林敏，姚斌

1.中國農(nóng)業(yè)科學院生物技術研究所，北京100081；2.中國農(nóng)業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所，北京100193

21 世紀興起的合成生物學被譽為影響世界未來的顛覆性技術之一，引發(fā)繼DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)和基因組測序之后的第三次生物科學革命，已成為世界各國增強核心競爭力、搶占未來發(fā)展制高點的重大國家戰(zhàn)略［1-4］。合成生物技術在農(nóng)業(yè)中應用，將為世界性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)難題提供革命性解決方案，培育農(nóng)業(yè)碳經(jīng)濟和氨經(jīng)濟等生物經(jīng)濟新形態(tài)，引領培育細胞農(nóng)業(yè)、低碳農(nóng)業(yè)和智能農(nóng)業(yè)等新動能和新業(yè)態(tài)革命，是國際農(nóng)業(yè)科技戰(zhàn)略必爭的前沿領域［5-9］。

1 農(nóng)業(yè)合成生物技術國際發(fā)展動態(tài)

1.1 生命科技從認識生命進入設計生命的新階段

合成生物技術采用工程設計理念，對生物體進行有目標的設計改造乃至重新合成，創(chuàng)建出特定功能或非自然功能的人工生物或人造產(chǎn)品。2010年首次合成了人造生命——“辛西婭1.0”，2016年合成了只含473個基因的最簡人造生命——“辛西婭3.0”，其后又敲除19個基因，創(chuàng)建了能正常生長和分裂的最簡人工細胞［10-12］。人工合成酵母菌基因組計劃于2012年啟動，2017年成功設計并合成了釀酒酵母菌的5 條染色體，2018 年將釀酒酵母中16 條天然染色體合成為1 條，創(chuàng)建出了國際首例人造單染色體真核細胞［13-14］。2021 年，全球首個主動運輸?shù)娜嗽旒毎褪讉€自我復制的活體機器人問世［15］。此外，利用人工智能系統(tǒng)Alphafold 精準預測蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)［16］，利用合成細菌將二氧化碳轉(zhuǎn)化為工業(yè)平臺化合物丙酮和異丙醇［17］，及人工合成非天然氨基酸及其衍生物［18］等均取得重大進展。合成生物技術不斷突破生命自然法則，標志著現(xiàn)代生命科技已從認識生命進入設計并合成生命的新階段，將引發(fā)人類生產(chǎn)方式、生活方式乃至經(jīng)濟社會的深刻變革。

1.2 全球合成生物技術市場呈高速增長態(tài)勢

進入21 世紀以來，隨著現(xiàn)代科技領域持續(xù)取得重大理論與技術突破，生物技術與信息技術不斷迭代升級和深度交叉融合，極大地推動了合成生物技術及其產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。2020 年，《自然?通訊》雜志發(fā)文，將人造肉漢堡、高效固氮工程菌肥和基因編輯高油酸大豆列為正在改變世界并已面向市場的高科技產(chǎn)品［19］。目前，全球合成生物市場呈高速增長態(tài)勢，從2019 年的53 億美元，到2020 年的68 億美元，預計2025 年市場規(guī)模將突破200 億美元。在合成生物核心技術不斷更迭發(fā)展的趨勢下，其應用市場逐步擴大至農(nóng)業(yè)、食品等傳統(tǒng)行業(yè)，市場增速達60%以上。2020 年全球消耗了約1 300 萬t 替代蛋白質(zhì)，占動物蛋白市場的2%，預計未來15 年內(nèi)植物或微生物的替代蛋白產(chǎn)品將占據(jù)22%的全球食用蛋白市場份額，產(chǎn)業(yè)規(guī)模達到2 900億美元，預示著以人造肉奶為代表的未來食品將逐步占據(jù)傳統(tǒng)餐桌［20］。2020年美國人造肉公司Impossible Foods 累計融資達12 億美元，人造奶公司Perfect Day實現(xiàn)融資2億美元，成為人造食品新興行業(yè)中發(fā)展勢頭最強勁的高科技初創(chuàng)企業(yè)。麥肯錫全球研究院發(fā)布的《生物革命：創(chuàng)新改變經(jīng)濟、社會和生活》報告預測，合成生物產(chǎn)業(yè)在未來至少會帶來4萬億美元的經(jīng)濟價值［21］。

