楊健釗，朱新廣

（1中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，上海植物生理生態(tài)研究所，植物分子遺傳國家重點實驗室，上海 200032；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

合成生物學(xué)是基于工程學(xué)思想和原理，對自然生物系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和改造的一門新興學(xué)科。它與數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、信息科學(xué)等多學(xué)科交叉融合，以實現(xiàn)預(yù)期的生物功能乃至創(chuàng)造非自然的“人工生命”［1-2］。20世紀(jì)60年代開始，基因工程技術(shù)發(fā)展使得人為操縱、改造生命遺傳信息具有了可行基礎(chǔ)［1］。21世紀(jì)早期，從在大腸桿菌（E.coli）中人工設(shè)計合成基因線路實現(xiàn)振蕩網(wǎng)絡(luò)［3］和雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)［4］開始，合成生物學(xué)的概念被確立，而后進(jìn)入了定量化表征的高速發(fā)展時代。迄今為止，合成生物學(xué)已經(jīng)在細(xì)菌、酵母和哺乳動物細(xì)胞中建立了一系列成熟的底盤和工具［5］，形成了一套完備的“設(shè)計-構(gòu)建-測試-改進(jìn)”（Design-Build-Test-Learning，DBTL）研究體系［6］。

與細(xì)菌、酵母和哺乳動物細(xì)胞相比，植物的合成生物學(xué)依然處于起步階段［7］，成熟的模式植物底盤少、基因組普遍較大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、繁殖迭代周期較長等都是制約其發(fā)展的重要因素［8］。植物與人類生活息息相關(guān)：光合作用是人類糧食、能源的來源基礎(chǔ)［9］；植物能生產(chǎn)環(huán)境友好的生物制品、提供清潔能源［10］、修復(fù)環(huán)境改善氣候［11］；植物豐富的次生代謝天然產(chǎn)物還可以作為藥物和化工原料等［12］，可以預(yù)見植物合成生物學(xué)具有非常廣泛的發(fā)展前景［13-15］。目前人類面臨的糧食短缺、能源危機、環(huán)境污染等挑戰(zhàn)也迫切需要植物合成生物學(xué)的發(fā)展以提供解決方案［16］。

在當(dāng)前碳達(dá)峰與碳中和背景下，利用植物的固碳能力是實現(xiàn)碳中和的重要途徑［17］。特別因為植物能夠光合自養(yǎng)，相比微生物發(fā)酵需要消耗糖類等額外有機物，植物合成代謝工程具有更強的可持續(xù)發(fā)展能力［14，18-19］?？梢娭参锖铣缮飳W(xué)不僅將助力“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)，同時也將迎來其自身迅速發(fā)展的契機。

1 “雙碳”目標(biāo)與植物碳匯

大氣CO2濃度持續(xù)上升導(dǎo)致全球變暖，已成為世界關(guān)注的問題。地質(zhì)記錄表明地球氣溫與大氣CO2濃度呈正相關(guān)，當(dāng)今大氣CO2濃度是過去30萬年以來的最高值，且在過去半個世紀(jì)里每年增加約1～2 mL/m3，這使得地球平均氣溫上升約0.8℃［20］。全球變暖的負(fù)面影響涉及從個體健康到生態(tài)平衡的方方面面［21］。例如，全球變暖對植物光合作用影響巨大［17］，平均氣溫每上升1℃將造成作物減產(chǎn)至少10%［22］；溫度升高也影響植物開花和授粉［23］、干擾媒介昆蟲和植食動物的生態(tài)［24-25］，從而引發(fā)糧食危機［26］。

為應(yīng)對溫室效應(yīng)導(dǎo)致的全球氣候變化，世界各國都采取了一系列減排措施。2020年9月22日聯(lián)合國大會上，中國莊嚴(yán)承諾將在2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實現(xiàn)碳中和。2021年10月24日，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》正式對實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)做出系統(tǒng)規(guī)劃和部署［27］?！半p碳”目標(biāo)規(guī)劃包括到2025年初步形成綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟體系，到2030年二氧化碳排放量達(dá)到峰值，到2060年全面建立清潔低碳安全高效的能源體系，最終非化石能源消費比重超過80%［27］。

“雙碳”目標(biāo)規(guī)劃中的重要一環(huán)是持續(xù)鞏固提升生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力，具體目標(biāo)為到2030年森林覆蓋率達(dá)到25%、森林蓄積量達(dá)到190億立方米［27］等。碳匯（carbon sink）是生態(tài)系統(tǒng)吸收大氣中的CO2等溫室氣體從而減輕溫室效應(yīng)的機制，分為陸地碳匯和海洋碳匯。陸地碳匯主要以森林等植被通過光合作用固碳為主［28］，而海洋碳匯中藻類光合作用也扮演著重要作用［29］。植物是陸地碳匯的關(guān)鍵角色［30］。以中國為例，陸地碳匯中森林、農(nóng)田和灌木林3個最大貢獻(xiàn)源在2001—2010年間的固碳量相當(dāng)于期間化石燃料碳排放量的14.1%［31］，但實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)依然需要大幅提升當(dāng)前植物的碳匯能力。

