Progress and challenges of synthetic biology in agriculture Synthetic Biology Journal    DOI: 10.12211/2096-8280.2025-065

Table 2 Advantages and disadvantages of plant chassis and microbial chassis

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尽管微生物异源合成取得了一定的进展，但是由于微生物缺乏植物特有的膜细胞器，使得膜结合相关酶的有效表达仍然是一个挑战。植物来源的酶在微生物系统的表达往往受到极大的限制，难以充分发挥其功能，导致部分产物的产量仍无法满足工业需求。此外，在微生物重组表达过程中，蛋白质错误折叠和聚集成不溶性内含体的现象也普遍存在 ［53］，进一步限制了目标蛋白的功能实现和代谢产物的积累。因此，植物底盘的开发也是高效合成目标代谢产物的策略 ［54］。植物因其自身拥有辅酶因子和代谢前体，并为正确的mRNA转运、蛋白质折叠、蛋白质定位和亚细胞区室化提供了理想的环境。植物底盘可以在细胞、组织或整个植物水平上进行工程设计。首先在细胞水平上，悬浮细胞培养的优点是生长周期短，不受环境影响［55］，并已经被证明是生产香叶醇的优势平台［56］。其次在组织水平上，毛状根培养也显示出生产各种次生代谢产物的潜力。例如，在牵牛花中开发的β-雌二醇系统，使得牵牛花的毛状根在5L反应器实现高度酰化的花青素高效积累。目前已有越来越多的植物的毛状根被开发生产高价值的代谢产物。例如薄荷［58］、丹参［59］、鼠尾草［60］的毛状根。该策略还可以应用到更多的物种，如黑胡萝卜和烟草，为天然着色剂的工业化生产提供了一种新的策略 ［57］。最后，将整个植株设计为底盘，其优势在于可以结合更多的工程策略优化代谢物的产生，为功能化合物的生产提供了广阔平台。其中本式烟草作为最广泛使用的植物底盘，具有生长周期短、生物量大的特点，可以规模化多基因共表达，可以作为快速筛选基因线路的平台，是瞬时表达系统的理想选择。利用烟草的瞬时共表达系统，研究人员已经成功生产多种天然产物，包括虾青素 ［61］、倍半萜 ［62］和二萜 ［63］等。另外，经济作物如水稻和玉米也成为植物底盘的重点改造对象。例如，通过转基因叠加系统对水稻进行多基因编辑，将包含八个花青素相关基因的构建体对水稻进行转化，获得了胚乳富含花青素的水稻 ［64］。在玉米中，通过代谢工程实现了虾青素的生物强化。通过喂食母鸡实验发现，母鸡能够从改造的玉米中摄取虾青素并将其积累到蛋黄中 ［65］。随着合成生物学的不断发展，越来越多的新型底盘被开发利用。例如，浮萍因其形态简单、非冗余的基因集和遗传转化操作的可行性，近年来受到科学家的广泛关注 ［66］。藓类植物则凭借其高效的同源重组能力和复杂的代谢通路组装能力，逐渐成为研究热点。最近，小立碗藓T2T基因组的绘制，展现出了其成为新一代植物底盘的潜力 ［67］。这些植物底盘的开发和优化，不仅推动了农业合成生物学的技术进步，也为未来农业生产体系的智能化与生态化转型奠定了基础（表2）。

（3）C₄途径引入C₃植物。C₄途径涉及叶肉细胞和束鞘细胞的协调代谢。在该途径中，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEP）启动叶肉细胞的CO₂同化，产生的C₄酸在束鞘细胞脱羧，从而完成完整的C₄途径 ［156］。鉴于其优越的碳和水利用效率，研究人员一直期望C₄途径的性状引入以增强C₃植物光合效率 ［157］。水稻的C₄项目激发了人们对C₄引入的兴趣，涉及能量代谢和叶片结构学的深入研究，例如，增加叶脉密度 ［158］。有研究将尝试玉米酶纳入水稻，构建最小C₄循环，虽然植株展现出PEP的通量增加，表明有效固定了CO₂，但是没有观察到明显的脱羧反应，说明C₄循环并没有完全建立 ［159］。这表明，由于C₄光合作用固有的复杂性，人工将其引入C3作物仍然存在重大挑战。

