最新刊期
2025年第6卷第5期
农业合成生物学专辑
黄三文，林敏，戴俊彪
序
- 摘要：母乳低聚糖（human milk oligosaccharides，HMOs）是母乳中仅次于乳糖和脂肪的第三大固体成分，具有调节免疫系统、维持消化健康及促进大脑发育等生理功能。近期，加州大学伯克利分校Patrick M. Shih基于合成生物学使能技术，在模式植物本生烟中重构HMOs代谢合成途径，利用太阳光能将CO2转化为系列HMOs。相关研究为HMOs的生物制造提供了新思路与新范例，扩宽了植物合成生物学在乳基功能营养品可持续发展领域的应用前景。从政策批准和工业应用等角度来看，上述技术仍处于“概念验证”阶段；相比之下，将CO2捕获催化与微生物细胞工厂发酵过程相结合的技术方案，更有望在短期内实现HMOs绿色生物制造的工业应用。关键词：母乳低聚糖;生物制造;模式植物;二氧化碳;植物合成生物学38|5|0更新时间：2025-11-12
评论
- 摘要：合成生物学通过工程化设计与新生命系统构建，为农业带来了革命性的突破。与传统农业技术相比，合成生物学汇聚农业科技领域的高新技术，可以更高效、更广泛地解决光合作用、生物固氮、作物抗逆、农业生态可持续性等世界性农业难题。合成生物技术不仅可以提高作物产量和优化营养品质，还可以利用生物质副产物产生健康的肥料和土壤，实现废弃物资源化循环的新模式，是应对人口增加和气候变化、促进生物经济可持续发展的战略制高点。本文回顾了农业合成生物学的发展历程，综述了基因编辑技术、代谢工程策略、生物传感器元件开发、基因回路设计、人工智能等在农业中广泛应用的合成生物技术的最新研究进展。阐述了合成生物学在农业中的核心应用，包括提高作物产量和资源利用率、增强抗逆性、作物营养强化以及改善微生物互作等方面。合成生物学在农业领域的多维应用，将有效保障粮食安全并助力未来农业可持续发展。关键词：农业合成生物学;代谢工程;基因编辑;人工智能;作物产量与品质;可持续农业31|9|0更新时间：2025-11-12
- 摘要：光合作用是地球上几乎所有生命活动的能量和物质来源，其效率直接影响作物的生长和产量。随着合成生物学的快速发展，研究者们开始探索通过工程化手段，从不同层次优化光合作用的基本环节，包括光能利用、碳固定、光呼吸及光合逆境适应等。本文综述了近年来在提高光合作用效率方面的研究进展，重点讨论了新型光能转化模型的构建、Rubisco的定向进化与活性改造、碳同化途径的优化、光呼吸支路的设计以及逆境高光效回路的构建等策略。通过合成生物学的手段，可以显著提高植物的光合效率和抗逆能力，实现生物量和作物产量的提升，为应对全球粮食安全挑战提供新的解决方案。未来，基于合成生物学的策略，深入解析光合作用的分子机制，结合人工智能等新兴技术，将为光合作用的工程化改造提供更为有效的方法和途径，实现作物光合作用效率的显著提升。关键词：光合作用效率;合成生物学;光合电子传递模型;Rubisco改造;光呼吸支路;光合逆境适应16|2|0更新时间：2025-11-12
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固氮合成生物学研究进展 封面论文
