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 生命科學學院,河北 保定 071001；2.河北農(nóng)業(yè)大學 植物保護學院,河北 保定 071001)

近年來，隨著分子生物學和生物技術(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、財富遞增和生物經(jīng)濟擴張以及對糧食安全的更高要求，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力仍需跨越式增長。國際糧食統(tǒng)計局最新數(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)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織估計作物生產(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)藝學研究，許多不同品種的作物產(chǎn)量已得到實質(zhì)性改善，但其增長速率處于減慢狀態(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。例如我國主要產(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)水平在全國名列前茅[3]。小麥種植面積每年都在2 400萬公頃左右，總產(chǎn)量達到1 000萬噸。隨著農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革推進，河北省對小麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展給予了高度重視，同時加大農(nóng)藥、化肥、種子等生產(chǎn)資料的投入，但小麥產(chǎn)量仍沒有明顯提高[3]，說明僅使用傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù)提高產(chǎn)量已達到極限，需要用更多先進策略減輕目前和未來的糧食安全威脅。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)帶來了額外挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的植物生物技術(shù)的重點是調(diào)節(jié)單個成分，而改善復雜的多基因性狀需要合理而系統(tǒng)的工程策略。

一、國內(nèi)合成生物學發(fā)展歷程

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

圖1 合成生物學概念性示意圖

2008年，香山科學會議首次討論發(fā)展合成生物學的戰(zhàn)略。2009年上海舉行東方論壇，對合成生物學的發(fā)展進行第二輪討論，隨后發(fā)布《“十二五”生物技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》《“十三五”生物技術(shù)創(chuàng)新專項規(guī)劃》等一系列規(guī)劃，都將合成生物技術(shù)列為“構(gòu)建具有國際競爭力的現(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易匀豢茖W基金“十三五”學科發(fā)展戰(zhàn)略報告生命科學》將“生命及生物學過程的設(shè)計與合成”列為重要的交叉研究優(yōu)先資助領(lǐng)域之一[4]。近年來，我國以學術(shù)會議交流、構(gòu)建科技共同體到戰(zhàn)略意義等多樣形式促進合成生物學的發(fā)展(圖2)。

圖2 我國合成生物學近年發(fā)展科技事紀

2017年底，成立國內(nèi)首個合成生物學產(chǎn)學研聯(lián)盟——深圳市合成生物學協(xié)會，繼而又在2019年成立亞洲合成生物學協(xié)會，為合成生物學發(fā)展提供匹配的軟硬件設(shè)施。此外，我國2018年發(fā)布的《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)積極牽頭組織國際大科學計劃和大科學工程方案的通知》(國發(fā)〔2018〕5號)，明確鼓勵支持具備基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性和前瞻性的科學研究，推動合成生物學研究步入戰(zhàn)略化發(fā)展態(tài)勢。最具規(guī)模的戰(zhàn)略扶持舉動是2019年國家核撥6億元經(jīng)費傾向部署“人工基因組合成與高版本底盤細胞構(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)體系與生物安全評估、部市聯(lián)動項目”5個專項的基礎(chǔ)研究。這些都說明，合成生物學領(lǐng)域研究已經(jīng)實現(xiàn)從基礎(chǔ)研究性質(zhì)到國家持續(xù)戰(zhàn)略布局的升級轉(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)代生命科學理論創(chuàng)新與技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展。當代生命科學的學科發(fā)展呈現(xiàn)典型的“兩極化”特征——廣泛與綜合，縱深與精細。前者主要以“合成生物學”為代表[5]。目前，合成生物學在第一產(chǎn)業(yè)，尤其是農(nóng)業(yè)方面，提高生產(chǎn)率和實現(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增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展；(3)增加農(nóng)作物營養(yǎng)價值，解決營養(yǎng)不良問題；(4)提高土地利用率，解決耕地面積對農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的限制問題。

二、合成生物學創(chuàng)新為農(nóng)林產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供新機遇

