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農業模式。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，可以提高農業生產效率與可持續性，減少對環境的影響，而且還能創造出更多元化、高營養價值的農產品，應用潛力巨大，已成為未來農業的重要創新引擎。
一、研究進展特征
合成生物學技術與農業領域的結合日益緊密，并在部分方向上已有商業化成果。目前，農業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、生物固氮和農業環境優化等方面，應用研究主要集中在植物天然產物開發、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商業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、傳統育種兩代，現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，中國企業硅羿科技實現了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，現已實現規模化生產，通過基因編輯和工程化改造，生物肥料更加環保和高效。
數據來源：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
農業中的應用價值
數據來源：根據公開資料整理，北國咨繪制
圖2 合成生物技術農業應用方向及發展階段
（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，實現目標作物的產量提升。
目前已研發出了抗旱玉米、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。
數據來源：華南農業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，是化學肥料和傳統農藥理想的補充或替代品，可以減少化學品對生態環境的危害，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合體，能夠執行復雜的任務并承受多變的環境影響。目前，該領域已有不少成果正處于商業化階段。
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）利用光自養系統作為生物生產平臺
合成生物技術可以改造光合作用系統，使目標作物的光合作用效率和產量提高。通過開發新型光合系統，創建“合成葉綠體”、“人工樹葉”，將光自養生物系統作為生產平臺，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；天津工業生物技術研究所成功實現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 改造光合作用系統應用案例
表格信息來源：北國咨根據公開信息整理
三、總結
與國際先進水平比較，我國農業合成生物技術研發在基礎理論、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現代化方面發揮關鍵作用，加速未來農業向智能化、精準化和綠色化發展，提出如下發展建議：
（一）加強基礎研究，完善創新體系
開展前沿領域探索與關鍵技術研發，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、優化農作物光合作用系統等理論研究，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新體系，建設國家級農業合成生物技術創新平臺，推動一批原創技術成果轉化。
（二）培育產業主體，加大資金支持
農業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，大型農業企業較少，行業發展缺乏有力的資本注入。因此要充分發揮“財政+金融”的協同效應，對在合成生物領域取得重大突破的農業企業、科研機構和團隊給予財政支持，發揮政府引導基金作用培育具有核心競爭力的國際型企業。
（三）探索新型監管機制，優化應用路徑
由于農業領域的特殊性，國家對農業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新發展相適應的監管體系。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
[1]林敏,姚斌.加強合成生物技術創新，引領現代農業跨越發展[J].生物技術進展,2022,12(03):321-324.
[2]中國科學院上海生命科學信息中心，上海市生物工程學會.合成生物學對未來農業和營養的影響[R/OL].https://ssbt.org.cn/upload/20201026111832_196.pdf
[3]世界農化網中文網.全球農業合成生物學發展現狀及對中國的啟示建議[EB/OL].https://cn.agropages.com/News/NewsDetail---26812.htm
[4]全球農業合成生物學發展現狀及對中國的啟示建議［J/OL］.《農業展望》.https://cn.agropages.com/News/NewsDetail---28959.htm
[5]熊承慧,馮源.農業轉基因百頁深度：生物育種產業化元年的到來[EB/OL].https://cn.agropages.com/News/NewsDetail---28129.htm
[6]BCG，BCapital.中國合成生物學產業白皮書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，長期關注企業創新能力建設領域
