制其他研究人员和企业对该技术的利用。
4.生物技术公众认知问题:生物技术的发展可能会带来一些公众认知问题,例如,公众可能会对转基因食品的安全性产生担忧;公众可能会对克隆技术的伦理问题产生担忧。
五、生物技术未来展望
生物技术是一门具有巨大潜力的学科,其未来发展前景广阔。生物技术可能会在以下几个领域取得重大突破:
1.疾病治疗:生物技术可能会在疾病治疗领域取得重大突破,例如,基因治疗技术可能会被用于治疗遗传疾病;干细胞技术可能会被用于治疗癌症、心脏病、糖尿病等疾病。
2.作物育种:生物技术可能会在作物育种领域取得重大突破,例如,基因工程技术可能会被用于培育出抗病虫害、耐干旱、高产的农作物;转基因技术可能会被用于培育出营养价值更高的农作物。
3.生物能源:生物技术可能会在生物能源领域取得重大突破,例如,生物质能技术可能会被用于生产生物柴油、生物乙醇等替代燃料;藻类技术可能会被用于生产生物油。
4.环境保护:生物技术可能会在环境保护领域取得重大突破,例如,生物修复技术可能会被用于修复被污染的土壤和水体;生物技术可能会被用于开发新的污染物处理技术。
5.纳米生物技术:纳米生物技术可能会在医疗、环境、材料、能源等多个领域取得重大突破,例如,纳米生物技术可能会被用于开发新的药物和治疗方法、新的环境污染物处理技术、新的生物材料和生物能源。第二部分生物技术发展历史-从古至今的探索历程生物技术发展历史——从古至今的探索历程
一、史前时期:生物技术的起源
1.驯化作物和牲畜:人类最早的生物技术实践之一是驯化作物和牲畜。大约在一万年前,人类开始种植小麦、水稻和其他谷物,并驯化山羊、绵羊和猪等动物。这些早期驯化事件奠定了农业和畜牧业的基础,使人类能够从狩猎和采集的生活方式转变为定居生活。
2.发酵和酿造:另一个古老的生物技术实践是发酵和酿造。人类几千年来一直使用发酵来生产面包、啤酒、葡萄酒和其他食品和饮料。发酵过程涉及微生物将糖类转化为酒精或其他物质。
二、古代时期:生物技术的应用与发展
1.医学和药学:古代文明开始使用生物技术来治疗疾病和增强健康。古埃及人使用蜂蜜和乳香等天然产品来治疗伤口和疾病。中医则使用针灸和草药来治疗各种疾病。
2.染色和制革:古代文明还使用生物技术来染色和制革。例如,中国古代使用天然染料,如茜草和靛蓝,来染色布料。皮革可以通过鞣制来延长其使用寿命,鞣制过程涉及使用植物或动物提取物来处理皮革。
三、中世纪时期:生物技术的发展停滞
中世纪时期,欧洲经历了黑暗时代,科学和技术的发展停滞不前。生物技术在这一时期没有取得重大进展。
四、文艺复兴时期:生物技术的复兴
文艺复兴时期,欧洲重新开始对科学和技术感兴趣。这一时期,生物技术取得了重大进展。例如,意大利医生安德烈亚斯·维萨里出版了一本关于人体解剖学的著作,该著作以详细的插图描述了人体的结构。
五、近代时期:生物技术的蓬勃发展
近代时期,生物技术取得了蓬勃发展。19世纪,英国科学家罗伯特·胡克首次观察到细胞,细胞是生命的最小单位。19世纪中叶,法国科学家路易·巴斯德发现微生物是许多疾病的病原体。这些发现为生物技术的发展奠定了基础。
六、现代时期:生物技术的革命
现代时期,生物技术取得了革命性的进展。20世纪50年代,美国科学家詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克发现了DNA的结构,DNA是生命的遗传物质。这一发现为基因工程和克隆等新生物技术的开发铺平了道路。
20世纪70年代,美国科学家斯坦利·科恩和赫伯特·波耶开发了基因工程技术,该技术使科学家能够将一个生物体的基因转移到另一个生物体中。基因工程技术被广泛应用于农业、医药和工业领域。
