你是否也曾想過，在未來的某一天，農(nóng)田里生長的作物不再僅僅是大自然的杰作，而是像精心編寫的代碼程序一樣，被人類巧妙設(shè)計(jì)和定制？比如，玉米植株不僅能結(jié)出顆粒飽滿、香甜多汁的玉米，還能自帶抵御病蟲害的 “隱形護(hù)盾”；水稻不再懼怕洪澇和干旱，無論環(huán)境如何惡劣，都能茁壯成長，產(chǎn)出富含多種營養(yǎng)的大米。如今，一門神奇的科學(xué)——合成生物學(xué)，正逐步將這些看似天馬行空的幻想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，它猶如一把神奇的鑰匙，為作物改良開啟了一扇充滿無限可能的奇幻之門。
3月1日，由中國作物學(xué)會(huì)主辦、The Crop Journal《作物學(xué)報(bào)（英文版）》承辦的“合成生物學(xué)促進(jìn)作物改良”論壇成功舉辦，來自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、西南大學(xué)、云南師范大學(xué)、上海交通大學(xué)、英國約翰英納斯中心的多位專家學(xué)者，分享了合成生物學(xué)在作物種質(zhì)資源、生物制造、植物酶基因改造、生物強(qiáng)化和品質(zhì)改良等方面的最新研究成果，為解決全球糧食安全和可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展問題提供了新思路和技術(shù)支撐。
合成生物學(xué)：多學(xué)科融合 為農(nóng)業(yè)送上“神助攻”
合成生物學(xué)，這門聽起來高深莫測(cè)的科學(xué)，其實(shí)就像是一場(chǎng)生命的“樂高積木游戲”。我們都知道，樂高積木有著各種各樣的形狀和顏色，通過不同的組合方式，能搭建出千變?nèi)f化的造型。而在生命的微觀世界里，DNA 就如同那些樂高積木的基本組件。合成生物學(xué)的科學(xué)家們，就像是一群充滿創(chuàng)意的“樂高大師”，他們深入到生命的本質(zhì)，將一個(gè)個(gè)基因片段 —— 也就是那些生命的“積木塊”，按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的藍(lán)圖，進(jìn)行重新組合、編輯和改造。
與傳統(tǒng)生物學(xué)不同，合成生物學(xué)不只是觀察和研究自然存在的生命現(xiàn)象，它更像是一位大膽的“生命設(shè)計(jì)師”，主動(dòng)出擊，未來或許可以創(chuàng)造出自然界中原本不存在的生命形式和功能。打個(gè)比方，傳統(tǒng)生物學(xué)像是在研究一幅已經(jīng)完成的畫作，探索畫家是如何運(yùn)用色彩和筆觸來表達(dá)意境；而合成生物學(xué)則是自己拿起畫筆，在畫布上創(chuàng)作全新的作品，賦予生命新的“色彩”和“功能”。
在作物改良領(lǐng)域，合成生物學(xué)更是大顯身手?？茖W(xué)家們利用這門技術(shù)，精準(zhǔn)地對(duì)作物的基因進(jìn)行“編輯手術(shù)”。比如，找到那些控制作物生長速度、果實(shí)大小、營養(yǎng)價(jià)值以及抗病蟲害能力的基因“開關(guān)”，通過巧妙地調(diào)整這些“開關(guān)”，讓作物按照我們期望的方向生長和發(fā)育。這就如同為作物編寫了一套專屬的“成長秘籍”，讓它們變得更加優(yōu)秀，不僅能提高產(chǎn)量，還能改善品質(zhì)。
The Crop Journal編委、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教授金雙俠表示，合成生物學(xué)作為一門新興的多學(xué)科領(lǐng)域，將工程學(xué)原理與分子生物學(xué)和信息學(xué)相結(jié)合，可以設(shè)計(jì)和開發(fā)新的植物裝置和生物系統(tǒng)，比如設(shè)計(jì)農(nóng)作物新品種、創(chuàng)造具有特殊性狀的農(nóng)作物，在促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展方面具有巨大潛力。
專家熱議合成生物學(xué)：機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存
論壇上，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)教授祝欽瀧介紹了植物合成生物學(xué)基因編輯與種質(zhì)創(chuàng)新研究。在植物合成生物學(xué)領(lǐng)域，面臨著功能元件發(fā)掘、復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)處理和工具系統(tǒng)優(yōu)化等挑戰(zhàn)。祝欽瀧教授團(tuán)隊(duì)利用多基因組裝和疊加以及基因組工程工具，構(gòu)建了多基因疊加系統(tǒng)TGSII，開發(fā)了特定核酸酶序列介導(dǎo)的組裝方式，優(yōu)化了相關(guān)組裝方法。這些工具的應(yīng)用，成功實(shí)現(xiàn)了多種彩色水稻的開發(fā)，如富含花青素的紫晶米、含有蝦青素的赤晶米等。這些彩色水稻不僅顏色鮮艷，還具有更高的抗氧化活性和營養(yǎng)價(jià)值。
