隨著全球人口的增加和人均可用耕地面積逐年減少，以合成生物學(xué)為驅(qū)動力之一的未來農(nóng)業(yè)模式正在加速替代以機(jī)械化、化學(xué)投入和單一作物種植為主要特征的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式。合成生物學(xué)集成了酶工程、基因合成、基因測序、基因編輯等多種生物技術(shù)手段，可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率與可持續(xù)性，減少對環(huán)境的影響，而且還能創(chuàng)造出更多元化、高營養(yǎng)價值的農(nóng)產(chǎn)品，應(yīng)用潛力巨大，已成為未來農(nóng)業(yè)的重要創(chuàng)新引擎。
一、研究進(jìn)展特征
合成生物學(xué)技術(shù)與農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的結(jié)合日益緊密，并在部分方向上已有商業(yè)化成果。目前，農(nóng)業(yè)合成生物學(xué)的基礎(chǔ)研究主要集中在人工細(xì)胞合成、細(xì)胞工廠、種質(zhì)改良、二氧化碳固定、生物固氮和農(nóng)業(yè)環(huán)境優(yōu)化等方面，應(yīng)用研究主要集中在植物天然產(chǎn)物開發(fā)、農(nóng)作物性狀改良、病蟲害防控、肥料生產(chǎn)、飼料及添加劑制備等方面，目前能夠或接近實現(xiàn)商業(yè)化的應(yīng)用主要集中在作物育種、固氮肥料、農(nóng)藥生物制造等領(lǐng)域。相比之下，生物固碳、生物固氮和代謝途徑改造等仍處于初期概念階段。
作物育種方面，歷經(jīng)了原始育種、傳統(tǒng)育種兩代，現(xiàn)已進(jìn)入生物育種時代。轉(zhuǎn)基因育種成為應(yīng)用較廣的生物育種技術(shù)之一，截至2019年，全球已有14種轉(zhuǎn)基因作物在29個國家種植，其中棉花、玉米和大豆是應(yīng)用最廣的三大作物。生物農(nóng)藥方面，中國企業(yè)硅羿科技實現(xiàn)了RNA生物農(nóng)藥制備的首次突破，我國的微生物肥料研究起步較早，現(xiàn)已實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，通過基因編輯和工程化改造，生物肥料更加環(huán)保和高效。
數(shù)據(jù)來源：AgbioInvestor，北國咨整理繪制
圖1 種植最廣的三大轉(zhuǎn)基因作物
二、合成生物學(xué)在
農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用價值
數(shù)據(jù)來源：根據(jù)公開資料整理，北國咨繪制
圖2 合成生物技術(shù)農(nóng)業(yè)應(yīng)用方向及發(fā)展階段
（一）促進(jìn)植物生長和提高作物產(chǎn)量
合成生物學(xué)技術(shù)可以從源頭開始設(shè)計育種，通過基因編輯等工具對目標(biāo)作物的基因組進(jìn)行精確的剪切、插入和替換等操作，改良目標(biāo)作物的特定性狀，實現(xiàn)對作物遺傳特性的精準(zhǔn)調(diào)控，提高其抗旱、抗病蟲害等能力。此外，合成生物學(xué)技術(shù)還可以重構(gòu)目標(biāo)生物體的代謝途徑，提高水分利用效率和光合反應(yīng)，實現(xiàn)目標(biāo)作物的產(chǎn)量提升。
目前已研發(fā)出了抗旱玉米、抗病小麥和水稻、油分品質(zhì)改良大豆、存儲質(zhì)量改良的馬鈴薯等基因編輯農(nóng)作物。在利用合成生物技術(shù)提高作物光合效率上，也產(chǎn)生一些理論研究成果，如華南農(nóng)業(yè)大學(xué)彭新湘教授團(tuán)隊先后在水稻中構(gòu)建了葉綠體光呼吸GOC支路與GCGT支路，使水稻光合效率和產(chǎn)量顯著增加。
數(shù)據(jù)來源：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)彭新湘教授團(tuán)隊研究成果，北國咨整理繪制
圖3 GOC支路改造水稻表現(xiàn)提升效果
（二）減少化學(xué)肥料的使用和修復(fù)土壤
采用合成生物學(xué)技術(shù)的微生物肥料和新型農(nóng)藥，是化學(xué)肥料和傳統(tǒng)農(nóng)藥理想的補充或替代品，可以減少化學(xué)品對生態(tài)環(huán)境的危害，重塑土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，為利用微生物修復(fù)土壤、提高微生物存活率提供了解決方案。例如，通過移動遺傳元件（MGE）將目標(biāo)性狀（比如固氮、耐銨能力）轉(zhuǎn)移到選定的根際細(xì)菌或整個群落中，可以建立理想性狀植物微生物群落，或是引入重構(gòu)的植酸酶基因改造根系細(xì)菌，使這些菌株產(chǎn)生農(nóng)作物需要的化學(xué)元素。此外，多個相互作用的微生物種群所組成的工程微生物聯(lián)合體，能夠執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)并承受多變的環(huán)境影響。目前，該領(lǐng)域已有不少成果正處于商業(yè)化階段。