摘要：自然界中，豆科植物可以通过与根瘤菌的共生，利用其固氮能力将空气中的氮气（N2）还原为植物可直接利用的氨（NH3），从而降低了豆科植物对化学氮肥的需求。然而，玉米和水稻等非豆科作物缺乏根瘤共生固氮的能力，其高产稳产严重依赖化学氮肥的施用。过量施用氮肥导致土壤板结酸化，温室气体排放及水体富营养化等严峻的环境问题，严重威胁农业可持续发展和粮食安全。本文综述了固氮合成生物学的研究历史与现状，为降低非豆科作物对化学氮肥的依赖，固氮合成生物学提出了多种策略：改造根际固氮菌以增强对宿主的氮素供给；增强作物根际招募有益固氮微生物的能力以提高氮素利用效率；工程化改造非豆科植物形成类根瘤器官实现共生固氮；或将固氮酶系统直接导入植物细胞以创制自主固氮作物。近年来，该领域在提升作物产量和部分替代化学氮肥方面已取得显著进展，推动了生物固氮技术在可持续农业与生态环境保护中的创新应用。本文最后对固氮合成生物学的未来发展方向进行了展望，旨在为相关研究提供理论参考与技术指导。关键词：生物固氮;合成生物学;固氮酶;非豆科作物;自主固氮作物79|5|0更新时间：2025-11-12 - 摘要：现代农业发展正面临养分利用效率低下和环境负担持续加剧的双重挑战。近年研究表明，根际微生物组（rhizosphere microbiome）作为植物的“第二基因组”，通过调控土壤氮、磷、铁等关键养分的生物地球化学循环，在植物高效获取养分过程中发挥核心驱动作用。合成生物学（synthetic biology）的快速发展为根际微生物组的精准解析与功能设计提供了创新性工具，通过模块化基因编辑、人工群落构建及宿主-微生物互作调控等策略显著提升植物养分利用效率，为突破传统农业依赖化肥、缓解资源浪费和环境压力提供全新的技术途径。本文系统综述了合成生物学驱动下根际微生物组工程在植物养分高效利用领域的研究进展，重点包括根际微生物组参与土壤养分循环的作用机制解析，合成生物学工具在单菌功能强化，群落协同调控、宿主-微生物互作优化等方面的关键作用以及当前技术发展中面临的微生物组复杂性限制、工程菌田间定植稳定性不足、跨作物普适性受限和潜在生态安全风险等诸多瓶颈。并展望了合成微生物组在可持续农业发展中的应用潜力，未来通过定向功能设计、智能响应系统构建及“植物-微生物-环境”协同调控，有望实现作物养分利用效率与可持续生产力的显著提升，从而为推动农业绿色转型提供关键科学技术支撑。关键词：根际微生物组;合成生物学;养分吸收利用;基因编辑技术;人工合成菌群60|5|0更新时间：2025-11-12
- 摘要：由于生物科学与技术的持续革新，传统基因工程的局限性日益凸显。随着合成生物学的迅猛发展，植物人工染色体（plant artificial chromosome，PAC）应运而生。PAC不仅加深了我们对染色体结构与功能的理解，还可作为人为设计与构建的相对独立的工具型染色体，能够避免位置效应与不利连锁现象，为多基因协同表达、复杂性状组合以及完整代谢通路的构建提供高效平台。本文总结了PAC的研究历史和现状，包括截短改造内源染色体与组装染色体元件构建PAC的策略、从头设计与合成染色体片段以实现基因组的改写、功能性着丝粒的构建以及DNA大片段转移技术。讨论了该领域发展所面临的挑战，包括着丝粒合成的复杂性、DNA大片段转移困难、PAC的不稳定性。展望了PAC在染色体基础研究、合成生物技术及农业基因工程中的广阔应用前景。关键词：植物人工染色体;微型染色体;合成基因组;人工着丝粒;DNA大片段转移12|3|0更新时间：2025-11-12
