合成生物學(xué)技術(shù)在農(nóng)林產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展

曾凡力，肖生林，謝德寶，郝志敏，于 飛，董金皋

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,河北 保定 071001；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 植物保護(hù)學(xué)院,河北 保定 071001)

近年來(lái)，隨著分子生物學(xué)和生物技術(shù)的革新，農(nóng)業(yè)、漁業(yè)和林業(yè)等第一產(chǎn)業(yè)取得巨大發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力比2005年提高了60%～120%[1]。然而，隨著全球人口劇增、財(cái)富遞增和生物經(jīng)濟(jì)擴(kuò)張以及對(duì)糧食安全的更高要求，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力仍需跨越式增長(zhǎng)。國(guó)際糧食統(tǒng)計(jì)局最新數(shù)據(jù)顯示，如今仍有部分人口的糧食安全不能得到保證。聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織估計(jì)作物生產(chǎn)力的提高率不能滿足2050年近90億人口的糧食需求[2]。

受益于作物育種和農(nóng)藝學(xué)研究，許多不同品種的作物產(chǎn)量已得到實(shí)質(zhì)性改善，但其增長(zhǎng)速率處于減慢狀態(tài)，高度成功的育種和農(nóng)藝戰(zhàn)略不足以滿足農(nóng)業(yè)需求的加速增長(zhǎng)。例如我國(guó)主要產(chǎn)糧大省之一的河北省，耕作條件適宜，農(nóng)藝設(shè)施完備，其小麥種植面積、產(chǎn)量以及單產(chǎn)水平在全國(guó)名列前茅[3]。小麥種植面積每年都在2 400萬(wàn)公頃左右，總產(chǎn)量達(dá)到1 000萬(wàn)噸。隨著農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革推進(jìn)，河北省對(duì)小麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展給予了高度重視，同時(shí)加大農(nóng)藥、化肥、種子等生產(chǎn)資料的投入，但小麥產(chǎn)量仍沒(méi)有明顯提高[3]，說(shuō)明僅使用傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù)提高產(chǎn)量已達(dá)到極限，需要用更多先進(jìn)策略減輕目前和未來(lái)的糧食安全威脅。在農(nóng)作物的增產(chǎn)率趨于平穩(wěn)的背景下，快速的城市化、侵蝕和氣候變暖導(dǎo)致耕地流失，增加耕地面積的可能性受限，為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了額外挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的植物生物技術(shù)的重點(diǎn)是調(diào)節(jié)單個(gè)成分，而改善復(fù)雜的多基因性狀需要合理而系統(tǒng)的工程策略。

一、國(guó)內(nèi)合成生物學(xué)發(fā)展歷程

隨著基因組學(xué)的不斷革新和系統(tǒng)生物學(xué)的興起，一門(mén)嚴(yán)格的工程學(xué)科得以發(fā)展，由此產(chǎn)生了將生物學(xué)的研究性質(zhì)與工程學(xué)的構(gòu)造性質(zhì)相結(jié)合的研究領(lǐng)域——合成生物學(xué)。合成生物學(xué)利用現(xiàn)有的生物學(xué)基本原件，基于工程化的思路，抽象的建立一個(gè)基本的工具包，簡(jiǎn)化生物系統(tǒng)工程，它在解決日益嚴(yán)峻的能源短缺、環(huán)境污染、糧食安全及公共衛(wèi)生安全等問(wèn)題方面有巨大潛力(圖1)。

圖1 合成生物學(xué)概念性示意圖

2008年，香山科學(xué)會(huì)議首次討論發(fā)展合成生物學(xué)的戰(zhàn)略。2009年上海舉行東方論壇，對(duì)合成生物學(xué)的發(fā)展進(jìn)行第二輪討論，隨后發(fā)布《“十二五”生物技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》《“十三五”生物技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》等一系列規(guī)劃，都將合成生物技術(shù)列為“構(gòu)建具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系”所需的“發(fā)展引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性技術(shù)”之一?！秶?guó)家自然科學(xué)基金“十三五”學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告生命科學(xué)》將“生命及生物學(xué)過(guò)程的設(shè)計(jì)與合成”列為重要的交叉研究?jī)?yōu)先資助領(lǐng)域之一[4]。近年來(lái)，我國(guó)以學(xué)術(shù)會(huì)議交流、構(gòu)建科技共同體到戰(zhàn)略意義等多樣形式促進(jìn)合成生物學(xué)的發(fā)展(圖2)。

