農(nóng)業(yè)基因回路設(shè)計合成技術(shù)發(fā)展動態(tài)與策略

林敏， 王磊， 谷曉峰， 燕永亮， 劉柱， 涂濤， 姚斌*

（1.河南大學(xué)農(nóng)學(xué)院，中原食品實驗室，河南 開封 475004； 2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所，北京 100081；3.海南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，?？?570100； 4.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，北京 100091）

當(dāng)前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革蓬勃興起，生命科學(xué)與生物技術(shù)呈現(xiàn)出新的發(fā)展態(tài)勢。隨著生物組學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)和合成生物學(xué)等前沿生命學(xué)科與材料、計算和工程學(xué)科等高度交叉融合，新一代基因工程技術(shù)不斷取得新突破，進(jìn)入一個智能、精確、定向和定量的新階段[1-4]?；蚧芈吩O(shè)計與合成是新一代基因工程興起的技術(shù)核心，其標(biāo)志性技術(shù)特征包括：①顛覆性，即采用工程學(xué)的模塊化概念和系統(tǒng)設(shè)計理論，顛覆自然法則與傳統(tǒng)生產(chǎn)模式；②智能性，即智能響應(yīng)環(huán)境和內(nèi)源信號，大幅度增強(qiáng)農(nóng)業(yè)生物的生產(chǎn)性能與抗性；③精準(zhǔn)性，即實現(xiàn)基因精準(zhǔn)整合、特異性表達(dá)以及高效生物合成[5-9]。

近年來，歐、美、澳等國家和地區(qū)紛紛出臺國家或區(qū)域級研究計劃，在農(nóng)業(yè)基因工程領(lǐng)域展開競爭。如美國2018年出臺《美國創(chuàng)新戰(zhàn)略》并發(fā)布“2030年農(nóng)業(yè)研究科學(xué)突破預(yù)測”，2020年通過《無盡的前沿法案》，擬在未來5年內(nèi)向包括基因工程和合成生物技術(shù)在內(nèi)的十大關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域及農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、食品和環(huán)境等產(chǎn)業(yè)投入1 000億美元。歐盟委員會2018年頒布最新版本的生物經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略《歐洲可持續(xù)生物經(jīng)濟(jì)：加強(qiáng)生物與經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境之間的聯(lián)系》，2021年啟動“地平線歐洲”第九個研究框架計劃。世界新興國家如印度和巴西等，紛紛把基因工程、人工智能和云計算等列入國家科技優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略。大型跨國公司，如孟山都和先鋒等，為保持其技術(shù)優(yōu)勢和市場壟斷地位，投巨資開展農(nóng)業(yè)生物的基因智能改造與定向表達(dá)研究，搶占基因定向表達(dá)、作物表觀遺傳調(diào)控、農(nóng)業(yè)微生物組合合成與高效轉(zhuǎn)化等前沿領(lǐng)域的技術(shù)制高點[10-12]。目前，我國基因智能改造和定向表達(dá)技術(shù)在農(nóng)業(yè)、資源、環(huán)境等領(lǐng)域還處于起步的階段，亟需加快創(chuàng)新基因回路設(shè)計與合成技術(shù)，精準(zhǔn)調(diào)控農(nóng)業(yè)動植物生產(chǎn)性狀，培育優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗逆的動植物新品種，創(chuàng)制高附加值農(nóng)產(chǎn)品或農(nóng)用品，推動我國農(nóng)業(yè)從單功能、低效益、高污染、高資源依存型的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向多功能、高效益、綠色低碳、高科技支撐型的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。本文簡要總結(jié)了農(nóng)業(yè)生物基因回路設(shè)計與合成技術(shù)的發(fā)展動態(tài)，深入探討了我國農(nóng)業(yè)生物基因智能設(shè)計與精準(zhǔn)表達(dá)技術(shù)的發(fā)展策略與優(yōu)先領(lǐng)域，旨在為創(chuàng)制新一代農(nóng)業(yè)生物新品種或新產(chǎn)品提供技術(shù)支撐。

1 加強(qiáng)基因回路設(shè)計與合成技術(shù)創(chuàng)新，促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)高質(zhì)量綠色發(fā)展

