合成生物学技术在农林产业中的应用与发展

曾凡力，肖生林，谢德宝，郝志敏，于 飞，董金皋

(1.河北农业大学 生命科学学院,河北 保定 071001；2.河北农业大学 植物保护学院,河北 保定 071001)

近年来，随着分子生物学和生物技术的革新，农业、渔业和林业等第一产业取得巨大发展，农业生产力比2005年提高了60%～120%[1]。然而，随着全球人口剧增、财富递增和生物经济扩张以及对粮食安全的更高要求，农业生产力仍需跨越式增长。国际粮食统计局最新数据显示，如今仍有部分人口的粮食安全不能得到保证。联合国粮食及农业组织估计作物生产力的提高率不能满足2050年近90亿人口的粮食需求[2]。

受益于作物育种和农艺学研究，许多不同品种的作物产量已得到实质性改善，但其增长速率处于减慢状态，高度成功的育种和农艺战略不足以满足农业需求的加速增长。例如我国主要产粮大省之一的河北省，耕作条件适宜，农艺设施完备，其小麦种植面积、产量以及单产水平在全国名列前茅[3]。小麦种植面积每年都在2 400万公顷左右，总产量达到1 000万吨。随着农业供给侧结构性改革推进，河北省对小麦产业发展给予了高度重视，同时加大农药、化肥、种子等生产资料的投入，但小麦产量仍没有明显提高[3]，说明仅使用传统农业技术提高产量已达到极限，需要用更多先进策略减轻目前和未来的粮食安全威胁。在农作物的增产率趋于平稳的背景下，快速的城市化、侵蚀和气候变暖导致耕地流失，增加耕地面积的可能性受限，为提高农业生产带来了额外挑战。传统的植物生物技术的重点是调节单个成分，而改善复杂的多基因性状需要合理而系统的工程策略。

一、国内合成生物学发展历程

随着基因组学的不断革新和系统生物学的兴起，一门严格的工程学科得以发展，由此产生了将生物学的研究性质与工程学的构造性质相结合的研究领域——合成生物学。合成生物学利用现有的生物学基本原件，基于工程化的思路，抽象的建立一个基本的工具包，简化生物系统工程，它在解决日益严峻的能源短缺、环境污染、粮食安全及公共卫生安全等问题方面有巨大潜力(图1)。

图1 合成生物学概念性示意图

2008年，香山科学会议首次讨论发展合成生物学的战略。2009年上海举行东方论坛，对合成生物学的发展进行第二轮讨论，随后发布《“十二五”生物技术发展规划》《“十三五”国家科技创新规划》《“十三五”生物技术创新专项规划》等一系列规划，都将合成生物技术列为“构建具有国际竞争力的现代产业技术体系”所需的“发展引领产业变革的颠覆性技术”之一。《国家自然科学基金“十三五”学科发展战略报告生命科学》将“生命及生物学过程的设计与合成”列为重要的交叉研究优先资助领域之一[4]。近年来，我国以学术会议交流、构建科技共同体到战略意义等多样形式促进合成生物学的发展(图2)。

图2 我国合成生物学近年发展科技事纪

2017年底，成立国内首个合成生物学产学研联盟——深圳市合成生物学协会，继而又在2019年成立亚洲合成生物学协会，为合成生物学发展提供匹配的软硬件设施。此外，我国2018年发布的《国务院关于印发积极牵头组织国际大科学计划和大科学工程方案的通知》(国发〔2018〕5号)，明确鼓励支持具备基础性、战略性和前瞻性的科学研究，推动合成生物学研究步入战略化发展态势。最具规模的战略扶持举动是2019年国家核拨6亿元经费倾向部署“人工基因组合成与高版本底盘细胞构建、人工元器件与基因回路、特定功能的合成生物系统、使能技术体系与生物安全评估、部市联动项目”5个专项的基础研究。这些都说明，合成生物学领域研究已经实现从基础研究性质到国家持续战略布局的升级转化[4]。

农业生物技术研究的发展紧紧依赖于现代生命科学理论创新与技术创新的发展。当代生命科学的学科发展呈现典型的“两极化”特征——广泛与综合，纵深与精细。前者主要以“合成生物学”为代表[5]。目前，合成生物学在第一产业，尤其是农业方面，提高生产率和实现可持续性的成就主要体现在以下几方面：(1)生物固氮减少氮肥使用，降低化肥污染，降低生产成本；(2)光合作用合成生物学增加农业产量，实现农业可持续发展；(3)增加农作物营养价值，解决营养不良问题；(4)提高土地利用率，解决耕地面积对农业产量的限制问题。

