“新时代禾下乘凉梦”——合成生物学谱写农业发展新篇章

随着全球人口数量激增、土壤退化、耕地面积减少等问题的日益严峻，人类面临的粮食危机也愈发严重。春种一粒粟，秋收万颗子。在日益恶化的全球气候背景下，如何向更少的土地伸手“要”更多的粮食，这是世界农业在未来面临的巨大挑战。

回溯过去，从19世纪90年代开始的农业机械化革命，到20世纪初的农业“化学革命”，再到上世纪50年代初的第一次绿色革命，人类在一次次“与天斗、与地斗”的过程中谱写下壮丽恢弘的农业史诗。立足当下，如何提高农业生产力、如何降低生产成本、如何改良作物、如何减少化肥使用实现绿色农业？这一个个问题都亟待解决。

合成生物学作为一门面向未来的、多学科交叉的学科，发展至今，已在生物能源、生物材料、医疗技术等诸多领域取得了令人瞩目的成就。合成生物学这项“颠覆性”前沿技术，更是被称为继分子生物学革命和基因组学革命之后的第三次生物技术革命。如何解决未来面临的“粮食危机”，合成生物学可能会给我们答案。

01 开启未来篇章——植物合成生物学

植物合成生物学的发展历史最早可追溯到1989年，美国斯克里普斯研究所在Nature杂志上发表文章，首次使用烟草植物表达了功能性重组抗体。这一里程碑式的成就也标志着“分子农业”的到来——人类开始在植物基因上“动刀”了。在随后的30年里，与向微生物系统中引入外源蛋白、小分子等类似，使用植物系统生产植物代谢产物（如蜀黍苷、青蒿素、类胡萝卜素等）的报道也相继涌现。到2011年，June I. Medford课题组在PLOS ONE发文，宣布在植物中首次建立起可检测环境中TNT含量的基因线路，这一“植物传感器”的设计理念是极具合成生物学特色的；再到2013年中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞课题组首次将CRISPR基因编辑工具应用于植物，植物合成生物学逐渐走向成熟。

图 | 植物合成生物学近年发展历程（图片来源：王勇等，合成生物学，2020）

植物合成生物学如何影响未来农业发展？答：提高农作物产量、改良农作物品质、助力绿色农业。

02 提高农作物产量——保障“吃饱”问题

1942年，河南大饥荒。那是个饿肚子的年代，那是个连树皮草根都被吃干净的年代，3000万人受灾，300万人死于饥饿。那是中国人民心中永远的伤痛。如今，虽然对我们来说，吃不饱的时代已永远成为历史，但这不代表世界人民都吃得饱，更不代表吃饱饭是天经地义的。《全球粮食危机年度报告》的数据显示：2020年，有55个国家和地区的1.55亿人陷入了粮食危机，比上一年增加了约2000万人。

图 | 海地人将泥土制作成饼干充饥（图片来源：百度）

如何通过合成生物学来提高农作物的产量呢？

农业产量的两个构成因素是生物量和收获指数。通俗来说，生物量就是指在地里长出的农作物总共有多少，收获指数就是指农作物产出的能“吃”的粮食占总量的多少。也就是说生物量和收获指数越高，农业的产量也就越高。那么如何才能提高生物量和收获指数呢？

俗话说“万物生长靠太阳”，光对农作物的作用主要有三个方面：

►一是促进农作物进行光合作用；

►二是产生热能，用于农作物的蒸腾作用，有利于物质的运输；

►三是影响农作物营养体形态的建成、生长发育及叶的方位等。

所以，提高农作物将光能转化为生物量的效率也就成为了扩大产量的重中之重，而合成生物学恰恰能够让这种想法成为现实。

提到植物的光合作用，就不得不提到卡尔文循环（光合碳循环）——植物叶绿体通过光合作用将二氧化碳转变为机体内碳水化合物的循环过程。其中，固氮酶RuBisCO (1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶)是光合作用过程中决定碳同化速率的关键限速酶。那么，是否能通过改造植物的RuBisCO酶来提高光合作用效率呢？科学家们首先将目光放到了蓝细菌上。

蓝细菌作为一种单细胞原核生物与植物叶绿体有相似的光合作用系统，由于其独特的生长环境，蓝细菌还进化出了一套独特的二氧化碳富集机制。与植物的RuBisCO酶相比，蓝细菌RuBisCO酶的二氧化碳亲和力要更差，但同时催化效率却更高。2014年，Martin A. J. Parry课题组成功用蓝细菌的RuBisCO酶替换了烟草中的RuBisCO酶，结果表明工程叶绿体能发挥光合作用的功能。并且，在高二氧化碳浓度下，这些重组RuBisCO酶的固碳效率远高于原来的RuBisCO酶。