1.1 培育新一代高產(chǎn)作物新品種，保障我國糧食安全

據(jù)《國家人口發(fā)展規(guī)劃(2016—2030年)》預(yù)測，到2030年我國人口數(shù)量將達(dá)到14.5億，糧食總需求量增至7.2億t。因此，糧食產(chǎn)量需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提高15%。與此同時，隨著現(xiàn)代化和城鎮(zhèn)化推進(jìn)，我國耕地面積年減少500萬畝（33.33萬hm2）并呈剛性趨勢。近年來，我國糧食進(jìn)口量持續(xù)增加，單純依靠常規(guī)技術(shù)難以確保糧食基本自給和穩(wěn)定供應(yīng)，需要科技創(chuàng)新為農(nóng)業(yè)發(fā)展注入新動力。株型性狀直接影響作物的光合作用效率，進(jìn)而決定作物產(chǎn)量，培育具有“理想株型”的作物新品種是大幅度提高作物產(chǎn)量的重要途徑[13-16]。目前我國在水稻、玉米等作物株型基因挖掘與功能解析方面取得重大突破，并選育了一批高產(chǎn)作物新品種，為突破作物產(chǎn)量瓶頸提供了有效解決方案[17-20]。解析作物株型性狀（分蘗、株高、穗型、器官大小等）形成的遺傳調(diào)控回路并闡明其互作調(diào)控規(guī)律，挖掘具有重要育種價值的株型性狀關(guān)鍵調(diào)控元器件，開展模塊化、智能化元件改造，構(gòu)建和優(yōu)化株型性狀模塊和調(diào)控回路，對促進(jìn)我國主要作物產(chǎn)量增長和確保國家糧食安全具有重要作用。

1.2 創(chuàng)制新一代抗病蟲農(nóng)作物重大新品種，推動我國綠色農(nóng)業(yè)革命

全球農(nóng)作物每年因為病蟲害導(dǎo)致的產(chǎn)量損失在11%～30%，全球氣候變暖以及農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整等原因?qū)е虏∠x害爆發(fā)和流行更加頻繁[21]。我國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)比較脆弱、耕作模式單一，近幾年新發(fā)生的病蟲害逐漸增多，特別是外來入侵物種很容易打破生態(tài)系統(tǒng)的平衡, 導(dǎo)致病蟲害的爆發(fā)流行，如原產(chǎn)于美洲熱帶和亞熱帶地區(qū)的雜食性害蟲草地貪夜蛾危害尤為嚴(yán)重[22-26]。2019年，在我國云南監(jiān)測到國內(nèi)入侵的草地貪夜蛾為玉米型草地貪夜蛾入侵，由于其較強(qiáng)的遷飛能力和繁殖能力，將對玉米生產(chǎn)和我國糧食安全產(chǎn)生極大威脅。黃萎病是棉花生產(chǎn)上的主要病害之一，每年造成的皮棉產(chǎn)量損失約占全世界的皮棉產(chǎn)量的10%～20%，嚴(yán)重發(fā)病的年份可以達(dá)到25%～30%。我國每年由此造成的皮棉產(chǎn)量損失高達(dá)7.5萬～10萬t[27-30]。蘇云金芽胞桿菌(Bacillus thuringiensis, Bt) 殺蟲蛋白如 Cry1Ab、Vip3 等對不同昆蟲（如鱗翅目、鞘翅目、雙翅目等）有特異毒殺作用[31]。利用高效表達(dá)Bt殺蟲基因的玉米是防治草地貪夜蛾等害蟲的理想手段。隨著功能基因組學(xué)研究的快速發(fā)展，調(diào)控主要農(nóng)作物的重要農(nóng)藝性狀如抗病、抗蟲、抗逆、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和養(yǎng)分高效利用等關(guān)鍵功能基因群、調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、代謝路徑和蛋白機(jī)器已經(jīng)得到解析。對這些基因群及調(diào)控元件進(jìn)行人工設(shè)計與智能改造、發(fā)展基因群高效組裝技術(shù)、基因群定向協(xié)調(diào)表達(dá)技術(shù)，培育新一代抗病、抗蟲等農(nóng)作物新品種[21，32-33]。

1.3 發(fā)展微生物組設(shè)計育種策略，確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性

當(dāng)前，我國農(nóng)業(yè)發(fā)展已進(jìn)入新的歷史發(fā)展階段，正在由過度依賴資源消耗、增加投入品而滿足量的需求，向綠色生態(tài)、高效、可持續(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)變。但我國農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨資源條件和生態(tài)環(huán)境兩個“緊箍咒”，資源與生態(tài)環(huán)境承載能力已到極限，生態(tài)安全面臨嚴(yán)重威脅。我國耕地僅20億畝（1.33億hm2），土壤普遍瘠薄，其中中低產(chǎn)田占70%，尚有7億畝（0.47億hm2）鹽堿地未能開發(fā)利用，同時在糧食生產(chǎn)、食品安全、化肥、農(nóng)藥和抗生素用量過度、農(nóng)業(yè)廢棄物污染、連年耕作土傳病害嚴(yán)重等方面承壓較重，亟需重大農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的突破和替代應(yīng)用，農(nóng)作物微生物組為解決這些問題提供了全新的角度和思路[34-35]。自然界中正常生長的農(nóng)作物或養(yǎng)殖動物表面及體內(nèi)富集了數(shù)量龐大且種類繁多的微生物，其集合被稱為農(nóng)業(yè)微生物組[36-38]。動物腸道和植物根際是營養(yǎng)最為豐富的地方，也是共生微生物最主要的定植場所，該類相對集中的微生物群落被看作是宿主的一個“器官”，與其他器官一樣，相對獨立并發(fā)揮多種功能，具有牽一發(fā)而動全身的特征[39]。根際微生物是一類保持土壤肥力、促進(jìn)作物生長、抑制土傳病害的重要農(nóng)業(yè)微生物，在保持包括水稻、玉米等在內(nèi)的非豆科作物節(jié)肥增產(chǎn)和提高品質(zhì)等方面具有巨大的應(yīng)用潛力[40-42]。開發(fā)新的微生物組調(diào)控策略改善畜禽腸道健康將為解決畜禽產(chǎn)業(yè)中面臨的替抗問題、飼料轉(zhuǎn)化效率問題、疾病問題、新飼料原料利用問題等提供新的思路和手段[43-44]。

