基因编辑技术是农业合成生物学的核心工具之一。因其精准性和灵活性为作物改良提供了前所未有的可能性。CRISPR-Cas9基因组编辑工具来源于古细菌针对噬菌体的一种进化防御机制，通过设计特异的sgRNA序列，基于同源修复的机制实现核苷酸替换、插入或缺失，从而实现精确的基因编辑（图2）。在植物基因组中利用CRISPR-Cas9引入有针对性的遗传变异，从而显著提升作物产量和品质，或是改良其他目的性状。例如，通过靶向编辑水稻中的特定基因，研究人员实现了对籽粒大小和重量的精细调控，为高产育种奠定了基础［68］。近年来，腺嘌呤碱基编辑器（ABE）［69］和胞嘧啶碱基编辑器（CBE）［70］的发明，使得基因编辑效率得到进一步的提高。但是，农业中复杂性状往往由多个基因共同参与调控，因此研究人员也在不断开发多基因技术。例如，基于Pol II启动的高效CRISPR系统能够精准切割sgRNAs周围的特定20个核苷酸序列，该机制已在水稻中得到验证［71］。CRISPR-Cpf1系统同样也在水稻得到验证，它是一种Cas9蛋白与多个sgRNA结合的编辑技术。此外CRISPR-Cas12a系统可以进行多重基因的敲除和转录调控［72］。还有SWISS系统可以在水稻种产生三重突变，为植物多功能基因组编辑提供了强大工具［73］。CRISPR-Cas9技术不仅仅可以进行多重基因编辑，也可以进行高通量基因研究。在玉米中基于CRISPR-Cas9技术结合基因组学，成功靶向743个与农学和营养学性状相对应的候选基因［74］，经过表征几个基因功能，证明通过靶向诱变文库整合正向遗传学和反向遗传学有望快速验证具有复杂基因组的作物的重要农艺基因。在大豆［75］、番茄［76］和水稻［77］中也有基因高通量的相关研究。CRISPR-Cas9技术甚至可以实现水稻中乙酰辅酶羧化酶（OsACC）的定向进化，使水稻获得了除草剂抗性突变［70］。最近一项研究开发的CRISPR-Cas9系统—pHNRhCas9NG，通过优化人工启动子和poly（A）（mRNA多聚腺苷酸）尾巴长度等策略，在番茄中几乎实现了100%的编辑成功率［78］。因此，基因编辑技术的快速发展与迭代有助于扩大合成生物学农业应用的工具箱，加速农业合成生物学的创新发展。

随着合成生物学技术与农业实践的不断结合，农业生产将向生态化和可持续化方向发展。例如，CRISPR-Cas9技术的成熟，显著提高了作物产量和抗逆性；利用工程策略可以增强作物营养成分；生物传感器技术的应用为精准农业提供了实时监测手段；基因回路设计可以提升植物环境对信号的响应能力，为智能农业系统奠定基础（图2）。下一步，我们将探讨在农业领域中的具体应用。