農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學研究進展分析

張洛　王正陽　蔣建東　陳俐

摘要： 本文重點以2016-2021年Scopus數(shù)據(jù)庫收錄的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學相關(guān)文獻為樣本，運用文獻計量學分析方法，旨在揭示該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，分析該領(lǐng)域的優(yōu)勢研究機構(gòu)與平臺、地域分布及國內(nèi)外有關(guān)合成生物學的發(fā)展戰(zhàn)略。結(jié)果表明，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學學科分布廣，相關(guān)研究較多且學術(shù)產(chǎn)出質(zhì)量較高、關(guān)注度高，有很大的發(fā)展?jié)摿εc空間，歐美國家，特別是美國在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學占據(jù)絕對主導地位；從各國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學的發(fā)展情況看，政策引導和平臺建設(shè)在促進農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學的研究中發(fā)揮著積極作用；模式生物及方法、食品、土壤固碳、海洋生物是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學研究的熱點，研究熱詞主要分布在模式動植物、微生物、大田作物方面。綜合分析可知，合成生物學已經(jīng)進入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域并得到蓬勃發(fā)展，未來要更加關(guān)注元基因組及潛在功能的研究，助力種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)減排、可再生能源替代和農(nóng)業(yè)土壤固碳等。

關(guān)鍵詞： 農(nóng)業(yè)；合成生物學；Scopus數(shù)據(jù)庫

中圖分類號： S182 文獻標識碼： A 文章編號： 1000-4440（2023）02-0547-10

Analysis on research progress of synthetic biology in agricultural field

ZHANG Luo， WANG Zheng-yang， JIANG Jian-dong， CHEN Li

（Nanjing Agricultural University， Nanjing 210095， China）

Abstract： This paper mainly took the literature related to synthetic biology in agriculture included in Scopus from 2016 to 2021 as a sample， and bibliometric analysis method was used to reveal the current status and development tendency of research in this field， and to explore the superior research institutions， platforms， geographical distribution and development strategies related to synthetic biology at home and abroad. The results showed that agricultural synthetic biology disciplines were widely distributed， with many related studies， high-quality academic output and high attention， and had great potential and space for development. European and American countries， especially the United States， occupied an absolute dominant position in the field of agricultural synthetic biology. From the development of agricultural synthetic biology in various countries， policy guidance and platform construction played an active role in promoting agricultural synthetic biology research. Model organisms， methods， food， soil carbon sequestration， and marine biology were the hot areas of synthetic biology research in agriculture， and research buzzwords were mainly distributed in model animals and plants， microorganisms， and field crops. Synthetic biology has entered agricultural research and will influence the development of agricultural research to a greater extent in the future. Therefore， researchers in the field of agriculture should actively pay attention to the development of synthetic biology technology， strengthen cooperation and communication， and build relevant platforms to promote the development of synthetic biology in agriculture.

Key words： agriculture;synthetic biology;Scopus database

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本不斷增加，資源環(huán)境壓力逐年增大，農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨諸多障礙，未來的農(nóng)業(yè)發(fā)展必須更加依賴科技的進步，突破創(chuàng)新瓶頸來提高農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)力水平^[1]。農(nóng)業(yè)合成生物學將工程原理貫穿到生物系統(tǒng)中，可以改造目前的植物信號或者代謝通路，帶來產(chǎn)量、抗逆性和品質(zhì)方面的突破性進展，因而受到農(nóng)業(yè)科研人員的廣泛關(guān)注^[2]。此外，合成生物學在提高作物產(chǎn)量、改善作物性狀、減少農(nóng)藥及化肥用量等方面的潛力已得到證實^[3]。而在農(nóng)業(yè)農(nóng)村減排固碳領(lǐng)域，也有研究發(fā)現(xiàn)，通過向高等植物中引入藻類碳濃縮裝置、提高底盤細胞光合固碳能力等方式可以進行固碳減排^[4-5]。在食品方面，有研究人員利用合成生物學技術(shù)創(chuàng)建了適用于食品工業(yè)的細胞工廠^［6-7］，如Cai等^[8]首次通過合成生物學技術(shù)實現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉的人工全合成，顛覆了對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的認知。