1.4 創(chuàng)建飼料高效轉(zhuǎn)化基因回路，促進(jìn)農(nóng)業(yè)資源循環(huán)利用

我國蛋白源飼料嚴(yán)重缺乏，導(dǎo)致飼料行業(yè)過度依賴大豆進(jìn)口，加上中美貿(mào)易摩擦的不斷升級以及疫情防控導(dǎo)致的大豆貿(mào)易運(yùn)輸受阻，嚴(yán)重阻礙了我國畜牧行業(yè)持續(xù)健康的發(fā)展。低蛋白日糧策略可以有效降低飼料生產(chǎn)成本，提高蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化和利用率，最大程度緩解未消化蛋白進(jìn)入后腸引發(fā)動物腸道微生物紊亂并誘發(fā)腸炎和腹瀉的問題，并降低不能被動物消化和吸收而排出體外還造成極大的蛋白資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。我國非糧飼料資源豐富，但長期以來無法得到有效利用，9億t秸稈的利用率不足25%，其不但成為潛在的環(huán)境污染源，更造成了極大的資源浪費(fèi)。因此，迫切需要深化飼料行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，大力發(fā)展非常規(guī)蛋白資源在飼料行業(yè)的高效高質(zhì)化應(yīng)用，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級發(fā)展。通過優(yōu)化及重構(gòu)微生物中心代謝途徑，精準(zhǔn)調(diào)控及組裝廢棄物分解及功能轉(zhuǎn)化的合成模塊，利用輔因子供應(yīng)及底盤生物循環(huán)系統(tǒng)改造等手段開發(fā)非糧飼料資源高效轉(zhuǎn)化合成的生物反應(yīng)器系統(tǒng)，如將秸稈木質(zhì)纖維素類淀粉化，實現(xiàn)秸稈能量飼料化利用，或?qū)⒚拮哑伞游镉鹈葟U棄物資源蛋白化，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用。

1.5 開發(fā)益生元件生物合成與調(diào)控技術(shù)，支撐我國養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展

我國正從小康全面邁入富裕階段，對動物食品尤其代表高品質(zhì)蛋白的養(yǎng)殖類畜禽和水產(chǎn)品的消費(fèi)需求猛增，驅(qū)動我國養(yǎng)殖業(yè)迅猛發(fā)展與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。然而，隨著抗生素“濫用”引起的藥物殘留、細(xì)菌耐藥性等負(fù)面問題不斷突顯，“綠色加無抗”成為了畜牧養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的必然趨勢。據(jù)報道，歐盟等國禁用飼用抗生素后，飼用藥物使用量大增，使每頭豬的飼養(yǎng)成本增加6美元以上[45]。根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布的第194號公告，我國已于2020年正式實施飼料禁抗，抗生素的全面禁用對我國畜牧養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生了巨大影響。腸道微生物分為有益或有害兩類菌群，與宿主健康、免疫、發(fā)育、神經(jīng)傳導(dǎo)、疾病控制等關(guān)系密切。益生元不被宿主動物消化吸收卻能夠選擇性地促進(jìn)體內(nèi)有益菌的代謝和增殖，從而改善宿主健康[46-47]。因此，通過對益生元件的收集與鑒定，構(gòu)建可用于大規(guī)模創(chuàng)制的益生元件或模塊庫，并針對底盤生物人工智能設(shè)計益生元件生物合成的調(diào)控回路，建立高效合成多種益生元件的人工智能微生物體系，對于創(chuàng)建支撐我國健康養(yǎng)殖及動物產(chǎn)品安全的技術(shù)產(chǎn)品具有重要的意義。

2 國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)

2.1 作物株型回路設(shè)計技術(shù)可實現(xiàn)農(nóng)藝性狀的精準(zhǔn)調(diào)控，是針對不同種植環(huán)境下提高作物產(chǎn)量的核心技術(shù)

第一次綠色革命成功的關(guān)鍵是對作物株型進(jìn)行了優(yōu)化改良，解決了多個發(fā)展中國家糧食的自給問題[48-49]。圍繞全球氣候變化的影響，針對作物株型的遺傳改良一直備受關(guān)注，并占據(jù)著作物遺傳改良的關(guān)鍵位置[15-16，50-52]。作物植株形態(tài)的優(yōu)化包括多方面，例如株高、分蘗數(shù)、葉片夾角以及生殖器官形態(tài)等[53-54]。株型優(yōu)化不但可以提高作物的單產(chǎn)和群體產(chǎn)量，還可使其適于機(jī)械收割，降低生產(chǎn)成本。株型優(yōu)化依賴于發(fā)掘發(fā)育相關(guān)的元器件和解析調(diào)控回路，并在此基礎(chǔ)上有針對性地對回路進(jìn)行精準(zhǔn)優(yōu)化改良，從而達(dá)到提高產(chǎn)量的目標(biāo)。

