農業領域合成生物學研究進展分析

張洛　王正陽　蔣建東　陳俐

摘要： 本文重點以2016-2021年Scopus數據庫收錄的農業領域合成生物學相關文獻為樣本，運用文獻計量學分析方法，旨在揭示該領域的研究現狀及發展趨勢，分析該領域的優勢研究機構與平臺、地域分布及國內外有關合成生物學的發展戰略。結果表明，農業領域合成生物學學科分布廣，相關研究較多且學術產出質量較高、關注度高，有很大的發展潛力與空間，歐美國家，特別是美國在農業領域合成生物學占據絕對主導地位；從各國農業領域合成生物學的發展情況看，政策引導和平臺建設在促進農業領域合成生物學的研究中發揮著積極作用；模式生物及方法、食品、土壤固碳、海洋生物是農業領域合成生物學研究的熱點，研究熱詞主要分布在模式動植物、微生物、大田作物方面。綜合分析可知，合成生物學已經進入農業領域并得到蓬勃發展，未來要更加關注元基因組及潛在功能的研究，助力種植業和養殖業減排、可再生能源替代和農業土壤固碳等。

關鍵詞： 農業；合成生物學；Scopus數據庫

中圖分類號： S182 文獻標識碼： A 文章編號： 1000-4440（2023）02-0547-10

Analysis on research progress of synthetic biology in agricultural field

ZHANG Luo， WANG Zheng-yang， JIANG Jian-dong， CHEN Li

（Nanjing Agricultural University， Nanjing 210095， China）

Abstract： This paper mainly took the literature related to synthetic biology in agriculture included in Scopus from 2016 to 2021 as a sample， and bibliometric analysis method was used to reveal the current status and development tendency of research in this field， and to explore the superior research institutions， platforms， geographical distribution and development strategies related to synthetic biology at home and abroad. The results showed that agricultural synthetic biology disciplines were widely distributed， with many related studies， high-quality academic output and high attention， and had great potential and space for development. European and American countries， especially the United States， occupied an absolute dominant position in the field of agricultural synthetic biology. From the development of agricultural synthetic biology in various countries， policy guidance and platform construction played an active role in promoting agricultural synthetic biology research. Model organisms， methods， food， soil carbon sequestration， and marine biology were the hot areas of synthetic biology research in agriculture， and research buzzwords were mainly distributed in model animals and plants， microorganisms， and field crops. Synthetic biology has entered agricultural research and will influence the development of agricultural research to a greater extent in the future. Therefore， researchers in the field of agriculture should actively pay attention to the development of synthetic biology technology， strengthen cooperation and communication， and build relevant platforms to promote the development of synthetic biology in agriculture.

Key words： agriculture;synthetic biology;Scopus database

隨著農業生產成本不斷增加，資源環境壓力逐年增大，農業可持續發展面臨諸多障礙，未來的農業發展必須更加依賴科技的進步，突破創新瓶頸來提高農業的生產力水平^[1]。農業合成生物學將工程原理貫穿到生物系統中，可以改造目前的植物信號或者代謝通路，帶來產量、抗逆性和品質方面的突破性進展，因而受到農業科研人員的廣泛關注^[2]。此外，合成生物學在提高作物產量、改善作物性狀、減少農藥及化肥用量等方面的潛力已得到證實^[3]。而在農業農村減排固碳領域，也有研究發現，通過向高等植物中引入藻類碳濃縮裝置、提高底盤細胞光合固碳能力等方式可以進行固碳減排^[4-5]。在食品方面，有研究人員利用合成生物學技術創建了適用于食品工業的細胞工廠^［6-7］，如Cai等^[8]首次通過合成生物學技術實現了從二氧化碳到淀粉的人工全合成，顛覆了對傳統農業產業的認知。

本研究基于文獻計量學理論和方法，運用Scopus數據庫，通過SciVal科研分析平臺分析農業合成生物學的研究現狀及發展趨勢，探討如何強化現代農業科技支撐，以推動農業領域合成生物學發展。

