隨著全球人口數(shù)量激增、土壤退化、耕地面積減少等問題的日益嚴峻，人類面臨的糧食危機也愈發(fā)嚴重。春種一粒粟，秋收萬顆子。在日益惡化的全球氣候背景下，如何向更少的土地伸手“要”更多的糧食，這是世界農(nóng)業(yè)在未來面臨的巨大挑戰(zhàn)。

回溯過去，從19世紀90年代開始的農(nóng)業(yè)機械化革命，到20世紀初的農(nóng)業(yè)“化學革命”，再到上世紀50年代初的第一次綠色革命，人類在一次次“與天斗、與地斗”的過程中譜寫下壯麗恢弘的農(nóng)業(yè)史詩。立足當下，如何提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、如何降低生產(chǎn)成本、如何改良作物、如何減少化肥使用實現(xiàn)綠色農(nóng)業(yè)？這一個個問題都亟待解決。

合成生物學作為一門面向未來的、多學科交叉的學科，發(fā)展至今，已在生物能源、生物材料、醫(yī)療技術等諸多領域取得了令人矚目的成就。合成生物學這項“顛覆性”前沿技術，更是被稱為繼分子生物學革命和基因組學革命之后的第三次生物技術革命。如何解決未來面臨的“糧食危機”，合成生物學可能會給我們答案。

01 開啟未來篇章——植物合成生物學

植物合成生物學的發(fā)展歷史最早可追溯到1989年，美國斯克里普斯研究所在Nature雜志上發(fā)表文章，首次使用煙草植物表達了功能性重組抗體。這一里程碑式的成就也標志著“分子農(nóng)業(yè)”的到來——人類開始在植物基因上“動刀”了。在隨后的30年里，與向微生物系統(tǒng)中引入外源蛋白、小分子等類似，使用植物系統(tǒng)生產(chǎn)植物代謝產(chǎn)物（如蜀黍苷、青蒿素、類胡蘿卜素等）的報道也相繼涌現(xiàn)。到2011年，June I. Medford課題組在PLOS ONE發(fā)文，宣布在植物中首次建立起可檢測環(huán)境中TNT含量的基因線路，這一“植物傳感器”的設計理念是極具合成生物學特色的；再到2013年中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所高彩霞課題組首次將CRISPR基因編輯工具應用于植物，植物合成生物學逐漸走向成熟。

圖 | 植物合成生物學近年發(fā)展歷程（圖片來源：王勇等，合成生物學，2020）

植物合成生物學如何影響未來農(nóng)業(yè)發(fā)展？答：提高農(nóng)作物產(chǎn)量、改良農(nóng)作物品質、助力綠色農(nóng)業(yè)。

02 提高農(nóng)作物產(chǎn)量——保障“吃飽”問題

1942年，河南大饑荒。那是個餓肚子的年代，那是個連樹皮草根都被吃干凈的年代，3000萬人受災，300萬人死于饑餓。那是中國人民心中永遠的傷痛。如今，雖然對我們來說，吃不飽的時代已永遠成為歷史，但這不代表世界人民都吃得飽，更不代表吃飽飯是天經(jīng)地義的?！度蚣Z食危機年度報告》的數(shù)據(jù)顯示：2020年，有55個國家和地區(qū)的1.55億人陷入了糧食危機，比上一年增加了約2000萬人。

圖 | 海地人將泥土制作成餅干充饑（圖片來源：百度）

如何通過合成生物學來提高農(nóng)作物的產(chǎn)量呢？

農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的兩個構成因素是生物量和收獲指數(shù)。通俗來說，生物量就是指在地里長出的農(nóng)作物總共有多少，收獲指數(shù)就是指農(nóng)作物產(chǎn)出的能“吃”的糧食占總量的多少。也就是說生物量和收獲指數(shù)越高，農(nóng)業(yè)的產(chǎn)量也就越高。那么如何才能提高生物量和收獲指數(shù)呢？