2 植物合成生物學(xué)在“雙碳”目標(biāo)中的應(yīng)用領(lǐng)域

植物合成生物學(xué)可應(yīng)用于提升植物的碳匯能力，如提高光合作用效率增加固碳量、利用植物天然產(chǎn)物和清潔能源以減少碳排放、發(fā)展分子農(nóng)業(yè)和植物工廠以建立低碳經(jīng)濟模式等?！半p碳”目標(biāo)進(jìn)程分為近期使碳排放總量達(dá)到上限的碳達(dá)峰、中遠(yuǎn)期將人類活動排放的二氧化碳全部抵消的碳中和，即在第1個階段以減少新增的二氧化碳排放為主，而第2個階段以吸收二氧化碳并建立最佳碳循環(huán)體系為核心。當(dāng)下植物合成生物學(xué)業(yè)已取得較多進(jìn)展的天然產(chǎn)物合成和分子農(nóng)業(yè)領(lǐng)域側(cè)重于碳達(dá)峰這一目標(biāo)，利用植物光能自養(yǎng)的特征挖掘天然產(chǎn)物的生產(chǎn)潛力，以取代當(dāng)前基于高碳排放的工業(yè)生產(chǎn)模式，將是植物合成生物學(xué)助力碳達(dá)峰的重要方式。光合作用的合成生物學(xué)改造和創(chuàng)制碳匯植物則面向碳中和目標(biāo)里提升植物固碳能力的需求。建立碳中和模式的植物工廠，整合多領(lǐng)域工程系統(tǒng)，發(fā)展具有最優(yōu)碳效益的植物生產(chǎn)體系，則是未來植物合成生物學(xué)同時兼顧碳達(dá)峰和碳中和的重要模式。以下從植物天然產(chǎn)物合成與次生代謝工程、分子農(nóng)業(yè)、光合作用合成生物學(xué)、碳匯植物創(chuàng)制和植物工廠5個領(lǐng)域分別探討植物合成生物學(xué)在碳達(dá)峰與碳中和的作用。

2.1 植物天然產(chǎn)物合成與次生代謝工程

植物豐富的次生代謝（secondary metabolism）提供了大量天然產(chǎn)物（plant natural product，PNP），包括生物堿、萜類、醌類、苷類、甾體、色素、有機酸和酯化物等。從原始社會開始，人類就有漫長的植物天然產(chǎn)物利用歷史，如作為藥物治病、提取染料和纖維用于紡織、獲得橡膠樹脂等［32］。植物中最早的合成生物學(xué)研究起始于次生代謝工程，包括解析植物次生代謝途徑、提升天然產(chǎn)物產(chǎn)量、改良天然產(chǎn)物性狀等，并在植物本底、微生物或無細(xì)胞體系中大規(guī)模生產(chǎn)植物天然產(chǎn)物［33］。近年來，植物天然產(chǎn)物研究領(lǐng)域也提出以植物的特異性代謝（specialized metabolism）取代次生代謝的概念，強調(diào)與植物的基礎(chǔ)性代謝（general metabolism）相對應(yīng)［34］。

植物天然產(chǎn)物是環(huán)境友好的，但目前大多數(shù)天然產(chǎn)物的提煉加工會造成大量碳排放和環(huán)境污染。利用合成生物學(xué)方法不僅可以挖掘新的天然產(chǎn)物，還可以通過提高天然產(chǎn)物含量，或改變提煉的副產(chǎn)物，來改良生產(chǎn)工藝減少碳排放，從而實現(xiàn)以天然產(chǎn)物取代化石燃料為原料的化學(xué)品。

2.1.1 植物次生代謝產(chǎn)物合成途徑挖掘

20世紀(jì)60年代人們發(fā)現(xiàn)，與微生物基因組類似，植物次生代謝相關(guān)基因有一部分也串聯(lián)排列成生物合成基因簇（biosynthetic gene cluster，BGC）［35］。但大多數(shù)植物特異性代謝基因沒有成簇排列，而且BGC上的基因也并非全部都發(fā)揮功能，定位到植物次生代謝每個環(huán)節(jié)也很困難［35］。隨著高通量測序、高效液相聯(lián)用質(zhì)譜和代謝流分析等技術(shù)的發(fā)展，植物次生代謝產(chǎn)物相關(guān)基因及其合成途徑挖掘已經(jīng)形成了較為成熟的DBTL體系，應(yīng)用機器學(xué)習(xí)和計算化學(xué)可精準(zhǔn)預(yù)測潛在天然產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)和代謝途徑［35］，這些都極大推動了植物次生代謝產(chǎn)物的合成生物學(xué)研究。

