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受人口爆炸式增長、氣候變化、戰爭以及疫情的影響，當前全球的糧食安全面臨著嚴重的威脅。根據聯合國糧農組織（FAO）最新發布的 2022《世界糧食安全和營養狀況》報告：在 2021 年，全球約有 23 億人處于中度或重度糧食不安全狀態。 而與糧食危機相對的，卻是耕地有限地開發和增長，以及過去幾年當中重要作物產量增率的停滯不前。因此，迫切需要找到一種快速、可持續的方式，來在有限的耕地當中生產更多的農產品和改良作物營養，以確保未來的糧食安全。 而新興的合成生物學，已經以其構建、控制和編程細胞行為的能力，展現出了其在農業領域應用當中的潛力。 
2022 年 9 月 5 日，在 Advanced Agrochem期刊上在線發表了一篇 “合成生物學之于農業領域應用” 的綜述文章，題為《合成生物學：未來農業的強大助推器》，文章的通訊作者為中科院深圳先進技術研究院合成生物學研究所的周佳海研究員。 在該篇綜述當中，研究人員一共從 3 個方面給我們介紹了 “合成生物學在農業領域” 當中的應用和發展趨勢，其分別為：作物育種、植物在固碳（光合）和固氮上的改進，以及農業中微生物的改造與運用。 “合成生物學在農業中的應用，體現其在作物改良中改變代謝途徑、遺傳回路和植物結構上的潛力。同時，合成生物學的工程微生物，也在可持續農業中發揮著作用，例如生物施肥、生物刺激和生物防治。” 在文章中，研究人員這樣寫道。 
合成生物學在農業中的應用（來源：Advanced Agrochem） 農作物的馴化，是指植物當中優良的突變性狀以人類意愿不斷積累留存的過程。在過去，這一過程通常需要經歷很長時間才能夠完成，有時甚至可能長達數千年。雖然現代育種技術已經極大加快了這一進程，但是縮短至幾十年的速度仍然無法應對糧食供應所面臨的嚴峻挑戰。隨著基因組學技術的發展，通過對于植物基因組的操縱，作物馴化和作物育種的速度得到了更進一步的飛躍。基于對植物基因組的了解，作物育種工作可以分為 3 個過程：讀取（Read）、理解（Interpret）以及書寫（Write），而合成生物學，正是書寫植物基因組的關鍵技術之一。從基因組學到作物育種（來源：Nature Biotechnology）基因組編輯，指的是對于基因組中特定位點的編輯與改造。在這一方向上，李家洋團隊建立著有以其為基礎的 “野生稻快速從頭馴化技術體系”，該系統可以通過針對基因組中不同性狀基因的編輯改造，來實現對于作物的快速馴化。而基因組設計，則指的是對于一整個基因組上的精準設計。在這一塊上，黃三文團隊開展了馬鈴薯相關的設計育種工作：基于基因組大數據進行分析、設計和篩選，其最終選擇了基因組互補性比較高的自交系進行雜交，成功掩蓋雜交種中有害突變的效應，獲得了優勢顯著的雜交種。此外，與植物基因組書寫的工具和策略也在不斷發展當中，比如在最近的許多工作中，研究人員利用 CRISPR/Cas 工具，成功在植物中實現在兆堿基范圍內以受控方式（如倒位和易位）的可遺傳染色體重排。這些策略可能會被應用到作物育種當中。光合作用是作物的能量來源，也是作物產量的主要決定因素。一種光合系統的改造策略，在于尋找光合系統中的高效酶并引入替代。比如 Prins 團隊在核酮糖 - 1,5 - 二磷酸羧化酶（Rubisco）在上的工作：其在研究小麥族 25 種基因型的 Rubisco 后，發現將普通小麥野生近緣種的 Rubisco 替代進農用小麥后，可以將碳吸收率提高 20%。替代后更高的同化率（來源：Journal of Experimental Botany）不過，無論如何提高 Rubisco 的酶活，整體的固碳效率，也仍然是受到天然代謝途徑本身的限制。因此，要在更大程度上去提高光合效率，可能需要設計一種新的固碳途徑。Tobias Erb 團隊便報道了該策略上的第一個合成途徑：用于體外二氧化碳固定的 CETCH 循環（見下圖）。之后，研究人員進一步將 CETCH 循環封裝在細胞大小的液滴中，使用微流體作為葉綠體模擬物來創建人工光合作用系統。