俗話說“萬物生長靠太陽”，光對農(nóng)作物的作用主要有三個方面：

?一是促進農(nóng)作物進行光合作用；

?二是產(chǎn)生熱能，用于農(nóng)作物的蒸騰作用，有利于物質的運輸；

?三是影響農(nóng)作物營養(yǎng)體形態(tài)的建成、生長發(fā)育及葉的方位等。

所以，提高農(nóng)作物將光能轉化為生物量的效率也就成為了擴大產(chǎn)量的重中之重，而合成生物學恰恰能夠讓這種想法成為現(xiàn)實。

提到植物的光合作用，就不得不提到卡爾文循環(huán)（光合碳循環(huán)）——植物葉綠體通過光合作用將二氧化碳轉變?yōu)闄C體內(nèi)碳水化合物的循環(huán)過程。其中，固氮酶RuBisCO (1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶)是光合作用過程中決定碳同化速率的關鍵限速酶。那么，是否能通過改造植物的RuBisCO酶來提高光合作用效率呢？科學家們首先將目光放到了藍細菌上。

藍細菌作為一種單細胞原核生物與植物葉綠體有相似的光合作用系統(tǒng)，由于其獨特的生長環(huán)境，藍細菌還進化出了一套獨特的二氧化碳富集機制。與植物的RuBisCO酶相比，藍細菌RuBisCO酶的二氧化碳親和力要更差，但同時催化效率卻更高。2014年，Martin A. J. Parry課題組成功用藍細菌的RuBisCO酶替換了煙草中的RuBisCO酶，結果表明工程葉綠體能發(fā)揮光合作用的功能。并且，在高二氧化碳濃度下，這些重組RuBisCO酶的固碳效率遠高于原來的RuBisCO酶。

圖 | 卡爾文循環(huán)示意圖（圖片來源：https://www.thoughtco.com/）

相比于改善RubisCO酶的活性, 提高RubisCO酶周圍的二氧化碳濃度可以更加高效地提高光合固碳效率。2016年, 德國馬普研究所的Tobias J Erb課題組在Science上發(fā)表了第一個用于體外固定二氧化碳的全合成代謝途徑。該反應途徑由來自9種不同生物的17種酶組成。與天然存在的碳固定途徑比，該系統(tǒng)的固碳效率提高了5倍，為合成生物學在碳固定中的應用開辟了道路。

利用合成生物學技術在植物中引入光呼吸支路是減少碳損耗、降低光呼吸反應的另一重要策略。2020年華南農(nóng)業(yè)大學彭新湘課題組在Molecular Plant雜志上發(fā)文，成功在水稻葉綠體中建立了一條新的“光呼吸捷徑”——GCGT旁路, 結果顯示GCGT水稻植株中的光合作用效率、生物量產(chǎn)量和氮含量均顯著增加。

除了提高光合碳同化效率以外, 研究者們也在嘗試使用合成生物學手段來提高光合作用的利用效率。研究發(fā)現(xiàn)，陽光充足（高光強）或高溫脅迫會誘導葉綠體中的活性氧發(fā)生累積，導致 “棲息”在葉綠體上的光合復合體PSII關鍵蛋白D1迅速降解，抑制光合作用過程，進而導致作物嚴重減產(chǎn)。

2020年，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心、植物分子遺傳國家重點實驗室郭房慶課題組在Nature Plants上發(fā)文，通過合成生物學方法在擬南芥、煙草和水稻中創(chuàng)建了一條全新的，由高溫響應啟動子驅動的細胞核融合基因（表達D1的psbA基因和N端葉綠體定位信號序列融合）表達的D1蛋白合成途徑，建立了植物細胞D1蛋白合成的“雙途徑”機制（天然的葉綠體合成途徑和新創(chuàng)建的細胞核合成途徑），增強了植物的高溫抗性、光合作用效率、二氧化碳同化速率、生物量和產(chǎn)量。從克服PSII復合體脅迫下的易損性方面來看，這一原創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)具有重要的理論意義和應用價值。