本研究基于文獻計量學理論和方法，運用Scopus數(shù)據(jù)庫，通過SciVal科研分析平臺分析農(nóng)業(yè)合成生物學的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，探討如何強化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技支撐，以推動農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學發(fā)展。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的數(shù)據(jù)庫為Scopus，該數(shù)據(jù)庫共收錄了全球25 100余種同行評審期刊、7.50×10⁷篇學術(shù)期刊論文、約8.00×10⁶條國際學術(shù)會議記錄、1.60×10⁵種學術(shù)專著以及2.50×10⁷件國際專利，是Elsevier公司推出的全球最大的同行評審期刊文摘和引文數(shù)據(jù)庫。為了更全面地檢索到與合成生物學相關(guān)的論文，本研究在檢索過程中通過多方比較及咨詢，最終確定如下檢索式（TS）：TS=“artificial cell” OR “base editing” OR“ biodesign” OR “bioengineering ”O(jiān)R “biological engineering” OR “biosystems design” OR CRISPR OR “gene circuit” OR “gene editing” OR “gene therapy” OR “genetic circuit” OR “genome editing” OR “genome writing” OR “metabolic engineering” OR “metabolic modeling” OR “pathway engineering” OR “pathway modeling” OR “synthetic biology” OR “tissue engineering”，檢索時間范圍設(shè)為“2016年至今”，文獻類型為“Article”，檢索時間為2021年7月27日。共檢索出合成生物學相關(guān)文章83 864篇，形成了本研究分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集。

1.2 研究方法

SciVal分析平臺是基于科研文獻的科研管理、學科分析、人才績效分析平臺，該平臺包含全球220多個國家超過10 000家大學及科研機構(gòu)的數(shù)據(jù)，利用該分析平臺可以開展科研能力分析、評估和預測。本研究基于文獻計量學方法，用SciVal分析平臺進行發(fā)文情況、地域、機構(gòu)、合作方式和研究熱點等問題的可視化分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本研究共建立2個數(shù)據(jù)集進行數(shù)據(jù)分析和聚類處理，一是將從Scopus數(shù)據(jù)庫中檢索到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集經(jīng)過清洗、轉(zhuǎn)碼后導入SciVal分析平臺形成數(shù)據(jù)集1，設(shè)置研究領(lǐng)域（Search）為“Agricultural and Biological Sciences”及“All subject area”進行發(fā)文情況、地域、機構(gòu)、合作方式等的比較分析。二是將“Agricultural and Biological Sciences”數(shù)據(jù)導出后單獨建立數(shù)據(jù)集2，進行研究熱點及趨勢分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)文及引用情況

按照方法1.1的檢索式進行檢索，發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的合成生物學論文最早發(fā)表于1948年，直到20世紀90年代，其關(guān)注度開始上升，特別是21世紀以來，其發(fā)文量增長迅速，至2021年已有30 000多位科研人員從事農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的合成生物學研究，其國際合作比例高達29%。由圖1可以看出，2016年以來，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的合成生物學研究相關(guān)發(fā)文量達6 000篇以上，發(fā)文量約占合成生物學總發(fā)文量的8%。從歸一化文獻引用次數(shù)（FWCI）來看，合成生物學篇均被引次數(shù)、FWCI、TOP 10%期刊發(fā)文比例分別為12.80次/篇、1.49、42.30%，表明相關(guān)研究的學術(shù)產(chǎn)出質(zhì)量較高；農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學篇均被引次數(shù)、FWCI、TOP 10%期刊發(fā)文比例分別為10.80次/篇、1.70、63.10%，高于合成生物學領(lǐng)域論文的整體水平（表1），說明農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的合成生物學研究受到的關(guān)注度較高，且文章的總體水平較高。

由表2可以看出，發(fā)文量排名前10的期刊是PLoS One、Plant Biotechnology Journal、Frontiers in Plant Science、Applied and Environmental Microbiology、Journal of Agricultural and Food Chemistry、PLoS Genetics、Journal of Virology、Plant Journal、Genome Biology、PeerJ，其發(fā)文量分別為812篇、235篇、234篇、212篇、198篇、167篇、159篇、136篇、131篇、124篇，PLoS One的發(fā)文量雖然排名第一，但其FWCI、篇均被引次數(shù)均較低，分別只有0.89、15次/篇，說明該期刊的文章相對而言不太被國際認可；Plant Biotechnology Journal、Genome Biology的發(fā)文量分別為235篇、131篇，其FWCI分別為5.31、3.47，篇均被引次數(shù)分別為40次/篇、42 次/篇，說明這2本期刊所發(fā)論文受到的認可度相對較高，關(guān)注農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學發(fā)展的科研人員可以多關(guān)注這2本期刊。