最新的DBTL挖掘植物天然產(chǎn)物案例是基于定量結(jié)構(gòu)活性互作算法（quantitative structureactivity relationship，QSAR）和AlphaFold訓(xùn)練模型，根據(jù)人類Ⅱ型糖尿病相關(guān)靶點葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白（glucose transporter）GLUT1和GLUT3的結(jié)構(gòu)，預(yù)測篩選出潛在的具有競爭性結(jié)合能力的抑制劑，如山柰酚、棉黃素、蒽醌等一系列植物天然產(chǎn)物［36］。羅漢果甜苷合成途徑解析也是典型挖掘案例，根據(jù)上游兩大前體合成途徑，MVA（甲羥戊酸）途徑和MEP（甲基赤蘚糖醇磷酸）途徑，在不同亞細(xì)胞空間位置中的代謝流配比確認(rèn)了下游各個分支反應(yīng)，并成功在釀酒酵母中成功重構(gòu)其合成途徑并獲得產(chǎn)物［37］。很多植物次生代謝成分可以特異殺傷寄生蟲，已有研究結(jié)合正向利用高通量小分子化合物篩選和反向預(yù)測藥物作用靶點，挖掘出一系列可作為口服抗寄生蟲藥物的植物天然產(chǎn)物［38］。

近年來，我國科學(xué)家在植物天然產(chǎn)物合成途徑解析、優(yōu)化生產(chǎn)工藝和實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)方面做出了一系列卓越的貢獻(xiàn)。例如挖掘甜葉菊合成途徑關(guān)鍵酶［39-40］、在酵母中構(gòu)建人參皂苷有效成分的合成途徑并提高產(chǎn)量［41］、以葡萄糖為原料在大腸桿菌中發(fā)酵合成天麻素從而顯著降低生產(chǎn)成本［42］和理性改造創(chuàng)建全新的丹參素人工替代合成途徑［43］等。越來越豐富的植物天然產(chǎn)物可以逐漸替代一些化工合成物，為人們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)提供更加低碳、環(huán)境友好的產(chǎn)品選擇。

2.1.2 合成生物學(xué)應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)植物天然產(chǎn)物

植物天然產(chǎn)物往往存在產(chǎn)量少、提取難、生產(chǎn)受產(chǎn)地限制和毒害副作用等問題［44］，因此利用合成生物學(xué)方法人工改良生產(chǎn)工藝、在植物或異源體系大規(guī)模生產(chǎn)天然產(chǎn)物是研究熱點［45］。植物具有MVA和MEP兩種產(chǎn)生異戊二烯的途徑，基于已建立的植物細(xì)胞表達(dá)體系可以大規(guī)模生產(chǎn)異戊二烯用于合成萜類、甾體和天然橡膠等天然產(chǎn)物［33，46］。

青蒿素的半生物合成是一個經(jīng)典案例。天然青蒿素只在黃花蒿等幾種植物中存在且產(chǎn)量極低，純化學(xué)合成青蒿素極為復(fù)雜，產(chǎn)率低且生產(chǎn)成本高昂。Keasling等［47］先將青蒿素合成關(guān)鍵酶引入大腸桿菌中表達(dá)，其酶的活力很低，于是將其轉(zhuǎn)入釀酒酵母中獲得成功。雖然最后一步反應(yīng)由青蒿酸轉(zhuǎn)變?yōu)榍噍锼氐姆磻?yīng)在酵母中無法實現(xiàn)，但利用酵母發(fā)酵生產(chǎn)青蒿酸，再經(jīng)化學(xué)催化成青蒿素達(dá)到了25 g/L的高產(chǎn)量。這個案例對異源生產(chǎn)植物天然產(chǎn)物的底盤選擇、線路設(shè)計、途徑優(yōu)化和生物化學(xué)催化相結(jié)合都具有高度參考意義。此外，青蒿素的純植物底盤合成也已經(jīng)有成功案例，如Farhi等［48］在煙草中轉(zhuǎn)基因獲得了0.48～6.8 μg/g干重的青蒿素，而Ikram等［49］在小立碗蘚中轉(zhuǎn)基因獲得了0.21 mg/g干重的青蒿素，但產(chǎn)量有待提高且生產(chǎn)成本需要進(jìn)一步降低。

