加強(qiáng)合成生物技術(shù)創(chuàng)新，引領(lǐng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)跨越發(fā)展

林敏，姚斌

1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所，北京100081；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，北京100193

21 世紀(jì)興起的合成生物學(xué)被譽(yù)為影響世界未來的顛覆性技術(shù)之一，引發(fā)繼DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)和基因組測(cè)序之后的第三次生物科學(xué)革命，已成為世界各國(guó)增強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)力、搶占未來發(fā)展制高點(diǎn)的重大國(guó)家戰(zhàn)略［1-4］。合成生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用，將為世界性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)難題提供革命性解決方案，培育農(nóng)業(yè)碳經(jīng)濟(jì)和氨經(jīng)濟(jì)等生物經(jīng)濟(jì)新形態(tài)，引領(lǐng)培育細(xì)胞農(nóng)業(yè)、低碳農(nóng)業(yè)和智能農(nóng)業(yè)等新動(dòng)能和新業(yè)態(tài)革命，是國(guó)際農(nóng)業(yè)科技戰(zhàn)略必爭(zhēng)的前沿領(lǐng)域［5-9］。

1 農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)國(guó)際發(fā)展動(dòng)態(tài)

1.1 生命科技從認(rèn)識(shí)生命進(jìn)入設(shè)計(jì)生命的新階段

合成生物技術(shù)采用工程設(shè)計(jì)理念，對(duì)生物體進(jìn)行有目標(biāo)的設(shè)計(jì)改造乃至重新合成，創(chuàng)建出特定功能或非自然功能的人工生物或人造產(chǎn)品。2010年首次合成了人造生命——“辛西婭1.0”，2016年合成了只含473個(gè)基因的最簡(jiǎn)人造生命——“辛西婭3.0”，其后又敲除19個(gè)基因，創(chuàng)建了能正常生長(zhǎng)和分裂的最簡(jiǎn)人工細(xì)胞［10-12］。人工合成酵母菌基因組計(jì)劃于2012年啟動(dòng)，2017年成功設(shè)計(jì)并合成了釀酒酵母菌的5 條染色體，2018 年將釀酒酵母中16 條天然染色體合成為1 條，創(chuàng)建出了國(guó)際首例人造單染色體真核細(xì)胞［13-14］。2021 年，全球首個(gè)主動(dòng)運(yùn)輸?shù)娜嗽旒?xì)胞和首個(gè)自我復(fù)制的活體機(jī)器人問世［15］。此外，利用人工智能系統(tǒng)Alphafold 精準(zhǔn)預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)［16］，利用合成細(xì)菌將二氧化碳轉(zhuǎn)化為工業(yè)平臺(tái)化合物丙酮和異丙醇［17］，及人工合成非天然氨基酸及其衍生物［18］等均取得重大進(jìn)展。合成生物技術(shù)不斷突破生命自然法則，標(biāo)志著現(xiàn)代生命科技已從認(rèn)識(shí)生命進(jìn)入設(shè)計(jì)并合成生命的新階段，將引發(fā)人類生產(chǎn)方式、生活方式乃至經(jīng)濟(jì)社會(huì)的深刻變革。