2.2 合作方式

對農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學相關(guān)學術(shù)產(chǎn)出（發(fā)文量）的合作情況進行分析，由表3可以看出，其國際合作比例為29.0%，篇均被引次數(shù)為13.7次/篇，F(xiàn)WCI為2.19；國內(nèi)合作比例為41.9%，篇均被引次數(shù)為10.2次/篇，F(xiàn)WCI為1.59；機構(gòu)內(nèi)合作比例為25.7%，篇均被引次數(shù)為9.3次/篇，F(xiàn)WCI為1.42。其總合作比例高達96.6%，說明合作研究是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學開展科研的重要方式，在3種合作類型中，國際合作篇均被引次數(shù)和FWCI最高，表明國際合作對于提升科研水平、學術(shù)產(chǎn)出質(zhì)量有較好的作用。

2.3 地域分布

由表4可以看出，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學被引量排名前10的國家是美國、中國、英國、德國、日本、法國、澳大利亞、加拿大、西班牙和荷蘭，發(fā)文量分別為2 080篇、2 207篇、519篇、548篇、464篇、277篇、242篇、248篇、235篇和172篇，篇均被引次數(shù)分別為14.2次/篇、10.6次/篇、14.2次/篇、13.3次/篇、10.7次/篇、15.4次/篇、15.0次/篇、11.4次/篇、11.6次/篇和14.3次/篇，歸一化文獻引用次數(shù)分別為2.04、1.93、2.18、2.05、1.51、1.97、2.46、1.71、1.71和2.35。由上述結(jié)果可以看出，美國在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學占據(jù)主導地位。此外，值得關(guān)注的國家還有英國、德國、荷蘭和澳大利亞，這幾個國家在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學的發(fā)文量雖然不多，但其篇均被引次數(shù)較高，且FWCI大于2.00，均高于世界平均水平（FWCI=1.00）。進一步分析農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學研究發(fā)展得較好的幾個國家，發(fā)現(xiàn)這些國家均較早地從國家層面提出了開展農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學研究，并在經(jīng)費資助上予以傾斜。例如，2011年美國率先部署近4.0×10⁸美元“生命鑄造廠計劃”，同時增加了合成生物學領(lǐng)域的研發(fā)投入，英國于2012年發(fā)布了《合成生物學路線圖》，并將生物經(jīng)濟的投資大部分給予了農(nóng)業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域^[9]。

中國的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學相關(guān)發(fā)文量位居TOP 10國家行列，為2 207篇，位列第1，但篇均被引次數(shù)只有10.6次/篇，且FWCI為1.93，低于美國、英國等國家，說明中國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學研究雖然緊跟交叉學科發(fā)展，但是整體科研水平還有很大提升空間，未來還需聚焦需求，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學科研成果質(zhì)量的提升。

2.4 機構(gòu)分析

對美國、英國及中國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學相關(guān)研究機構(gòu)進行分析，由表5可以看出，論文總被引次數(shù)排名前5的美國機構(gòu)依次為明尼蘇達大學、加州大學伯克利分校、哈佛大學、美國農(nóng)業(yè)部、佛羅里達大學，其總被引次數(shù)分別為2 175次、1 695次、1 623次、1 473次及1 454次，其中明尼蘇達大學表現(xiàn)突出，發(fā)文量雖然僅為64篇，但篇均被引次數(shù)達34.0次/篇，F(xiàn)WCI為4.0。英國在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學方向的整體發(fā)文量與美國比相對較少，其排名前5的機構(gòu)分別為約翰英納斯中心、劍橋大學、愛丁堡大學、帝國理工學院及倫敦大學學院，其總被引次數(shù)分別為777次、674次、590次、588次及516次，其中約翰英納斯中心的發(fā)文量為35篇，篇均被引次數(shù)為22.2次/篇，F(xiàn)WCI為3.63。在中國，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學相關(guān)論文總被引次數(shù)排名前5位的分別是中國科學院、中國教育部、中國農(nóng)業(yè)科學院、中國科學院大學、浙江大學，其發(fā)文量均在100篇以上，總被引次數(shù)分別為5 918次、3 183次、3 066次、2 921次、1 854次，其中中國科學院的發(fā)文量達386篇，篇均被引次數(shù)達15.3次/篇，F(xiàn)WCI為2.43，中國農(nóng)業(yè)科學院的發(fā)文量為243篇，篇均被引次數(shù)為12.6次/篇，F(xiàn)WCI為2.99，是目前中國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學研究值得重點關(guān)注的機構(gòu)。