1.3 合成生物技術是國際農(nóng)業(yè)科技戰(zhàn)略必爭之地

為應對全球氣候變化、人口增長、環(huán)境污染和資源匱乏等問題以及確保碳達峰和碳中和目標實現(xiàn)，世界各國都在加快合成生物技術在農(nóng)業(yè)中的應用［22-23］。合成生物技術作為農(nóng)業(yè)科技領域中最具引領性和顛覆性的戰(zhàn)略高技術，有望突破傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)瓶頸和資源的剛性約束，為光合作用［24-25］、生物固氮［26-27］、生物抗逆［28-29］、生物催化及未來食品［30-32］等世界性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)難題提供革命性解決方案，同時通過創(chuàng)制高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效新品種和開發(fā)節(jié)能減排安全新工藝，培育細胞農(nóng)業(yè)、低碳農(nóng)業(yè)和智能農(nóng)業(yè)等新業(yè)態(tài)和新動能［33-34］。特別是二氧化碳固定技術和綠色合成氨氮技術等前沿技術的創(chuàng)新應用，將培育碳經(jīng)濟/氨經(jīng)濟等生物經(jīng)濟新形態(tài)，促進以二氧化碳為基礎原料，生產(chǎn)碳水食物、碳基材料和碳基能源等碳循環(huán)產(chǎn)業(yè)［5-6，35-37］，以及以氮氣為原料合成氨，以氨為原料轉(zhuǎn)化蛋白質(zhì)或氫能源等氮循環(huán)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展［7-9］。2021 年世界經(jīng)濟論壇發(fā)布的《十大新興技術報告》指出，綠色合成氨技術和自主固氮工程作物等將促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的顛覆性革命［38］。

1.4 發(fā)展農(nóng)業(yè)合成生物技術是保障我國糧食安全、生態(tài)安全和國民健康的重大戰(zhàn)略選擇

合成生物技術在農(nóng)業(yè)中應用，有望突破全球資源短缺和極端氣候變化等農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸，將開創(chuàng)人類按照自身需求設計農(nóng)業(yè)生物、創(chuàng)制新型高效智能人工品種的新紀元［23，29］。中國作為一個農(nóng)業(yè)大國，面臨著糧食產(chǎn)量剛性需求和資源環(huán)境剛性約束的雙重壓力。我國人均耕地是世界平均水平的40%左右，淡水資源人均占有量僅為世界平均水平的1/4。此外，我國農(nóng)田化學農(nóng)藥和化肥利用率僅為30%~35%，化肥農(nóng)藥的濫用帶來了嚴重的土壤退化、環(huán)境污染和食品安全等問題。根據(jù)《中國農(nóng)業(yè)展望報告（2021—2030年）》預測，2030年我國稻谷產(chǎn)量將達到22 248萬t，奶制品消費量將達到6 933萬t，但飼料用糧等市場缺口巨大，預計2030年大豆和奶制品進口分別為1.1 億t 和2 563 萬t［39］。因此，迫切需要利用合成生物技術突破性地提高對光、肥、水和土地等資源的利用率，增強產(chǎn)業(yè)的國際競爭力，促進我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)跨越發(fā)展，保障糧食安全、生態(tài)安全和國民健康。

2 我國農(nóng)業(yè)合成生物技術領域存在的問題

與國際先進水平比較，我國農(nóng)業(yè)合成生物技術研發(fā)在基礎理論、使能技術、核心體系、產(chǎn)業(yè)技術進展、知識產(chǎn)權等方面尚存在不小的差距，主要體現(xiàn)在：一是基礎理論研究基礎薄弱，原創(chuàng)標志性成果較少；二是技術體系集成創(chuàng)新不足，重大技術方法體系不完善；三是基礎研究與生產(chǎn)應用脫節(jié)，上中下游創(chuàng)新鏈條不銜接；四是國家創(chuàng)新體系不健全，特別是缺乏國家級的農(nóng)業(yè)合成生物技術創(chuàng)新平臺。

3 我國農(nóng)業(yè)合成生物技術的發(fā)展戰(zhàn)略

習近平總書記在2017 年中央農(nóng)村工作會議上指出，“樹立大農(nóng)業(yè)觀、大食物觀，向耕地草原森林海洋、向植物動物微生物要熱量、要蛋白，全方位多途徑開發(fā)食物資源”，在2021 年兩院院士大會指出，“科技創(chuàng)新精度顯著加強，對生物大分子和基因的研究進入精準調(diào)控階段，從認識生命、改造生命走向合成生命、設計生命”。

當前和今后一個時期，我國農(nóng)業(yè)科技發(fā)展處于重要戰(zhàn)略機遇期，同時為應對全球氣候變化、人口增長、環(huán)境污染和資源匱乏等問題以及確保碳達峰和碳中和目標實現(xiàn)，所面臨的挑戰(zhàn)將更加嚴峻。為保障國家糧食安全和生態(tài)安全，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，我國亟需實施農(nóng)業(yè)合成生物學及其產(chǎn)業(yè)化的跨越發(fā)展戰(zhàn)略，總體分為技術跨越、產(chǎn)業(yè)跨越和整體跨越三個階段，進行農(nóng)業(yè)合成生物學及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略布局和重點部署。