2.2 分子農(nóng)業(yè)

分子農(nóng)業(yè)（plant molecular farming，PMF）的概念起始于20世紀(jì)80年代。在建立植物轉(zhuǎn)基因體系之后，很多研究者設(shè)想通過分子生物學(xué)方法，于植物中表達(dá)外源基因以獲取附加生物制品或助力作物更好地生長［50］，發(fā)展至今形成了分子農(nóng)業(yè)這一植物合成生物學(xué)領(lǐng)域。這方面的案例包括在植物中表達(dá)抗蟲［51］、抗除草劑［52］的抗性基因以抵御病害；“黃金大米”等提升食品營養(yǎng)成分或延長保質(zhì)期［53-54］；表達(dá)抗原作為口服疫苗或生產(chǎn)小分子藥物用于口服給藥［55］等。但分子農(nóng)業(yè)也面臨諸多社會倫理爭議［10］和與環(huán)境問題相關(guān)的擔(dān)憂［51-52，56］。在當(dāng)前的碳排放控制要求下，分子農(nóng)業(yè)結(jié)合光伏發(fā)電和自動化控制體系，有望建成碳中和模式的植物工廠，生產(chǎn)高質(zhì)量農(nóng)作物、制造方便口服的藥物、供給清潔能源、凈化空氣與水體，為建成未來太空探索所必需的生態(tài)維持系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)［57-58］。

2.2.1 植物遺傳轉(zhuǎn)化體系

20世紀(jì)70年代建立起成熟的微生物轉(zhuǎn)基因體系后，在80年代陸續(xù)開發(fā)了一系列植物轉(zhuǎn)化表達(dá)體系。最經(jīng)典的是基于農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化Ti質(zhì)粒，將T-DNA插入植物基因組的穩(wěn)定轉(zhuǎn)化和瞬時表達(dá)體系［59］；對于農(nóng)桿菌不易侵染的植物還有基因槍和電擊法轉(zhuǎn)化［60］，以及花粉管顯微注射、聚乙二醇介導(dǎo)的原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化和葉綠體、線粒體等質(zhì)體轉(zhuǎn)化［61］。相較于微生物和一些動物細(xì)胞，植物轉(zhuǎn)基因有操作復(fù)雜、實驗周期長、穩(wěn)定轉(zhuǎn)化物種少等問題，但植物光合自養(yǎng)的特征使植物轉(zhuǎn)化具備天然生物制品生產(chǎn)工廠的優(yōu)勢［62］。

新近的納米技術(shù)在遺傳轉(zhuǎn)化方面有廣闊的應(yīng)用前景［63］，已有多種不同的納米材料應(yīng)用于向植物組織內(nèi)遞送DNA［64］，包括碳量子點（CQD）［65］、碳納米管（CNT）［66］、納米鉆石顆粒［67］等碳基納米材料，聚乙烯亞胺（PEI）包被Fe3O4的鐵磁性材料納米顆粒（MNP）［68］，介孔SiO2硅基納米顆粒（MSN）［69］，層狀雙氫氧化物（LDH）［70］，以及共軛聚合物納米顆粒（CPN）［71］、殼聚糖顆粒［72］、聚酰胺-胺（PAMAM）樹形聚合物［73］等高分子有機物納米材料。這些納米材料已經(jīng)在擬南芥、煙草、水稻、小麥、玉米、番茄、洋蔥等模式植物和作物中有成功遞送DNA轉(zhuǎn)化或遞送RNA誘導(dǎo)基因沉默的案例［74］。

另外，近年出現(xiàn)了一系列植物多基因大片段遺傳轉(zhuǎn)化體系，讓大規(guī)模轉(zhuǎn)入外源代謝通路成為可能［75］。以Liu等開發(fā)的TSⅡ（transgene stackingⅡ）植物多基因轉(zhuǎn)化載體為代表，可以高效便捷組裝長度達(dá)15 kb基因片段［76］，該體系一次性將蝦青素合成通路的4個基因轉(zhuǎn)入水稻實現(xiàn)胚乳中蝦青素的從頭合成［77］。

