Nature Plants：合成生物学助力新农业“革命”

来源：BioArt植物

农业的发展和生物工程的发展不仅要满足不断增长的人口对粮食的需求以及“绿色工业”对生物质原料的需求，还要考虑如何在全球气候变化的背景下，以可持续和快速发展的方式进行，这是农业发展的一项巨大挑战。近些年来，随着合成生物学（synthetic biology, SynBio）的快速发展，其颠覆性的概念和技术与“第二次绿色革命”的理念十分契合，可以在应对这些复杂挑战过程中发挥重要作用【1】。

目前，对植物生物学家而言，SynBio在一定程度上仍是陌生的，因为它在概念上处理的是自然进化尚未探索的“设计空间”，是跨学科、跨领域的集成创新。2018年底冷泉港实验室的会议‘Revolutionizing Agriculture with Synthetic Biology’ 评估了SynBio将带来的发展机遇和推动另一场绿色革命所需的资源【2】。近日，来自美国、澳大利亚和德国的多位科学家在Nature Plants上发表了一篇题为“Revolutionizing agriculture with synthetic biology”的观点文章，对该会议的要点进行了详细阐述和解析。

该文首先探讨了定向进化（directed evolution）对作物改良的潜在影响。尽管定向进化是一种强大的SynBio工具，但目前在植物改良领域中的应用还远远不够。这一方面是由于植物生物学家没有意识到合成生物学的巨大潜力，从代谢酶到植物株型构都可以利用SynBio。例如，理论上可行的CO2固定途径约有28种，但是目前只发现了一小部分（植物中2种，原核生物中6种）；另一方面，很多植物生物学家尚未意识到定向进化在蛋白结构和蛋白功能优化方面的超高效率。

Plant evolution has explored very little of the possible metabolic design space

SynBio可推动生物量和作物产量的空前飞跃并改善农业生态圈的可持续发展（“重新设计”可持续农业模式）。比如，最新的一项研究表明，通过在烟草中构建新的光呼吸通路，烟草生物量可以提高40%（Science突破！烟草增产40%以上，改变叶绿体乙醇酸代谢途径有望提高作物产量）【3】。而未来的合成生物学工作则会设计新的羧化酶和CO2固定途径，并“给予”植物CO2浓缩机制以提高RubisCO的效率，减少呼吸系统碳损失。以上表明了代谢途径的再设计对作物改良的潜力。

从植物发育的角度，通过SynBio可以将内源性信号分子或代谢物的合成生物传感器与特定的调节元件耦合，从而对细胞、组织和器官的形成进行重编程以创建适应环境的“智能植物”。比如，利用合成的小分子化合物（可以喷洒在植物表面）耦合ABA受体的方式，结合对天气的预测干预植物对水分的吸收【4】。此外，SynBio还在替代工业固氮、重新配置植物的次生代谢（提高植物抗性，从而减少农药使用）等方面具有重要作用，这充分体现了 SynBio的绿色理念。而通过改变植物代谢途径，利用细菌和酵母批量化生产高价值化学品(如，抗癌药物紫杉醇）也是SynBio的重要发展前景【5】。

The current status of plant synBio and its constraints

最后，该文指出了未来SynBio的应用和商业化过程中的问题和需要攻克的难题：1）提高植物生物学家在工程原理和实践方面的认识；2）未来应深入研究更多功能基因和蛋白，并结合对植物工程和微生物多样性的开发。此外，该文还强调了SynBio理念推广的重要性以及将科研与社会利益的结合的关键。SynBio的发展需要全社会公民的参与，应当避免重蹈“转基因”生物发展的覆辙，才能对农业、经济等作出积极贡献。

参考文献

【1】Goold, H. D., Wright, P . & Hailstones, D. Emerging opportunities for synthetic biology in agriculture. Genes 9, 341 (2018)

【2】Revolutionizing Agriculture with Synthetic Biology (The Banbury Center, Cold Spring Harbor Laboratory, 2018

【3】South, P . F ., Cavanagh, A. P ., Liu, H. W . & Ort, D. R. Synthetic glycolate metabolism pathways stimulate crop growth and productivity in the field. Science 363, eaat9077 (2019)

【4】Park, S. Y . et al. Agrochemical control of plant water use using engineered abscisic acid receptors. Nature 520, 545–548 (2015).

【5】Liu, W . C., Gong, T. & Zhu, P . Advances in exploring alternative Taxol sources. RSC Adv. 6, 48800–48809 (2016)

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-019-0539-0