全球农业合成生物学发展现状及对中国的启示建议-世界农化网

本文摘自《农业展望》，为″NSTL粮食与食品安全国际战略与政策情报研究″项目成果

摘要：21世纪以来，合成生物学的发展受到世界主要国家高度重视，被置于宏观科技战略的重要地位予以支持，已经形成使能技术、平台工具服务和多样化产品类型的发展格局。在农业科学领域，合成生物学的应用能够促进农作物及畜牧生产、改良农作物及畜禽品质、减少化肥农药施用、降低生产成本以及实现农业可持续发展。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、畜禽动物改良、病虫害防控、食品加工、肥料生产、饲料及添加剂制备等方面。鉴于农业合成生物学巨大的应用潜力，建议中国进一步强化顶层设计、加强战略部署，聚焦关键技术、推动自主创新，培育产业主体、拓展应用场景，加强人才队伍建设、优化科技力量，从而推动我国农业合成生物学的快速发展。

合成生物学，是一门″汇聚″型新兴学科，在系统生物学基础上，融汇工程科学原理，采用自下而上的策略，重编改造天然的或设计合成新的生物体系，以揭示生命规律和构筑新一代生物工程体系的″汇聚″型新兴学科，被喻为认识生命的钥匙（″造物致知″）和改变未来的颠覆性技术（″造物致用″），被认为是″第三次生物科学革命″，是推动人类实现从″认识生命″到″设计生命″伟大跨越的重要技术路径^[1-2]。

近年来，合成生物学在农业领域的应用快速发展，并在作物育种改良、固氮增效、动植物疫病防控等领域显现出巨大潜力，能够为解决国家粮食安全提供新的路径。近年来，发达国家也高度重视农业合成生物学研究，制定了一系列支持政策和发展战略，形成了农业领域多元化产品类型的发展格局。

农业合成生物学政策布局

″合成生物学″于21世纪初正名问世以来，先后经历学科萌发期、产业导入期、政策窗口期、学科发展期和产业扩张期，2016年起进入政策、学科和产业全面发展的快速增长期；当前，合成生物学进入全球共识、合作与竞争的快速发展时期，欧盟、美国、中国等国家（地区）从学科发展、政策制定和战略布局等多维度促进合成生物学发展^[3]。合成生物学已成为世界强国博弈的制高点，农业合成生物学发展也受到世界主要国家的高度重视，主要发达国家均进行了系统政策研究和战略部署^[4]。

1.1 美国——始于国防科技，农业领域布局强度增加

2011年，美国国防高级研究计划局启动了″生命铸造厂计划″，旨在利用合成生物学对自然生物操纵来获取原创性新材料、新器件、新系统和新平台。近年来，美国国立卫生研究院、国家科学基金会和能源部等也积极部署医药健康、能源环境、材料化工等领域合成生物学的规划和研究，连续3年发布了工程生物学、微生物组工程、工程生物学与材料科学等相关领域路线图，从多维路径推动美国合成生物学的发展^[5-7]。同时，美国对农业领域的资助热度不减，国防部高级研究计划局先后发布了″先进植物″″昆虫盟友″等多项相关计划；农业部启动了″植物遗传资源、基因组学和遗传改良行动″和″国家植物病害行动″，旨在通过提供知识、技术和产品，提高农作物的产量和质量^[8]。

1.2 欧盟——最早专门开展宏观战略部署，启动实施未来作物育种研究计划

2005年，欧盟委员会成立的高级别专家组建议制定欧洲合成生物学战略和路线图，自第六研究框架计划起欧盟一直积极资助合成生物学的研发。2014年，欧盟推出″欧洲合成生物学下一步行动″，涉及16个成员国协调一致推动合成生物学的发展^[9]。其中，德国通过研究基金会支持合成生物学的发展，丹麦战略研究委员会对合成生物学进行了大量投资，瑞士国家科学基金会成立规模最大的公共研究计划Systems X.ch，以推动系统生物学和合成生物学的发展。德国在农业合成生物学领域积极开发部署，″促进‘未来作物’计划″主张利用合成生物学技术从头开发新型转化系统以创新先进植物的育种研究。