2.2.2 植物口服給藥平臺

很多植物可供食用，因此分子農(nóng)業(yè)的一個重點領(lǐng)域就是改造更具營養(yǎng)價值或抗病能力的植物，以及將植物改造成口服藥物或疫苗遞送平臺［78］（表1）。最早的嘗試是在煙草葉綠體中瞬時表達(dá)霍亂弧菌毒素B亞基（CTB）抗原，將葉片磨成粉后喂食小鼠，檢測到激活腸道黏膜免疫系統(tǒng)產(chǎn)生IgA抗體［79］?，F(xiàn)在該體系已經(jīng)在生菜、玉米和水稻等多種可食用植物中表達(dá)，并制成凍干粉膠囊供人口服用于預(yù)防或治療霍亂［80］。目前已經(jīng)報道的植物表達(dá)口服疫苗還有乙肝［81］、脊髓灰質(zhì)炎［82］、瘧疾［83］等。另外也有在番茄、靈芝中表達(dá)人源小胰島素原，經(jīng)糖尿病模型小鼠口服使血糖得到一定控制的案例［84］。Daniell等［85］在生菜葉綠體中表達(dá)脂肪酶、葡聚糖酶和抗菌肽，制成可長期保存的植物凍干口香糖，可咀嚼來消除口腔生物薄膜以治療齲齒或口服緩釋給藥，這種口香糖成本比膠囊更低，是一種平價的居家口服給藥模式。Lomonossoff等［86］在煙草中利用瞬時表達(dá)組裝包含有新冠病毒（SARS-CoV-2）的病毒樣顆粒（VLPs），利用中和抗體能檢測到原始毒株和Delta突變株的刺突蛋白（Spike），提供了一種利用植物安全地生產(chǎn)傳染病疫苗的策略。

表1 部分植物疫苗和口服藥物應(yīng)用案例Tab.1 Some examples of plant molecular farming

2.3 光合作用合成生物學(xué)

光合作用是人類所需的主要能源和全部食物的來源。除了少數(shù)微生物外，地球上全部生命活動所需能量都來自于將太陽能轉(zhuǎn)換為生物質(zhì)能的光合作用［87］。根據(jù)植物光能利用效率公式［88］：

式中，Y為植物同化產(chǎn)量；St為生長季陽光輻射到地球表面的總能量；εi為截獲系數(shù)（可達(dá)0.9）；εc為轉(zhuǎn)換系數(shù)；εp為分配系數(shù)（約0.6）。

實際測算出來εc僅為0.03～0.06。由此可見，植物光能利用效率還有很大提升空間，大多數(shù)光能在轉(zhuǎn)換過程中以各種形式耗散掉，沒有被利用。

光合作用分為光反應(yīng)和碳反應(yīng)兩部分，光反應(yīng)的光能轉(zhuǎn)換過程和碳反應(yīng)的碳固定代謝通路都存在許多能提高光能利用效率的改良靶點［89］。提高光能利用效率有望讓作物產(chǎn)量再提升至少30%，以解決人口增長的糧食缺口［11］，高光效作物也可以減少化肥使用從而減少土地和河流的富營養(yǎng)化［87］，是創(chuàng)造可持續(xù)碳中和生態(tài)環(huán)境的重要途徑。基于光合作用的生物能源與核能、風(fēng)能、太陽能等一樣，也是未來碳中和清潔能源選項，農(nóng)作物秸稈和光合藻類發(fā)酵可以大規(guī)模生產(chǎn)生物乙醇和生物柴油［87］。人工光合作用是和可控核聚變并列的有望徹底解決能源問題的技術(shù)，充分利用太陽能，以CO2為原料合成各種有機物［90］。

光合系統(tǒng)是長期適應(yīng)環(huán)境變化的結(jié)果。在自然選擇中，植物演化出的諸多性狀首要目的是為了增強生存繁殖向后代傳遞遺傳信息的能力，而并非是為了獲得高光效［91］，因此需要利用合成生物學(xué)技術(shù)人工優(yōu)化光合系統(tǒng)。基于DBTL體系的概念，首先在現(xiàn)有高等植物和藻類的光合系統(tǒng)基礎(chǔ)上設(shè)計改良的光反應(yīng)和碳反應(yīng)體系，然后整合各個光合元件改造靶點以提升植物整體的光能利用效率，再經(jīng)從實驗室到大田各個尺度的驗證不斷迭代獲得更優(yōu)良的改造結(jié)果，乃至創(chuàng)造全新的人工光合系統(tǒng)。

2.3.1 光反應(yīng)：優(yōu)化光能傳遞損耗和能量轉(zhuǎn)換效率

光合作用光反應(yīng)是發(fā)生在高等植物葉綠體類囊體膜或光合細(xì)菌的光合色素膜上的光化學(xué)反應(yīng)［92］。光反應(yīng)主要包括光能吸收傳遞、光合電子傳遞和光合磷酸化3個主要部分［93］。一輪完整的光反應(yīng)吸收8個光量子，產(chǎn)生3分子ATP和2分子NADPH［92］，理論上能量利用效率可達(dá)約30%～40%，實際光反應(yīng)有很多損耗導(dǎo)致效率低于理論值。