1 數據來源及研究方法

1.1 數據來源

本研究使用的數據庫為Scopus，該數據庫共收錄了全球25 100余種同行評審期刊、7.50×10⁷篇學術期刊論文、約8.00×10⁶條國際學術會議記錄、1.60×10⁵種學術專著以及2.50×10⁷件國際專利，是Elsevier公司推出的全球最大的同行評審期刊文摘和引文數據庫。為了更全面地檢索到與合成生物學相關的論文，本研究在檢索過程中通過多方比較及咨詢，最終確定如下檢索式（TS）：TS=“artificial cell” OR “base editing” OR“ biodesign” OR “bioengineering ”OR “biological engineering” OR “biosystems design” OR CRISPR OR “gene circuit” OR “gene editing” OR “gene therapy” OR “genetic circuit” OR “genome editing” OR “genome writing” OR “metabolic engineering” OR “metabolic modeling” OR “pathway engineering” OR “pathway modeling” OR “synthetic biology” OR “tissue engineering”，檢索時間范圍設為“2016年至今”，文獻類型為“Article”，檢索時間為2021年7月27日。共檢索出合成生物學相關文章83 864篇，形成了本研究分析的基礎數據集。

1.2 研究方法

SciVal分析平臺是基于科研文獻的科研管理、學科分析、人才績效分析平臺，該平臺包含全球220多個國家超過10 000家大學及科研機構的數據，利用該分析平臺可以開展科研能力分析、評估和預測。本研究基于文獻計量學方法，用SciVal分析平臺進行發文情況、地域、機構、合作方式和研究熱點等問題的可視化分析。

1.3 數據處理

本研究共建立2個數據集進行數據分析和聚類處理，一是將從Scopus數據庫中檢索到的基礎數據集經過清洗、轉碼后導入SciVal分析平臺形成數據集1，設置研究領域（Search）為“Agricultural and Biological Sciences”及“All subject area”進行發文情況、地域、機構、合作方式等的比較分析。二是將“Agricultural and Biological Sciences”數據導出后單獨建立數據集2，進行研究熱點及趨勢分析。

2 結果與分析

2.1 發文及引用情況

按照方法1.1的檢索式進行檢索，發現農業領域的合成生物學論文最早發表于1948年，直到20世紀90年代，其關注度開始上升，特別是21世紀以來，其發文量增長迅速，至2021年已有30 000多位科研人員從事農業領域的合成生物學研究，其國際合作比例高達29%。由圖1可以看出，2016年以來，農業領域的合成生物學研究相關發文量達6 000篇以上，發文量約占合成生物學總發文量的8%。從歸一化文獻引用次數（FWCI）來看，合成生物學篇均被引次數、FWCI、TOP 10%期刊發文比例分別為12.80次/篇、1.49、42.30%，表明相關研究的學術產出質量較高；農業領域合成生物學篇均被引次數、FWCI、TOP 10%期刊發文比例分別為10.80次/篇、1.70、63.10%，高于合成生物學領域論文的整體水平（表1），說明農業領域的合成生物學研究受到的關注度較高，且文章的總體水平較高。

由表2可以看出，發文量排名前10的期刊是PLoS One、Plant Biotechnology Journal、Frontiers in Plant Science、Applied and Environmental Microbiology、Journal of Agricultural and Food Chemistry、PLoS Genetics、Journal of Virology、Plant Journal、Genome Biology、PeerJ，其發文量分別為812篇、235篇、234篇、212篇、198篇、167篇、159篇、136篇、131篇、124篇，PLoS One的發文量雖然排名第一，但其FWCI、篇均被引次數均較低，分別只有0.89、15次/篇，說明該期刊的文章相對而言不太被國際認可；Plant Biotechnology Journal、Genome Biology的發文量分別為235篇、131篇，其FWCI分別為5.31、3.47，篇均被引次數分別為40次/篇、42 次/篇，說明這2本期刊所發論文受到的認可度相對較高，關注農業領域合成生物學發展的科研人員可以多關注這2本期刊。

2.2 合作方式

對農業領域合成生物學相關學術產出（發文量）的合作情況進行分析，由表3可以看出，其國際合作比例為29.0%，篇均被引次數為13.7次/篇，FWCI為2.19；國內合作比例為41.9%，篇均被引次數為10.2次/篇，FWCI為1.59；機構內合作比例為25.7%，篇均被引次數為9.3次/篇，FWCI為1.42。其總合作比例高達96.6%，說明合作研究是農業領域合成生物學開展科研的重要方式，在3種合作類型中，國際合作篇均被引次數和FWCI最高，表明國際合作對于提升科研水平、學術產出質量有較好的作用。

