随着全球人口的增加和人均可用耕地面积逐年减少，以合成生物学为驱动力之一的未来农业模式正在加速替代以机械化、化学投入和单一作物种植为主要特征的传统农业模式。合成生物学集成了酶工程、基因合成、基因测序、基因编辑等多种生物技术手段，可以提高农业生产效率与可持续性，减少对环境的影响，而且还能创造出更多元化、高营养价值的农产品，应用潜力巨大，已成为未来农业的重要创新引擎。
一、研究进展特征
合成生物学技术与农业领域的结合日益紧密，并在部分方向上已有商业化成果。目前，农业合成生物学的基础研究主要集中在人工细胞合成、细胞工厂、种质改良、二氧化碳固定、生物固氮和农业环境优化等方面，应用研究主要集中在植物天然产物开发、农作物性状改良、病虫害防控、肥料生产、饲料及添加剂制备等方面，目前能够或接近实现商业化的应用主要集中在作物育种、固氮肥料、农药生物制造等领域。相比之下，生物固碳、生物固氮和代谢途径改造等仍处于初期概念阶段。
作物育种方面，历经了原始育种、传统育种两代，现已进入生物育种时代。转基因育种成为应用较广的生物育种技术之一，截至2019年，全球已有14种转基因作物在29个国家种植，其中棉花、玉米和大豆是应用最广的三大作物。生物农药方面，中国企业硅羿科技实现了RNA生物农药制备的首次突破，我国的微生物肥料研究起步较早，现已实现规模化生产，通过基因编辑和工程化改造，生物肥料更加环保和高效。
数据来源：AgbioInvestor，北国咨整理绘制
图1 种植最广的三大转基因作物
二、合成生物学在
农业中的应用价值
数据来源：根据公开资料整理，北国咨绘制
图2 合成生物技术农业应用方向及发展阶段
（一）促进植物生长和提高作物产量
合成生物学技术可以从源头开始设计育种，通过基因编辑等工具对目标作物的基因组进行精确的剪切、插入和替换等操作，改良目标作物的特定性状，实现对作物遗传特性的精准调控，提高其抗旱、抗病虫害等能力。此外，合成生物学技术还可以重构目标生物体的代谢途径，提高水分利用效率和光合反应，实现目标作物的产量提升。
目前已研发出了抗旱玉米、抗病小麦和水稻、油分品质改良大豆、存储质量改良的马铃薯等基因编辑农作物。在利用合成生物技术提高作物光合效率上，也产生一些理论研究成果，如华南农业大学彭新湘教授团队先后在水稻中构建了叶绿体光呼吸GOC支路与GCGT支路，使水稻光合效率和产量显著增加。
数据来源：华南农业大学彭新湘教授团队研究成果，北国咨整理绘制
图3 GOC支路改造水稻表现提升效果
（二）减少化学肥料的使用和修复土壤
采用合成生物学技术的微生物肥料和新型农药，是化学肥料和传统农药理想的补充或替代品，可以减少化学品对生态环境的危害，重塑土壤微生物群落结构，为利用微生物修复土壤、提高微生物存活率提供了解决方案。例如，通过移动遗传元件（MGE）将目标性状（比如固氮、耐铵能力）转移到选定的根际细菌或整个群落中，可以建立理想性状植物微生物群落，或是引入重构的植酸酶基因改造根系细菌，使这些菌株产生农作物需要的化学元素。此外，多个相互作用的微生物种群所组成的工程微生物联合体，能够执行复杂的任务并承受多变的环境影响。目前，该领域已有不少成果正处于商业化阶段。
表1 肥料与农药应用案例
表格信息来源：北国咨根据公开信息整理
（三）利用光自养系统作为生物生产平台
合成生物技术可以改造光合作用系统，使目标作物的光合作用效率和产量提高。通过开发新型光合系统，创建“合成叶绿体”、“人工树叶”，将光自养生物系统作为生产平台，使生物体通过光合作用将无机物转化为有机物。由于成本低、可扩展的生物质产量高且无内毒素合成，所以基于光合微生物发展的光合细胞工厂非常适合用于合成植物天然产物、生物制药和生物燃料的大规模生产。
目前国内已有团队在该领域取得研究进展，如青岛能源所微生物制造工程中心实现蓝细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产蔗糖和甘油的蓝藻；天津工业生物技术研究所成功实现从二氧化碳到淀粉的人工合成，但基本都还处于实验室概念验证阶段。
表2 改造光合作用系统应用案例
表格信息来源：北国咨根据公开信息整理
三、总结
与国际先进水平比较，我国农业合成生物技术研发在基础理论、使能技术、核心体系、应用进展、知识产权等方面尚存在不小的差距。为促进合成生物技术在推动农业现代化方面发挥关键作用，加速未来农业向智能化、精准化和绿色化发展，提出如下发展建议：
（一）加强基础研究，完善创新体系
开展前沿领域探索与关键技术研发，重点聚焦微生物群组功能研究、代谢通路重塑、遗传性状改良、优化农作物光合作用系统等理论研究，加强对高通量育种芯片、高效基因分型、全基因组选择和融合基因编辑等关键新技术的研究。加快完善国家合成生物创新体系，建设国家级农业合成生物技术创新平台，推动一批原创技术成果转化。
（二）培育产业主体，加大资金支持
农业领域的投融资相对合成生物其他应用领域热度较低，且除部分成熟市场外，大型农业企业较少，行业发展缺乏有力的资本注入。因此要充分发挥“财政+金融”的协同效应，对在合成生物领域取得重大突破的农业企业、科研机构和团队给予财政支持，发挥政府引导基金作用培育具有核心竞争力的国际型企业。
（三）探索新型监管机制，优化应用路径
由于农业领域的特殊性，国家对农业合成生物技术的应用审查尤为严格，审查周期长、上市速度慢，亟需探索建立一套与技术创新发展相适应的监管体系。此外，注重建立科研、生产、科普紧密结合的应用推广机制，提升公众对合成生物技术的认知度和接受度，减少公众对食品安全、基因隐私等方面的担忧。
参考文献
[1]林敏,姚斌.加强合成生物技术创新，引领现代农业跨越发展[J].生物技术进展,2022,12(03):321-324.
[2]中国科学院上海生命科学信息中心，上海市生物工程学会.合成生物学对未来农业和营养的影响[R/OL].https://ssbt.org.cn/upload/20201026111832_196.pdf
[3]世界农化网中文网.全球农业合成生物学发展现状及对中国的启示建议[EB/OL].https://cn.agropages.com/News/NewsDetail---26812.htm
[4]全球农业合成生物学发展现状及对中国的启示建议［J/OL］.《农业展望》.https://cn.agropages.com/News/NewsDetail---28959.htm
[5]熊承慧,冯源.农业转基因百页深度：生物育种产业化元年的到来[EB/OL].https://cn.agropages.com/News/NewsDetail---28129.htm
[6]BCG，BCapital.中国合成生物学产业白皮书2024[R/OL].https://www.bcg.com/publications/2024/china-synthetic-biology-whitepaper
作 者
严一凡，长期关注研究生物经济领域
刘 磊，长期关注企业创新能力建设领域