鑒于株型優(yōu)化對產(chǎn)量提高的重要性，針對株型調(diào)控的元件挖掘及調(diào)控回路構(gòu)建成為農(nóng)業(yè)合成生物學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一。早期的株型研究主要集中在模式植物擬南芥，研究人員解析了植物器官決定和細(xì)胞分化的調(diào)控回路，為作物株型改良打下了深厚的理論基礎(chǔ)[52]。隨著合成生物學(xué)和表觀遺傳學(xué)等前沿理論與技術(shù)發(fā)展，為揭示不同作物的株型性狀調(diào)控差異以及各個性狀之間的相互關(guān)聯(lián)，解析作物株型發(fā)育的關(guān)鍵元件和信號模塊，智能優(yōu)化株型調(diào)控回路，從而實現(xiàn)作物株型動態(tài)精準(zhǔn)調(diào)控，提供了顛覆性的新策略[55-56]。目前，我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的株型調(diào)控元器件及回路有限，與美國等發(fā)達(dá)國家相比，在對作物株型發(fā)育的元器件功能解析及回路構(gòu)建上仍有一定的差距，阻礙了作物株型優(yōu)化進(jìn)程。因此，亟需在該領(lǐng)域加大研發(fā)力度，發(fā)掘株型發(fā)育與優(yōu)化的元器件、建立調(diào)控回路，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合轉(zhuǎn)基因及基因編輯技術(shù)對調(diào)控回路進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計，從而快速、準(zhǔn)確地對作物株型進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 綜合利用資源高效挖掘、基因編輯和合成生物等技術(shù)，快速創(chuàng)制抗病蟲目標(biāo)性狀突出的農(nóng)作物新品種

隨著生物技術(shù)的發(fā)展，尤其是宏基因組和單細(xì)胞測序技術(shù)的發(fā)展，從微生物基因組中高通量挖掘抗病蟲、耐除草劑以及次生代謝產(chǎn)物合成基因受到廣泛關(guān)注，已為現(xiàn)代基因工程育種提供了有重要應(yīng)用潛力的候選元器件和靶標(biāo)回路[57-59]。近年來，作為顛覆性技術(shù)的合成生物學(xué)興起，為培育抗病蟲害農(nóng)作物提供了新思路和新方法，其通常采用的策略是在植物中引入抗病蟲活性物質(zhì)的生物合成基因，重建抗病蟲活性物質(zhì)的生物合成途徑，從而達(dá)到抗病蟲的目的[60]。德國BASF公司和瑞士Evolva公司已經(jīng)形成聯(lián)盟，共同研發(fā)基于合成生物學(xué)的作物抗病蟲害新技術(shù)[61]。國際上報道對草地貪夜蛾有防治效果的是來源于蘇云金芽胞 桿 菌 的cry1Ab、cry1F、cry1A、105+cry2Ab2、vip3Aa20基因等；MIR162（Vip3A）對草地貪夜蛾具有很好的防控效果。據(jù)統(tǒng)計，1996—2016年基因工程作物的應(yīng)用使產(chǎn)量增加了6.58億t，帶來1 861億美元的收益；全球累計減少農(nóng)藥使用量6.71億kg[62]。

我國已建成了涵蓋基因克隆、遺傳轉(zhuǎn)化、品種培育、安全評價等全鏈條的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化設(shè)施平臺，克隆了具有重大育種價值的抗病蟲、耐除草劑基因，創(chuàng)制出一批具有重要應(yīng)用前景的抗蟲作物新品系。近年來，我國在作物抗刺吸式害蟲基因發(fā)掘與抗性機(jī)制解析方面取得了一系列重要進(jìn)展，特別是在水稻抗稻飛虱研究方面已處于國際領(lǐng)先地位，從作物種質(zhì)資源中克隆一系列抗褐飛虱和抗蚜蟲基因[21]。此外，采用基因編輯技術(shù)加快野生種質(zhì)資源的人工馴化，加快抗病基因的原位編輯與聚合,實現(xiàn)精準(zhǔn)設(shè)計抗病蟲育種，為未來的農(nóng)作物抗病蟲改良提供新的思路[63-64]。

2.3 農(nóng)業(yè)微生物組與宿主互作機(jī)制研究不斷深入，為新一代微生物制劑研發(fā)奠定了重要基礎(chǔ)