2.3 地域分布

由表4可以看出，農業領域合成生物學被引量排名前10的國家是美國、中國、英國、德國、日本、法國、澳大利亞、加拿大、西班牙和荷蘭，發文量分別為2 080篇、2 207篇、519篇、548篇、464篇、277篇、242篇、248篇、235篇和172篇，篇均被引次數分別為14.2次/篇、10.6次/篇、14.2次/篇、13.3次/篇、10.7次/篇、15.4次/篇、15.0次/篇、11.4次/篇、11.6次/篇和14.3次/篇，歸一化文獻引用次數分別為2.04、1.93、2.18、2.05、1.51、1.97、2.46、1.71、1.71和2.35。由上述結果可以看出，美國在農業領域合成生物學占據主導地位。此外，值得關注的國家還有英國、德國、荷蘭和澳大利亞，這幾個國家在農業領域合成生物學的發文量雖然不多，但其篇均被引次數較高，且FWCI大于2.00，均高于世界平均水平（FWCI=1.00）。進一步分析農業領域合成生物學研究發展得較好的幾個國家，發現這些國家均較早地從國家層面提出了開展農業領域合成生物學研究，并在經費資助上予以傾斜。例如，2011年美國率先部署近4.0×10⁸美元“生命鑄造廠計劃”，同時增加了合成生物學領域的研發投入，英國于2012年發布了《合成生物學路線圖》，并將生物經濟的投資大部分給予了農業生物技術領域^[9]。

中國的農業領域合成生物學相關發文量位居TOP 10國家行列，為2 207篇，位列第1，但篇均被引次數只有10.6次/篇，且FWCI為1.93，低于美國、英國等國家，說明中國農業領域合成生物學研究雖然緊跟交叉學科發展，但是整體科研水平還有很大提升空間，未來還需聚焦需求，實現農業領域合成生物學科研成果質量的提升。

2.4 機構分析

對美國、英國及中國農業領域合成生物學相關研究機構進行分析，由表5可以看出，論文總被引次數排名前5的美國機構依次為明尼蘇達大學、加州大學伯克利分校、哈佛大學、美國農業部、佛羅里達大學，其總被引次數分別為2 175次、1 695次、1 623次、1 473次及1 454次，其中明尼蘇達大學表現突出，發文量雖然僅為64篇，但篇均被引次數達34.0次/篇，FWCI為4.0。英國在農業領域合成生物學方向的整體發文量與美國比相對較少，其排名前5的機構分別為約翰英納斯中心、劍橋大學、愛丁堡大學、帝國理工學院及倫敦大學學院，其總被引次數分別為777次、674次、590次、588次及516次，其中約翰英納斯中心的發文量為35篇，篇均被引次數為22.2次/篇，FWCI為3.63。在中國，農業領域合成生物學相關論文總被引次數排名前5位的分別是中國科學院、中國教育部、中國農業科學院、中國科學院大學、浙江大學，其發文量均在100篇以上，總被引次數分別為5 918次、3 183次、3 066次、2 921次、1 854次，其中中國科學院的發文量達386篇，篇均被引次數達15.3次/篇，FWCI為2.43，中國農業科學院的發文量為243篇，篇均被引次數為12.6次/篇，FWCI為2.99，是目前中國農業領域合成生物學研究值得重點關注的機構。

分別對美國、英國、中國農業領域合成生物學排名前5的研究機構進行深入分析發現，它們均較早建立了相應的合成生物學科研平臺，并且在平臺建立后均有較好的學術成果產出。明尼蘇達大學有十幾個跨學科研究中心，加州大學伯克利分校勞倫斯國家實驗室于2003年創建了世界上第1個合成生物學中心，隨后，加州大學伯克利分校、哈佛大學都成立了涵蓋生物學、物理學、化學等多個學科的交叉科學研究所或合成生物學研究中心^[10]；佛羅里達大學建有跨學科生物技術研究中心，講授現代分子研究的理論、技術和應用知識。英國目前有超過30所大學成立了合成生物學研究中心，其中愛丁堡大學哺乳動物合成生物學研究中心構建了細胞工程工具生成、全細胞建模、計算機輔助設計及構建DNA和高通量表型的專門知識體系^[11]；劍橋大學的Sainsbury實驗室和約翰英納斯中心之間合作的Open-Plant正在加速開發植物合成生物學的新工具和方法，應用領域包括新藥開發、化學品生產和綠色能源制造等^[12]。