20世纪90年代,英国科学家伊恩·威尔穆特和他的同事克隆了第一只哺乳动物多莉羊。克隆技术引起了极大的争议,但它也为新疗法和器官移植等新生物技术的开发提供了可能性。
结语
生物技术的发展历史是一段漫长而曲折的过程。从古至今,人类一直在利用生物技术来改善生活。随着科学技术的进步,生物技术必将取得更大的发展,并为人类带来更多的福祉。第三部分生物技术三大核心领域-基因工程、细胞工程、生物加工基因工程
基因工程是生物技术三大核心领域之一,是通过改变生物体基因来改变其性状和功能的一项技术。基因工程包括基因克隆、基因表达调控、基因组编辑等技术。
*基因克隆:将目的基因从生物体中分离出来,并在宿主细胞中复制扩增,从而获得大量相同基因序列的克隆。基因克隆技术是基因工程的基础,也是分子生物学研究和生物技术应用的重要手段。
*基因表达调控:通过改变基因的表达水平来改变生物体的性状。基因表达调控技术包括基因敲除、基因过表达、基因沉默等技术。基因表达调控技术在生物技术领域有广泛的应用,如转基因动植物的培育、疾病的治疗等。
*基因组编辑:利用基因编辑工具对生物体的基因组进行靶向修改。基因组编辑技术包括CRISPR/Cas9、TALENs、ZFNs等技术。基因组编辑技术可以用于治疗遗传疾病、开发新型药物、改良农作物等。
细胞工程
细胞工程是生物技术三大核心领域之一,是通过改变细胞的结构、功能或行为来实现某种特定目的的技术。细胞工程包括细胞培养、细胞融合、细胞改造等技术。
*细胞培养:将细胞从生物体中分离出来,并在体外的人工环境中培养。细胞培养技术是细胞工程的基础,也是生物技术研究和应用的重要手段。
*细胞融合:将两个或多个不同种类的细胞融合成一个细胞。细胞融合技术可以用于产生杂交瘤细胞、多能干细胞等。细胞融合技术在生物技术领域有广泛的应用,如抗体生产、细胞治疗等。
*细胞改造:利用基因工程、生物化学、纳米技术等手段改变细胞的结构、功能或行为。细胞改造技术可以用于开发新型细胞疗法、细胞工厂、生物传感器等。细胞改造技术在生物技术领域有广阔的应用前景。
生物加工
生物加工是生物技术三大核心领域之一,是利用生物体或生物制品对原料进行加工转化,以生产有用产品或中间体的过程。生物加工包括发酵、酶法、生物转化等技术。
*发酵:利用微生物(如细菌、酵母菌、霉菌等)将原料转化为有用产品或中间体的过程。发酵技术是生物加工的基础,也是生物技术研究和应用的重要手段。
*酶法:利用酶催化化学反应,将原料转化为有用产品或中间体的过程。酶法技术具有高效、节能、环保等优点,在生物技术领域有广泛的应用,如食品加工、医药生产、环境保护等。
*生物转化:利用生物体(如植物、动物、微生物等)将原料转化为有用产品或中间体的过程。生物转化技术具有高效、节能、环保等优点,在生物技术领域有广泛的应用,如天然产物的生产、废物处理、生物修复等。第四部分生物技术应用领域-涵盖医疗、农业、环境等多个学科医疗
*药物研发:生物技术,尤其是基因工程技术,有助于快速高效地研发新药,包括抗生素、抗癌药和治疗罕见病的药物。
*疫苗研制:生物技术可用于研制疫苗,预防疾病的发生。重组DNA技术和蛋白质工程技术可使疫苗更安全、更有效。
*基因治疗:利用生物技术手段,纠正、补充或调节基因缺陷,从而治疗遗传性疾病和某些癌症。
*再生医学:生物技术用于组织工程和细胞治疗,用于修复受损组织或器官,治疗各种疾病。
*疾病诊断:生物技术可开发各种诊断工具,如分子诊断、免疫诊断和基因诊断,用于早期检测疾病,提高诊断的准确性和灵敏度。
农业