03 改良作物惠民生——保障“吃好”問題

提起基因工程在農(nóng)業(yè)上的應用，人們不可避免的會想到——“轉基因作物”這一較有爭議的話題。

轉基因作物是指通過在作物中引入外源基因，改造生物的遺傳物質，使其獲得相應的生物特性。舉個例子，番茄由于富含水分而不太耐凍，這時只需要將在低溫環(huán)境下生活的一種深海魚的基因移植到番茄細胞內(nèi)，就培育出了耐凍的轉基因番茄。再比如，將一種來自細菌的殺蟲蛋白基因轉到棉花中去，這樣蟲子一吃轉基因棉就會死去，也不用再噴農(nóng)藥了。

轉基因植物帶來的各種優(yōu)良性狀使人們很難拒絕它們的誘惑，但圍繞轉基因作物安全性的爭論卻一直沒有停息過。雖然從科學的角度來講，目前尚沒有確切證據(jù)表明轉基因作物會對人類健康造成危害，但這顯然并不能說服大眾廣泛接受“轉基因無害論”。目前對轉基因作物安全性的態(tài)度大概是將其視為一個“既無法證明又無法證偽”的命題，未來人們對轉基因作物態(tài)度是否會發(fā)生改變，可能還依賴于對大眾的進一步科普教育以及對其安全性的更深入考量。

既然引入外源基因可能“有害”，那對作物本身的基因進行改造編輯，優(yōu)化作物的特性總可以吧？

CRISPR/Cas基因編輯技術作為當今最主流的基因編輯工具，被稱為生命科學領域最具顛覆性、革命性的技術絲毫不為過。從這把“上帝的手術刀”問世，到其在細菌、真菌、哺乳動物細胞上的應用，每一項成就無不標志著人類精準編輯基因時代的到來。

圖 | 法國科學家Emmanuelle Charpentier和美國科學家Jennifer A. Doudna開發(fā)的CRISPR基因組編輯技術摘得2020年諾貝爾化學獎（圖片來源：https://www.nobelprize.org/）

2013年，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所高彩霞課題組在Nature Biotechnology雜志上發(fā)文，首次將CRISPR基因編輯技術應用到了水稻基因組，這項里程碑式的成就標志著世界第一篇基因編輯植物相關的論文問世。此后近十年時間，高彩霞課題組陸續(xù)發(fā)表數(shù)十篇基因編輯植物相關的工作，將CRISPR等基因編輯技術應用到了水稻、小麥、玉米、番茄等多種農(nóng)作物的育種和改良上。

2018年，高彩霞課題組在Nature Biotechnology發(fā)文，首次通過基因編輯實現(xiàn)野生植物的快速馴化，為精準設計和創(chuàng)造全新作物提供了新的策略。通過選用天然耐鹽堿和抗細菌瘡痂病的野生醋栗番茄為基礎材料，運用多靶點CRISPR/Cas9載體系統(tǒng)，精準靶向多個產(chǎn)量和品質性狀控制基因的編碼區(qū)及調控區(qū)（包括開花光周期敏感性、株型和果實同步成熟控制基因SP和SP5G的編碼區(qū)、果實大小控制基因SlCLV3和SlWUS的順式調控元件和維生素C合成酶基因SlGGP1的上游開放閱讀框等），獲得了140個獨立的基因編輯株系。在不犧牲其對鹽堿和瘡痂病天然抗性的前提下，精準優(yōu)化了野生番茄的產(chǎn)量和品質性狀，加速了野生植物的人工馴化。后代群體的基因型和表型鑒定表明，基因編輯消除了野生番茄開花的光周期敏感性，突破了栽種的地理范圍限制；同時提高了坐果率、果實成熟的同步性和收獲指數(shù)；并且，基因編輯株的果實更大，維生素C含量更高。

圖 | 高彩霞研究員（圖片來源：Nature News）

2022年，高彩霞課題組還與中科院微生物所邱金龍和中科院遺傳發(fā)育所肖軍課題組合作在Nature發(fā)文，實現(xiàn)了對小麥重要感病基因序列MLO的精準操控，獲得了既高抗白粉病又高產(chǎn)的小麥新品種。這意味著號稱小麥三大病害之一的白粉病終于被我國科學家“拿下”。