- 摘要：植物人工染色体（PAC）是一种人工构建、能在植物细胞中独立复制并稳定遗传的染色体载体，具有高度工程化潜力。其核心优势在于能够承载超大容量基因模块并且独立于天然染色体系统，被视为一种潜在的通用基因操作平台，具有遗传稳定性与安全性。本文从合成生物学视角，系统评述了PAC的构建策略、递送技术，并讨论了其在植物核外基因组中的研究进展。当前，PAC构建主要采取自上而下与自下而上两种策略。然而，PAC的大容量也使其递送更为困难。PAC的构建不仅能在染色体尺度上改造现有植物，更能通过构建全新的基因网络和代谢途径，尝试设计和创造自然界尚未存在的、具有特殊功能或属性的新生命形式，极大地拓展了合成生物学在植物领域的疆界。为充分释放这一潜力，未来研究需攻克超大DNA片段合成与递送的技术瓶颈，持续优化其遗传稳定性，并深度融合人工智能与合成生物技术，以实现PAC的精准设计与高效功能调控，从而驱动其在农业、医药及环保等领域的突破性应用。关键词：人工染色体;基因组工程;植物人工染色体;叶绿体人工染色体;合成生物学15|3|0更新时间：2025-11-12
- 摘要：植物细胞培养（plant cell culture， PCC）作为一种极具发展潜力的生物合成平台，具有生长周期短、成本效益高、无病原危害、次生代谢产物丰富等优势，在医药、食品和保健等领域备受关注。然而，生产效率不足是限制PCC应用于商业化生产的最大阻碍，其中，遗传转化效率低、调控网络复杂、细胞结团及遗传稳定性差是主要困难。合成生物学遵循自下而上的工程化建造理念，对天然植物细胞进行精准设计与改造，为开发高效、经济可行的植物细胞工厂提供了新的解决方案。本文回顾了PCC作为合成平台在生产重组蛋白和次生代谢产物中的研究现状。重点探讨了植物合成生物学对PCC在工业化发展中的推动作用，包括优质植物细胞系的构建、遗传转化体系的优化、表达系统的优化、生产效率与产能的提升以及赋予植物细胞合成异源产物的能力。未来，PCC的发展更需强调合成生物学理念和技术在突破当前技术瓶颈中的关键作用，以促进植物细胞大规模培养的进一步发展。关键词：植物合成生物学;植物细胞;生物合成;天然产物;基因工程25|5|0更新时间：2025-11-12
- 摘要：母乳寡糖（human milk oligosaccharide，HMO）是母乳中重要的功能和营养成分。其中，中性核心母乳寡糖（neutral core human milk oligosaccharide，ncHMO）主要包括乳糖-N-三糖（LNT Ⅱ）、乳糖-N-新四糖（LNnT）和乳糖-N-四糖（LNT），在婴幼儿健康发育过程中发挥着不可替代的生理作用。近年来，中性核心母乳寡糖的生物合成技术快速发展，其工业化生产从可能走向现实。本文综述了中性核心母乳寡糖的酶法和微生物细胞法合成研究现状，介绍了糖基转移酶和糖苷酶在酶法合成中性核心母乳寡糖的应用，讨论了糖基转移酶的催化特性、底盘细胞的种类及改造等关键因素对微生物细胞法合成中性核心母乳寡糖产量的影响，进一步对比了两种方法生物合成中性核心母乳寡糖的优缺点。目前，中性核心母乳寡糖的生物合成存在酶催化效率低、底盘细胞选择与适配性差、副产物多及内毒素污染等问题，需通过理性设计酶元件、优化安全底盘、动态调控代谢网络及强化发酵纯化工艺等策略协同攻关，有望实现母乳寡糖的低成本、高效绿色生产，为开发更具营养价值的婴幼儿健康食品提供核心支撑。关键词：母乳寡糖;乳糖-N-三糖;乳糖-N-新四糖;乳糖-N-四糖;生物合成14|2|0更新时间：2025-11-12
- 摘要：动物营养是保障畜牧业可持续发展的关键环节，动物营养过程的效率直接关系到资源利用效率、环境承载能力与粮食安全。随着农业合成生物技术的快速发展，研究者正积极应用工程化策略革新动物营养利用体系，主要涵盖饲料原料开发、饲料添加剂合成及胃肠道高效营养转化等方向。本文系统综述了该领域的最新进展，重点聚焦于基因编辑作物、微生物蛋白、饲料添加剂、胃肠道工程微生物等方向的关键使能技术与工程化策略，阐释了农业合成生物学在提升饲料利用效率、保障动物健康及促进畜牧业绿色转型中的巨大潜力。