農(nóng)業(yè)微生物組被認(rèn)為是作物或養(yǎng)殖動物的第二基因組。根際微生物組對植物健康生長和土壤活力質(zhì)量具有重要作用[65]，而腸道微生物不僅參與營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，還在宿主代謝和健康中具有重要調(diào)節(jié)功能。微生物組研究的高速發(fā)展得益于高通量非培養(yǎng)測序手段，能短時間內(nèi)獲得生態(tài)系統(tǒng)全部微生物的組成和結(jié)構(gòu)，其中包括自然界不能培養(yǎng)的85%以上的暗物質(zhì)[66-68]。但是植物體系因細(xì)胞器DNA污染，使得內(nèi)生微生物組測序平臺欠缺，導(dǎo)致多方面研究落后于動物和環(huán)境體系[69-70]。在認(rèn)識根際有益微生物基礎(chǔ)上，深刻了解底盤物代謝網(wǎng)絡(luò)、功能模塊作用機(jī)制和調(diào)控元件，設(shè)計并合成具有預(yù)期功能的生物元件和器件，將其組建為微生物促生模塊，并在適當(dāng)?shù)摹暗妆P”微生物中組裝、測試、優(yōu)化，以產(chǎn)生新型結(jié)構(gòu)化合物，從而實現(xiàn)針對地上農(nóng)作物的特異、高效、安全、環(huán)保的促生功效[71-72]。

豆科植物與根瘤菌的共生結(jié)瘤作用對于促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展與維持生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)有著舉足輕重的意義[40-41]。環(huán)境中的氮素精確調(diào)控豆科植物與根瘤菌間的共生結(jié)瘤。在氮貧瘠土壤中，根瘤菌誘導(dǎo)植物根系發(fā)育形成根瘤器官，并將空氣中的氮氣轉(zhuǎn)化為可供植物直接利用的形式[73]。研究氮素營養(yǎng)吸收、運(yùn)輸、存儲和代謝相關(guān)基因在共生關(guān)系建立中的細(xì)胞信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，鑒定可控氮素營養(yǎng)代謝結(jié)構(gòu)元件，對于促進(jìn)豆科植物高效結(jié)瘤、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、減少化肥施用、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面都具有重要意義[74-76]。我國科學(xué)家解析了目前為止國際上規(guī)模最為宏大的豬腸道微生物基因集和基于宏基因組組裝的基因組，探索了宿主基因型對豬腸道微生物群組成的影響，證明在遺傳多樣性和環(huán)境均勻性加劇的條件下，微生物群組成和特定類群的豐度是可遺傳的[77-78]。2019年，美國國家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院聯(lián)合發(fā)布題為“Science Breakthroughs to Advance Food and Agricultural Research by 2030” 的研究報告，將農(nóng)業(yè)微生物組列入未來10年農(nóng)業(yè)領(lǐng)域亟待突破的五大研究方向之一。

2.4 農(nóng)業(yè)廢棄物資源高效轉(zhuǎn)化與合成技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，是解決農(nóng)業(yè)資源短缺和利用率低下等問題的有效途徑

農(nóng)業(yè)廢棄物資源高效生物轉(zhuǎn)化技術(shù)作為一種具有顛覆性意義的新興技術(shù)，可以通過優(yōu)化及重構(gòu)微生物中心代謝途徑，精準(zhǔn)調(diào)控及組裝廢棄物分解及轉(zhuǎn)化酶功能模塊，實現(xiàn)體內(nèi)或體外的高效合成與轉(zhuǎn)化[79]。截止到2021年，全球高效生物轉(zhuǎn)化與合成相關(guān)行業(yè)整體爆發(fā)式增長，市場規(guī)模達(dá)到736.93億美元，較2020年增長767.5%，其中農(nóng)業(yè)和食品領(lǐng)域被預(yù)測是未來市場需求最大和應(yīng)用前景最廣的領(lǐng)域[80]。目前，主要的瓶頸在于預(yù)處理技術(shù)不夠成熟和轉(zhuǎn)化效率不高兩方面[81]。我國農(nóng)業(yè)廢棄物資源利用受制于以效應(yīng)微生物及酶蛋白為代表的核心技術(shù)不成熟，整體利用效率低，轉(zhuǎn)化技術(shù)穩(wěn)定性差。

我國是畜禽養(yǎng)殖和飼料生產(chǎn)大國，近幾年飼料行業(yè)發(fā)展迅速，飼料總產(chǎn)量和生產(chǎn)總值均以兩位數(shù)增長，2021年全國工業(yè)飼料總產(chǎn)量達(dá)到2.9億t，連續(xù)10年位居世界第一，約占全球總產(chǎn)量的1/4，全國飼料工業(yè)總產(chǎn)值已經(jīng)接近萬億元[82]。我國生物飼料的發(fā)展已取得長足的進(jìn)步，目前在飼料酶、飼用微生物、發(fā)酵飼料等領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品研發(fā)上取得很好的成績，品種不斷增多，功能逐漸拓展，在國際市場也占據(jù)了一席之地，大大推動了我國飼料產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級和發(fā)展。農(nóng)業(yè)廢棄物資源高效生物轉(zhuǎn)化與利用目前已成為畜牧業(yè)發(fā)展的新增長點，也是國際競爭的主戰(zhàn)場之一，其應(yīng)用能從源頭上有效緩解動物產(chǎn)品安全與公眾健康、減少養(yǎng)殖環(huán)境污染，也是進(jìn)一步解決飼料資源短缺的現(xiàn)實需要。目前已有較好的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，要進(jìn)一步整合成生物學(xué)、基因編輯技術(shù)、納米技術(shù)、人工智能等高新技術(shù)，開展農(nóng)業(yè)廢棄物資源高效生物轉(zhuǎn)化與合成生物學(xué)的基礎(chǔ)研究、應(yīng)用技術(shù)研究，建立系統(tǒng)的分子智能設(shè)計與綠色智造平臺，推進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源高效生物轉(zhuǎn)化與合成技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。