3 研究熱點

3.1 高熱度研究主題群

目前，合成生物學在農業生產領域得到了廣泛應用，對農業領域合成生物學高熱度研究主題群進行分析發現，研究熱度（PP）大于90%的有12個主題群，包含常用的模式生物及方法[擬南芥（Arabidopsis）、植物（Plant）、基因（Gene）、沙門氏菌（Salmonella）、大腸桿菌（Escherichia coli）、李斯特菌（Listeria monocytogenes）、宏基因組（Metagenome）、益生菌（Probiotics）、細菌（Bacteria）]、食品相關[茶葉（Tea）、多酚（Polyphenol）、花青素（Anthocyanin）、面包（Bread）、淀粉（Starch）、麩質（Gluten）、奶酪（Cheese）、酪蛋白（Casein）、牛奶（Milk）]、海洋生物相關[海洋（Ocean）、湖泊（Lake）、溶解性有機物（Dissolved organic matter）、藻類（Algae）、微藻（Microalgae）、生物柴油（Biodiesel）、鯨（Whale）、海豚（Dolphin）、海豹（Seal）]、土壤環境[土壤（Soil）、生物炭（Biochar）、土壤有機碳（Soil organic carbon）、重金屬（Heavy metal）、鎘（Cadmium）]、森林植物[森林（Forest）、景觀（Landscape）、植物（Plant）]等，幾乎攬括了目前農業領域的各個研究方向，其中“Arabidopsis， Plants， Genes”“Soil， Biochar， Soil Organic Carbon”“Metagenome， Probiotics， Bacteria”方向的研究熱度分別高達98.528%、98.127%、98.930%（表6），說明農業領域合成生物學關注的這幾個主題群的學者較多，發文量較大，同時研究結果與目前合成生物學在微生物中的研究方向、國際國內均關注的“雙碳”及作物育種研究的現狀相契合。

3.2 研究熱詞

用SciVal數據處理平臺提取關鍵詞[SciVal數據處理平臺針對每個文檔列出了標準化關鍵短語列表，并用指紋引擎進行文本挖掘，將各種自然語言處理技術應用于文檔的標題、摘要和關鍵詞中，以識別重要的關鍵詞，并根據反向文檔頻率（IDF）選擇重要的關鍵短語，以減少文檔集中頻繁出現單詞的權重]，排名前50的關鍵詞為研究熱詞。對農業領域合成生物學相關研究熱詞進行分析發現，50個熱詞中共有16個熱詞涉及具體物種，為擬南芥、斑馬魚、蠶、噬菌體、腺病毒、大腸桿菌、酵母、水稻、小麥、玉米、大豆、番茄、馬鈴薯、煙草等（圖2），說明合成生物學已經在這些生物中得到了廣泛應用。以上述熱詞為關鍵詞對2016年至今的高被引論文進行檢索，大致能夠了解目前這些生物在農業領域合成生物學的研究情況。為了方便敘述與討論，大致可以按種類與屬性將這些生物分為模式生物類（擬南芥、斑馬魚、蠶、噬菌體、腺病毒、大腸桿菌、酵母）、作物類（水稻、小麥、玉米、大豆、番茄、馬鈴薯、煙草等）。

3.2.1 模式動植物 根據熱詞結果，農業領域合成生物學研究的模式動植物以擬南芥、斑馬魚、蠶較多，在模式動植物中的研究以方法、技術及由此帶來的產量、性能的改變為主。由于擬南芥具有植株小、生長周期短、結實多、易轉化和保持遺傳穩定性等優點，目前已經是應用得較廣泛的模式植物之一。隨著基因編輯技術的發展，近年來李子文等^[13]以擬南芥基因為編輯對象找到鑒定基因編輯植株后代的簡單、快捷的方法。2021年，Balk等^[11]報道了擬南芥中含鐵蛋白質的詳細圖譜。研究人員在斑馬魚中利用熱休克誘導實現了CRISPR/Cas9的條件誘變。Zhang等^[14]報道了1種可編程的“堿基編輯”系統，為在斑馬魚中引入單堿基提供了一種簡單高效的方法。Alestrm等^[15]認為，可以通過標準化飼養程序和在實驗室之間交換飼養信息來提高試驗結果的可重復性。隨著家蠶基因組測序項目的完成，中國、日本分別建立了2個主要的家蠶基因組數據庫SilkDB、KAIKObase，這些數據庫被研究者頻繁更新和大量訪問^[16]。