*转基因作物:使用基因工程技术将有利基因导入作物,使作物具有抗病、抗虫、耐旱、耐盐、高产等优良性状。
*作物育种:生物技术有助于作物育种,培育出高产、抗病、抗虫害的新品种。分子标记辅助育种技术可加速育种进程,提高育种效率。
*肥料和农药研发:生物技术可开发生物肥料和生物农药,减少化学肥料和农药的使用,降低农业对环境的污染。
*农业病虫害防治:利用生物技术手段,如生物防治和转基因抗虫作物,防治农业病虫害,减少农药的使用。
*畜牧业:生物技术用于培育新品种牲畜,提高牲畜的生长速度、产肉率和抗病能力。基因工程技术也可用于生产转基因动物,用于药物研发和器官移植。
环境
*生物修复:利用生物技术手段,如微生物修复和植物修复,修复被污染的环境,如土壤、水和空气。
*生物能源:生物技术可用于生产生物能源,如生物柴油、生物乙醇和生物沼气,替代化石燃料,减少温室气体排放。
*生物降解材料:生物技术可用于开发生物降解材料,如生物塑料和生物复合材料,减少塑料污染。
*废物处理:生物技术可用于处理废物,如有机废物和工业废水,降低废物对环境的污染。
*环境监测:生物技术可用于监测环境污染,如水质监测和大气质量监测,为环境保护提供数据支持。第五部分生物技术对医学的贡献-疾病诊断、治疗与疫苗研发疾病诊断:
*基因诊断:通过分析基因组中的变异来诊断疾病,可以及早发现遗传疾病,并为治疗提供指导。
*蛋白诊断:通过检测血液、尿液或其他体液中的蛋白质来诊断疾病,可以了解疾病的进展情况和疗效。
*免疫诊断:通过检测免疫系统的反应来诊断疾病,可以了解感染的类型和严重程度。
疾病治疗:
*基因治疗:通过将健康基因导入患者细胞来治疗遗传疾病,可以纠正基因缺陷并恢复正常功能。
*蛋白治疗:通过将蛋白质药物导入患者体内来治疗疾病,可以补充缺乏的蛋白质或抑制有害的蛋白质。
*细胞治疗:通过将干细胞或免疫细胞移植到患者体内来治疗疾病,可以修复受损组织或增强免疫功能。
疫苗研发:
*重组疫苗:利用基因工程技术将病毒或细菌的基因片段插入载体中,生产出重组疫苗。重组疫苗可以安全有效地预防疾病。
*亚单位疫苗:利用病毒或细菌的表面抗原来生产亚单位疫苗。亚单位疫苗可以避免引起感染,但仍能提供有效的保护。
*多价疫苗:将多种疫苗成分组合成多价疫苗,可以同时预防多种疾病。多价疫苗可以减少接种次数,提高免疫效果。
生物技术在医学中的应用前景:
*个性化医疗:利用基因组信息来指导疾病的治疗,可以根据患者的个体差异制定更有效的治疗方案。
*再生医学:利用干细胞和组织工程技术来修复受损组织或器官,可以为器官移植提供新的来源。
*疫苗研发:随着生物技术的发展,新的疫苗可以更快地研发出来,这将有助于预防和控制传染病。
总结:
生物技术为医学的发展带来了革命性的变化,在疾病诊断、治疗和疫苗研发方面取得了巨大的成就。随着生物技术的发展,这些成就还将不断扩大,为人类健康带来更大的福祉。第六部分生物技术在农业中的作用-提高作物产量和质量生物技术在农业中的作用——提高作物产量和质量
#前言
生物技术正在改变农业方式,使农民能够生产更多、质量更好的食物,同时减少对环境的影响。生物技术在农业中的应用包括作物改良、牲畜改良和生物防治。其中,作物改良是生物技术在农业中最重要的应用之一。
#作物改良
作物改良是利用生物技术改变作物的遗传特征,以提高作物的产量、质量和抗逆性。作物改良可以利用转基因技术、分子标记技术、细胞工程技术等多种生物技术手段。
转基因技术
转基因技术是指将外源基因导入作物基因组中,以改变作物的遗传特征。转基因技术可以用于提高作物的产量、质量和抗逆性。例如,转基因抗虫棉可以抵抗棉铃虫的侵害,提高棉花产量;转基因抗病毒木瓜可以抵抗木瓜环斑病毒的侵害,防止木瓜树枯萎死亡;转基因大豆可以提高大豆的蛋白质含量,增加大豆的营养价值。
