隨著全球人口數(shù)量的持續(xù)增加，人類生存所面臨的糧食危機越來越嚴重。預計至2050年，全球糧食產(chǎn)量需增產(chǎn)70%才能滿足全球人口需求。此外，全球氣候變化以及工業(yè)化導致的世界范圍內(nèi)的土壤退化問題將使得人均可用耕地面積進一步減少。因此，如何在全球氣候變化的背景下，以快速且可持續(xù)的方式在更少的土地上生產(chǎn)更多的糧食以滿足不斷增長的人口對糧食的需求將是農(nóng)業(yè)界未來面臨的最大挑戰(zhàn)。

合成生物學是一門融合利用生物學和工程學原理設(shè)計、構(gòu)建標準化元器件和模塊，量化已知的生物過程, 改造或者重新設(shè)計現(xiàn)有生物系統(tǒng)的學科。合成生物學已在能源、化工、醫(yī)藥、食品以及環(huán)境等領(lǐng)域取得了重大進展。近些年來，隨著合成生物學的快速發(fā)展, 其在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、改良作物、降低生產(chǎn)成本以及實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展等方面的潛力日益凸顯，特別是改造植物光合作用增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量、利用微生物或代謝工程手段減少農(nóng)業(yè)化肥使用以及重塑代謝通路改良作物等方面的能力，將大大突破了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)瓶頸，為其帶來農(nóng)業(yè)產(chǎn)能、營養(yǎng)的突破性增長，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的“第二次綠色革命”。

利用合成生物學提高光合作用效率，增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量

農(nóng)業(yè)產(chǎn)量主要受限于光捕獲效率、生物量積累效率和收獲指數(shù)等。目前，植物的光捕獲率已接近最大理論值，且大幅度提高收獲指數(shù)已無可能；但是植物將光能轉(zhuǎn)化為生物量的效率僅達到理論值的20%左右，光合作用效率還有很大的提升空間。另外，城市化進程使得大幅度提高農(nóng)用耕種面積可能性大大降低。因此，與以往相比，利用合成生物學改造或改良光合作用，提高光能利用效率以大幅度提高作物產(chǎn)量將在解決未來糧食危機及維持可持續(xù)生態(tài)環(huán)境中起到更關(guān)鍵的作用。目前光合作用合成生物學的研究主要體現(xiàn)在利用合成生物學對植物體內(nèi)代謝進行改造，以提高光合碳同化效率如提高Rubisco酶活性、引入碳濃縮機制和減少碳損耗，以及提高光能利用效率等方面。

利用合成生物學自主固氮，減少農(nóng)業(yè)化肥使用

發(fā)達國家的農(nóng)業(yè)高產(chǎn)量很大程度上依賴于肥料的大量使用，自20世紀60年代以來，世界范圍內(nèi)的氮肥消耗量增加了13%，但禾谷類作物的氮肥有效利用率由80%降至近30%。化肥的大量施用在提高作物產(chǎn)量的同時，也帶來了水體富營養(yǎng)化和大氣污染等問題，嚴重威脅著農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。近年來，國內(nèi)外的研究學者將目標轉(zhuǎn)向了生物固氮途徑，通過構(gòu)建人工高效固氮植株體系為農(nóng)作物提供氮源，從而部分替代或大幅度減少化學氮肥的使用，開創(chuàng)了固氮合成生物學的新領(lǐng)域。

利用合成生物學重塑代謝通路

改良農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì), 調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)

利用合成生物學重塑代謝通路，改良農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)。目前農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)力已接近極限，意味著對于提高作物營養(yǎng)價值的需求變得更加迫切，以滿足充足糧食供應(yīng)的同時解決人類營養(yǎng)不良等問題。在有限的土地資源和極端的氣侯變化背景下，種植更有價值的產(chǎn)品將是未來農(nóng)業(yè)不可避免的選擇。植物合成生物學可以通過改造現(xiàn)有代謝途徑或者從頭合成新的人工代謝途徑對作物進行改良或者獲得新的代謝產(chǎn)物。如，富含維生素A的“黃金大米”、富含花青素的“紫晶米”、低致敏蛋白含量的花生等。再比如，利用合成生物學可以在細菌或酵母中實現(xiàn)諸多高價值植物源天然產(chǎn)物的批量生產(chǎn)，例如紫杉二烯、青蒿素、嗎啡、紅景天苷、燈盞乙素和大麻素等。在不到100 m3的發(fā)酵車間中青蒿素的年產(chǎn)量可接近于我國5萬畝(1畝≈667 m2 )耕地的種植產(chǎn)量。因此，合成生物學必將推動未來農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整。

農(nóng)業(yè)是人類的生存之本。農(nóng)業(yè)的發(fā)展既要滿足持續(xù)增長的人口對糧食的需求，還要在有限的土地資源以及全球氣候變化的背景下實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。合成生物技術(shù)被譽為是改變世界的十大顛覆性技術(shù)之一，具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著合成生物學研究的不斷發(fā)展，其在突破傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)瓶頸、引領(lǐng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展方面的作用日益突出。合成生物學即將為農(nóng)業(yè)帶來重大成果。目前利用合成生物學原理提高植物的光合效率是增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的有效手段。如何改造、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)化效率仍是當前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的重大問題。合成生物學也將為生物固氮這一世界性農(nóng)業(yè)難題提供革命性的解決方案，從而為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供最經(jīng)濟、環(huán)保和高效的氮素供應(yīng)方式。通過重塑合成代謝通路，對作物進行改良來提高作物的營養(yǎng)價值，以及通過異源合成人類所需的各種植物天然產(chǎn)物，合成生物學將使農(nóng)業(yè)發(fā)展不再受限于有限的土地資源和氣候變化。此外，合成生物學還為提高作物抗旱性、改良農(nóng)業(yè)土壤以及從頭馴化作物改良性狀等方面提供了新的途徑。可以預見，合成生物學必將影響未來農(nóng)業(yè)走向，為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域帶來巨大的變革。

參考文獻：吳杰,趙喬.合成生物學在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用與前景[J].植物生理學報,2020,56(11):2308-2316.DOI:10.13592/j.cnki.ppj.2020.0148.