光合色素天線共振傳遞能量效率非常高，僅有少量磷光散射和熱耗散，在高等植物中光合天線能量傳遞效率可接近100%［94］。但高光下，光合天線收集的光能會超過光合同化能力上限，導(dǎo)致光抑制，乃至損傷光合機構(gòu)［95］。光系統(tǒng)具有非光化學(xué)猝滅（non-photochemical quenching，NPQ）等熱耗散機制，將多余的光能轉(zhuǎn)換成熱能釋放出去，以保護光合元件不受損，但響應(yīng)光環(huán)境變化較為緩慢的熱耗散機制也會影響光能利用效率［96］。Kromdijk等［97］將擬南芥調(diào)節(jié)NPQ的VDE、ZEP、PsbS蛋白在煙草中過表達(dá)，能增強煙草NPQ應(yīng)對閃動光的效率，可使生物量積累提升15%。在高等植物NPQ缺失突變體中引入藻類或苔蘚的葉黃素循環(huán)元件，也能部分恢復(fù)NPQ的光保護能力［98-99］。

Song等［100］通過冠層光合模型發(fā)現(xiàn)減小或重分配光合天線尺寸，優(yōu)化光合天線吸收最適的光能，例如葉綠素減少的淺綠表型作物的光能利用效率反而會提高。過表達(dá)補充損耗嚴(yán)重的光合元件組分也可以維持原初反應(yīng)中心運轉(zhuǎn)。葉綠體基因組編碼的光系統(tǒng)Ⅱ（photosystemⅡ，PSⅡ）的原初反應(yīng)中心D1蛋白是損耗最多的，Guo等［101］通過擬南芥、煙草和水稻核轉(zhuǎn)基因過表達(dá)D1蛋白轉(zhuǎn)運進(jìn)葉綠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)均可以顯著增加生物量。除此以外，藻類具有藻膽素等與葉綠素吸收光譜不同的光合色素，有望引入高等植物中拓寬可吸收利用的光譜波段［102-103］

光合電子傳遞鏈中環(huán)式電子傳遞途徑也是潛在光能利用效率改良靶點，可設(shè)計更優(yōu)化的電子傳遞路徑，調(diào)節(jié)還原力的分配以實現(xiàn)更高效的光反應(yīng)［104］。優(yōu)化光合電子傳遞鏈還可以減少超氧負(fù)離子等自由基產(chǎn)生，消耗過剩的還原力，保護光合機構(gòu)元件。PSⅠ結(jié)合的NDH復(fù)合體對調(diào)節(jié)環(huán)式電子傳遞鏈非常重要，NDH復(fù)合體結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，還有待進(jìn)一步解析其中潛在的改良靶點［104］。

植物冠層形態(tài)性狀包括葉片形狀、葉面指數(shù)、葉間夾角等都是影響光能利用效率的外在表型。通過表型組平臺收集記錄不同光合效率的表型經(jīng)機器學(xué)習(xí)和建模分析得到最優(yōu)光合表型，利用GWAS分析等方法將表型性狀與基因聯(lián)系到一起，將為建立高光效元件庫提供基礎(chǔ)，以支持高光效植物創(chuàng)制［105］。目前我們已經(jīng)收集到分別在高光、低光和閃動光下能夠增強光合效率的元件，并且在大田試驗中都觀察到生物量積累顯著增加［106-108］。除此之外，Wei等［109］在水稻中過表達(dá)調(diào)控光合和氮素利用效率的轉(zhuǎn)錄因子DREB1C，單個基因使水稻產(chǎn)量增加可達(dá)30%以上。

2.3.2 碳反應(yīng)：C3～C4植物改造和重構(gòu)光合代謝通路

C4植物相較于C3植物有更高的光、水分及氮素能利用效率，CO2補償點較低，更適應(yīng)高溫干旱的環(huán)境。然而絕大多數(shù)植物特別是主要作物多為C3植物。自20世紀(jì)60年代開始就有C4植物改造的嘗試，但至今尚未成功［110-111］。大多數(shù)C4植物具有獨特的花環(huán)結(jié)構(gòu)，葉肉細(xì)胞濃縮CO2與維管束鞘細(xì)胞中卡爾文-本森循環(huán)的功能分化是其高效光合的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，當(dāng)前改造重點在C3植物中試圖重構(gòu)花環(huán)結(jié)構(gòu)［112-113］。