分別對美國、英國、中國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學排名前5的研究機構(gòu)進行深入分析發(fā)現(xiàn)，它們均較早建立了相應的合成生物學科研平臺，并且在平臺建立后均有較好的學術(shù)成果產(chǎn)出。明尼蘇達大學有十幾個跨學科研究中心，加州大學伯克利分校勞倫斯國家實驗室于2003年創(chuàng)建了世界上第1個合成生物學中心，隨后，加州大學伯克利分校、哈佛大學都成立了涵蓋生物學、物理學、化學等多個學科的交叉科學研究所或合成生物學研究中心^[10]；佛羅里達大學建有跨學科生物技術(shù)研究中心，講授現(xiàn)代分子研究的理論、技術(shù)和應用知識。英國目前有超過30所大學成立了合成生物學研究中心，其中愛丁堡大學哺乳動物合成生物學研究中心構(gòu)建了細胞工程工具生成、全細胞建模、計算機輔助設(shè)計及構(gòu)建DNA和高通量表型的專門知識體系^[11]；劍橋大學的Sainsbury實驗室和約翰英納斯中心之間合作的Open-Plant正在加速開發(fā)植物合成生物學的新工具和方法，應用領(lǐng)域包括新藥開發(fā)、化學品生產(chǎn)和綠色能源制造等^[12]。

3 研究熱點

3.1 高熱度研究主題群

目前，合成生物學在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛應用，對農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學高熱度研究主題群進行分析發(fā)現(xiàn)，研究熱度（PP）大于90%的有12個主題群，包含常用的模式生物及方法[擬南芥（Arabidopsis）、植物（Plant）、基因（Gene）、沙門氏菌（Salmonella）、大腸桿菌（Escherichia coli）、李斯特菌（Listeria monocytogenes）、宏基因組（Metagenome）、益生菌（Probiotics）、細菌（Bacteria）]、食品相關(guān)[茶葉（Tea）、多酚（Polyphenol）、花青素（Anthocyanin）、面包（Bread）、淀粉（Starch）、麩質(zhì)（Gluten）、奶酪（Cheese）、酪蛋白（Casein）、牛奶（Milk）]、海洋生物相關(guān)[海洋（Ocean）、湖泊（Lake）、溶解性有機物（Dissolved organic matter）、藻類（Algae）、微藻（Microalgae）、生物柴油（Biodiesel）、鯨（Whale）、海豚（Dolphin）、海豹（Seal）]、土壤環(huán)境[土壤（Soil）、生物炭（Biochar）、土壤有機碳（Soil organic carbon）、重金屬（Heavy metal）、鎘（Cadmium）]、森林植物[森林（Forest）、景觀（Landscape）、植物（Plant）]等，幾乎攬括了目前農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的各個研究方向，其中“Arabidopsis， Plants， Genes”“Soil， Biochar， Soil Organic Carbon”“Metagenome， Probiotics， Bacteria”方向的研究熱度分別高達98.528%、98.127%、98.930%（表6），說明農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學關(guān)注的這幾個主題群的學者較多，發(fā)文量較大，同時研究結(jié)果與目前合成生物學在微生物中的研究方向、國際國內(nèi)均關(guān)注的“雙碳”及作物育種研究的現(xiàn)狀相契合。

3.2 研究熱詞

用SciVal數(shù)據(jù)處理平臺提取關(guān)鍵詞[SciVal數(shù)據(jù)處理平臺針對每個文檔列出了標準化關(guān)鍵短語列表，并用指紋引擎進行文本挖掘，將各種自然語言處理技術(shù)應用于文檔的標題、摘要和關(guān)鍵詞中，以識別重要的關(guān)鍵詞，并根據(jù)反向文檔頻率（IDF）選擇重要的關(guān)鍵短語，以減少文檔集中頻繁出現(xiàn)單詞的權(quán)重]，排名前50的關(guān)鍵詞為研究熱詞。對農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學相關(guān)研究熱詞進行分析發(fā)現(xiàn)，50個熱詞中共有16個熱詞涉及具體物種，為擬南芥、斑馬魚、蠶、噬菌體、腺病毒、大腸桿菌、酵母、水稻、小麥、玉米、大豆、番茄、馬鈴薯、煙草等（圖2），說明合成生物學已經(jīng)在這些生物中得到了廣泛應用。以上述熱詞為關(guān)鍵詞對2016年至今的高被引論文進行檢索，大致能夠了解目前這些生物在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學的研究情況。為了方便敘述與討論，大致可以按種類與屬性將這些生物分為模式生物類（擬南芥、斑馬魚、蠶、噬菌體、腺病毒、大腸桿菌、酵母）、作物類（水稻、小麥、玉米、大豆、番茄、馬鈴薯、煙草等）。