2.5 在飼料全面禁抗的背景下，益生元件生物合成與調(diào)控技術(shù)為創(chuàng)制綠色健康養(yǎng)殖產(chǎn)品提供重要支撐

養(yǎng)殖動物的共生微生物，尤其是消化道共生微生物，在參與養(yǎng)殖動物免疫與病害防治、營養(yǎng)代謝與品質(zhì)調(diào)控、繁殖與發(fā)育維護(hù)等方面發(fā)揮著重要作用。由腸道微生物產(chǎn)生的益生元件則是目前最具潛力的抗生素替代品之一，對于解決目前飼料行業(yè)中抗生素濫用等問題具有重要的作用[83]。益生元作為直接參與飼料代謝和分解的元件，成為人們開發(fā)新一代飼料添加劑和飼料益生元件的重點關(guān)注對象[84-85]。如活菌代謝活動分泌（代謝產(chǎn)物）或細(xì)菌死亡溶解后釋放的短鏈脂肪酸（SCFA）、酶類、多肽類、磷壁酸等可溶性因子，能夠?qū)λ拗鳟a(chǎn)生有益影響；其抗菌活性成分如細(xì)菌素、酶類、小分子物質(zhì)和有機(jī)酸等，對革蘭陽性和革蘭氏陰性菌具有抑制或殺滅作用[46]。尤其是許多益生菌所產(chǎn)生的低聚糖、多酚和高分子聚合物（如聚谷氨酸）等益生元對調(diào)控畜禽動物免疫力、生長性能和提高肉蛋品質(zhì)等方面具有很好的效果[86-87]。

隨著分子生物學(xué)的飛速發(fā)展以及二代、三代全基因組測序技術(shù)和轉(zhuǎn)錄組分析技術(shù)的出現(xiàn)，從基因水平上研究益生元件的生物合成機(jī)制，并發(fā)掘新型益生元件生物合成模塊已成為可能。與其他促生長物質(zhì)（抗生素、益生素等）相比，其除具有安全、無毒、無殘留、耐氧、耐酸、不易失活的優(yōu)點外，還具有腸道定植能力強(qiáng)、耐熱穩(wěn)定性好、能耐受各種不良飼料加工條件和貯藏條件，在飼料中使用沒有配伍禁忌等優(yōu)點，可長期作為預(yù)防性使用[88]。早在20世紀(jì)80年代中期，日本就有在飼料中添加益生元件的研究。據(jù)報道，日本的仔豬飼料中約有40%都添加了益生元件[89]。與此同時，美國、歐盟等也對飼用益生元件進(jìn)行了大量研究，特別是歐盟在2006年實施禁用飼用抗生素以來，益生元件作為替代品在動物疾病預(yù)防上成為主流。我國對飼用益生元件的研究起步較晚，并且主要集中于寡聚糖類益生元的抗病和促生長機(jī)制等方面的理論研究。今后應(yīng)針對養(yǎng)殖動物的腸道微生物宏基因組與養(yǎng)殖動物健康之間的關(guān)系，高通量篩選新型飼料益生元件，集成與整合益生元件庫，高效合成并創(chuàng)制具有更強(qiáng)抑菌活性和生長調(diào)控功能的新型益生元件產(chǎn)品，推動我國由傳統(tǒng)養(yǎng)殖大國轉(zhuǎn)變?yōu)榻】叼B(yǎng)殖強(qiáng)國。

3 發(fā)展策略

3.1 總體目標(biāo)

設(shè)計和創(chuàng)建主要作物重要性狀調(diào)控、重大農(nóng)業(yè)病蟲害防治、根際微生物與轉(zhuǎn)基因作物互作、飼料高效轉(zhuǎn)化和抗生素替代等相關(guān)元器件和基因線路，實現(xiàn)基因智能改造和定向表達(dá)，為培育新一代轉(zhuǎn)基因作物新品種提供技術(shù)支撐。