探讨了当前农业合成生物学在动物营养领域所面临的挑战与未来发展趋势，包括多基因系统设计与AI设计驱动生物育种进入4.0时代，动态调控系统开发与机器学习强化细胞工厂全局调控，多维度设计与学科交叉用于解析与调控动物消化系统。强调了其理念与技术对于突破现有技术瓶颈的关键作用。未来，农业合成生物学将通过深度融合多组学、机器学习与自动化平台技术，突破基因编辑与菌群调控难题，驱动动物营养创新发展。关键词：农业合成生物技术;动物营养;蛋白饲料;饲料添加剂;微生物组工程18|3|0更新时间：2025-11-12
- 摘要：油脂及脂肪酸衍生物是食品、生物能源、材料以及医药化工的基础原料，需求量大。当前我国油脂供给高度依赖进口油料作物，受限于耕地资源，仅依靠农业种植难以满足需求。合成生物技术的发展为油脂生产提供了新途径，其中微生物油脂合成技术具有原料来源广、生产周期短、不占用耕地等优势，成为缓解油脂资源供应压力的战略选择。本文从大宗油脂和高值油脂的角度，系统综述了微生物油脂和植物油脂合成生物制造的研究现状，分析了植物油脂和微生物油脂的经济性差异，并总结了油脂分离提取及检测技术。未来，从商业化成熟度考量，高值油脂在短期内有望快速发展，而大宗油脂在中远期具有广阔前景。通过合成生物技术构建高效油脂合成的微生物细胞工厂，推动全链条低成本生物炼制技术，有望创新油脂生产方式，促进油脂产业多元化发展。关键词：微生物油脂;植物油脂;生物制造;高值油脂;大宗油脂;分离提取18|5|0更新时间：2025-11-12
- 摘要：氨基酸作为动物饲料的重要组成部分，是提高畜禽消化机能、禽肉品质、蛋白转化效率以及降低豆粕使用量的关键要素。合成生物技术的快速发展为氨基酸高产菌株构建和优化铺平了道路，极大地提升了氨基酸生产效率，显著降低了生产成本。本文在分析L-赖氨酸、L-甲硫氨酸、L-苏氨酸和L-异亮氨酸等四种天冬氨酸族氨基酸合成途径的基础上，详细介绍了菌种改造方法和策略，包括代谢路径重构、代谢途径优化、辅因子供应和增强产物外排等四个方面，未来要从工业环境抗逆性、底物利用范围的拓展以及动态调控系统的优化三个方面进行突破，才能为高性能氨基酸生产菌株的创制提供理论指导和技术支撑。关键词：天冬氨酸族氨基酸;微生物细胞工厂;代谢工程;合成生物学;基因编辑18|2|0更新时间：2025-11-12
- 摘要：利用对环境和非靶标生物友好的小分子生物农药防治病虫害，是一种可持续保障农作物安全生产的管理方法。然而，小分子生物农药的研发和应用也面临一些挑战，比如种类少、产量低等。通过合成生物学和代谢工程等方法，构建高产特定生物农药的微生物细胞工厂可以克服这些瓶颈问题。本文总结了2000年以来在我国新登记的小分子生物农药及部分半合成农药的化学结构与作用对象，并对代表性生物农药的生物合成机制与细胞工厂构建，如多杀霉素、白藜芦醇等进行了综述。对这些小分子生物农药的深入理解可为解析其生物合成途径与提高产量提供理论依据，并对新型生物农药的发现和应用提供借鉴。随着合成生物学与代谢工程等学科的不断发展，可以预见未来将设计和构建出更多高效、环保小分子生物农药的细胞工厂，并将其广泛应用于生产。关键词：小分子生物农药;合成生物学;生物合成;微生物细胞工厂;可持续农业27|4|0更新时间：2025-11-12