表1 肥料與農(nóng)藥應(yīng)用案例
表格信息來源：北國咨根據(jù)公開信息整理
（三）利用光自養(yǎng)系統(tǒng)作為生物生產(chǎn)平臺
合成生物技術(shù)可以改造光合作用系統(tǒng)，使目標(biāo)作物的光合作用效率和產(chǎn)量提高。通過開發(fā)新型光合系統(tǒng)，創(chuàng)建“合成葉綠體”、“人工樹葉”，將光自養(yǎng)生物系統(tǒng)作為生產(chǎn)平臺，使生物體通過光合作用將無機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)物。由于成本低、可擴(kuò)展的生物質(zhì)產(chǎn)量高且無內(nèi)毒素合成，所以基于光合微生物發(fā)展的光合細(xì)胞工廠非常適合用于合成植物天然產(chǎn)物、生物制藥和生物燃料的大規(guī)模生產(chǎn)。
目前國內(nèi)已有團(tuán)隊在該領(lǐng)域取得研究進(jìn)展，如青島能源所微生物制造工程中心實現(xiàn)藍(lán)細(xì)菌直接利用二氧化碳合成葡萄糖；上海光玥生物科技有限公司改造出可以生產(chǎn)蔗糖和甘油的藍(lán)藻；天津工業(yè)生物技術(shù)研究所成功實現(xiàn)從二氧化碳到淀粉的人工合成，但基本都還處于實驗室概念驗證階段。
表2 改造光合作用系統(tǒng)應(yīng)用案例
表格信息來源：北國咨根據(jù)公開信息整理
三、總結(jié)
與國際先進(jìn)水平比較，我國農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)研發(fā)在基礎(chǔ)理論、使能技術(shù)、核心體系、應(yīng)用進(jìn)展、知識產(chǎn)權(quán)等方面尚存在不小的差距。為促進(jìn)合成生物技術(shù)在推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，加速未來農(nóng)業(yè)向智能化、精準(zhǔn)化和綠色化發(fā)展，提出如下發(fā)展建議：
（一）加強基礎(chǔ)研究，完善創(chuàng)新體系
開展前沿領(lǐng)域探索與關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，重點聚焦微生物群組功能研究、代謝通路重塑、遺傳性狀改良、優(yōu)化農(nóng)作物光合作用系統(tǒng)等理論研究，加強對高通量育種芯片、高效基因分型、全基因組選擇和融合基因編輯等關(guān)鍵新技術(shù)的研究。加快完善國家合成生物創(chuàng)新體系，建設(shè)國家級農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)創(chuàng)新平臺，推動一批原創(chuàng)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化。
（二）培育產(chǎn)業(yè)主體，加大資金支持
農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的投融資相對合成生物其他應(yīng)用領(lǐng)域熱度較低，且除部分成熟市場外，大型農(nóng)業(yè)企業(yè)較少，行業(yè)發(fā)展缺乏有力的資本注入。因此要充分發(fā)揮“財政+金融”的協(xié)同效應(yīng)，對在合成生物領(lǐng)域取得重大突破的農(nóng)業(yè)企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)和團(tuán)隊給予財政支持，發(fā)揮政府引導(dǎo)基金作用培育具有核心競爭力的國際型企業(yè)。
（三）探索新型監(jiān)管機(jī)制，優(yōu)化應(yīng)用路徑
由于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的特殊性，國家對農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)的應(yīng)用審查尤為嚴(yán)格，審查周期長、上市速度慢，亟需探索建立一套與技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展相適應(yīng)的監(jiān)管體系。此外，注重建立科研、生產(chǎn)、科普緊密結(jié)合的應(yīng)用推廣機(jī)制，提升公眾對合成生物技術(shù)的認(rèn)知度和接受度，減少公眾對食品安全、基因隱私等方面的擔(dān)憂。
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作 者
嚴(yán)一凡，長期關(guān)注研究生物經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域
劉 磊，長期關(guān)注企業(yè)創(chuàng)新能力建設(shè)領(lǐng)域