3.2.1 模式動植物 根據(jù)熱詞結(jié)果，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學研究的模式動植物以擬南芥、斑馬魚、蠶較多，在模式動植物中的研究以方法、技術(shù)及由此帶來的產(chǎn)量、性能的改變?yōu)橹?。由于擬南芥具有植株小、生長周期短、結(jié)實多、易轉(zhuǎn)化和保持遺傳穩(wěn)定性等優(yōu)點，目前已經(jīng)是應用得較廣泛的模式植物之一。隨著基因編輯技術(shù)的發(fā)展，近年來李子文等^[13]以擬南芥基因為編輯對象找到鑒定基因編輯植株后代的簡單、快捷的方法。2021年，Balk等^[11]報道了擬南芥中含鐵蛋白質(zhì)的詳細圖譜。研究人員在斑馬魚中利用熱休克誘導實現(xiàn)了CRISPR/Cas9的條件誘變。Zhang等^[14]報道了1種可編程的“堿基編輯”系統(tǒng)，為在斑馬魚中引入單堿基提供了一種簡單高效的方法。Alestrm等^[15]認為，可以通過標準化飼養(yǎng)程序和在實驗室之間交換飼養(yǎng)信息來提高試驗結(jié)果的可重復性。隨著家蠶基因組測序項目的完成，中國、日本分別建立了2個主要的家蠶基因組數(shù)據(jù)庫SilkDB、KAIKObase，這些數(shù)據(jù)庫被研究者頻繁更新和大量訪問^[16]。

3.2.2 微生物 合成生物學在微生物研究中的應用主要是以微生物為載體，通過對已有微生物細胞進行改造或設(shè)計，創(chuàng)建新的微生物元件，從而使底盤生物實現(xiàn)特定的生物學功能^[17]。目前，合成生物學應用最廣泛的微生物是大腸桿菌，由于其易培養(yǎng)、增殖時間短及對環(huán)境的耐受性強、基因操作容易等特點，成為微生物合成生物學研究中重要的模式生物之一^[18]。2019年，Li等^[19]將大DNA片段分割成多個片段，將長度為15 kb的大片段成功引入大腸桿菌基因組中，實現(xiàn)了大腸桿菌基因組18 000個靶標密碼子的轉(zhuǎn)換，為大腸桿菌在合成生物學中的應用開辟了更廣闊的研究空間和可能；噬菌體T7RNAP轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)已成為合成生物學的重要組成部分，T7 RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)因其在各種宿主（包括原核、真核和無細胞系統(tǒng)）中的強大功能而被廣泛用作分子生物學中的有效工具^[20]。釀酒酵母也是常用的真核模式生物，科研人員常將其作為宿主菌生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品^[17]。目前，有一些非常好的工具網(wǎng)站，如“Yeastriction web tool”極大地方便了在酵母中進行基因編輯^[21]，此外，Xie等^[22]人工合成釀酒酵母5號染色體，Shao等^[23]所在課題組將釀酒酵母中天然的16條染色體整合為1條具有完整功能的染色體，為微生物合成生物學的應用和發(fā)展提供了新的思路和方向。