- 摘要：农业合成生物学作为融合生物学、工程学与计算机科学的交叉学科，通过创新设计与改造生物系统，推动农业生产向更高效、可持续的方向发展。其进步不仅依赖技术创新，更需政策规划与产业需求的动态适配。近年来，全球各国政府通过政策制定、创新激励与产业促进，加速推进该领域的发展。政策方面，美国、欧盟、英国及澳大利亚等国家和地区，通过顶层设计和配套措施，支持基因编辑、代谢工程等关键技术在农业领域的研发与应用。我国亦积极构建产学研一体化的创新生态系统，加速农业合成生物技术的创新与产业化进程。产业方面，在政策引导下，创新技术已在育种、食品与饲料、生物农药等细分领域实现初步商业化。本文基于农业合成生物学的创新链与产业链，系统梳理国内外相关政策规划与产业发展现状，并聚焦作物改良、抗逆性提升及原材料开发等重点方向，解析农业合成生物学“技术驱动-中试验证-产业转化”链条中的关键环节，以期为破解产业化瓶颈、优化资源配置、激发市场主体活力提供参考路径，从而加快我国农业生物技术创新成果转化进程，保障国家粮食安全与生态安全，全面提升我国农业领域的国际竞争力与可持续发展能力。关键词：合成生物学;农业;创新链;产业链;政策规划25|6|0更新时间：2025-11-12
- 摘要：在近五年的国际基因工程机器（International Genetically Engineered Machine， iGEM）大赛获奖项目中，植物底盘的研究相对较少，主要受限于植物系统的复杂性。相较于微生物，植物遗传操作周期长、标准化元件库匮乏、转化效率低，使得工程化改造更具挑战性。然而，植物合成生物学在农业可持续化、环境修复和生物医药等领域具有独特优势，使其成为合成生物学的重要研究方向。近年来，随着基因编辑技术、合成启动子优化和高效转化体系的进步，植物底盘的可编程性显著提升，为应对粮食安全、营养强化和植物源药物生产等全球性问题提供了创新解决方案。以分析往年iGEM参赛项目及分享作者团队的参赛经验作为研究方法，本文从iGEM竞赛的评审标准出发，探讨了植物合成生物学项目的立题策略和实施路径，包括科学问题的精准定位、遗传回路的模块化设计，以及实验与建模的有效整合。同时，分析了通过跨学科协作和成果可视化来提升项目的创新性与应用价值的策略（包括植物底盘选择策略、生物元件构建策略和精确化模型构建策略等），旨在为相关领域的研究团队提供方法指导和策略参考，推动这一重要研究方向的发展，助力参赛团队在国际舞台上脱颖而出。关键词：国际基因工程机器大赛;植物合成生物学;植物底盘材料;生物元件;创新性;基因编辑44|2|0更新时间：2025-11-12
- 摘要：随着生物技术的快速发展，越来越多的生物制造饲料原料及添加剂研发成功。这些产品不仅能提高饲料的营养价值，还可以降低生产成本、提高养殖效益。然而，生物制造饲料原料及添加剂在生产工艺和质量标准方面与传统产品存在较大差异，造成市场准入障碍，制约了饲料及畜牧业的高效发展。本文系统梳理了欧盟、美国、日本和中国的生物制造饲料蛋白原料和添加剂的市场准入与监管机制，包括相关法规政策依据、审批流程及标准要求。欧盟的审批流程相对严谨，对产品的安全性评估更为全面，但审批时间较长；美国的准入制度较为灵活，三种多元化的准入途径，但对于“一般公认安全”（Generally Recognized as Safe， GRAS）物质的认定存在一定的主观性；日本的法规较为完善，兼顾社会伦理与市场实际，形成了一套严谨且灵活的体系。近年来，中国在生物制造饲料原料或者添加剂市场准入与监管方面，规范了审批流程和标准，缩短了审批周期，但在产品评价方法、评价程序等方面仍存在一些问题。本文针对性地提出了优化建议，旨在助力生物制造在饲料养殖行业的高质量发展。关键词：生物制造;饲料蛋白;原料或者添加剂;市场准入;监管23|2|0更新时间：2025-11-12
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