(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。氮肥的利用使當代農(nóng)業(yè)基本克服了氮對作物生產(chǎn)力的限制。長期以來，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)普遍富營養(yǎng)化、生物多樣性喪失等諸多環(huán)境問題。中國是世界上最大的合成氮肥消費國，然而由于傳統(tǒng)觀念的影響以及缺乏適當?shù)闹R和科學指導，許多農(nóng)民在農(nóng)田中施加過量合成氮肥，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，并導致了各種環(huán)境問題。小麥和玉米是中國的主要陸地作物，其種植面積分別占中國主要糧食作物總種植面積的25.9%和41.7%，根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒》中河南、河北、山東3省的小麥和玉米年播種面積及對《全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》中各省份氮肥投入情況進行分析(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氮肥施用量在3個典型省中為最高，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氮肥消費總量分別為164萬噸/年、114萬噸/年、151萬噸/年[6]。

表1 我國典型省份小麥和玉米的化學氮肥施用量和消費量

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 個典型省份在小麥上消費的化學氮肥帶來的年均溫室氣體排放量分別可達1 536萬噸、847萬噸、1 153萬噸二氧化碳當量/年，在玉米上消費的化學氮肥產(chǎn)生的年均溫室氣體排放量分別達717萬、720萬、912萬噸二氧化碳當量/年(圖3)[6]。盡管如此，面對人口的進一步增長，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，如果不采取相應(yīng)改變措施，2050年氮污染預(yù)計將比2010年增加約100%～150%[7]。人工固氮的缺陷使科學家開始挖掘生物固氮的潛力，而植物遺傳工具和合成生物學的進步，使生物固氮的研究有了新進展[7]。

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

目前，通過合成生物學方法進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、改造植物細胞的細胞器，使其產(chǎn)生固氮能力。將生物固氮系統(tǒng)直接導入植物細胞內(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”的夢想[8]。合成生物學技術(shù)的發(fā)展與運用正在使其變?yōu)楝F(xiàn)實。

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

我國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國民經(jīng)濟可持續(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，在葉綠體中引入藍細菌碳濃縮機制(CCM)可能會提高光能利用效率，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技術(shù)增加光合速率，提高產(chǎn)量(表2)。

表2 光合速率對植物生物量的影響 %

總的來說，光合效率的提高是創(chuàng)建生態(tài)文明、維護未來可持續(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)建國家生態(tài)文明的重要一環(huán)。合成生物學技術(shù)在改造、優(yōu)化當前光合作用系統(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)作物營養(yǎng)價值，解決營養(yǎng)不良問題

營養(yǎng)不良，包括微量營養(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展，但仍有7.95億人營養(yǎng)不良，超過20億人患有各種微量營養(yǎng)素缺乏癥，估計有1.61億五歲以下的兒童發(fā)育不良，99億體重不足，5 100萬超重。超過6億成年人肥胖。第二屆國際營養(yǎng)大會(ICN2)將來自糧食，農(nóng)業(yè)，衛(wèi)生，教育，社會保護和其他相關(guān)部門的國家決策者召集在一起，通過多部門共同解決營養(yǎng)不良這一復雜問題。參加會議的各國政府核可了兩項成果文件《營養(yǎng)羅馬宣言》和《行動框架》，使世界各國領(lǐng)導人致力于制定旨在消除一切形式營養(yǎng)不良和改變糧食體系以向所有人提供營養(yǎng)飲食的國家政策。我國也存在嚴重的營養(yǎng)不良問題。根據(jù)2014年中國《學齡兒童和青少年營養(yǎng)不良篩查標準》(WS / T456-2014)的新學生健康標準，對我國31個省(自治區(qū)，直轄市)的兒童營養(yǎng)狀況進行了分析和比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，我國7～18歲的兒童和青少年營養(yǎng)不良率為10.0%。營養(yǎng)不良的發(fā)生率，包括發(fā)育遲緩，輕度消瘦和中度嚴重消瘦，分別為0.8%，3.7%和5.5%[12]。由此可見，解決糧食營養(yǎng)與解決糧食產(chǎn)量同等重要。