3.2 發(fā)展策略

針對影響作物產(chǎn)量、抗病蟲、根際微生物、農(nóng)業(yè)廢棄物資源利用以及抗生素應(yīng)用泛濫等各種農(nóng)業(yè)問題，綜合利用合成生物學(xué)、表觀遺傳學(xué)、基因組學(xué)、代謝組學(xué)等理論和技術(shù)，對關(guān)鍵基因群及調(diào)控元器件進(jìn)行人工設(shè)計與智能改造，重點解決精準(zhǔn)化與智能響應(yīng)、適配性與系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵瓶頸問題，創(chuàng)造綜合性狀優(yōu)良的作物新材料、發(fā)展共生基因組育種、促進(jìn)農(nóng)業(yè)資源循環(huán)利用的人工智能微生物和植物體系，確保國家糧食安全，實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展（圖1）。

圖1 農(nóng)業(yè)生物基因農(nóng)業(yè)生物基因回路設(shè)計與合成技術(shù)發(fā)展策略Fig.1 Development strategy of gene circuit design and synthesis technologies for agricultural organisms

3.3 優(yōu)先領(lǐng)域

3.3.1 作物農(nóng)藝性狀調(diào)控回路設(shè)計技術(shù) 要針對我國糧食安全和高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)作物品種精準(zhǔn)設(shè)計的重大需求：①解析水稻、玉米、大豆、苜蓿等主要農(nóng)作物株型性狀（分蘗、株高、穗型等）形成的遺傳調(diào)控回路并闡明其作用機(jī)理，挖掘具有重要育種價值的株型性狀關(guān)鍵調(diào)控元器件及模塊；②以水稻、玉米、大豆、苜蓿等作物為底盤，開展模塊化基因智能改造，構(gòu)建和優(yōu)化株型性狀模塊和調(diào)控回路，創(chuàng)制株型改良、產(chǎn)量增加的水稻、玉米、大豆、苜蓿等優(yōu)異育種新材料。通過挖掘和解析水稻、玉米、大豆、苜蓿等作物株型發(fā)育關(guān)鍵調(diào)控元器件和回路，設(shè)計和優(yōu)化株型性狀調(diào)控元件和模塊，創(chuàng)制水稻、玉米、大豆等主要農(nóng)作物新材。

3.3.2 作物抗病蟲調(diào)控回路設(shè)計技術(shù) 針對當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重大抗病蟲作物新品種和國家糧食安全的迫切需求，重點開展以下研究。①通過對草地貪夜蛾有效的目標(biāo)基因遺傳轉(zhuǎn)化，篩選優(yōu)良的抗蟲轉(zhuǎn)基因玉米新材料；建立草地貪夜蛾的篩選和鑒定體系，獲得遺傳穩(wěn)定的轉(zhuǎn)基因抗性品系，開展分子特征、目標(biāo)性狀有效性和穩(wěn)定性等研究，篩選出優(yōu)良的抗蟲轉(zhuǎn)化體，并開展生物安全評價。②系統(tǒng)研究真菌聚酮等具有高抗病蟲功能的微生物次生代謝產(chǎn)物相關(guān)合成途徑和調(diào)控機(jī)制，在酵母菌等底盤生物中人工設(shè)計并構(gòu)建組合合成模塊，通過合成生物學(xué)、RNA干擾、基因組組裝等技術(shù)創(chuàng)造具有抗黃萎病、枯萎病等多種病害的陸地棉新材料，并開展中間試驗。③以底物通道理論設(shè)計相關(guān)抗病蟲害物質(zhì)的生物合成路線，形成可在植物亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)區(qū)域或細(xì)胞器定向表達(dá)的生物合成模塊，在優(yōu)選方案基礎(chǔ)上獲得生物合成途徑穩(wěn)定重建的轉(zhuǎn)基因植物，測定相關(guān)抗病蟲害活性物質(zhì)的含量，評估轉(zhuǎn)基因作物的抗病蟲害能力。

3.3.3 作物根際互作促生模塊設(shè)計技術(shù) 針對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大需求，發(fā)展共生基因組育種策略。①系統(tǒng)定義作物的種傳及逐代獲得的內(nèi)生菌、根表及根際微生物，以穩(wěn)定定植的共生菌為供體向水稻傳遞生物學(xué)性狀。②構(gòu)建與作物根系適配、高效利用氮的土壤微生物共出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，挖掘促生微生物功能系統(tǒng)；建立根系微生物底盤代謝網(wǎng)絡(luò)，鑒定參與促生的反應(yīng)途徑及相關(guān)酶系，開發(fā)設(shè)計有利于根際互作的合成起始單元及后修飾的功能元件。③構(gòu)建豆科植物高效結(jié)瘤的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，鑒定強(qiáng)環(huán)境耐受性、高效結(jié)瘤結(jié)構(gòu)元件，并通過高效轉(zhuǎn)化上述重要元件及基因線路，實現(xiàn)結(jié)瘤的智能改造與定向表達(dá)。

