隨著全球人口的增加和人均可用耕地面積逐年減少，以合成生物學為驅動力之一的未來農業(yè)模式正在加速替代以機械化、化學投入和單一作物種植為主要特征的傳統(tǒng)農業(yè)模式。合成生物學集成了酶工程、基因合成、基因測序、基因編輯等多種生物技術手段，可以提高農業(yè)生產效率與可持續(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)價值的農產品，應用潛力巨大，已成為未來農業(yè)的重要創(chuàng)新引擎。
一、研究進展特征
合成生物學技術與農業(yè)領域的結合日益緊密，并在部分方向上已有商業(yè)化成果。目前，農業(yè)合成生物學的基礎研究主要集中在人工細胞合成、細胞工廠、種質改良、二氧化碳固定、生物固氮和農業(yè)環(huán)境優(yōu)化等方面，應用研究主要集中在植物天然產物開發(fā)、農作物性狀改良、病蟲害防控、肥料生產、飼料及添加劑制備等方面，目前能夠或接近實現(xiàn)商業(yè)化的應用主要集中在作物育種、固氮肥料、農藥生物制造等領域。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，歷經了原始育種、傳統(tǒng)育種兩代，現(xiàn)已進入生物育種時代。轉基因育種成為應用較廣的生物育種技術之一，截至2019年，全球已有14種轉基因作物在29個國家種植，其中棉花、玉米和大豆是應用最廣的三大作物。生物農藥方面，中國企業(yè)硅羿科技實現(xiàn)了RNA生物農藥制備的首次突破，我國的微生物肥料研究起步較早，現(xiàn)已實現(xiàn)規(guī)?；a，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)據來源：AgbioInvestor，北國咨整理繪制
圖1 種植最廣的三大轉基因作物
二、合成生物學在
農業(yè)中的應用價值
數(shù)據來源：根據公開資料整理，北國咨繪制
圖2 合成生物技術農業(yè)應用方向及發(fā)展階段
（一）促進植物生長和提高作物產量
合成生物學技術可以從源頭開始設計育種，通過基因編輯等工具對目標作物的基因組進行精確的剪切、插入和替換等操作，改良目標作物的特定性狀，實現(xiàn)對作物遺傳特性的精準調控，提高其抗旱、抗病蟲害等能力。此外，合成生物學技術還可以重構目標生物體的代謝途徑，提高水分利用效率和光合反應，實現(xiàn)目標作物的產量提升。
目前已研發(fā)出了抗旱玉米、抗病小麥和水稻、油分品質改良大豆、存儲質量改良的馬鈴薯等基因編輯農作物。在利用合成生物技術提高作物光合效率上，也產生一些理論研究成果，如華南農業(yè)大學彭新湘教授團隊先后在水稻中構建了葉綠體光呼吸GOC支路與GCGT支路，使水稻光合效率和產量顯著增加。
數(shù)據來源：華南農業(yè)大學彭新湘教授團隊研究成果，北國咨整理繪制
圖3 GOC支路改造水稻表現(xiàn)提升效果
（二）減少化學肥料的使用和修復土壤
采用合成生物學技術的微生物肥料和新型農藥，是化學肥料和傳統(tǒng)農藥理想的補充或替代品，可以減少化學品對生態(tài)環(huán)境的危害，重塑土壤微生物群落結構，為利用微生物修復土壤、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）將目標性狀（比如固氮、耐銨能力）轉移到選定的根際細菌或整個群落中，可以建立理想性狀植物微生物群落，或是引入重構的植酸酶基因改造根系細菌，使這些菌株產生農作物需要的化學元素。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)行復雜的任務并承受多變的環(huán)境影響。目前，該領域已有不少成果正處于商業(yè)化階段。
表1 肥料與農藥應用案例
表格信息來源：北國咨根據公開信息整理
（三）利用光自養(yǎng)系統(tǒng)作為生物生產平臺
合成生物技術可以改造光合作用系統(tǒng)，使目標作物的光合作用效率和產量提高。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)作為生產平臺，使生物體通過光合作用將無機物轉化為有機物。由于成本低、可擴展的生物質產量高且無內毒素合成，所以基于光合微生物發(fā)展的光合細胞工廠非常適合用于合成植物天然產物、生物制藥和生物燃料的大規(guī)模生產。
目前國內已有團隊在該領域取得研究進展，如青島能源所微生物制造工程中心實現(xiàn)藍細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蔗糖和甘油的藍藻；天津工業(yè)生物技術研究所成功實現(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)應用案例
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三、總結
與國際先進水平比較，我國農業(yè)合成生物技術研發(fā)在基礎理論、使能技術、核心體系、應用進展、知識產權等方面尚存在不小的差距。為促進合成生物技術在推動農業(yè)現(xiàn)代化方面發(fā)揮關鍵作用，加速未來農業(yè)向智能化、精準化和綠色化發(fā)展，提出如下發(fā)展建議：
（一）加強基礎研究，完善創(chuàng)新體系
開展前沿領域探索與關鍵技術研發(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鍵新技術的研究。加快完善國家合成生物創(chuàng)新體系，建設國家級農業(yè)合成生物技術創(chuàng)新平臺，推動一批原創(chuàng)技術成果轉化。
（二）培育產業(yè)主體，加大資金支持
農業(yè)領域的投融資相對合成生物其他應用領域熱度較低，且除部分成熟市場外，大型農業(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，對在合成生物領域取得重大突破的農業(yè)企業(yè)、科研機構和團隊給予財政支持，發(fā)揮政府引導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)管機制，優(yōu)化應用路徑
由于農業(yè)領域的特殊性，國家對農業(yè)合成生物技術的應用審查尤為嚴格，審查周期長、上市速度慢，亟需探索建立一套與技術創(chuàng)新發(fā)展相適應的監(jiān)管體系。此外，注重建立科研、生產、科普緊密結合的應用推廣機制，提升公眾對合成生物技術的認知度和接受度，減少公眾對食品安全、基因隱私等方面的擔憂。
參考文獻
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[4]全球農業(yè)合成生物學發(fā)展現(xiàn)狀及對中國的啟示建議［J/OL］.《農業(yè)展望》.https://cn.agropages.com/News/NewsDetail---28959.htm
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[6]BCG，BCapital.中國合成生物學產業(yè)白皮書2024[R/OL].https://www.bcg.com/publications/2024/china-synthetic-biology-whitepaper
作 者
嚴一凡，長期關注研究生物經濟領域
劉 磊，長期關注企業(yè)創(chuàng)新能力建設領域