1.2 全球合成生物技術(shù)市場(chǎng)呈高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，隨著現(xiàn)代科技領(lǐng)域持續(xù)取得重大理論與技術(shù)突破，生物技術(shù)與信息技術(shù)不斷迭代升級(jí)和深度交叉融合，極大地推動(dòng)了合成生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。2020 年，《自然?通訊》雜志發(fā)文，將人造肉漢堡、高效固氮工程菌肥和基因編輯高油酸大豆列為正在改變世界并已面向市場(chǎng)的高科技產(chǎn)品［19］。目前，全球合成生物市場(chǎng)呈高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，從2019 年的53 億美元，到2020 年的68 億美元，預(yù)計(jì)2025 年市場(chǎng)規(guī)模將突破200 億美元。在合成生物核心技術(shù)不斷更迭發(fā)展的趨勢(shì)下，其應(yīng)用市場(chǎng)逐步擴(kuò)大至農(nóng)業(yè)、食品等傳統(tǒng)行業(yè)，市場(chǎng)增速達(dá)60%以上。2020 年全球消耗了約1 300 萬t 替代蛋白質(zhì)，占動(dòng)物蛋白市場(chǎng)的2%，預(yù)計(jì)未來15 年內(nèi)植物或微生物的替代蛋白產(chǎn)品將占據(jù)22%的全球食用蛋白市場(chǎng)份額，產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到2 900億美元，預(yù)示著以人造肉奶為代表的未來食品將逐步占據(jù)傳統(tǒng)餐桌［20］。2020年美國(guó)人造肉公司Impossible Foods 累計(jì)融資達(dá)12 億美元，人造奶公司Perfect Day實(shí)現(xiàn)融資2億美元，成為人造食品新興行業(yè)中發(fā)展勢(shì)頭最強(qiáng)勁的高科技初創(chuàng)企業(yè)。麥肯錫全球研究院發(fā)布的《生物革命：創(chuàng)新改變經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生活》報(bào)告預(yù)測(cè)，合成生物產(chǎn)業(yè)在未來至少會(huì)帶來4萬億美元的經(jīng)濟(jì)價(jià)值［21］。

1.3 合成生物技術(shù)是國(guó)際農(nóng)業(yè)科技戰(zhàn)略必爭(zhēng)之地

為應(yīng)對(duì)全球氣候變化、人口增長(zhǎng)、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(shí)現(xiàn)，世界各國(guó)都在加快合成生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用［22-23］。合成生物技術(shù)作為農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域中最具引領(lǐng)性和顛覆性的戰(zhàn)略高技術(shù)，有望突破傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)瓶頸和資源的剛性約束，為光合作用［24-25］、生物固氮［26-27］、生物抗逆［28-29］、生物催化及未來食品［30-32］等世界性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)難題提供革命性解決方案，同時(shí)通過創(chuàng)制高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效新品種和開發(fā)節(jié)能減排安全新工藝，培育細(xì)胞農(nóng)業(yè)、低碳農(nóng)業(yè)和智能農(nóng)業(yè)等新業(yè)態(tài)和新動(dòng)能［33-34］。特別是二氧化碳固定技術(shù)和綠色合成氨氮技術(shù)等前沿技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，將培育碳經(jīng)濟(jì)/氨經(jīng)濟(jì)等生物經(jīng)濟(jì)新形態(tài)，促進(jìn)以二氧化碳為基礎(chǔ)原料，生產(chǎn)碳水食物、碳基材料和碳基能源等碳循環(huán)產(chǎn)業(yè)［5-6，35-37］，以及以氮?dú)鉃樵虾铣砂?，以氨為原料轉(zhuǎn)化蛋白質(zhì)或氫能源等氮循環(huán)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展［7-9］。2021 年世界經(jīng)濟(jì)論壇發(fā)布的《十大新興技術(shù)報(bào)告》指出，綠色合成氨技術(shù)和自主固氮工程作物等將促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的顛覆性革命［38］。

1.4 發(fā)展農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)是保障我國(guó)糧食安全、生態(tài)安全和國(guó)民健康的重大戰(zhàn)略選擇