3.2.2 微生物 合成生物學在微生物研究中的應用主要是以微生物為載體，通過對已有微生物細胞進行改造或設計，創建新的微生物元件，從而使底盤生物實現特定的生物學功能^[17]。目前，合成生物學應用最廣泛的微生物是大腸桿菌，由于其易培養、增殖時間短及對環境的耐受性強、基因操作容易等特點，成為微生物合成生物學研究中重要的模式生物之一^[18]。2019年，Li等^[19]將大DNA片段分割成多個片段，將長度為15 kb的大片段成功引入大腸桿菌基因組中，實現了大腸桿菌基因組18 000個靶標密碼子的轉換，為大腸桿菌在合成生物學中的應用開辟了更廣闊的研究空間和可能；噬菌體T7RNAP轉錄系統已成為合成生物學的重要組成部分，T7 RNA聚合酶轉錄系統因其在各種宿主（包括原核、真核和無細胞系統）中的強大功能而被廣泛用作分子生物學中的有效工具^[20]。釀酒酵母也是常用的真核模式生物，科研人員常將其作為宿主菌生產高附加值產品^[17]。目前，有一些非常好的工具網站，如“Yeastriction web tool”極大地方便了在酵母中進行基因編輯^[21]，此外，Xie等^[22]人工合成釀酒酵母5號染色體，Shao等^[23]所在課題組將釀酒酵母中天然的16條染色體整合為1條具有完整功能的染色體，為微生物合成生物學的應用和發展提供了新的思路和方向。

3.2.3 作物類 由表7可以看出，Top 50關鍵詞中的大田作物主要有水稻、小麥、玉米、高粱和棉花，說明這幾個作物在農業領域合成生物學中所受的關注度較高，相關研究論文占比較大。通過關鍵詞檢索該領域其他作物的高被引論文可知，農業領域合成生物學研究主要致力于作物性狀、品質、抗性和吸收效率等的改變，目前利用合成生物學方法已經開發出富含類胡蘿卜素、花青素、蝦青素的“黃金大米”“紫晶米”“蝦青米”等產品，目前經基因組編輯的大豆已實現商業化種植，其中的植物產品大豆油已在美國上市^[24]。Waltz^[25]通過破壞直鏈淀粉生物合成基因，開發出了蠟質玉米，而Li等^[26]通過在水稻中單獨敲除4個產量負調節因子，得到的水稻品種粒數增加、穗密實、粒大；Lyu等^[27]利用合成生物學原理培育出了抗鹽堿的水稻和高產小麥，提高了作物的營養成分含量。最近，科學家通過成功修飾編碼玉米乙烯反應負調節因子ARGOS8的基因，增強了植物對干旱脅迫的耐受性^[28-29]。Dapkekar等^[30]通過研究發現，Zn-CNP作為一種新型納米肥料，可以提高肥料利用率，通過葉面噴灑TiO₂納米顆粒，在減少Cd積累、減輕Cd誘導的玉米植物毒性方面優于根系施用TiO₂納米顆粒^[31]。Wang等^[32]通過同時靶向編輯小麥中抗白粉病的3個同源基因，成功地使小麥產生了白粉病抗性。有研究人員通過使用合成生物學方法開發了抗白粉病的非轉基因番茄Tomelo^[33]。Clasen等^[34]通過靶向基因敲除馬鈴薯中的VInv，改善了馬鈴薯冷藏和加工性狀。由此可見，合成生物學研究極大地影響著作物的生產，并帶來育種領域的革新。

4 討論

從文獻分析結果看，近年來已有30 000余名科研人員從事農業領域合成生物學相關研究，2016年以來的發文量超過6 000篇，并有持續增長的趨勢，說明越來越多的科研人員開始關注農業領域合成生物學；不同機構間的合作比例高達96.6%，其中國際合作比例高達29.0%，并且國際合作的篇均被引次數和FWCI明顯高于獨立作者。由此可見，要加強農業領域合成生物學研究必須注重國際合作，高校、科研院所應加強與一些已有合成生物學科研平臺的機構開展深入合作，如國外的明尼蘇達大學、加州大學伯克利分校、哈佛大學、美國農業部、佛羅里達大學、約翰英納斯中心、劍橋大學、愛丁堡大學、帝國理工學院及倫敦大學學院等，國內如中國科學院、中國教育部、中國農業科學院、中國科學院大學、浙江大學等。考慮到科學技術的相通性^[35]，農業科研機構及研究人員可以關注合成生物學方面有較好研究基礎的機構，如麻省理工學院、霍華德·休斯醫學研究所、博德研究所、斯坦福大學等。中國自2008年起開始著手發展合成生物學，隨后發布了系列科技戰略規劃，2018年起，中國科技部將合成生物學列為國家重點專項進行資助，對于推動中國合成生物學的發展具有重要意義，同年教育部立項建設天津大學化學化工協同創新中心，建立了合成生物學研究平臺，中國科學院大學設置了多學科交叉的課程——微生物代謝工程，從合成生物學的角度分析微生物代謝工程未來的發展方向。浙江大學與杭州國際科創中心合作，以合成生物學自動化科學裝置為依托，發布了“青年人才卓越計劃-合成生物學專項”。