圖2 我國(guó)合成生物學(xué)近年發(fā)展科技事紀(jì)

2017年底，成立國(guó)內(nèi)首個(gè)合成生物學(xué)產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟——深圳市合成生物學(xué)協(xié)會(huì)，繼而又在2019年成立亞洲合成生物學(xué)協(xié)會(huì)，為合成生物學(xué)發(fā)展提供匹配的軟硬件設(shè)施。此外，我國(guó)2018年發(fā)布的《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)積極牽頭組織國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃和大科學(xué)工程方案的通知》(國(guó)發(fā)〔2018〕5號(hào))，明確鼓勵(lì)支持具備基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性和前瞻性的科學(xué)研究，推動(dòng)合成生物學(xué)研究步入戰(zhàn)略化發(fā)展態(tài)勢(shì)。最具規(guī)模的戰(zhàn)略扶持舉動(dòng)是2019年國(guó)家核撥6億元經(jīng)費(fèi)傾向部署“人工基因組合成與高版本底盤(pán)細(xì)胞構(gòu)建、人工元器件與基因回路、特定功能的合成生物系統(tǒng)、使能技術(shù)體系與生物安全評(píng)估、部市聯(lián)動(dòng)項(xiàng)目”5個(gè)專項(xiàng)的基礎(chǔ)研究。這些都說(shuō)明，合成生物學(xué)領(lǐng)域研究已經(jīng)實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)研究性質(zhì)到國(guó)家持續(xù)戰(zhàn)略布局的升級(jí)轉(zhuǎn)化[4]。

農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究的發(fā)展緊緊依賴于現(xiàn)代生命科學(xué)理論創(chuàng)新與技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展。當(dāng)代生命科學(xué)的學(xué)科發(fā)展呈現(xiàn)典型的“兩極化”特征——廣泛與綜合，縱深與精細(xì)。前者主要以“合成生物學(xué)”為代表[5]。目前，合成生物學(xué)在第一產(chǎn)業(yè)，尤其是農(nóng)業(yè)方面，提高生產(chǎn)率和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性的成就主要體現(xiàn)在以下幾方面：(1)生物固氮減少氮肥使用，降低化肥污染，降低生產(chǎn)成本；(2)光合作用合成生物學(xué)增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展；(3)增加農(nóng)作物營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，解決營(yíng)養(yǎng)不良問(wèn)題；(4)提高土地利用率，解決耕地面積對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的限制問(wèn)題。

二、合成生物學(xué)創(chuàng)新為農(nóng)林產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供新機(jī)遇

(一) 生物固氮減少氮肥使用，降低化肥污染，降低生產(chǎn)成本

氮在地球大氣中含量很高，但它不能直接被植物吸收。氮肥的利用使當(dāng)代農(nóng)業(yè)基本克服了氮對(duì)作物生產(chǎn)力的限制。長(zhǎng)期以來(lái)，為了單純追求高產(chǎn)而盲目的大量使用氮肥造成了溫室氣體產(chǎn)生、水生生態(tài)系統(tǒng)普遍富營(yíng)養(yǎng)化、生物多樣性喪失等諸多環(huán)境問(wèn)題。中國(guó)是世界上最大的合成氮肥消費(fèi)國(guó)，然而由于傳統(tǒng)觀念的影響以及缺乏適當(dāng)?shù)闹R(shí)和科學(xué)指導(dǎo)，許多農(nóng)民在農(nóng)田中施加過(guò)量合成氮肥，造成農(nóng)田合成氮肥料消耗的快速增加和氮素利用效率低下，限制了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，并導(dǎo)致了各種環(huán)境問(wèn)題。小麥和玉米是中國(guó)的主要陸地作物，其種植面積分別占中國(guó)主要糧食作物總種植面積的25.9%和41.7%，根據(jù)《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》中河南、河北、山東3省的小麥和玉米年播種面積及對(duì)《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》中各省份氮肥投入情況進(jìn)行分析(表1)，可知 2013—2015 年期間，河南、河北、山東3省小麥的化學(xué)氮肥單位面積施用量分別為 207千克/公頃、262千克/公頃、225千克/公頃，其中河北省的小麥化學(xué)氮肥施用量在3個(gè)典型省中為最高，比山東省和河南省分別高出16%和26%；而玉米的化學(xué)氮肥單位面積施用量分別為160千克/公頃、165千克/公頃、213千克/公頃，山東省的玉米化學(xué)氮肥施用量比河北和河南省的分別高出29%和33%；各省份小麥和玉米兩種糧食作物的年均化學(xué)氮肥消費(fèi)總量分別為164萬(wàn)噸/年、114萬(wàn)噸/年、151萬(wàn)噸/年[6]。