图 | 卡尔文循环示意图（图片来源：https://www.thoughtco.com/）

相比于改善RubisCO酶的活性, 提高RubisCO酶周围的二氧化碳浓度可以更加高效地提高光合固碳效率。2016年, 德国马普研究所的Tobias J Erb课题组在Science上发表了第一个用于体外固定二氧化碳的全合成代谢途径。该反应途径由来自9种不同生物的17种酶组成。与天然存在的碳固定途径比，该系统的固碳效率提高了5倍，为合成生物学在碳固定中的应用开辟了道路。

利用合成生物学技术在植物中引入光呼吸支路是减少碳损耗、降低光呼吸反应的另一重要策略。2020年华南农业大学彭新湘课题组在Molecular Plant杂志上发文，成功在水稻叶绿体中建立了一条新的“光呼吸捷径”——GCGT旁路, 结果显示GCGT水稻植株中的光合作用效率、生物量产量和氮含量均显著增加。

除了提高光合碳同化效率以外, 研究者们也在尝试使用合成生物学手段来提高光合作用的利用效率。研究发现，阳光充足（高光强）或高温胁迫会诱导叶绿体中的活性氧发生累积，导致 “栖息”在叶绿体上的光合复合体PSII关键蛋白D1迅速降解，抑制光合作用过程，进而导致作物严重减产。

2020年，中国科学院分子植物科学卓越创新中心、植物分子遗传国家重点实验室郭房庆课题组在Nature Plants上发文，通过合成生物学方法在拟南芥、烟草和水稻中创建了一条全新的，由高温响应启动子驱动的细胞核融合基因（表达D1的psbA基因和N端叶绿体定位信号序列融合）表达的D1蛋白合成途径，建立了植物细胞D1蛋白合成的“双途径”机制（天然的叶绿体合成途径和新创建的细胞核合成途径），增强了植物的高温抗性、光合作用效率、二氧化碳同化速率、生物量和产量。从克服PSII复合体胁迫下的易损性方面来看，这一原创性的发现具有重要的理论意义和应用价值。

03 改良作物惠民生——保障“吃好”问题

提起基因工程在农业上的应用，人们不可避免的会想到——“转基因作物”这一较有争议的话题。

转基因作物是指通过在作物中引入外源基因，改造生物的遗传物质，使其获得相应的生物特性。举个例子，番茄由于富含水分而不太耐冻，这时只需要将在低温环境下生活的一种深海鱼的基因移植到番茄细胞内，就培育出了耐冻的转基因番茄。再比如，将一种来自细菌的杀虫蛋白基因转到棉花中去，这样虫子一吃转基因棉就会死去，也不用再喷农药了。

转基因植物带来的各种优良性状使人们很难拒绝它们的诱惑，但围绕转基因作物安全性的争论却一直没有停息过。虽然从科学的角度来讲，目前尚没有确切证据表明转基因作物会对人类健康造成危害，但这显然并不能说服大众广泛接受“转基因无害论”。目前对转基因作物安全性的态度大概是将其视为一个“既无法证明又无法证伪”的命题，未来人们对转基因作物态度是否会发生改变，可能还依赖于对大众的进一步科普教育以及对其安全性的更深入考量。

既然引入外源基因可能“有害”，那对作物本身的基因进行改造编辑，优化作物的特性总可以吧？

CRISPR/Cas基因编辑技术作为当今最主流的基因编辑工具，被称为生命科学领域最具颠覆性、革命性的技术丝毫不为过。从这把“上帝的手术刀”问世，到其在细菌、真菌、哺乳动物细胞上的应用，每一项成就无不标志着人类精准编辑基因时代的到来。

图 | 法国科学家Emmanuelle Charpentier和美国科学家Jennifer A. Doudna开发的CRISPR基因组编辑技术摘得2020年诺贝尔化学奖（图片来源：https://www.nobelprize.org/）

2013年，中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞课题组在Nature Biotechnology杂志上发文，首次将CRISPR基因编辑技术应用到了水稻基因组，这项里程碑式的成就标志着世界第一篇基因编辑植物相关的论文问世。此后近十年时间，高彩霞课题组陆续发表数十篇基因编辑植物相关的工作，将CRISPR等基因编辑技术应用到了水稻、小麦、玉米、番茄等多种农作物的育种和改良上。

2018年，高彩霞课题组在Nature Biotechnology发文，首次通过基因编辑实现野生植物的快速驯化，为精准设计和创造全新作物提供了新的策略。通过选用天然耐盐碱和抗细菌疮痂病的野生醋栗番茄为基础材料，运用多靶点CRISPR/Cas9载体系统，精准靶向多个产量和品质性状控制基因的编码区及调控区（包括开花光周期敏感性、株型和果实同步成熟控制基因SP和SP5G的编码区、果实大小控制基因SlCLV3和SlWUS的顺式调控元件和维生素C合成酶基因SlGGP1的上游开放阅读框等），获得了140个独立的基因编辑株系。在不牺牲其对盐碱和疮痂病天然抗性的前提下，精准优化了野生番茄的产量和品质性状，加速了野生植物的人工驯化。后代群体的基因型和表型鉴定表明，基因编辑消除了野生番茄开花的光周期敏感性，突破了栽种的地理范围限制；同时提高了坐果率、果实成熟的同步性和收获指数；并且，基因编辑株的果实更大，维生素C含量更高。