04 “空氣變糧食”——助力“吃的綠色”

2021年度“人工合成淀粉”入選中國科學十大進展 。中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所馬延和團隊歷時6年科研攻關終于在國際上首次實現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成?！跋蚩諝庖Z食”，這個貌似天方夜譚的想法成為現(xiàn)實。利用化學催化劑將高濃度二氧化碳在高密度氫能作用下還原成碳一化合物，然后通過設計構建碳一聚合新酶，依據(jù)化學聚糖反應原理將碳一化合物聚合成碳三化合物，最后通過生物途徑優(yōu)化，將碳三化合物又聚合成碳六化合物，再進一步合成直鏈和支鏈淀粉。這一人工途徑的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，這項成就對提高人類糧食安全水平，促進碳中和的生物經(jīng)濟發(fā)展和創(chuàng)造可持續(xù)的生物基社會具有重大的推動作用。

圖 | 人工淀粉合成途徑的設計與模塊化組裝示意圖（圖片來源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh4049）

2022年，電子科技大學夏川課題組、中國科學院深圳先進技術研究院于濤課題組與中國科學技術大學曾杰課題組合作在Nature Catalysis上發(fā)文，繼“空氣變饅頭”之后，“空氣變食醋、變葡萄糖”也將成為可能。通過電催化結合生物合成的方式，采用“兩步走”策略，將二氧化碳高效還原合成高濃度乙酸，進一步利用釀酒酵母合成葡萄糖。該工作耦合人工電催化與生物酶催化過程，為人工和半人工合成“糧食”提供了新的技術。

05 國家政策保駕護航——保障“吃的安全”

2022年1月，中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部科技教育司發(fā)布《農(nóng)業(yè)用基因編輯植物安全評價指南（試行）》，旨在針對沒有引入外源基因的基因編輯植物，依據(jù)可能產(chǎn)生的風險申請安全評價。這一指南為基因編輯作物育種的商業(yè)化鋪平了道路，標志著中國將開始批準基因編輯作物，對我國生物育種技術研發(fā)與產(chǎn)業(yè)推動具有里程碑意義。

圖 | 指南發(fā)布官網(wǎng)截圖（圖片來源：http://www.moa.gov.cn/ ）

國家有政策，科研有力量！

通過制定科學合理的管理政策，進一步規(guī)范國家農(nóng)業(yè)用基因編輯植物安全評價工作，促進我國基因編輯等生物育種技術的發(fā)展，為推動種業(yè)科技自立自強，保障糧食安全發(fā)揮積極助力。中國科學院院士、中科院遺傳發(fā)育所研究員曹曉風表示，“抓住當前我國農(nóng)作物基因編輯技術的優(yōu)勢，建立基因編輯育種的法規(guī)，推動基因編輯新品種的審定與推廣應用，對于促進我國農(nóng)作物種業(yè)發(fā)展和提升農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新力具有重大戰(zhàn)略意義?！?/p>

06 編后語

滴水穿石非一日之功。雖然近幾年植物合成生物學取得了突飛猛進的發(fā)展，但是真正“從實驗室走向農(nóng)田”仍然任重道遠，但我們堅定科技興農(nóng)，創(chuàng)新發(fā)展的初心從未改變。小編在這里引用高彩霞研究員在回答記者問及“為什么中國發(fā)表的基因編輯在農(nóng)業(yè)領域應用的研究論文高居世界第一”時候的一句話，“因為有我在（Because I'm here）”。

是啊，科技興農(nóng)有我，科技強國有我！

文辭粗淺，一得之見。謹以此文向奮斗在科研一線的科技工作者們致敬，向為祖國興農(nóng)事業(yè)不懈奮斗的建設者們致敬！同時，謹以此文深切緬懷袁隆平院士。

做一粒好種子，讓新時代譜寫的“禾下乘涼夢”在祖國大地上生根發(fā)芽！

主要參考文獻：

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7. 交匯點客戶端，農(nóng)作物育種：“基因編輯”下的“精準調控模式”
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