1.3 英国——首个实施国家路线图，系统开展农业合成生物学研究

2012 年，英国发布《合成生物学路线图》，对合成生物学进行全面系统的布局。在此基础上，2016 年，英国又发布《英国合成生物学战略计划》，重点强调新兴创意的转化、应用的商品化以及全球市场部署。在合成生物学路线图和战略规划的引导下，英国政府还专门成立了合成生物学领导理事会，并持续加大对合成生物学的投入和支持^[10]。在农业合成生物学领域，英国重点聚焦农作物遗传育种、动物分子辅助标记育种和废弃物资源化利用等领域，并在作物优异性状和抗病虫害基因、植物天然产物合成途径和农兽药污染物生物传感等方面开展了系统的研究。

1.4 新加坡——着眼合成生物学全球强国，积极布局生物医药和高附加值消费品领域

2012年来，新加坡着眼于成为合成生物学的全球强国，在生物医学、消费业务、自然资源、营养、生物制剂和清洁技术领域进行了大额投资。2017年，新加坡科技创新规划——《研究、创新、创业2020：用科技赢未来》中有超过1 900万美元专门用于资助合成生物学研究^[11]。2019年，新加坡国立研究基金会发布《国家合成生物学研究》计划，利用合成生物学推动生物基产业发展，新加坡的合成生物学研究主要集中在成果转化，着重于创造有价值的化学物质和医学应用，以及新颖的食品和营养物质生产方法。

农业合成生物学产业格局

合成生物学被广泛应用于各种产业，全球已初步建立起合成生物学产业格局，并在农业领域表现出较大发展潜力。随着全球主要国家对合成生物学的高度重视，该学科在相关产业中的应用日趋增强，逐步形成了使能技术、平台工具服务和应用产品导向型公司三大发展格局^[12]。图1为全球合成生物学产业发展格局，包括主要核心企业和核心产品。其中，开发使能技术的公司为行业提供关键的产品，如DNA测序、DNA合成、基因编辑、生物信息学等产品，不同技术应用方向让合成生物学的落地更加多元化，且已具备成熟的市场规模。提供工具服务的公司主要制造DNA构件及开发系统，如平台搭建、系统集成、软件服务等。产品导向型的公司涵盖衣、食、住、行各个方面，横跨医药、化工、能源、农业等多个关键领域，目前已有超过116个合成生物学产品获得开发上市，涉及药物、化学品、生物燃料、工业流体、材料、食品和农业等^[13]。农业领域涉及的主要平台公司包括Amyris公司、Oxitec公司、AgriMetis公司、Agrivida公司和Revivicor公司等，主要技术产品涵盖农业投入品、农业动植物新品种以及食品、农产品等诸多类型。

图1 全球合成生物学产业发展格局

农业合成生物学研发现状

农业合成生物学的应用旨在帮助和保护农作物及畜牧生产，其在提高农业生产力、改良农作物及畜禽品质、降低生产成本、减少化肥农药施用以及实现可持续发展等方面的潜力日益凸显。

3.1 基础研究

农业合成生物学领域主要的代表性科学研究包括：

（1）人工细胞合成。自2010年开始，科研界陆续实现了首个人工细胞、真核细胞染色体、酵母基因组、非天然碱基、酵母单染色体和功能性定制细胞器等的生物合成。

（2）细胞工厂。异源合成人类所需的各种植物/动物天然产物和表达平台，如利用工程细胞工厂从头合成生物活性异黄酮、萜类化合物、抗菌肽、乳蛋白和植物蛋白肉等。

（3）种质改良。包括微生物群组功能研究、代谢通路重塑、遗传性状改良和畜禽疾病诊疗，如利用合成微生物群落协同促进植物生长，利用原核系统生产代谢物和CRISPR/Cas9进行作物改良，以及畜禽重大疾病生物疫苗及基因开关控制植入细胞治疗等。