由熱點領域及熱詞圖譜可以看出，合成生物學方法應用于植物的主要用途為增加產量、營養價值或對生物和非生物脅迫的耐受性等，目前擬南芥、煙草、大豆、番茄、馬鈴薯、水稻、小麥、玉米、高粱、矮牽牛、香蕉、甜橙、蘋果、楊樹和馬錢子等植物的抗逆性、延遲果實成熟、抗除草劑和抗病性等特性相關基因已經被成功編輯^[36]?；蚪M堿基編輯技術允許精確的DNA操作，有助于改變植物中基于靶標的核苷酸序列修飾和傳遞系統，但它們的潛力受到組織培養中低再生效率和缺乏可轉化基因型的限制^[37]。最近研究者開發的形態發生調節基因技術顯示出有效轉化頑固品種的強大潛力^[38]。Tian等^[39]用合成生物學方法研究證實，Nt6549g30是位于普通煙草雜交致死率1（NtHL1）基因座的基因，并證明了通過基因編輯擴大作物物種基因庫的可能性。Patial等^[40]將柱狀芽孢桿菌介導的DH系統與常規育種方法結合，以期為未來小麥育種研究提供新方法。Watson等^[41]提出了“速度育種”的方法，將快速育種與其他現代作物育種技術（包括高通量基因分型、基因組編輯和基因組選擇）相結合，加快了作物改良速度，大大縮短了育種時間。元基因組計劃的發展為研究微生物多樣性開辟了路徑^[42]，通過產品合成調控基因元器件、構建農產品高效合成的細胞工廠、選育特殊底盤細胞等，可以為生物抗逆抗病、生物質轉化、改良農業土壤及作物性狀改良等世界性農業生產難題提供解決方案。

分子生物學與基因組工程是合成生物學研究的根基，從研究方向上看，基因編輯、基因打靶、基因突變、生物工程、組織工程、代謝研究是農業領域合成生物學研究的熱點；在研究技術上，CRISPR和TALEN技術是目前農業合成生物學研究的主要技術，但CRISPR相關技術受到的關注度較高，而TALEN技術受到的關注度在持續降低，CRISPR/Cas基因編輯技術通過定點改造關鍵功能基因，進而精準改良植物的目標性狀，提高定向遺傳改良的效率^[43]。然而，CRISPR/Cas技術依然在編輯效率、靶向特異性、脫靶、系統遞送效率等方面存在問題。近期，新型EEN系統也被證實具有應用于家蠶基因組靶向編輯的潛力，從而極大地提高了CRISPR系統在家蠶基因組中的識別位點數量^[44]。Thind等^[45]在六倍體春小麥品種Fielder中開發了一種強大的、可重復的根癌農桿菌介導的轉化系統，轉化效率高達33%。由此可見，聯合應用多種不同EEN系統實現更大范圍的內源基因精確定點修飾，將是未來基因組靶向編輯技術研究的重要方向之一。

目前，國內農業領域合成生物學研究主要依托中國農業科學院深圳農業基因組研究所2018年成立的農業合成生物學中心，其主要致力于農業基因組學、農業分子育種、農業和食品宏基因組等領域的科學研究。因此從國家層面看，在新一輪國家重點實驗室、創新中心和重大基礎設施布局的遴選中，國家要充分發揮農業重點高校的學科特色和科研優勢，布局建設一批農業領域合成生物學國家級科研平臺，扶持培育新品種、優化微生物、合成生物原料、功能性生物材料及微生物固氮技術等，實現種植業和養殖業減排、可再生能源替代和農業土壤固碳，為發展農業低碳產業及農業高質量發展提供支持；建立高效合成蛋白質細胞工廠，將可再生原料轉化為重要食品組分，創新食品保存和減少廢物，為未來食品的可持續供給提供有效的解決途徑?？蒲袡C構可以通過引進技術及人才團隊，優化學科布局，搭建合作交流平臺，推動農業領域合成生物學新興交叉學科發展，搶占前沿交叉制高點?？蒲腥藛T特別是農業科研人員可以追蹤新技術和研究熱點，關注合成生物學領域高質量期刊，同時主動走出去，開拓視野，加強交叉合作，搶占研究高地。

參考文獻：

[1] 吳 杰，趙 喬. 合成生物學在現代農業中的應用與前景[J]. 植物生理學報， 2020， 56（11）： 2308-2316.