光呼吸旁路改造也是當(dāng)前研究的一個熱點，設(shè)計新的代謝通路減少光呼吸損耗，或者再利用光呼吸產(chǎn)物2-磷酸乙醇酸合成其他有機物，提升碳同化效率［114-116］。Kebeish等［117］將大腸桿菌中乙醛酸代謝途徑引入擬南芥，直接在葉綠體中將2-磷酸乙醇酸轉(zhuǎn)化為甘油酸，減少了線粒體和過氧化物酶體途徑的能量消耗，增加了擬南芥積累的生物量。Peng等［118］在水稻中構(gòu)建了多種光呼吸支路，包括利用水稻本底的乙醇酸-草酸氧化途徑，以及在水稻葉綠體內(nèi)讓乙醇酸代謝釋放CO2的GCGT捷徑（轉(zhuǎn)入水稻乙醇酸氧化酶OsGLO1以及大腸桿菌過氧化氫酶EcCAT、乙醛酸聚醛酶EcGCL和羥基丙二酸半醛還原酶EcTSR）等［115］，均顯著提高了水稻的光合效率和產(chǎn)量。Ort等［119］在煙草中嘗試構(gòu)建多種光呼吸通路，在葉綠體中引入蘋果酸合酶和綠藻來源的乙醇酸脫氫酶，同時利用RNAi降低葉綠體乙醇酸/甘油酸轉(zhuǎn)運蛋白PLGG1表達(dá)，以使乙醇酸在葉綠體內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)樘O果酸，最高可使煙草干重增加40%。

1，5-核酮糖-二磷酸羧化酶/加氧酶（RuBisCO）是CO2同化的關(guān)鍵酶，其加氧酶活性也是產(chǎn)生光呼吸的原因。長久以來，改造RuBisCO提升CO2催化效率并降低加氧酶活性一直是熱點［120-121］。一些藻類具有CO2濃縮機制（CO2concentration mechanism，CCM）或者富集CO2的羧體［122］，將衣藻等藻類的CCM引入作物中有望提升光合作用效率、增加產(chǎn)量［123-124］。某些光合細(xì)菌和藻類具有更高效的RuBisCO［125-126］。Whitney等［127］將類球紅細(xì)菌（Rhodobacter sphaeroides）的RuBisCO和響應(yīng)活化酶轉(zhuǎn)入煙草葉綠體中，可使光合速率提升2倍。某些單細(xì)胞C4植物在單個細(xì)胞中具有不同類型葉綠體可在RuBisCO周圍實現(xiàn)局部高CO2濃度，提升RuBisCO催化活性［128-129］。Aigner等［130］在大腸桿菌里成功表達(dá)組裝完整的植物RuBisCO，實現(xiàn)了CO2固定，使在原核體系里對RuBisCO改造或構(gòu)建新的代謝通路成為可能。

綜上，提高光能利用效率的核心是提高冠層光能利用效率：在各類高光效元件實現(xiàn)以后，可以創(chuàng)造“聰明冠層”，即利用植物感受光強、光質(zhì)、相對濕度、CO2濃度等環(huán)境因子的能力，動態(tài)調(diào)整冠層中不同層次的光合作用特征，從而實現(xiàn)不同環(huán)境下的冠層光能利用效率的最大化［131］（圖1）。

圖1 聰明冠層［聰明冠層中的葉片可以感受并傳遞周邊的環(huán)境參數(shù)，比如紅光與遠(yuǎn)紅光的比例（F/FR）、光質(zhì)、光強、濕度、溫度和CO2濃度等?；谶@些環(huán)境信息，葉片可以動態(tài)調(diào)整其光合特性及代謝通路，以優(yōu)化光合光能利用效率。其中可以進(jìn)行調(diào)整的光合特征包括光合天線大小、C3代謝（下左與下右圖）與C4代謝途徑（上右圖）或者藻類CO2濃縮機制（上左圖）之間的轉(zhuǎn)換。］PEP—磷酸烯醇式丙酮酸；PYR—丙酮酸；MAL—蘋果酸；OAA—草酰乙酸；PGA—3-磷酸甘油酸；RuBP—1，5-二磷酸核酮糖；M—線粒體；Ch—葉綠體；P—過氧化物酶體Fig.1 The concept of a smart canopy[Leaves in a smart canopy are capable of sensing and intercommunicating the local red/far-red ratio(R/FR),light wavelength and photon flux density(hν),humidity,temperature and[CO2].Based on these information,a leaf in a smart canopy is capable of adjusting photosynthetic properties and metab‐olism for optimized photosynthetic energy conversion efficiency.These adjustments may include changing antenna size,switching between C3 photosyn‐thesis(bottom left and bottom right figures)and C4 metabolism(upper right)or algae-type CO2 concentrating mechanism(upper left figure).]PEP—phosphoenolpyruvate;PYR—pyruvate;MAL—malate;OAA—oxaloacetate;PGA—3-phosphoglycerate;RuBP—ribulose 1，5-bisphosphate;M—mitochondria;Ch—chloroplast;P—peroxisome