表1 我國(guó)典型省份小麥和玉米的化學(xué)氮肥施用量和消費(fèi)量

大量的氮肥使用意味著溫室氣體的排放增加，最新數(shù)據(jù)顯示，僅河南、河北和山東3 個(gè)典型省份在小麥上消費(fèi)的化學(xué)氮肥帶來(lái)的年均溫室氣體排放量分別可達(dá)1 536萬(wàn)噸、847萬(wàn)噸、1 153萬(wàn)噸二氧化碳當(dāng)量/年，在玉米上消費(fèi)的化學(xué)氮肥產(chǎn)生的年均溫室氣體排放量分別達(dá)717萬(wàn)、720萬(wàn)、912萬(wàn)噸二氧化碳當(dāng)量/年(圖3)[6]。盡管如此，面對(duì)人口的進(jìn)一步增長(zhǎng)，以及全球仍有部分人口不能保證糧食安全的現(xiàn)狀，仍必須保證作物的氮吸收。據(jù)相關(guān)模型模擬估計(jì)，如果不采取相應(yīng)改變措施，2050年氮污染預(yù)計(jì)將比2010年增加約100%～150%[7]。人工固氮的缺陷使科學(xué)家開(kāi)始挖掘生物固氮的潛力，而植物遺傳工具和合成生物學(xué)的進(jìn)步，使生物固氮的研究有了新進(jìn)展[7]。

圖3 我國(guó)典型省份在小麥和玉米上消費(fèi)的化學(xué)氮肥產(chǎn)生的溫室氣體排放量

目前，通過(guò)合成生物學(xué)方法進(jìn)行生物固氮的策略主要有在非豆科植物中發(fā)展新的共生關(guān)系；構(gòu)建具有固氮功能的微生物群、提高植物氮利用率、改造植物細(xì)胞的細(xì)胞器，使其產(chǎn)生固氮能力。將生物固氮系統(tǒng)直接導(dǎo)入植物細(xì)胞內(nèi)，使主要農(nóng)作物具有自主固氮功能的氮素自給自足屬性，一直是生物固氮研究領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“綠色革命”的夢(mèng)想[8]。合成生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展與運(yùn)用正在使其變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

(二)光合作用合成生物學(xué)增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展

我國(guó)人口增多與耕地面積減少的矛盾日益突出，糧食安全已成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。光合作用是作物產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，提高作物光能利用效率是提高作物產(chǎn)量的重要途徑之一[9]。已有研究表明，在葉綠體中引入藍(lán)細(xì)菌碳濃縮機(jī)制(CCM)可能會(huì)提高光能利用效率，使作物產(chǎn)量提高36%～60%。改善模型植物和農(nóng)作物中的光合作用代謝途徑，減少光呼吸二氧化碳的損失，也是改善植物生長(zhǎng)的合適方法[10]。在煙草葉綠體中安裝合成的光合作用代謝途徑，使純合的轉(zhuǎn)基因煙草品系生物量增加>40%[10]。此外，還有小麥、生菜等可利用合成生物學(xué)技術(shù)增加光合速率，提高產(chǎn)量(表2)。

表2 光合速率對(duì)植物生物量的影響 %

總的來(lái)說(shuō)，光合效率的提高是創(chuàng)建生態(tài)文明、維護(hù)未來(lái)可持續(xù)生態(tài)環(huán)境的重要途徑。提高光能利用效率，創(chuàng)建高產(chǎn)、高效作(植)物，減少化肥使用量，是未來(lái)創(chuàng)制綠色、可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵所在，也是構(gòu)建國(guó)家生態(tài)文明的重要一環(huán)。合成生物學(xué)技術(shù)在改造、優(yōu)化當(dāng)前光合作用系統(tǒng)，使之在全球氣候變化下仍保持最佳光能轉(zhuǎn)化效率發(fā)揮著重要作用[11]。

