合成生物学如何为作物改良助攻？科学家们这么干

  你是否也曾想过，在未来的某一天，农田里生长的作物不再仅仅是大自然的杰作，而是像精心编写的代码程序一样，被人类巧妙设计和定制？比如，玉米植株不仅能结出颗粒饱满、香甜多汁的玉米，还能自带抵御病虫害的 “隐形护盾”；水稻不再惧怕洪涝和干旱，无论环境如何恶劣，都能茁壮成长，产出富含多种营养的大米。如今，一门神奇的科学——合成生物学，正逐步将这些看似天马行空的幻想变为现实，它犹如一把神奇的钥匙，为作物改良开启了一扇充满无限可能的奇幻之门。

  3月1日，由中国作物学会主办、The Crop Journal《作物学报（英文版）》承办的“合成生物学促进作物改良”论坛成功举办，来自华南农业大学、西南大学、云南师范大学、上海交通大学、英国约翰英纳斯中心的多位专家学者，分享了合成生物学在作物种质资源、生物制造、植物酶基因改造、生物强化和品质改良等方面的最新研究成果，为解决全球粮食安全和可持续农业发展问题提供了新思路和技术支撑。

  合成生物学：多学科融合 为农业送上“神助攻”

  合成生物学，这门听起来高深莫测的科学，其实就像是一场生命的“乐高积木游戏”。我们都知道，乐高积木有着各种各样的形状和颜色，通过不同的组合方式，能搭建出千变万化的造型。而在生命的微观世界里，DNA 就如同那些乐高积木的基本组件。合成生物学的科学家们，就像是一群充满创意的“乐高大师”，他们深入到生命的本质，将一个个基因片段 —— 也就是那些生命的“积木块”，按照预先设计好的蓝图，进行重新组合、编辑和改造。

  与传统生物学不同，合成生物学不只是观察和研究自然存在的生命现象，它更像是一位大胆的“生命设计师”，主动出击，未来或许可以创造出自然界中原本不存在的生命形式和功能。打个比方，传统生物学像是在研究一幅已经完成的画作，探索画家是如何运用色彩和笔触来表达意境；而合成生物学则是自己拿起画笔，在画布上创作全新的作品，赋予生命新的“色彩”和“功能”。

  在作物改良领域，合成生物学更是大显身手。科学家们利用这门技术，精准地对作物的基因进行“编辑手术”。比如，找到那些控制作物生长速度、果实大小、营养价值以及抗病虫害能力的基因“开关”，通过巧妙地调整这些“开关”，让作物按照我们期望的方向生长和发育。这就如同为作物编写了一套专属的“成长秘籍”，让它们变得更加优秀，不仅能提高产量，还能改善品质。

  The Crop Journal编委、华中农业大学教授金双侠表示，合成生物学作为一门新兴的多学科领域，将工程学原理与分子生物学和信息学相结合，可以设计和开发新的植物装置和生物系统，比如设计农作物新品种、创造具有特殊性状的农作物，在促进农业的可持续发展方面具有巨大潜力。

  专家热议合成生物学：机遇与挑战并存

  论坛上，华南农业大学教授祝钦泷介绍了植物合成生物学基因编辑与种质创新研究。在植物合成生物学领域，面临着功能元件发掘、复杂数据结构处理和工具系统优化等挑战。祝钦泷教授团队利用多基因组装和叠加以及基因组工程工具，构建了多基因叠加系统TGSII，开发了特定核酸酶序列介导的组装方式，优化了相关组装方法。这些工具的应用，成功实现了多种彩色水稻的开发，如富含花青素的紫晶米、含有虾青素的赤晶米等。这些彩色水稻不仅颜色鲜艳，还具有更高的抗氧化活性和营养价值。

  “这些工具不仅能够实现对作物基因组的精准修改，还能够在不引入外源DNA的情况下完成育种过程，这极大地提高了育种效率并减少了伦理争议。”不过，祝钦泷也表示，目前植物合成生物学还存在元件匮乏、植物底盘选择和DNA组装等问题，需要进一步研究解决。

  西南大学廖志华教授聚焦于药用托品烷生物碱的生物合成与生物制造展开分享。托品烷生物碱是一类重要的天然药物，在麻醉镇痛、止咳平喘等临床应用广泛，但目前主要从植物中提取，存在资源短缺和供应链不稳定的问题。廖志华教授团队发现了多个托品烷生物碱生物合成关键酶基因，推进了从氨基酸到东莨菪碱生物合成途径的完整解析。他们通过代谢工程与合成生物技术，培育出了托品烷生物碱高产且抗除草剂的颠茄纯系植株，提高了相关生物碱的含量，为解决药用生物碱的生产问题提供了新途径。

  云南师范大学尚轶研究员分享了基于理性设计和进化的植物酶基因改造策略及其在育种中的运用。在微生物合成生物学中，植物来源的基因如何适应微生物微环境是一个关键问题。尚轶研究员团队开发了一种名为REvoDesign的方法，结合了理性设计、进化计算等，实现了对植物酶基因的高效改造。他们利用该方法成功改造了马铃薯储藏蛋白，提高了其稳定性和粘度，为马铃薯主食化提供了技术支持。他们还对二倍体马铃薯的育种关键基因进行改造，有望打破自交不亲和，推动马铃薯育种进程。

  上海交通大学李洁副教授则聚焦于通过基因编辑等生物技术实现作物营养强化的研究，以提供更健康的食品。目前，由于膳食结构不均衡导致微量营养元素缺乏问题日益严重，如维生素D缺乏在全球范围内普遍存在，其中的一个主要原因是我们无法从植物性膳食中获得维生素D。李洁团队选择番茄作为研究对象，利用基因编辑技术敲除相关基因，使番茄积累维生素D3前体。经过紫外线处理，番茄能够合成生物活性最高的维生素D——维生素D3，且在田间试验中也取得了良好效果。这一研究成果为解决维生素D缺乏问题提供了新的方向，有望通过生物强化的方式，让人们从日常膳食中获取足够的维生素D。

  英国约翰英纳斯中心研究组长David Seung教授介绍了他们在淀粉颗粒形态控制方面的研究进展。淀粉是碳水化合物在植物细胞中最普遍的储藏形式，对作物品质和人类健康具有重要影响。

  其科研团队发现了多个影响淀粉颗粒形态的关键基因和机制，通过基因编辑技术成功改变了小麦和马铃薯淀粉颗粒的大小和形状，进而影响淀粉的功能和营养特性。这些研究不仅有助于提高作物的品质和功能特性，还为未来的精准农业提供了技术支持。

  此次论坛为合成生物学领域的专家学者提供了一个交流合作的平台。相信，随着技术的不断发展和完善，合成生物学将为全球农业带来革命性的变化，助力实现粮食安全和农业可持续发展。（肖春芳）

  科普中国直播服务团队对本次论坛进行了全程直播。更多详细信息，可点击下方链接回看。

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