3.2.3 作物類 由表7可以看出，Top 50關(guān)鍵詞中的大田作物主要有水稻、小麥、玉米、高粱和棉花，說明這幾個作物在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學中所受的關(guān)注度較高，相關(guān)研究論文占比較大。通過關(guān)鍵詞檢索該領(lǐng)域其他作物的高被引論文可知，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學研究主要致力于作物性狀、品質(zhì)、抗性和吸收效率等的改變，目前利用合成生物學方法已經(jīng)開發(fā)出富含類胡蘿卜素、花青素、蝦青素的“黃金大米”“紫晶米”“蝦青米”等產(chǎn)品，目前經(jīng)基因組編輯的大豆已實現(xiàn)商業(yè)化種植，其中的植物產(chǎn)品大豆油已在美國上市^[24]。Waltz^[25]通過破壞直鏈淀粉生物合成基因，開發(fā)出了蠟質(zhì)玉米，而Li等^[26]通過在水稻中單獨敲除4個產(chǎn)量負調(diào)節(jié)因子，得到的水稻品種粒數(shù)增加、穗密實、粒大；Lyu等^[27]利用合成生物學原理培育出了抗鹽堿的水稻和高產(chǎn)小麥，提高了作物的營養(yǎng)成分含量。最近，科學家通過成功修飾編碼玉米乙烯反應負調(diào)節(jié)因子ARGOS8的基因，增強了植物對干旱脅迫的耐受性^[28-29]。Dapkekar等^[30]通過研究發(fā)現(xiàn)，Zn-CNP作為一種新型納米肥料，可以提高肥料利用率，通過葉面噴灑TiO₂納米顆粒，在減少Cd積累、減輕Cd誘導的玉米植物毒性方面優(yōu)于根系施用TiO₂納米顆粒^[31]。Wang等^[32]通過同時靶向編輯小麥中抗白粉病的3個同源基因，成功地使小麥產(chǎn)生了白粉病抗性。有研究人員通過使用合成生物學方法開發(fā)了抗白粉病的非轉(zhuǎn)基因番茄Tomelo^[33]。Clasen等^[34]通過靶向基因敲除馬鈴薯中的VInv，改善了馬鈴薯冷藏和加工性狀。由此可見，合成生物學研究極大地影響著作物的生產(chǎn)，并帶來育種領(lǐng)域的革新。

4 討論

從文獻分析結(jié)果看，近年來已有30 000余名科研人員從事農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學相關(guān)研究，2016年以來的發(fā)文量超過6 000篇，并有持續(xù)增長的趨勢，說明越來越多的科研人員開始關(guān)注農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學；不同機構(gòu)間的合作比例高達96.6%，其中國際合作比例高達29.0%，并且國際合作的篇均被引次數(shù)和FWCI明顯高于獨立作者。由此可見，要加強農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學研究必須注重國際合作，高校、科研院所應加強與一些已有合成生物學科研平臺的機構(gòu)開展深入合作，如國外的明尼蘇達大學、加州大學伯克利分校、哈佛大學、美國農(nóng)業(yè)部、佛羅里達大學、約翰英納斯中心、劍橋大學、愛丁堡大學、帝國理工學院及倫敦大學學院等，國內(nèi)如中國科學院、中國教育部、中國農(nóng)業(yè)科學院、中國科學院大學、浙江大學等。考慮到科學技術(shù)的相通性^[35]，農(nóng)業(yè)科研機構(gòu)及研究人員可以關(guān)注合成生物學方面有較好研究基礎(chǔ)的機構(gòu)，如麻省理工學院、霍華德·休斯醫(yī)學研究所、博德研究所、斯坦福大學等。中國自2008年起開始著手發(fā)展合成生物學，隨后發(fā)布了系列科技戰(zhàn)略規(guī)劃，2018年起，中國科技部將合成生物學列為國家重點專項進行資助，對于推動中國合成生物學的發(fā)展具有重要意義，同年教育部立項建設(shè)天津大學化學化工協(xié)同創(chuàng)新中心，建立了合成生物學研究平臺，中國科學院大學設(shè)置了多學科交叉的課程——微生物代謝工程，從合成生物學的角度分析微生物代謝工程未來的發(fā)展方向。浙江大學與杭州國際科創(chuàng)中心合作，以合成生物學自動化科學裝置為依托，發(fā)布了“青年人才卓越計劃-合成生物學專項”。