合成生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用，有望突破全球資源短缺和極端氣候變化等農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸，將開創(chuàng)人類按照自身需求設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)生物、創(chuàng)制新型高效智能人工品種的新紀(jì)元［23，29］。中國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，面臨著糧食產(chǎn)量剛性需求和資源環(huán)境剛性約束的雙重壓力。我國(guó)人均耕地是世界平均水平的40%左右，淡水資源人均占有量?jī)H為世界平均水平的1/4。此外，我國(guó)農(nóng)田化學(xué)農(nóng)藥和化肥利用率僅為30%~35%，化肥農(nóng)藥的濫用帶來了嚴(yán)重的土壤退化、環(huán)境污染和食品安全等問題。根據(jù)《中國(guó)農(nóng)業(yè)展望報(bào)告（2021—2030年）》預(yù)測(cè)，2030年我國(guó)稻谷產(chǎn)量將達(dá)到22 248萬t，奶制品消費(fèi)量將達(dá)到6 933萬t，但飼料用糧等市場(chǎng)缺口巨大，預(yù)計(jì)2030年大豆和奶制品進(jìn)口分別為1.1 億t 和2 563 萬t［39］。因此，迫切需要利用合成生物技術(shù)突破性地提高對(duì)光、肥、水和土地等資源的利用率，增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)跨越發(fā)展，保障糧食安全、生態(tài)安全和國(guó)民健康。

2 我國(guó)農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)領(lǐng)域存在的問題

與國(guó)際先進(jìn)水平比較，我國(guó)農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)研發(fā)在基礎(chǔ)理論、使能技術(shù)、核心體系、產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)展、知識(shí)產(chǎn)權(quán)等方面尚存在不小的差距，主要體現(xiàn)在：一是基礎(chǔ)理論研究基礎(chǔ)薄弱，原創(chuàng)標(biāo)志性成果較少；二是技術(shù)體系集成創(chuàng)新不足，重大技術(shù)方法體系不完善；三是基礎(chǔ)研究與生產(chǎn)應(yīng)用脫節(jié)，上中下游創(chuàng)新鏈條不銜接；四是國(guó)家創(chuàng)新體系不健全，特別是缺乏國(guó)家級(jí)的農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)。

3 我國(guó)農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略

習(xí)近平總書記在2017 年中央農(nóng)村工作會(huì)議上指出，“樹立大農(nóng)業(yè)觀、大食物觀，向耕地草原森林海洋、向植物動(dòng)物微生物要熱量、要蛋白，全方位多途徑開發(fā)食物資源”，在2021 年兩院院士大會(huì)指出，“科技創(chuàng)新精度顯著加強(qiáng)，對(duì)生物大分子和基因的研究進(jìn)入精準(zhǔn)調(diào)控階段，從認(rèn)識(shí)生命、改造生命走向合成生命、設(shè)計(jì)生命”。

當(dāng)前和今后一個(gè)時(shí)期，我國(guó)農(nóng)業(yè)科技發(fā)展處于重要戰(zhàn)略機(jī)遇期，同時(shí)為應(yīng)對(duì)全球氣候變化、人口增長(zhǎng)、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(shí)現(xiàn)，所面臨的挑戰(zhàn)將更加嚴(yán)峻。為保障國(guó)家糧食安全和生態(tài)安全，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，我國(guó)亟需實(shí)施農(nóng)業(yè)合成生物學(xué)及其產(chǎn)業(yè)化的跨越發(fā)展戰(zhàn)略，總體分為技術(shù)跨越、產(chǎn)業(yè)跨越和整體跨越三個(gè)階段，進(jìn)行農(nóng)業(yè)合成生物學(xué)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略布局和重點(diǎn)部署。

在技術(shù)跨越階段（2020—2025 年），光合作用、生物固氮、生物抗逆、生物催化等相關(guān)的人工元器件和功能模塊在底盤生物中的適配以及新型高效智能產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與裝配等方面實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)整體研發(fā)水平處于發(fā)展中國(guó)家領(lǐng)先地位，并向國(guó)際先進(jìn)水平跨越；在產(chǎn)業(yè)跨越階段（2026—2030 年），人工智能高光效、固氮和抗逆品種、新一代酶制劑與農(nóng)藥以及未來合成食品等實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)研發(fā)水平躋身世界先進(jìn)行列，由農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)大國(guó)向產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)跨越；在整體跨越階段（2031—2035 年），我國(guó)農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)研究開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化整體達(dá)到世界先進(jìn)水平，推進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的顛覆性變革。

