转自：上海生物工程学会
作者：刘晓、王慧媛
编者按：据估计，全球粮食产量要增加70%才能满足年的需求。目前的农业实践难以实现这样的速度，而且在生态上也不可持续，因而急需创新的解决方案，以提高粮食的生产效率和营养质量。合成生物学等交叉领域将工程原理应用于生物系统，使基础研究和应用研究发生了革命性变化。德国杜塞尔多夫大学iGRAD植物研究所的研究人员年2月在CurrentOpinioninBiotechnology发文，专门讨论了合成生物学在提高农业生产力、食品质量、降低生产成本、实现可持续发展等方面的潜力，回顾了影响植物生长和质量的合成生物学应用，强调了提高植物养分利用率并减少肥料需求的策略，总结了提高作物营养价值，并将光自养生物作为生物制药和具有商业价值的化合物的工程学方法。
01概述
到年，全球人口预计将增加20亿，粮食产量需要翻一倍才能满足世界人口增长对粮食的需求，这意味着每年需增产2.2%。然而，近几年，主要农作物产量的增长率已趋于平稳，增加耕地的可能性在很大程度上也受到限制，快速城市化引起的耕地流失、侵蚀以及气候变暖等因素也给农业生产带来了更多挑战。因此，迫切需要创新的解决方案以提高农业生产力并确保食品安全。
当前正在开展的绿色革命，包括开发和大规模实施氮、磷、钾等合成和天然肥料，优化育种策略等，旨在最大限度地提高植物结构和光合作用利用率，以获得更高的产量。此外，通过基因工程改造植物以提高其生长和产量或将是解决问题的潜在解决方案。然而，传统的植物生物技术更侧重于个体成分的调控，但改善复杂的多基因性状需要合理和系统的工程策略。合成生物学采用生物系统的现代工程原理，以模块化遗传元件为基础，通过数学模型指导设计和表征单个元件的定量功能，组装构建合成生物系统，便是符合这一策略需求的技术。
目前，与细菌、酵母和哺乳动物系统相比，植物合成生物学研究相对滞后，但这些技术和方法已经开始重塑基础研究和生物技术/生物制药行业。在植物领域，遗传元件标准化和模块化克隆工具的建立是实现合成生物学策略的第一步。控制基因表达和细胞过程的合成工具，特别是化学诱导系统和光遗传学、CRISPR/Cas9技术和基因工程等领域进展是未来植物合成生物学发展的基础。
本文讨论了合成生物学在提高粮食产量、食品质量和生产应用，以及理想情况下实现可持续的成本效益的实践（图1）。主要