二、合成生物学创新为农林产业发展提供新机遇

(一) 生物固氮减少氮肥使用，降低化肥污染，降低生产成本

氮在地球大气中含量很高，但它不能直接被植物吸收。氮肥的利用使当代农业基本克服了氮对作物生产力的限制。长期以来，为了单纯追求高产而盲目的大量使用氮肥造成了温室气体产生、水生生态系统普遍富营养化、生物多样性丧失等诸多环境问题。中国是世界上最大的合成氮肥消费国，然而由于传统观念的影响以及缺乏适当的知识和科学指导，许多农民在农田中施加过量合成氮肥，造成农田合成氮肥料消耗的快速增加和氮素利用效率低下，限制了农业的可持续发展，并导致了各种环境问题。小麦和玉米是中国的主要陆地作物，其种植面积分别占中国主要粮食作物总种植面积的25.9%和41.7%，根据《中国统计年鉴》中河南、河北、山东3省的小麦和玉米年播种面积及对《全国农产品成本收益资料汇编》中各省份氮肥投入情况进行分析(表1)，可知 2013—2015 年期间，河南、河北、山东3省小麦的化学氮肥单位面积施用量分别为 207千克/公顷、262千克/公顷、225千克/公顷，其中河北省的小麦化学氮肥施用量在3个典型省中为最高，比山东省和河南省分别高出16%和26%；而玉米的化学氮肥单位面积施用量分别为160千克/公顷、165千克/公顷、213千克/公顷，山东省的玉米化学氮肥施用量比河北和河南省的分别高出29%和33%；各省份小麦和玉米两种粮食作物的年均化学氮肥消费总量分别为164万吨/年、114万吨/年、151万吨/年[6]。

表1 我国典型省份小麦和玉米的化学氮肥施用量和消费量

大量的氮肥使用意味着温室气体的排放增加，最新数据显示，仅河南、河北和山东3 个典型省份在小麦上消费的化学氮肥带来的年均温室气体排放量分别可达1 536万吨、847万吨、1 153万吨二氧化碳当量/年，在玉米上消费的化学氮肥产生的年均温室气体排放量分别达717万、720万、912万吨二氧化碳当量/年(图3)[6]。尽管如此，面对人口的进一步增长，以及全球仍有部分人口不能保证粮食安全的现状，仍必须保证作物的氮吸收。据相关模型模拟估计，如果不采取相应改变措施，2050年氮污染预计将比2010年增加约100%～150%[7]。人工固氮的缺陷使科学家开始挖掘生物固氮的潜力，而植物遗传工具和合成生物学的进步，使生物固氮的研究有了新进展[7]。

图3 我国典型省份在小麦和玉米上消费的化学氮肥产生的温室气体排放量

目前，通过合成生物学方法进行生物固氮的策略主要有在非豆科植物中发展新的共生关系；构建具有固氮功能的微生物群、提高植物氮利用率、改造植物细胞的细胞器，使其产生固氮能力。将生物固氮系统直接导入植物细胞内，使主要农作物具有自主固氮功能的氮素自给自足属性，一直是生物固氮研究领域实现农业生产“绿色革命”的梦想[8]。合成生物学技术的发展与运用正在使其变为现实。

(二)光合作用合成生物学增加农业产量，实现农业可持续发展

我国人口增多与耕地面积减少的矛盾日益突出，粮食安全已成为我国国民经济可持续发展的重要保障。光合作用是作物产量形成的物质基础，提高作物光能利用效率是提高作物产量的重要途径之一[9]。已有研究表明，在叶绿体中引入蓝细菌碳浓缩机制(CCM)可能会提高光能利用效率，使作物产量提高36%～60%。改善模型植物和农作物中的光合作用代谢途径，减少光呼吸二氧化碳的损失，也是改善植物生长的合适方法[10]。在烟草叶绿体中安装合成的光合作用代谢途径，使纯合的转基因烟草品系生物量增加>40%[10]。此外，还有小麦、生菜等可利用合成生物学技术增加光合速率，提高产量(表2)。

表2 光合速率对植物生物量的影响 %

总的来说，光合效率的提高是创建生态文明、维护未来可持续生态环境的重要途径。提高光能利用效率，创建高产、高效作(植)物，减少化肥使用量，是未来创制绿色、可持续农业发展的关键所在，也是构建国家生态文明的重要一环。合成生物学技术在改造、优化当前光合作用系统，使之在全球气候变化下仍保持最佳光能转化效率发挥着重要作用[11]。

(三)增加农作物营养价值，解决营养不良问题

营养不良，包括微量营养素缺乏，超重和肥胖。尽管全球在减少饥饿方面取得了很大进展，但仍有7.95亿人营养不良，超过20亿人患有各种微量营养素缺乏症，估计有1.61亿五岁以下的儿童发育不良，99亿体重不足，5 100万超重。超过6亿成年人肥胖。第二届国际营养大会(ICN2)将来自粮食，农业，卫生，教育，社会保护和其他相关部门的国家决策者召集在一起，通过多部门共同解决营养不良这一复杂问题。参加会议的各国政府核可了两项成果文件《营养罗马宣言》和《行动框架》，使世界各国领导人致力于制定旨在消除一切形式营养不良和改变粮食体系以向所有人提供营养饮食的国家政策。我国也存在严重的营养不良问题。根据2014年中国《学龄儿童和青少年营养不良筛查标准》(WS / T456-2014)的新学生健康标准，对我国31个省(自治区，直辖市)的儿童营养状况进行了分析和比较。结果发现，我国7～18岁的儿童和青少年营养不良率为10.0%。营养不良的发生率，包括发育迟缓，轻度消瘦和中度严重消瘦，分别为0.8%，3.7%和5.5%[12]。由此可见，解决粮食营养与解决粮食产量同等重要。