3.3.4 多酶系功能模塊的組裝與調(diào)試技術(shù) 針對我國飼料糧嚴(yán)重短缺，種、養(yǎng)殖業(yè)有機(jī)廢棄物綜合利用效率低、飼料轉(zhuǎn)化技術(shù)不成熟、穩(wěn)定性差等問題，進(jìn)行多酶系功能模塊組織和調(diào)試：①通過秸稈、棉籽粕的資源營養(yǎng)分析，確定降解轉(zhuǎn)化的反應(yīng)途徑、代謝流分布及相關(guān)酶系，開發(fā)設(shè)計秸稈、棉籽粕轉(zhuǎn)化相關(guān)酶系的合成生物元件、合成線路和生物功能系統(tǒng)，組裝和調(diào)試生物轉(zhuǎn)化的完整線路，并分別對底盤生物與轉(zhuǎn)化酶系的調(diào)控回路進(jìn)行多層次的重新設(shè)計，解決底盤細(xì)胞的合理優(yōu)化問題，最終獲得具有應(yīng)用潛力的高效轉(zhuǎn)化酶系或菌株；②建立完善羽毛降解元器件的克隆技術(shù)，開展具有重要應(yīng)用價值的羽毛降解相關(guān)新元器件的篩選與鑒定工作，創(chuàng)建羽毛廢棄物高效生物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。通過分解轉(zhuǎn)化系統(tǒng)模塊的功能化組裝和調(diào)試，基于底盤生物細(xì)胞轉(zhuǎn)化驗證其應(yīng)用價值，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物的高效飼料化。

3.3.5 益生元件生物合成與調(diào)控技術(shù) 針對畜禽養(yǎng)殖業(yè)抗生素應(yīng)用泛濫的問題，突破益生元件生物合成與調(diào)控技術(shù)。①在對重要養(yǎng)殖動物與其腸道微生物互作研究的基礎(chǔ)上，重點突破益生元件生物合成的理論和技術(shù)難題。通過已構(gòu)建的養(yǎng)殖動物腸道微生物純培養(yǎng)物資源庫和宏基因組文庫，挖掘可調(diào)控畜禽動物免疫力、生長性能和肉（蛋）品質(zhì)的益生元件，并進(jìn)行功能模塊的優(yōu)化和改良。②利用基因工程技術(shù)及合成基因組學(xué)等方法，從轉(zhuǎn)錄、翻譯、信號通路和翻譯后修飾等不同層次智能設(shè)計益生元件生物合成的調(diào)控回路，優(yōu)化合成線路中系統(tǒng)模塊的功能化組裝，建立高效合成多種益生元件的人工智能微生物體系。

4 結(jié)語

21世紀(jì)初，生命科學(xué)與生物技術(shù)的飛速發(fā)展推動農(nóng)業(yè)育種由“耗時低效的傳統(tǒng)育種”向“高效精準(zhǔn)的分子育種”的革命性轉(zhuǎn)變，可望突破傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)瓶頸和資源剛性約束，培育細(xì)胞農(nóng)業(yè)、低碳農(nóng)業(yè)和智能農(nóng)業(yè)等未來農(nóng)業(yè)新業(yè)態(tài)和新動能[90-94]，促進(jìn)以二氧化碳為基礎(chǔ)原料，生產(chǎn)碳水食物的碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)和以氮氣為原料合成蛋白質(zhì)的氮循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[95-97]。未來10年，為應(yīng)對全球氣候變化、人口增長、環(huán)境污染和資源匱乏等問題以及確保碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)實現(xiàn)，基因回路設(shè)計和合成技術(shù)為代表的新一代基因工程將廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[4]，為光合作用、生物固氮、生物抗逆、生物轉(zhuǎn)化和未來食品等世界性農(nóng)業(yè)科技難題提供顛覆性的技術(shù)路線和革命性解決方案（表1）。

表1 基因回路設(shè)計和合成技術(shù)在農(nóng)業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用前景Table 1 Application prospects of gene circuit design and synthesis technologies in agriculture and environment fields

2022年美國施密特未來智庫發(fā)布《美國生物經(jīng)濟(jì)：為靈活和競爭性的未來規(guī)劃路線》，把中國列為未來爭奪全球主導(dǎo)地位的主要競爭對手，建議從政策體系、技術(shù)創(chuàng)新、成果轉(zhuǎn)化、基礎(chǔ)設(shè)施、人才培養(yǎng)等方面推進(jìn)生物經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略，以保持美國全球科技和經(jīng)濟(jì)的霸主地位，引領(lǐng)規(guī)模超過4萬億美元的全球生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展。中國作為發(fā)展中的世界農(nóng)業(yè)大國，面臨國際貿(mào)易競爭日趨白熱化，農(nóng)業(yè)資源和生態(tài)環(huán)境的剛性制約日益突出，食物消費(fèi)結(jié)構(gòu)亟待加快轉(zhuǎn)型升級，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)需要不斷優(yōu)化等重大挑戰(zhàn)，迫切需要加快基因智能設(shè)計與定向表達(dá)技術(shù)等新一代基因工程創(chuàng)新，創(chuàng)制新一代農(nóng)業(yè)生物新品種，突破性地提高對光、肥、水和土地等資源的利用率，促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)高質(zhì)量綠色發(fā)展。