分子标记技术
分子标记技术是指利用DNA分子上的多态性来标记作物的遗传特征。分子标记技术可以用于作物品种鉴定、亲本鉴定、遗传多样性分析、基因定位、分子育种等。例如,分子标记技术可以用于鉴定作物品种的纯度,防止假冒伪劣种子的流通;分子标记技术可以用于鉴定作物的亲本,防止近亲繁殖,提高作物的遗传多样性;分子标记技术可以用于定位作物上的基因,为分子育种提供理论基础。
细胞工程技术
细胞工程技术是指利用细胞培养、细胞融合、细胞器移植等技术改变作物的遗传特征。细胞工程技术可以用于培育无病毒种苗、快速繁殖种苗、培育抗逆性作物等。例如,细胞工程技术可以用于培育无病毒的马铃薯种苗,防止马铃薯病毒病的传播;细胞工程技术可以用于快速繁殖兰花种苗,缩短兰花育种周期;细胞工程技术可以用于培育抗盐碱水稻,提高水稻在盐碱地上的产量。
#生物技术对农业的影响
生物技术对农业产生了深远的影响。生物技术使农民能够生产更多、质量更好的食物,同时减少了对环境的影响。生物技术还使农民能够生产出抗逆性更强的作物,从而减少了农业生产的风险。此外,生物技术还使农民能够生产出营养价值更高的作物,从而提高了人们的营养水平。
#结语
生物技术正在改变农业方式,使农民能够生产更多、质量更好的食物,同时减少了对环境的影响。生物技术在农业中的应用前景广阔,随着生物技术的不断发展,生物技术对农业的贡献将越来越大。第七部分生物技术对于环境保护的意义-污染治理和资源利用一、生物技术在环境保护中的意义
生物技术是一门利用生物体和生物过程来解决环境问题并生产有用的产品或服务的科学技术。它在环境保护领域发挥着日益重要的作用,其中包括污染治理和资源利用两个方面。
二、污染治理
生物技术在污染治理方面主要通过生物降解和生物修复两种途径。
1.生物降解
生物降解是指微生物将有机污染物分解成无害物质的过程。微生物能够利用有机污染物作为碳源和能量源,在代谢过程中将其转化为二氧化碳、水和无机盐等无害物质。生物降解是自然界中物质循环的一个重要环节,也是生物技术在污染治理中发挥作用的主要途径之一。
2.生物修复
生物修复是指利用生物体或生物过程来修复被污染的环境。生物修复技术主要有微生物修复、植物修复和动物修复等。微生物修复是利用微生物的代谢活动来降解污染物,植物修复是利用植物的吸收、积累和降解作用来去除污染物,动物修复是利用动物的捕食和分解作用来去除污染物。
三、资源利用
生物技术在资源利用方面主要通过生物质能源和生物肥料两方面。
1.生物质能源
生物质能源是指利用生物质(包括植物、动物和微生物)产生的能量。生物质能源是一种可再生能源,也是一种清洁能源。生物质能源可以用于发电、供热、生产生物燃料等。
2.生物肥料
生物肥料是指利用微生物或其代谢产物制成的肥料。生物肥料具有肥效高、速效好、无污染等优点,是化肥的良好替代品。生物肥料可以用于农作物、林木、花卉等植物的施肥。
四、展望
生物技术在环境保护领域具有广阔的应用前景。随着生物技术的发展,生物技术在环境保护中的应用将会更加广泛和深入,对环境保护事业做出更大的贡献。第八部分生物技术面临的挑战-伦理、知识产权和安全问题伦理挑战
*生物多样性丧失:生物技术的发展可能会导致生物多样性的丧失,因为人们可能会过度开发和利用生物资源,从而导致许多物种灭绝。
*生态平衡破坏:生物技术的发展可能会破坏生态平衡,因为人们可能会创造出新的生物或改变现有生物的基因,从而导致生态系统的崩溃。
*人类健康风险:生物技术的发展可能会给人类健康带来风险,因为人们可能会创造出新的病原体或改变现有病原体的基因,从而导致新的疾病的产生或现有疾病的恶化。