“這些工具不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)作物基因組的精準(zhǔn)修改，還能夠在不引入外源DNA的情況下完成育種過程，這極大地提高了育種效率并減少了倫理爭議?！辈贿^，祝欽瀧也表示，目前植物合成生物學(xué)還存在元件匱乏、植物底盤選擇和DNA組裝等問題，需要進(jìn)一步研究解決。
西南大學(xué)廖志華教授聚焦于藥用托品烷生物堿的生物合成與生物制造展開分享。托品烷生物堿是一類重要的天然藥物，在麻醉鎮(zhèn)痛、止咳平喘等臨床應(yīng)用廣泛，但目前主要從植物中提取，存在資源短缺和供應(yīng)鏈不穩(wěn)定的問題。廖志華教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了多個(gè)托品烷生物堿生物合成關(guān)鍵酶基因，推進(jìn)了從氨基酸到東莨菪堿生物合成途徑的完整解析。他們通過代謝工程與合成生物技術(shù)，培育出了托品烷生物堿高產(chǎn)且抗除草劑的顛茄純系植株，提高了相關(guān)生物堿的含量，為解決藥用生物堿的生產(chǎn)問題提供了新途徑。
云南師范大學(xué)尚軼研究員分享了基于理性設(shè)計(jì)和進(jìn)化的植物酶基因改造策略及其在育種中的運(yùn)用。在微生物合成生物學(xué)中，植物來源的基因如何適應(yīng)微生物微環(huán)境是一個(gè)關(guān)鍵問題。尚軼研究員團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種名為REvoDesign的方法，結(jié)合了理性設(shè)計(jì)、進(jìn)化計(jì)算等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)植物酶基因的高效改造。他們利用該方法成功改造了馬鈴薯儲(chǔ)藏蛋白，提高了其穩(wěn)定性和粘度，為馬鈴薯主食化提供了技術(shù)支持。他們還對(duì)二倍體馬鈴薯的育種關(guān)鍵基因進(jìn)行改造，有望打破自交不親和，推動(dòng)馬鈴薯育種進(jìn)程。
上海交通大學(xué)李潔副教授則聚焦于通過基因編輯等生物技術(shù)實(shí)現(xiàn)作物營養(yǎng)強(qiáng)化的研究，以提供更健康的食品。目前，由于膳食結(jié)構(gòu)不均衡導(dǎo)致微量營養(yǎng)元素缺乏問題日益嚴(yán)重，如維生素D缺乏在全球范圍內(nèi)普遍存在，其中的一個(gè)主要原因是我們無法從植物性膳食中獲得維生素D。李潔團(tuán)隊(duì)選擇番茄作為研究對(duì)象，利用基因編輯技術(shù)敲除相關(guān)基因，使番茄積累維生素D3前體。經(jīng)過紫外線處理，番茄能夠合成生物活性最高的維生素D——維生素D3，且在田間試驗(yàn)中也取得了良好效果。這一研究成果為解決維生素D缺乏問題提供了新的方向，有望通過生物強(qiáng)化的方式，讓人們從日常膳食中獲取足夠的維生素D。
英國約翰英納斯中心研究組長David Seung教授介紹了他們?cè)诘矸垲w粒形態(tài)控制方面的研究進(jìn)展。淀粉是碳水化合物在植物細(xì)胞中最普遍的儲(chǔ)藏形式，對(duì)作物品質(zhì)和人類健康具有重要影響。
其科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了多個(gè)影響淀粉顆粒形態(tài)的關(guān)鍵基因和機(jī)制，通過基因編輯技術(shù)成功改變了小麥和馬鈴薯淀粉顆粒的大小和形狀，進(jìn)而影響淀粉的功能和營養(yǎng)特性。這些研究不僅有助于提高作物的品質(zhì)和功能特性，還為未來的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供了技術(shù)支持。
此次論壇為合成生物學(xué)領(lǐng)域的專家學(xué)者提供了一個(gè)交流合作的平臺(tái)。相信，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，合成生物學(xué)將為全球農(nóng)業(yè)帶來革命性的變化，助力實(shí)現(xiàn)糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
科普中國直播服務(wù)團(tuán)隊(duì)對(duì)本次論壇進(jìn)行了全程直播。更多詳細(xì)信息，可點(diǎn)擊下方鏈接回看。
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