合成生物學技術(shù)在確保充足的糧食供應(yīng)和解決營養(yǎng)不良問題有巨大的潛力，最突出的例子是“金稻計劃”。維生素A缺乏會引起嚴重的健康問題，通過合成類胡蘿卜素基因，使β-胡蘿卜素在水稻中合成并積累，是提高人體對維生素A攝入的方法之一。長鏈多不飽和脂肪酸(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。海洋魚類和微藻是人類飲食中LC-PUFA主要但非可持續(xù)來源。研究表明，利用合成生物學技術(shù)對LC-PUFA基因進行改造，在油料作物中LC-PUFA含量增加12%～15%[13]?，F(xiàn)目前預(yù)計部分植物來源LC-PUFA已在美國獲得監(jiān)管部門的完全批準，提供了一種可持續(xù)的LC-PUFA來源，這也證明了合成生物學技術(shù)給消費者帶來效益的能力[13]。增加食物的營養(yǎng)價值還包括有針對性地消除不良性狀。例如花生這類可能引起嚴重過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。這些都表明了合成生物學技術(shù)在提高作物營養(yǎng)方面有著巨大的作用。

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

自2004年以來，中國的糧食產(chǎn)量連續(xù)12年增長，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，如土壤層變薄、土壤侵蝕、土壤酸化、土壤含過量重金屬等，同時，建設(shè)用地不斷擴大，耕地的質(zhì)量和數(shù)量正在不同程度地下降。在農(nóng)業(yè)和未來建設(shè)用地擴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)。為了解決這一問題，政府出臺了試點方案，在2016年探索并實施耕地輪作和休耕制度。隨后連續(xù)3年提出中央一號文件，以進一步擴大耕地輪作和休耕制度的試點規(guī)模。然而，考慮到我國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)模是一個亟待解決的關(guān)鍵問題。一些學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20%。由此可以說明，在耕地擴增面積有限且質(zhì)量不能保證，還會破壞生態(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]。

合成生物學在這一方面有著重要作用。 利用合成生物學技術(shù)轉(zhuǎn)換微生物，作為潛在的生物修復劑，使其能夠降解有毒芳香族化合物及修復重金屬污染，是目前利用微生物進行生物修復解決土地問題的主要方法之一。合成生物學技術(shù)的發(fā)展為逆向工程提供了理想的資源，它對非常規(guī)環(huán)境中的新品種進行工程改造，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植物代謝產(chǎn)物，可能會影響土地利用并為國內(nèi)生產(chǎn)提供新的機會?？傊?，生物技術(shù)的發(fā)展是推動農(nóng)林產(chǎn)業(yè)進步，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的第一動力。

三、結(jié)語

我國現(xiàn)代化社會經(jīng)濟的發(fā)展離不開現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的支持，農(nóng)業(yè)建設(shè)是我國新農(nóng)村建設(shè)的基本需要，發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，改變我國傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，促進現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，為我國的現(xiàn)代化社會經(jīng)濟提供重要的保障[15]。合成生物學技術(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題的可靠手段和工具。現(xiàn)如今，文中提到的一些方法已經(jīng)進入市場，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行，例如制造農(nóng)業(yè)相關(guān)的生物傳感器，使其對各種各樣的環(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。隨著合成生物學技術(shù)研究的不斷深入，合成生物學技術(shù)與農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的開發(fā)和應(yīng)用不僅可以推動農(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，減少對環(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，并且在最終實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用之前，必須建立監(jiān)管框架并對其適用性進行仔細評估。目前，國際上對該領(lǐng)域的監(jiān)管方法缺乏一致性。各國之間的監(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)管體系是當前的首要任務(wù)。