在技術跨越階段（2020—2025 年），光合作用、生物固氮、生物抗逆、生物催化等相關的人工元器件和功能模塊在底盤生物中的適配以及新型高效智能產(chǎn)品的設計與裝配等方面實現(xiàn)技術突破，農(nóng)業(yè)合成生物技術整體研發(fā)水平處于發(fā)展中國家領先地位，并向國際先進水平跨越；在產(chǎn)業(yè)跨越階段（2026—2030 年），人工智能高光效、固氮和抗逆品種、新一代酶制劑與農(nóng)藥以及未來合成食品等實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，農(nóng)業(yè)合成生物技術研發(fā)水平躋身世界先進行列，由農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)大國向產(chǎn)業(yè)強國跨越；在整體跨越階段（2031—2035 年），我國農(nóng)業(yè)合成生物技術研究開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化整體達到世界先進水平，推進我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的顛覆性變革。

未來農(nóng)業(yè)合成生物學將以高效光合、生物固氮、生物抗逆、生物制劑和未來食品等領域為重點突破口，實現(xiàn)三個發(fā)展階段的戰(zhàn)略目標。①2025年建立標準化、規(guī)模化、智能化的人工模塊和回路設計以及高適配底盤細胞改造，創(chuàng)建國際先進水平的農(nóng)業(yè)微生物細胞工廠。創(chuàng)制新一代高效根際固氮微生物產(chǎn)品，在田間示范條件下替代化學氮肥25%。光合效率提升30%，生物量提升20%。農(nóng)作物耐受中度鹽堿化、耐旱節(jié)水15%，開發(fā)非常規(guī)蛋白資源，主要霉菌毒素的生物降解率達到90%以上。人造淀粉完成中試試驗、人造肉奶實現(xiàn)商品化生產(chǎn)。②2030 年建立蛋白質(zhì)智能設計與定向進化等技術平臺，開發(fā)新一代生物農(nóng)藥、飼用抗生素替代品、重組酶制劑、新型基因工程疫苗等重大產(chǎn)品。擴大根瘤菌宿主范圍，構(gòu)建非豆科作物結(jié)瘤固氮的新體系，減少化學氮肥用量50%。光合效率提升30%，產(chǎn)量提升10%。農(nóng)作物耐受中度鹽堿化并增產(chǎn)5%~10%、耐旱節(jié)水20%。建立人造淀粉工廠化車間模式、人造肉奶實現(xiàn)商品化生產(chǎn)。③2035年減少化學農(nóng)藥和肥料用量30%以上，光合效率提升50%，產(chǎn)量提升10%~20%，飼用抗生素替代率達80%以上。打通以二氧化碳和氮氣為原料直接合成淀粉和蛋白的高效生物途徑，人造淀粉實現(xiàn)商品化生產(chǎn)，植物和微生物源蛋白質(zhì)替代率達30%。

4 加強我國農(nóng)業(yè)合成生物技術創(chuàng)新能力建設

從國際科技發(fā)展形勢和未來農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢來看，我國合成生物技術的研發(fā)鏈條仍不完善。因此，必須進一步完善農(nóng)業(yè)合成生物技術的國家創(chuàng)新體系，加快建設國家級的農(nóng)業(yè)合成生物技術創(chuàng)新平臺，促進前沿學科交叉融合，成為國際一流的農(nóng)業(yè)合成生物理論創(chuàng)新中心；建設農(nóng)業(yè)生物基因資源篩選規(guī)?；?、基因研究系統(tǒng)化、元件組裝工藝化、模塊設計智能化的工藝集成創(chuàng)新平臺，成為引領未來農(nóng)業(yè)發(fā)展方向的合成生物技術集成創(chuàng)新中心；建立高水平的農(nóng)業(yè)合成生物技術創(chuàng)新團隊，打造我國農(nóng)業(yè)科技的領軍人才培養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)高地。

5 結(jié)束語

發(fā)展我國農(nóng)業(yè)合成生物技術，要以“大農(nóng)業(yè)和大食物觀”為指導，圍繞保障國家糧食安全、生態(tài)安全和國民健康的重大需求，重點突破農(nóng)業(yè)合成生物技術的關鍵理論與瓶頸問題，建立國際一流的技術創(chuàng)新平臺，創(chuàng)制新型高效智能重大產(chǎn)品，培育農(nóng)業(yè)合成生物戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，從而顛覆傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，推動我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)跨越發(fā)展。