而這種 “合成葉綠體”，將有可能超越自然光合作用。為了在低 CO2 濃度環境（如水體）中保持較高的光合速率，在藍細菌等生物中進化出了一種能夠在 Rubisco 周圍積累 CO2 的機制，稱為碳濃縮機制（CCMs）。因此，除了直接提高酶活性外，將 CCMs 引入植物，也被認為是一種潛在的提高植物光合作用效率和產量的方法。羧酶體（Carboxysomes），是 CCMs 的重要組成部分，這便使得其成為該策略研究、改造和設計的一大對象。Maureen Hanson 團隊首先報道了該方向上的研究，其在替換煙草 Rubisco 的同時引入了羧酶體組裝的相關蛋白，而 Cheryl Kerfeld 團隊則在藍細菌中對羧酶體進行了重新設計，得到的嵌合蛋白能夠在結構和功能上取代羧酶體組裝所需的 4 個基因組分。天然 β- 羧酶體核心的組裝和嵌合蛋白 CcmC（來源：The Plant Cell）除了羧酶體外，還有著其它方向上關于引入 CCMs 策略的研究。比如 Stephen Long 團隊的一項研究：其在大豆中插入了藍細菌來源的無機碳轉運蛋白 B（IctB）基因，最終使得改造后植物的光合 CO2 吸收量和干重都得到了顯著增加。改進生物固氮途徑，提高作物對氮源的利用率，也是合成生物學在農業中應用的重要領域。與光合作用改進類似，將異源固氮基因簇 nif轉移到植物中，是設計與改造的最直接選擇。一直以來，研究人員都在植物不同的區室中嘗試著異源固氮基因的設計和表達，比如 Elena Caro 團隊的研究：其重新設計了葡萄曲霉（Azotobacter vinelandii）來源的固氮基因nifH、M、U和 S，同時利用合成生物學工具最終實現煙草葉綠體中 NifH 的產生。微生物是合成生物學中最常用的工具，因此，相較于改變植物本身的固氮能力，建立固氮植物微生物群落可能是一種更加有效且便捷的策略。在這一方向上，天然植物根際促生菌（PGPRs）的發現是研究最為集中的領域。天然 PGPRs 運用的局限性（來源：The ISME Journal）目前，有些天然 PGPRs 的研究已經取得了不錯的進展，可以顯著提高作物產量，并且正在走向商業化。但是，許多的 PGPR 田間研究顯示出了參差不一的性能，研究人員推測這可能是由于外加的 PGPRs 破壞土壤環境中原本的微生物群落所導致的。微生物群落內復雜的相互作用阻礙了 PGPRs 的進一步拓展應用。針對這一問題，合成生物學可以從新的角度帶來解決方案：利用移動遺傳元件（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，用于定制具有理想性狀的 PGPRs。這一策略不僅僅局限于固氮，比如農作物還需要磷等其他化學元素，便可以以微生物磷肥形式進行提供：通過引入重構的植酸酶基因改造了一組根系細菌，這些菌株產生的植酸鹽可以為植物提供磷酸鹽的供應來源。工程根系細菌提供微生物磷肥（來源：Applied and Environmental Microbiology）目前，全球 1/3 的地表出現了不同程度的退化，每年流失肥沃土壤 240 億噸，已經對生態系統和農業生產構成重大威脅。而土壤微生物，可以恢復退化土地、改善土壤水力特性同時降低土壤疏水性。現有的合成生物學研究表明，由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。合成微生物群落通過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，而這，也是未來的一個應用方向。合成生物學中的生物制造方法，是利用細菌、酵母等生物體進行原料的加工和合成。這種綠色生產技術可以替代傳統的化學合成，改變農藥等農用化學品的生產方式。此外，生物制造還可以減少工業過程中對于能源和資源的消耗，并減少空氣、水和土壤的污染和生產成本。合成生物學之于生物制造（來源：Nature Biotechnology）
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