(三)增加農(nóng)作物營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，解決營(yíng)養(yǎng)不良問(wèn)題

營(yíng)養(yǎng)不良，包括微量營(yíng)養(yǎng)素缺乏，超重和肥胖。盡管全球在減少饑餓方面取得了很大進(jìn)展，但仍有7.95億人營(yíng)養(yǎng)不良，超過(guò)20億人患有各種微量營(yíng)養(yǎng)素缺乏癥，估計(jì)有1.61億五歲以下的兒童發(fā)育不良，99億體重不足，5 100萬(wàn)超重。超過(guò)6億成年人肥胖。第二屆國(guó)際營(yíng)養(yǎng)大會(huì)(ICN2)將來(lái)自糧食，農(nóng)業(yè)，衛(wèi)生，教育，社會(huì)保護(hù)和其他相關(guān)部門(mén)的國(guó)家決策者召集在一起，通過(guò)多部門(mén)共同解決營(yíng)養(yǎng)不良這一復(fù)雜問(wèn)題。參加會(huì)議的各國(guó)政府核可了兩項(xiàng)成果文件《營(yíng)養(yǎng)羅馬宣言》和《行動(dòng)框架》，使世界各國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人致力于制定旨在消除一切形式營(yíng)養(yǎng)不良和改變糧食體系以向所有人提供營(yíng)養(yǎng)飲食的國(guó)家政策。我國(guó)也存在嚴(yán)重的營(yíng)養(yǎng)不良問(wèn)題。根據(jù)2014年中國(guó)《學(xué)齡兒童和青少年?duì)I養(yǎng)不良篩查標(biāo)準(zhǔn)》(WS / T456-2014)的新學(xué)生健康標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)我國(guó)31個(gè)省(自治區(qū)，直轄市)的兒童營(yíng)養(yǎng)狀況進(jìn)行了分析和比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，我國(guó)7～18歲的兒童和青少年?duì)I養(yǎng)不良率為10.0%。營(yíng)養(yǎng)不良的發(fā)生率，包括發(fā)育遲緩，輕度消瘦和中度嚴(yán)重消瘦，分別為0.8%，3.7%和5.5%[12]。由此可見(jiàn)，解決糧食營(yíng)養(yǎng)與解決糧食產(chǎn)量同等重要。

合成生物學(xué)技術(shù)在確保充足的糧食供應(yīng)和解決營(yíng)養(yǎng)不良問(wèn)題有巨大的潛力，最突出的例子是“金稻計(jì)劃”。維生素A缺乏會(huì)引起嚴(yán)重的健康問(wèn)題，通過(guò)合成類(lèi)胡蘿卜素基因，使β-胡蘿卜素在水稻中合成并積累，是提高人體對(duì)維生素A攝入的方法之一。長(zhǎng)鏈多不飽和脂肪酸(LC-PUFA)，如花生四烯酸等都與大腦發(fā)育有關(guān)且有利于降低心血管疾病的患病率。海洋魚(yú)類(lèi)和微藻是人類(lèi)飲食中LC-PUFA主要但非可持續(xù)來(lái)源。研究表明，利用合成生物學(xué)技術(shù)對(duì)LC-PUFA基因進(jìn)行改造，在油料作物中LC-PUFA含量增加12%～15%[13]。現(xiàn)目前預(yù)計(jì)部分植物來(lái)源LC-PUFA已在美國(guó)獲得監(jiān)管部門(mén)的完全批準(zhǔn)，提供了一種可持續(xù)的LC-PUFA來(lái)源，這也證明了合成生物學(xué)技術(shù)給消費(fèi)者帶來(lái)效益的能力[13]。增加食物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值還包括有針對(duì)性地消除不良性狀。例如花生這類(lèi)可能引起嚴(yán)重過(guò)敏的高蛋白植物性食品，減少其致敏性將使這些農(nóng)作物擁有更廣闊的市場(chǎng)。這些都表明了合成生物學(xué)技術(shù)在提高作物營(yíng)養(yǎng)方面有著巨大的作用。

(四)提高土地利用率，解決耕地面積對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的限制問(wèn)題