未來農(nóng)業(yè)合成生物學(xué)將以高效光合、生物固氮、生物抗逆、生物制劑和未來食品等領(lǐng)域?yàn)橹攸c(diǎn)突破口，實(shí)現(xiàn)三個(gè)發(fā)展階段的戰(zhàn)略目標(biāo)。①2025年建立標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；⒅悄芑娜斯つK和回路設(shè)計(jì)以及高適配底盤細(xì)胞改造，創(chuàng)建國(guó)際先進(jìn)水平的農(nóng)業(yè)微生物細(xì)胞工廠。創(chuàng)制新一代高效根際固氮微生物產(chǎn)品，在田間示范條件下替代化學(xué)氮肥25%。光合效率提升30%，生物量提升20%。農(nóng)作物耐受中度鹽堿化、耐旱節(jié)水15%，開發(fā)非常規(guī)蛋白資源，主要霉菌毒素的生物降解率達(dá)到90%以上。人造淀粉完成中試試驗(yàn)、人造肉奶實(shí)現(xiàn)商品化生產(chǎn)。②2030 年建立蛋白質(zhì)智能設(shè)計(jì)與定向進(jìn)化等技術(shù)平臺(tái)，開發(fā)新一代生物農(nóng)藥、飼用抗生素替代品、重組酶制劑、新型基因工程疫苗等重大產(chǎn)品。擴(kuò)大根瘤菌宿主范圍，構(gòu)建非豆科作物結(jié)瘤固氮的新體系，減少化學(xué)氮肥用量50%。光合效率提升30%，產(chǎn)量提升10%。農(nóng)作物耐受中度鹽堿化并增產(chǎn)5%~10%、耐旱節(jié)水20%。建立人造淀粉工廠化車間模式、人造肉奶實(shí)現(xiàn)商品化生產(chǎn)。③2035年減少化學(xué)農(nóng)藥和肥料用量30%以上，光合效率提升50%，產(chǎn)量提升10%~20%，飼用抗生素替代率達(dá)80%以上。打通以二氧化碳和氮?dú)鉃樵现苯雍铣傻矸酆偷鞍椎母咝锿緩?，人造淀粉?shí)現(xiàn)商品化生產(chǎn)，植物和微生物源蛋白質(zhì)替代率達(dá)30%。

4 加強(qiáng)我國(guó)農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)創(chuàng)新能力建設(shè)

從國(guó)際科技發(fā)展形勢(shì)和未來農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)來看，我國(guó)合成生物技術(shù)的研發(fā)鏈條仍不完善。因此，必須進(jìn)一步完善農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)的國(guó)家創(chuàng)新體系，加快建設(shè)國(guó)家級(jí)的農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)，促進(jìn)前沿學(xué)科交叉融合，成為國(guó)際一流的農(nóng)業(yè)合成生物理論創(chuàng)新中心；建設(shè)農(nóng)業(yè)生物基因資源篩選規(guī)?；?、基因研究系統(tǒng)化、元件組裝工藝化、模塊設(shè)計(jì)智能化的工藝集成創(chuàng)新平臺(tái)，成為引領(lǐng)未來農(nóng)業(yè)發(fā)展方向的合成生物技術(shù)集成創(chuàng)新中心；建立高水平的農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，打造我國(guó)農(nóng)業(yè)科技的領(lǐng)軍人才培養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)高地。

5 結(jié)束語

發(fā)展我國(guó)農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)，要以“大農(nóng)業(yè)和大食物觀”為指導(dǎo)，圍繞保障國(guó)家糧食安全、生態(tài)安全和國(guó)民健康的重大需求，重點(diǎn)突破農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)的關(guān)鍵理論與瓶頸問題，建立國(guó)際一流的技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)，創(chuàng)制新型高效智能重大產(chǎn)品，培育農(nóng)業(yè)合成生物戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，從而顛覆傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，推動(dòng)我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)跨越發(fā)展。