*社会伦理问题:生物技术的发展可能会引发一些社会伦理问题,例如,人们可能会利用生物技术来改变人的基因,从而创造出“超级人类”或“定制人类”,这可能会引发伦理争议。
知识产权挑战
*专利保护:生物技术领域存在着知识产权保护的问题,因为人们可能会对生物技术的发明和发现申请专利,从而限制其他人的使用和开发。
*生物多样性保护:生物技术领域存在着生物多样性保护的问题,因为人们可能会利用生物技术来开发和利用生物资源,从而损害生物多样性。
*公平获取:生物技术领域存在着公平获取的问题,因为人们可能会对生物技术的发明和发现申请专利,从而限制其他人的使用和开发,这可能会导致生物技术成果的分布不均。
安全挑战
*生物安全:生物技术的发展可能会带来生物安全的风险,因为人们可能会创造出新的生物或改变现有生物的基因,从而导致新的疾病的产生或现有疾病的恶化。
*环境安全:生物技术的发展可能会带来环境安全方面的风险,因为人们可能会创造出新的生物或改变现有生物的基因,从而导致生态系统的崩溃。
*生物恐怖主义:生物技术的发展可能会带来生物恐怖主义的风险,因为人们可能会利用生物技术来制造生物武器。第九部分生物技术未来的发展方向-个性化医疗和精准农业一、个性化医疗
1.定义:个性化医疗是指根据个体基因组、蛋白质组、代谢组等生物信息的差异,进行个性化的疾病诊断、治疗和预防。
2.主要领域:
-个性化药物研发:设计开发针对个体基因变异的靶向药物。
-个体化治疗方案设计:通过基因检测确定个体最合适的药物和剂量。
-个体化疾病诊断:利用基因检测技术进行疾病的精准诊断和分类。
-个体化健康管理:基于个体基因组信息提供个性化的生活方式和饮食建议。
3.发展现状:
-全球个性化医疗市场规模正在快速增长,预计2025年将达到1430亿美元。
-个性化药物研发取得重大进展,如针对个体基因变异的靶向抗癌药物已经上市。
-个体化治疗方案设计在临床实践中得到越来越广泛的应用。
-个体化疾病诊断技术不断发展,如液体活检技术使癌症的早期诊断成为可能。
4.未来发展方向:
-个性化医疗将成为医疗模式的主流,实现从“千人一方”到“一人一方”的转变。
-个性化药物研发将继续取得突破,更多针对个体基因变异的靶向药物将上市。
-个体化治疗方案设计将更加精准,个体化疾病诊断技术将更加灵敏和准确。
-个体化健康管理将更加普及,人们将更加重视自身的基因信息和健康状况。
二、精准农业
1.定义:精准农业是指利用现代信息技术和传感器技术,对农田土壤、作物生长状况和环境条件进行实时监测和分析,从而实现农作物的精准管理,提高农业生产效率和产品质量。
2.主要领域:
-农田土壤监测:利用传感器技术对土壤的温度、湿度、pH值、养分含量等进行实时监测。
-作物生长监测:利用传感器技术对作物的生长状况、病虫害情况等进行实时监测。
-环境条件监测:利用传感器技术对光照、温度、湿度、风速等环境条件进行实时监测。
-农事操作决策:基于监测数据,利用人工智能算法进行农事操作决策,如施肥、灌溉、病虫害防治等。
3.发展现状:
-全球精准农业市场规模正在快速增长,预计2025年将达到620亿美元。
-精准农业技术在发达国家已经得到广泛应用,如美国、日本、以色列等。
-精准农业技术在我国也正在快速发展,越来越多的农业企业和农民开始采用精准农业技术。
4.未来发展方向:
-精准农业将成为农业生产的主流模式,实现从“粗放管理”到“精准管理”的转变。
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