自2004年以來(lái)，中國(guó)的糧食產(chǎn)量連續(xù)12年增長(zhǎng)，糧食生產(chǎn)能力大大提高。然而生態(tài)環(huán)境卻付出了極大的代價(jià)，如土壤層變薄、土壤侵蝕、土壤酸化、土壤含過(guò)量重金屬等，同時(shí)，建設(shè)用地不斷擴(kuò)大，耕地的質(zhì)量和數(shù)量正在不同程度地下降。在農(nóng)業(yè)和未來(lái)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張污染加劇的雙重壓力下，增加糧食供給存在著很大的挑戰(zhàn)。為了解決這一問(wèn)題，政府出臺(tái)了試點(diǎn)方案，在2016年探索并實(shí)施耕地輪作和休耕制度。隨后連續(xù)3年提出中央一號(hào)文件，以進(jìn)一步擴(kuò)大耕地輪作和休耕制度的試點(diǎn)規(guī)模。然而，考慮到我國(guó)人口眾多和土地資源稀缺，如何在確保糧食安全的前提下確定合理的耕地休耕規(guī)模是一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。一些學(xué)者從糧食安全的角度探討了耕地休耕的規(guī)模，提出耕地總規(guī)模休耕應(yīng)在5%以內(nèi)調(diào)整為8%，最高比例不得超過(guò)20%。由此可以說(shuō)明，在耕地?cái)U(kuò)增面積有限且質(zhì)量不能保證，還會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境的情況下，如何提高現(xiàn)有耕地的生產(chǎn)能力顯得尤為重要[14]。

合成生物學(xué)在這一方面有著重要作用。 利用合成生物學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)換微生物，作為潛在的生物修復(fù)劑，使其能夠降解有毒芳香族化合物及修復(fù)重金屬污染，是目前利用微生物進(jìn)行生物修復(fù)解決土地問(wèn)題的主要方法之一。合成生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展為逆向工程提供了理想的資源，它對(duì)非常規(guī)環(huán)境中的新品種進(jìn)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達(dá)植物代謝產(chǎn)物，可能會(huì)影響土地利用并為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)提供新的機(jī)會(huì)。總之，生物技術(shù)的發(fā)展是推動(dòng)農(nóng)林產(chǎn)業(yè)進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的第一動(dòng)力。

三、結(jié)語(yǔ)

我國(guó)現(xiàn)代化社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展離不開(kāi)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的支持，農(nóng)業(yè)建設(shè)是我國(guó)新農(nóng)村建設(shè)的基本需要，發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，改變我國(guó)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，促進(jìn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，為我國(guó)的現(xiàn)代化社會(huì)經(jīng)濟(jì)提供重要的保障[15]。合成生物學(xué)技術(shù)的研究和發(fā)展已成為克服人口膨脹、糧食短缺、環(huán)境污染、疾病危害、能源和資源缺乏、生態(tài)失衡等一系列重大問(wèn)題的可靠手段和工具?，F(xiàn)如今，文中提到的一些方法已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，例如，減少微生物在農(nóng)業(yè)中肥料使用的合成菌群工程。新的研究也在不斷進(jìn)行，例如制造農(nóng)業(yè)相關(guān)的生物傳感器，使其對(duì)各種各樣的環(huán)境污染物、養(yǎng)分、非生物脅迫和其他環(huán)境因素做出反應(yīng)等。隨著合成生物學(xué)技術(shù)研究的不斷深入，合成生物學(xué)技術(shù)與農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用不僅可以推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向更高的層次、更寬廣的領(lǐng)域發(fā)展，而且將會(huì)使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)原有的內(nèi)涵和外延都發(fā)生重大變化，加快農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化步伐，促進(jìn)傳統(tǒng)的粗放型農(nóng)業(yè)朝集約化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)方向發(fā)生質(zhì)的飛躍。在提高糧食和其他農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量的同時(shí)，減少對(duì)環(huán)境的破壞，確保農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。但是，許多相關(guān)技術(shù)仍不成熟，并且在最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用之前，必須建立監(jiān)管框架并對(duì)其適用性進(jìn)行仔細(xì)評(píng)估。目前，國(guó)際上對(duì)該領(lǐng)域的監(jiān)管方法缺乏一致性。各國(guó)之間的監(jiān)管體系存在很大差異，而且大多數(shù)都未能跟上新遺傳技術(shù)的快速發(fā)展，建立有效的監(jiān)管體系是當(dāng)前的首要任務(wù)。