合成生物学技术在确保充足的粮食供应和解决营养不良问题有巨大的潜力，最突出的例子是“金稻计划”。维生素A缺乏会引起严重的健康问题，通过合成类胡萝卜素基因，使β-胡萝卜素在水稻中合成并积累，是提高人体对维生素A摄入的方法之一。长链多不饱和脂肪酸(LC-PUFA)，如花生四烯酸等都与大脑发育有关且有利于降低心血管疾病的患病率。海洋鱼类和微藻是人类饮食中LC-PUFA主要但非可持续来源。研究表明，利用合成生物学技术对LC-PUFA基因进行改造，在油料作物中LC-PUFA含量增加12%～15%[13]。现目前预计部分植物来源LC-PUFA已在美国获得监管部门的完全批准，提供了一种可持续的LC-PUFA来源，这也证明了合成生物学技术给消费者带来效益的能力[13]。增加食物的营养价值还包括有针对性地消除不良性状。例如花生这类可能引起严重过敏的高蛋白植物性食品，减少其致敏性将使这些农作物拥有更广阔的市场。这些都表明了合成生物学技术在提高作物营养方面有着巨大的作用。

(四)提高土地利用率，解决耕地面积对农业产量的限制问题

自2004年以来，中国的粮食产量连续12年增长，粮食生产能力大大提高。然而生态环境却付出了极大的代价，如土壤层变薄、土壤侵蚀、土壤酸化、土壤含过量重金属等，同时，建设用地不断扩大，耕地的质量和数量正在不同程度地下降。在农业和未来建设用地扩张污染加剧的双重压力下，增加粮食供给存在着很大的挑战。为了解决这一问题，政府出台了试点方案，在2016年探索并实施耕地轮作和休耕制度。随后连续3年提出中央一号文件，以进一步扩大耕地轮作和休耕制度的试点规模。然而，考虑到我国人口众多和土地资源稀缺，如何在确保粮食安全的前提下确定合理的耕地休耕规模是一个亟待解决的关键问题。一些学者从粮食安全的角度探讨了耕地休耕的规模，提出耕地总规模休耕应在5%以内调整为8%，最高比例不得超过20%。由此可以说明，在耕地扩增面积有限且质量不能保证，还会破坏生态环境的情况下，如何提高现有耕地的生产能力显得尤为重要[14]。

合成生物学在这一方面有着重要作用。 利用合成生物学技术转换微生物，作为潜在的生物修复剂，使其能够降解有毒芳香族化合物及修复重金属污染，是目前利用微生物进行生物修复解决土地问题的主要方法之一。合成生物学技术的发展为逆向工程提供了理想的资源，它对非常规环境中的新品种进行工程改造，并可能有助于非耕地的再生。此外，在非植物宿主例如微生物中表达植物代谢产物，可能会影响土地利用并为国内生产提供新的机会。总之，生物技术的发展是推动农林产业进步，实现农业现代化的第一动力。

三、结语

我国现代化社会经济的发展离不开现代农业的支持，农业建设是我国新农村建设的基本需要，发展现代化农业，改变我国传统的农业生产方式，促进现代化农业的快速发展，为我国的现代化社会经济提供重要的保障[15]。合成生物学技术的研究和发展已成为克服人口膨胀、粮食短缺、环境污染、疾病危害、能源和资源缺乏、生态失衡等一系列重大问题的可靠手段和工具。现如今，文中提到的一些方法已经进入市场，例如，减少微生物在农业中肥料使用的合成菌群工程。新的研究也在不断进行，例如制造农业相关的生物传感器，使其对各种各样的环境污染物、养分、非生物胁迫和其他环境因素做出反应等。随着合成生物学技术研究的不断深入，合成生物学技术与农业产业化的开发和应用不仅可以推动农业生产向更高的层次、更宽广的领域发展，而且将会使农业生产原有的内涵和外延都发生重大变化，加快农业产业化步伐，促进传统的粗放型农业朝集约化现代农业方向发生质的飞跃。在提高粮食和其他农业产品的产量和质量的同时，减少对环境的破坏，确保农业的可持续发展。但是，许多相关技术仍不成熟，并且在最终实现商业化应用之前，必须建立监管框架并对其适用性进行仔细评估。目前，国际上对该领域的监管方法缺乏一致性。各国之间的监管体系存在很大差异，而且大多数都未能跟上新遗传技术的快速发展，建立有效的监管体系是当前的首要任务。