[2] PAPANATSIOU M， PETERSEN J， HENDERSON L， et al. Optogenetic manipulation of stomatal kinetics improves carbon assimilation， water use， and growth[J]. Science， 2019， 363（6434）： 1456-1459.

[3] WANG K H， DE LA TORRE D， ROBERTSON W E， et al. Programmed chromosome fission and fusion enable precise large-scale genome rearrangement and assembly[J]. Science， 2019， 365（6456）：922-926.

[4] ERB T J， ZARZYCKI J. Biochemical and synthetic biology approaches to improve photosynthetic CO₂-fixation[J]. Current Opinion in Chemical Biology， 2016， 34：72-79.

[5] ATKINSON N， FEIKE D， MACKINDER L C M， et al. Introducing an algal carbon-concentrating mechanism into higher plants： location and incorporation of key components[J]. Plant Biotechnology Journal， 2016， 14（5）：1302-1315.

[6] LIU Y F，DONG X M， WANG B. Food synthetic biology-driven protein supply transition： from animal-derived production to microbial fermentation[J].Chinese Journal of Chemical Engineering， 2021（2）：29-36.

[7] AIKING H. Future protein supply[J]. Trends in Food Science & Technology， 2011， 22（2/3）：112-120.

[8] CAI T， SUN H B， QIAO J， et al. Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide[J]. Science， 2021， 373（6562）：1523-1527.

[9] 張大璐，吳函蓉. 英國生物技術發展現狀淺析[J]. 中國生物工程雜志， 2020， 40（6）： 113-115.

[10]崔金明，張炳照，馬迎飛，等. 合成生物學研究的工程化平臺[J]. 中國科學院院刊， 2018， 33（11）： 1249-1257.

[11]BALK J， VON WIR?N N， THOMINE S. The iron will of the research community： advances in iron nutrition and interactions in lockdown times[J]. Journal of Experimental Botany， 2021， 72（6）：2011-2013.

[12]佚 名. 中國科學院合成生物學重點實驗室[J]. 中國科學院院刊， 2018， 33（11）： 1258-1259.

[13]李子文，劉 言，呂夢洋，等. 基于CRISPR-Cas9的擬南芥基因編輯后代鑒定技術的優化[J]. 河南農業科學， 2021， 50（4）： 17-21.

[14]ZHANG Y H， QIN W， LU X C， et al. Programmable base editing of zebrafish genome using a modified CRISPR-Cas9 system[J]. Nat Commun， 2017（8）： 118. https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5524635/.

[15]ALESTRM P， DANGELO L， MIDTLYNG P J， et al. Zebrafish： housing and husbandry recommendations[J]. Laboratory Animals， 2020， 54（3）：213-224. DOI：10.1177/0023677219869037.

[16]DUAN J， LI R Q， CHENG D J， et al. SilkDB v2.0： a platform for silkworm （Bombyx mori） genome biology[J]. Nucleic Acids Research， 2010， 38（suppl_1）：D453-D456.

[17]李 洋，申曉林，孫新曉，等. CRISPR基因編輯技術在微生物合成生物學領域的研究進展[J]. 合成生物學， 2021， 2（1）： 106-120.

[18]PONTRELLI S， CHIU T Y， LAN E I， et al. Escherichia coli asa host for metabolic engineering[J]. Metabolic Engineering， 2018， 50： 16-46.

[19]LI Y F， YAN F Q， WU H Y， et al. Multiple-step chromosomal integration of divided segments from a large DNA fragment via CRISPR/Cas9 in Escherichia coli[J]. Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology， 2019， 46（1）： 81-90.

[20]WANG W Y， LI Y W B， WANG Y Q， et al. Bacteriophage T7 transcription system： an enabling tool in synthetic biology[J]. Biotechnology Advances， 2018， 36（8）： 2129-2137.

[21]ROBERT M， VAN R H M， MELANIE W， et al. CRISPR/Cas9： a molecular Swiss army knife for simultaneous introduction of multiple genetic modifications in Saccharomyces cerevisiae[J]. Fems Yeast Research， 2015（2）：2.

[22]XIE Z X， LI B Z， MITCHELL L A， et al. “Perfect” designer chromosome V and behavior of a ring derivative[J]. Science， 2017， 355（6329）： eaaf4704.

[23]SHAO Y Y， LU N， CAI C， et al. A single circular chromosome yeast[J]. Cell Research， 2019， 29（1）： 87-89.

[24]VOIGT C A. Synthetic biology 2020-2030： six commercially-available products that are changing our world[J]. Nature Communications， 2020， 11（1）： 6379.