由熱點領(lǐng)域及熱詞圖譜可以看出，合成生物學方法應用于植物的主要用途為增加產(chǎn)量、營養(yǎng)價值或?qū)ι锖头巧锩{迫的耐受性等，目前擬南芥、煙草、大豆、番茄、馬鈴薯、水稻、小麥、玉米、高粱、矮牽牛、香蕉、甜橙、蘋果、楊樹和馬錢子等植物的抗逆性、延遲果實成熟、抗除草劑和抗病性等特性相關(guān)基因已經(jīng)被成功編輯^[36]。基因組堿基編輯技術(shù)允許精確的DNA操作，有助于改變植物中基于靶標的核苷酸序列修飾和傳遞系統(tǒng)，但它們的潛力受到組織培養(yǎng)中低再生效率和缺乏可轉(zhuǎn)化基因型的限制^[37]。最近研究者開發(fā)的形態(tài)發(fā)生調(diào)節(jié)基因技術(shù)顯示出有效轉(zhuǎn)化頑固品種的強大潛力^[38]。Tian等^[39]用合成生物學方法研究證實，Nt6549g30是位于普通煙草雜交致死率1（NtHL1）基因座的基因，并證明了通過基因編輯擴大作物物種基因庫的可能性。Patial等^[40]將柱狀芽孢桿菌介導的DH系統(tǒng)與常規(guī)育種方法結(jié)合，以期為未來小麥育種研究提供新方法。Watson等^[41]提出了“速度育種”的方法，將快速育種與其他現(xiàn)代作物育種技術(shù)（包括高通量基因分型、基因組編輯和基因組選擇）相結(jié)合，加快了作物改良速度，大大縮短了育種時間。元基因組計劃的發(fā)展為研究微生物多樣性開辟了路徑^[42]，通過產(chǎn)品合成調(diào)控基因元器件、構(gòu)建農(nóng)產(chǎn)品高效合成的細胞工廠、選育特殊底盤細胞等，可以為生物抗逆抗病、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化、改良農(nóng)業(yè)土壤及作物性狀改良等世界性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)難題提供解決方案。

分子生物學與基因組工程是合成生物學研究的根基，從研究方向上看，基因編輯、基因打靶、基因突變、生物工程、組織工程、代謝研究是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學研究的熱點；在研究技術(shù)上，CRISPR和TALEN技術(shù)是目前農(nóng)業(yè)合成生物學研究的主要技術(shù)，但CRISPR相關(guān)技術(shù)受到的關(guān)注度較高，而TALEN技術(shù)受到的關(guān)注度在持續(xù)降低，CRISPR/Cas基因編輯技術(shù)通過定點改造關(guān)鍵功能基因，進而精準改良植物的目標性狀，提高定向遺傳改良的效率^[43]。然而，CRISPR/Cas技術(shù)依然在編輯效率、靶向特異性、脫靶、系統(tǒng)遞送效率等方面存在問題。近期，新型EEN系統(tǒng)也被證實具有應用于家蠶基因組靶向編輯的潛力，從而極大地提高了CRISPR系統(tǒng)在家蠶基因組中的識別位點數(shù)量^[44]。Thind等^[45]在六倍體春小麥品種Fielder中開發(fā)了一種強大的、可重復的根癌農(nóng)桿菌介導的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化效率高達33%。由此可見，聯(lián)合應用多種不同EEN系統(tǒng)實現(xiàn)更大范圍的內(nèi)源基因精確定點修飾，將是未來基因組靶向編輯技術(shù)研究的重要方向之一。

目前，國內(nèi)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學研究主要依托中國農(nóng)業(yè)科學院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所2018年成立的農(nóng)業(yè)合成生物學中心，其主要致力于農(nóng)業(yè)基因組學、農(nóng)業(yè)分子育種、農(nóng)業(yè)和食品宏基因組等領(lǐng)域的科學研究。因此從國家層面看，在新一輪國家重點實驗室、創(chuàng)新中心和重大基礎(chǔ)設(shè)施布局的遴選中，國家要充分發(fā)揮農(nóng)業(yè)重點高校的學科特色和科研優(yōu)勢，布局建設(shè)一批農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學國家級科研平臺，扶持培育新品種、優(yōu)化微生物、合成生物原料、功能性生物材料及微生物固氮技術(shù)等，實現(xiàn)種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)減排、可再生能源替代和農(nóng)業(yè)土壤固碳，為發(fā)展農(nóng)業(yè)低碳產(chǎn)業(yè)及農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供支持；建立高效合成蛋白質(zhì)細胞工廠，將可再生原料轉(zhuǎn)化為重要食品組分，創(chuàng)新食品保存和減少廢物，為未來食品的可持續(xù)供給提供有效的解決途徑?？蒲袡C構(gòu)可以通過引進技術(shù)及人才團隊，優(yōu)化學科布局，搭建合作交流平臺，推動農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成生物學新興交叉學科發(fā)展，搶占前沿交叉制高點?？蒲腥藛T特別是農(nóng)業(yè)科研人員可以追蹤新技術(shù)和研究熱點，關(guān)注合成生物學領(lǐng)域高質(zhì)量期刊，同時主動走出去，開拓視野，加強交叉合作，搶占研究高地。

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（責任編輯：徐 艷）