（4）二氧化碳（CO₂）固定。主要是优化改造农作物光合作用系统，提升光能转化效率，如人工设计高光效的″光呼吸″替代路径，缩短光呼吸原本迂回复杂的反应路径；研发人工叶绿体组装平台，实现自动化人工叶绿体，吸收太阳能并固定CO₂；我国科学家采用″搭积木式″策略实现了CO₂到淀粉的人工合成。

（5）生物固氮。主要是减少氮肥使用，提供经济、环保和高效的氮素供应方式，如利用电/光催化合成氨可直接在土壤中运行并提供作物生长所需的氮源；人工联合固氮体系创制与田间示范，构建高效泌铵固氮菌底盘微生物。

（6）农业环境解决方案。主要是改良农业土壤环境，改造农业病虫害基因，加强农业废弃物综合利用，创新的解决方案突破农作物环境胁迫因素的制约，如通过农业生物传感器实现污染物、养分、非生物胁迫等因素的快速反应，基于微生物功能特性开发生物防治产品，利用脱氮或脱磷微生物处理农业废水等。

3.2 应用研究

农业合成生物学领域主要的应用型研究包括：

（1）植物天然产物开发。Amyris公司于2013年利用人工酵母合成青蒿素是新兴的合成生物学领域第一项重大成果，近年来萜类、苯丙素类和生物碱等系列植物天然产物的人工合成细胞工厂被成功创建。

（2）农作物性状改良。GreenLight Biosciences公司开发高性能的RNA农作物，使其精确靶向免疫于特定害虫且不会伤害有益昆虫。

（3）畜禽动物改良。Revivicor公司研发的基因编辑猪，其细胞表面缺失过敏原α-半乳糖分子，可用于生产食品以及器官移植。

（4）病虫害防控。Oxitec公司研发的基因改造昆虫可控制疾病或作物害虫的传播；AgriMetis公司开发的天然产物衍生的化合物保护作物免受杂草、真菌病和害虫的侵害；Apeel Sciences公司开发的植物基涂层可以延长番茄和苹果等易腐食品的保质期。

（5）食品、农产品加工。Perfect Day初创公司人工改造酵母菌底盘，构建人造奶细胞工厂；Exxon Mobil公司改造富油微拟球藻，含油量从20%提高到40%以上。

（6）肥料生产。Pivot Bio公司开发微生物肥料替代氮肥，减少氮径流，并消除相关的一氧化二氮的产生。

（7）饲料及添加剂制备。Agrivida公司开发的首款产品酵素植酸酶Grain可以提高饲料的消化率、减少动物体内的营养抑制剂。

中国农业合成生物学发展的启示建议

2010年以来，我国在合成生物学领域的顶层战略规划逐步加强，如香山科学会议、《″十四五″国家科技创新规划》均将合成生物技术列为发展引领产业变革的颠覆性技术^[14]。在农业科学领域，合成生物学能够利用其应用导向的设计思路在作物育种改良、固氮增效、动植物疫病防控等方面发挥巨大潜力。我国虽然在农业合成生物学基础研究创新、前沿领域探索与关键技术研发等方面取得了一些突破性进展，但仍面临学科起步较晚、基础相对较薄、产业发展缓慢、复合型领军人才缺乏等困难。因此，应对标发达国家，进一步瞄准世界农业科技发展前沿，从政策布局、科研体制、产业格局和人才培育等方面，强化对农业合成生物学的战略部署，快速提升我国在该领域的国际竞争力和对乡村振兴、现代农业建设的引领和支撑作用。

4.1 强化顶层设计，加强战略部署

合成生物学在农业领域的发展需要从政府层面进行系统布局，″先布棋盘，后落棋子″。一是要加强农业合成生物学的顶层设计和战略部署，围绕国家农业发展重大需求，制定我国农业合成生物学科技、产业发展路线图。路线图要确定战略方向和重点突破点，实现从基础研究到技术创新，从工程平台建设到产品开发、产业转化的多层次、分阶段的快速与稳定发展。二是要制定研发、生产、应用各环节配套政策和规范体系，明确相应的主管部门，厘清责权，建立科学、理性、有效、可行的管理原则。三是要制定科学技术、环境安全、过程可重复和结果可测度的技术标准，明确新产品的申报与审批路径，加强风险评估和监管，建立市场准入规范。