图 | 高彩霞研究员（图片来源：Nature News）

2022年，高彩霞课题组还与中科院微生物所邱金龙和中科院遗传发育所肖军课题组合作在Nature发文，实现了对小麦重要感病基因序列MLO的精准操控，获得了既高抗白粉病又高产的小麦新品种。这意味着号称小麦三大病害之一的白粉病终于被我国科学家“拿下”。

04 “空气变粮食”——助力“吃的绿色”

2021年度“人工合成淀粉”入选中国科学十大进展 。中国科学院天津工业生物技术研究所马延和团队历时6年科研攻关终于在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。“向空气要粮食”，这个貌似天方夜谭的想法成为现实。利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下还原成碳一化合物，然后通过设计构建碳一聚合新酶，依据化学聚糖反应原理将碳一化合物聚合成碳三化合物，最后通过生物途径优化，将碳三化合物又聚合成碳六化合物，再进一步合成直链和支链淀粉。这一人工途径的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，这项成就对提高人类粮食安全水平，促进碳中和的生物经济发展和创造可持续的生物基社会具有重大的推动作用。

图 | 人工淀粉合成途径的设计与模块化组装示意图（图片来源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh4049）

2022年，电子科技大学夏川课题组、中国科学院深圳先进技术研究院于涛课题组与中国科学技术大学曾杰课题组合作在Nature Catalysis上发文，继“空气变馒头”之后，“空气变食醋、变葡萄糖”也将成为可能。通过电催化结合生物合成的方式，采用“两步走”策略，将二氧化碳高效还原合成高浓度乙酸，进一步利用酿酒酵母合成葡萄糖。该工作耦合人工电催化与生物酶催化过程，为人工和半人工合成“粮食”提供了新的技术。

05 国家政策保驾护航——保障“吃的安全”

2022年1月，中国农业农村部科技教育司发布《农业用基因编辑植物安全评价指南（试行）》，旨在针对没有引入外源基因的基因编辑植物，依据可能产生的风险申请安全评价。这一指南为基因编辑作物育种的商业化铺平了道路，标志着中国将开始批准基因编辑作物，对我国生物育种技术研发与产业推动具有里程碑意义。

图 | 指南发布官网截图（图片来源：http://www.moa.gov.cn/ ）

国家有政策，科研有力量！

通过制定科学合理的管理政策，进一步规范国家农业用基因编辑植物安全评价工作，促进我国基因编辑等生物育种技术的发展，为推动种业科技自立自强，保障粮食安全发挥积极助力。中国科学院院士、中科院遗传发育所研究员曹晓风表示，“抓住当前我国农作物基因编辑技术的优势，建立基因编辑育种的法规，推动基因编辑新品种的审定与推广应用，对于促进我国农作物种业发展和提升农业科技创新力具有重大战略意义。”

06 编后语

滴水穿石非一日之功。虽然近几年植物合成生物学取得了突飞猛进的发展，但是真正“从实验室走向农田”仍然任重道远，但我们坚定科技兴农，创新发展的初心从未改变。小编在这里引用高彩霞研究员在回答记者问及“为什么中国发表的基因编辑在农业领域应用的研究论文高居世界第一”时候的一句话，“因为有我在（Because I'm here）”。

是啊，科技兴农有我，科技强国有我！

文辞粗浅，一得之见。谨以此文向奋斗在科研一线的科技工作者们致敬，向为祖国兴农事业不懈奋斗的建设者们致敬！同时，谨以此文深切缅怀袁隆平院士。

做一粒好种子，让新时代谱写的“禾下乘凉梦”在祖国大地上生根发芽！

主要参考文献：

1. 吴杰,赵乔.合成生物学在现代农业中的应用与前景[J].植物生理学报,2020,56(11):2308-2316.
2. 邵洁,刘海利,王勇.植物合成生物学的现在与未来[J].合成生物学,2020,1(04):395-412.
3. Gao C, et al. Genome-edited powdery mildew resistance in wheat without growth penalties. Nature. 2022 Feb;602(7897):455-460.
4. Liu W, Stewart CN Jr. Plant synthetic biology. Trends Plant Sci. 2015 May;20(5):309-317.
5. 中国生物技术网，https://baijiahao.baidu.com/s?id=1724485780038356959&wfr=spider&for=pc
6. BioArt植物，https://3g.163.com/dy/article/H391M2GJ0512TP34.html
7. 交汇点客户端，农作物育种：“基因编辑”下的“精准调控模式”
7. 中华人民共和国农业农村部，农业用基因编辑植物安全评价指南（试行），http://www.moa.gov.cn/ztzl/zjyqwgz/sbzn/202201/t20220124_6387561.htm