干旱、盐碱、高温等非生物胁迫给农业生产带来巨大损失 ［183］。尤其干旱胁迫对粮食安全构成重大威胁。利用合成生物学工具对代谢途径进行设计和修改，以培育出耐旱性增强的作物已成为当前的研究的重点方向 ［184］。在干旱条件下，植物会激活相关基因以触发自然保护性反应，例如通过积累渗透性保护剂维持离子稳态，以及减轻氧化损伤以保持细胞功能。这一过程涉及复杂的基因调控网络，目前已有多个关键基因被克隆并经过改造，从而实现作物抗旱性的提升［185］。目前应对干旱的研究可以大致分为三个设计角度：①改造参与渗透保护的蛋白提高作物适应气候变化的压力。水通道蛋白（AQPs）已经在提高作物的抗旱性方面得到很大的应用，OsRINGzf1在水稻中的过表达，可以通过促进OsPIP2；1蛋白的降解来提高水稻的保水能力，从而提高作物抗旱性 ［186］。在玉米 ［187］、香蕉 ［188］、油菜 ［189］同样中利用相似的途径设计来提高植物的抗旱性。②利用设计抗旱途径基因提高植物的抗旱性。设计抗旱响应基因的转录因子可以有效提高植物的抗旱性，研究人员将基于11个大豆响应干旱基因的顺式调控元件与最小35S启动子和合成内含子序列融合，设计并验证了6个根系特异干旱诱导型合成启动子，随后在大豆毛状根和拟南芥中测试了它们在干旱胁迫下驱动GUS报告基因的表达能力。研究结果表明，以特定方式对特异性顺式基序设计的根特异性干旱诱导合成启动子在培育耐旱作物方面有巨大潜力。这项工作强调了优化顺式元件的间距、拷贝数和取向性对于在特定组织中实现精确、高效的干旱诱导基因表达的重要性，为开发大豆和其他作物的抗旱性提供了合成生物学工具。渗透保护剂是一类帮助植物耐受非生物渗透胁迫的重要化合物。如脯氨酸、甜菜碱和海藻糖，外源添加有助于在胁迫条件下维持细胞渗透作用和细胞膜形态［190］。改造植物表达渗透保护剂有利于植物在不利条件下维持生理稳态。合成生物学方法有望可以工程化调控植物产生渗透保护剂。③调节气孔帮助水分的保存。气孔是叶片表面的小开口，通过蒸腾作用控制气体交换和水分流失。调节气孔也是关键的抗旱策略，合成生物学技术可以用于设计气孔行为，减少干旱期间的水分流失，增强作物的抗旱性。研究人员通过改变气孔孔径或气孔导度来增加作物的抗旱性，例如番茄 ［191］和玉米［187］中的研究表明，此策略能够有效减少水分流失。总而言之，合成生物学为开发耐旱性增强的工程作物提供了多功能且强大的工具。通过设计代谢途径相关基因、改造渗透胁迫响应以及调控气孔行为，可以培育在干旱易发环境中表现优异的植物。这些进展不仅有助于保障粮食安全，也为应对气候变化和水资源日益短缺提供了可持续的农业解决方案 ［192］。

微量元素缺乏是全球性的营养问题，尤其是铁和锌的不足，对人体健康影响显著。为此，研究者通过调控植物体内矿物质的吸收、转运和储存相关代谢途径，实现了在可食用部分中提高铁和锌含量的作物生物强化。已有多项研究致力于提高作物中的微量元素含量。例如，水稻胚乳中协同表达拟南芥IRT1和NAS1基因与小麦的FER 基因使水稻胚乳中锌和铁的含量高达33.17 μg/g DW和10.46 μg/g DW［206］。木薯中表达拟南芥铁转运蛋白基因IRT1和铁蛋白FER1使转基因木薯铁含量提高了7-8倍，锌含量提高了3-10倍 ［207］。小麦中过表达两个关键基因，胚乳特异性表达的铁转运蛋白基因VIT2-D和水稻烟碱胺合成酶基因NAS2，显著增加了小麦中锌的总含量，并且磨白面粉中的铁含量也得以增加 ［208］。通过生物强化提高作物中的微量元素浓度，可以有效的解决营养不良的问题。

在农业合成生物学中，微生物底盘凭借其可控的代谢能力和较高的基因改造效率成为研究和应用的核心工具.利用微生物底盘，可以将农业中低价值的可再生生物质资源转化为生物燃料、生物农药和其他高附加的化合物.其中，大肠杆菌和酿酒酵母是两种最具代表性的经典微生物底盘.大肠杆菌以其具备成熟的遗传体系、生长快速的优势被广泛应用于植物激素的合成.例如，通过全细胞催化和从头生物合成的方法，在大肠杆菌中建立两个全新的吲哚乙酸（Indole-3-acetic acid， IAA）合成途径： 色胺（TAM）和吲哚-3-乙酰胺（IAM），实现大肠杆菌MG1655高产IAA，这一成果为作物生长促进因子的生物合成提供了重要支持 ［47］.酿酒酵母作为研究和应用最广泛的真核微生物底盘，具有遗传背景清晰和遗传工具广泛的优势.研究人员已经开发出多种合成进化策略，同时在番茄红素［48］、8-羟基香叶醇 ［49］和原人参二醇 ［50］等高价值代谢产物的生物合成中得到应用.链霉菌则因其具有强大的次级代谢能力使其能够高效合成多种农用抗生素，因此是生产农用抗生素的理想底盘.研究人员通过多组学联合分析识别代谢通路中的限速步骤，对链霉菌J1074进行优化，这一策略使新型多杀菌素的产量提高了1000倍，显著提升了生物农药的开发效率 ［51］.此外，枯草芽孢杆菌因其高效的分泌系统和食品安全特性，在农业领域也具有重要地位.最近的一项研究通过代谢工程调节枯草芽孢杆菌中的碳通量，结合空间调控工程增强了途径酶的共催化能力，并建立逻辑门基因回路调节细胞内辅因子水平和代谢通量分布，使得乙偶姻的产量达到了97.5g/L.这一成果充分展现了枯草芽孢杆菌在高价值化合物生产中的潜力 ［52］.除此之外，多种新型微生物底盘正在被广泛挖掘与应用（图1）.这些微生物底盘在农业中的应用范围不断扩大，为可持续农业的发展提供了新的技术路径. ...