4.2 聚焦关键技术，推动自主创新

农业合成生物学的研究要以科技自主创新为核心，以项目成果实施为路径，以应用产品转化为目的。一是要结合国际研究发展趋势加强基础研究，开展前沿领域探索与关键技术研发，以形成自主知识产权的合成生物学技术为主攻方向，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。二是要加大重大项目支持和实施力度，攻克关键核心技术和″卡脖子″技术难题，开展和合成生物学联合攻关，加快培育优质突破性重大农作物新品种，构筑精准设计遗传育种体系，提高粮食和其他农业产品的产量和质量，强化作物园艺、植物保护、畜牧兽医和农产品质量与加工领域基础研究，推动绿色超级稻、高光效/固氮玉米等新品种创制，以及畜禽动物新品种培育，新一代生物疫苗、生物肥料和酶制剂等生物制品的研发，努力抢占合成生物学农业应用技术发展制高点。三是要扩大科技创新开放合作、优化研究发展的外部环境，主动融入全球创新网络，以开放科学和开源技术为路径，促进国内国际创新要素双循环高效流动，营造国际化科研环境。

4.3 培育产业主体，拓展应用场景

合成生物学的发展必将为未来农业带来颠覆性的变化，因而要强化农产品科技赋能，培育优质产业主体，以更多科技供给来提升我国农业的国际竞争力。一是要强化创新主体地位，培育企业首创精神。支持初创公司快速发展，增强企业技术产品敏感度，对瞄准的创新技术产品超前布局，加大投入，加速研发。二是要加大创新技术产品的保障。加快产品标准的研制，推动新技术及产品加快进入市场，及时评价有关产品的安全性和可行性，建立相关审批绿色通道，缩短产品准入的批复周期。三是要加强知识产权保护、鼓励企业全球化布局。打造高端农业优势，擘画″国内国际″并进格局，在国际经济贸易活动中运用好知识产权国际规则，鼓励核心技术、核心产品做好国际布局，确保国际市场竞争力。

4.4 加强人才队伍建设，优化科技力量

合成生物学的人才培养应强调和倡导勇于创新、开放、合作的意识和理念。一是要重视学科和教育体系建设，培养跨学科人才队伍。根据学科交叉的需要，精心设计提升学生创新能力的教育计划，支持跨学科教育和培训，通过协同多方教育资源，逐步建立系统的合成生物学跨学科培训体系。二是要倡导跨学科的团队合作，培育高水平研究梯队。重点培养一批战略研究、技术创新和工程开发型人才，结合国家和地方政府的系列人才工程，积极引进人才。三是要优化我国的科技力量布局。明确高校、科研机构和企业的定位，增强体系化科技创新能力，建成高水平国家实验室体系，系统布局重点领域创新基地，形成各类创新主体充分发挥作用和优势互补的科技力量协同。

农业合成生物学未来发展方向

近年来，随着合成生物学的快速发展，其在提高农业生产力、改良作物、降低生产成本、减少化肥农药施用以及实现可持续发展等方面的潜力日益凸显。可以预见，合成生物学必将影响未来农业走向，为农业领域带来巨大的变革。

未来农业合成生物学将更多地关注于：（1）改造、优化当前农作物光合作用系统，使之在全球气候变化下保持最佳光能转化效率；（2）生物固氮减少氮肥使用，提供经济、环保和高效的氮素供应方式；（3）重塑代谢通路，改良作物遗传性状，以及通过异源合成人类所需的各种植物天然产物；（4）改良农业土壤环境，改造农业病虫害基因，创新的解决方案突破农作物环境胁迫因素的制约；（5）农业生物传感器用以实现环境污染物、养分、非生物胁迫和其他环境因素的快速反应等。

参考文献

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