[25]WALTZ E. CRISPR-edited crops free to enter market， skip regulation[J]. Nature Biotechnology， 2016， 34（6）：582.

[26]LI M R， LI X X， ZHOU Z J， et al. Reassessment of the four yield-related genes Gn1a， DEP1， GS3， and IPA1 in rice using a CRISPR/Cas9 system[J]. Frontiers in Plant Science， 2016， 7：377.

[27]LYU Z Y， ZHANG F Y， PAN Q F， et al. Branch pathway blocking in Artemisia annua is a useful method for obtaining highyield artemisinin[J]. Plant and Cell Physiology， 2016， 57（3）：588-602.

[28]SHI J R， GAO H R， WANG H Y， et al. ARGOS8 variants generated by CRISPR-Cas9 improve maize grain yield under field drought stress conditions[J]. Plant Biotechnology Journal， 2017， 15（2）： 207-216.

[29]OSAKABE Y， WATANABE T， SUGANO S S， et al. Optimization of CRISPR/Cas9 genome editing to modify abiotic stress responses in plants[J]. Scientific Reports， 2016， 6：26685.

[30]DAPKEKAR A，DESHPANDE P， OAK M D， et al. Zinc use efficiency is enhanced in wheat through nanofertilization[J]. Scientific Reports， 2018， 8： 6832.

[31]LIAN J P， ZHAO L F， WU J N， et al. Foliar spray of TiO₂nanoparticles prevails over root application in reducing Cd accumulation and mitigating Cd-induced phytotoxicity in maize （Zea mays L.）[J]. Chemosphere， 2020，239：124794.

[32]WANG Y P， CHENG X， SHAN Q W， et al. Simultaneous editing of three homoeoalleles in hexaploid bread wheat confers heritable resistance to powdery mildew[J]. Nature Biotechnology， 2014， 32（9）：947-951.

[33]NEKRASOV V， WANG C M， WIN J， et al. Rapid generation of a transgene-free powdery mildew resistant tomato by genome deletion[J]. Scientific Reports， 2017， 7：482.

[34]CLASEN B M， STODDARD T J， LUO S， et al. Improving cold storage and processing traits in potato through targeted gene knockout[J]. Plant Biotechnology Journal， 2016，14： 169-176.

[35]王璞玥，唐鴻志，吳震州，等. “合成生物學”研究前沿與發展趨勢[J]. 中國科學基金， 2018， 32（5）： 545-551.

[36]SHI H， LIN Y L， LAI Z X， et al. Research progress on CRISPR/Cas9-mediated genome editing technique in plants[J]. Chinese Journal of Applied and Environmental Biology，2018，24（3）： 640-650.

[37]CHEN K L， WANG Y P， ZHANG R， et al. CRISPR/Cas genome editing and precision plant breeding in agriculture[J]. Annual Review of Plant Biology， 2019， 70（1）：667-697.

[38]ISHIDA Y， HIEI Y， KOMARI T. Tissue culture protocols for gene transfer and editing in maize （Zea mays L.）[J]. Plant Biotechnology，2020，37 （2）：121-128.

[39]TIAN Y S， LIU X B， FAN C X， et al. Enhancement of tobacco （Nicotiana tabacum L.） seed lipid content for biodiesel production by CRISPR-Cas9-mediated knockout of NtAn1[J]. Frontiers in Plant Science， 2021， 11：599474.

[40]PATIAL M， PAL D， THAKUR A， et al. Doubled haploidy techniques in wheat （Triticum aestivum L.）： an overview[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences， India Section B， 2019， 89（1）： 27-41.

[41]WATSON A， GHOSH S， WILLIAMs M J， et al. Speed breeding is a powerful tool to accelerate crop research and breeding[J]. Nature Plants， 2018， 4： 23-29.

[42]楊 春，鄧紹平. 元基因組研究進展[J]. 實用醫院臨床雜志， 2015， 12（6）： 151-153.

[43]陳 俐，張 洛，王正陽，等. 基于SciVal的基因編輯技術研究態勢分析[J]. 南京農業大學學報， 2020， 43（6）： 1162-1172.

[44]MA S Y， LIU Y， LIU Y Y， et al. An integrated CRISPR Bombyx mori genome editing system with improved efficiency and expanded target sites[J]. Insect Biochemistry and Molecular Biology， 2017，83：13-20.

[45]THIND A K， WICKER T， ?IMKOV? H， et al. Rapid cloning of genes in hexaploid wheat using cultivar-specific long-range chromosome assembly[J]. Nature Biotechnology， 2017， 35（8）：793-796.

（責任編輯：徐 艷）