2.3.3 人工光合作用

人工光合作用是效仿植物光合作用的整體或部分過程，實現(xiàn)人工高效光解水將太陽能轉(zhuǎn)化成可以利用的能量形式，并將CO2轉(zhuǎn)化成各種有機物。人工光合作用最大的難點是裂解水，將太陽能轉(zhuǎn)換成電子勢能。光合作用光反應(yīng)的原初反應(yīng)中，PSⅡ的錳簇氧化復(fù)合體結(jié)合水分子，在常溫常壓下實現(xiàn)水分子的高效裂解并釋放質(zhì)子和氧氣［92］。當(dāng)前人工光合作用還無法利用化學(xué)方法實現(xiàn)如此高效溫和的水裂解［90，132］，有研究用Ru、Pd等金屬氧化復(fù)合物溶液環(huán)境中實現(xiàn)溫和條件光解水［133-134］，但成本較高。

當(dāng)前很多研究聚焦于半人工光合作用，利用部分植物光合反應(yīng)元件或通路，結(jié)合化學(xué)材料形成光驅(qū)動的碳固定體系，或者聯(lián)用光伏發(fā)電與燃料電池以CO2為原料合成有機物［135-136］。Yang團隊［137-139］一直致力于將硅納米線材料結(jié)合固碳細(xì)菌共培養(yǎng)的人工光合作用體系，由硅納米線轉(zhuǎn)換光能驅(qū)動細(xì)菌將CO2合成為乙酸鹽，同時釋放氧氣，目前最高能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)3.6%，達(dá)到C3植物的水平。Xiong等［140］構(gòu)建了基于外源電子通過藍(lán)細(xì)菌PSⅠ驅(qū)動的碳固定體系，將光合微生物固碳體系與光伏電池偶聯(lián)互補太陽光吸收波段，不依賴PSⅡ的裂解水提供電子實現(xiàn)生物光電合成乙酸。

Erb等［141］提取菠菜的葉綠體類囊體，利用微流控技術(shù)將類囊體包裹在油滴內(nèi)模擬葉綠體，在光照下連續(xù)固定CO2轉(zhuǎn)化為有機酸，利用天然的光反應(yīng)體系結(jié)合人工組分實現(xiàn)了半人工葉綠體原型。另一方面，在微生物或無細(xì)胞體系中重構(gòu)光合作用碳反應(yīng)的碳固定體系也取得了諸多進(jìn)展。Milo等［142］將卡爾文-本森循環(huán)導(dǎo)入大腸桿菌當(dāng)中，通過進(jìn)化篩選實現(xiàn)僅由CO2為碳源合成糖和其他有機物。Ma等［143］實現(xiàn)了在無細(xì)胞體系中，以CO2為碳源從頭合成淀粉，該人工合成通路較玉米中淀粉合成速率高約8.5倍。無論是基于植物光反應(yīng)和碳反應(yīng)重組的光合系統(tǒng)，還是結(jié)合光電轉(zhuǎn)換材料的人工光合作用體系，都已具備成功的原型設(shè)計，將在碳中和進(jìn)程中發(fā)揮重要作用（部分光合作用合成生物學(xué)改造案例總結(jié)見表2）。

表2 部分光合作用合成生物學(xué)改造案例Tab.2 Some synthetic biology examples for improving photosynthesis

2.4 碳匯植物創(chuàng)制

植物合成生物學(xué)對于未來碳中和的另外一個關(guān)鍵作用是創(chuàng)制碳匯植物。碳匯植物的主要特征包括高生物量、強大根系、根系抗降解能力、耐逆境等特征［144］。為創(chuàng)制碳匯植物，一方面可以利用已知作物進(jìn)行改造，同時也可以利用野生植物進(jìn)行從頭馴化［145］。無論用哪一種途徑，都需要對碳匯植物的代謝、調(diào)控、結(jié)構(gòu)等特征進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計和改造。植物系統(tǒng)生物學(xué)模型指導(dǎo)的合成生物學(xué)改造將在未來碳匯植物創(chuàng)制過程中起到重要作用。

植物系統(tǒng)生物學(xué)旨在對植物生長全過程進(jìn)行定量化闡釋，建立模型描述植物細(xì)胞的發(fā)育調(diào)控、組織器官的協(xié)同聯(lián)系、代謝分配與穩(wěn)態(tài)維持到植物與環(huán)境互作關(guān)系等多尺度的系統(tǒng)機理，其中一個重要的目標(biāo)就是建立數(shù)字植物（ePlant）實現(xiàn)對植物全方位生命活動的模擬［146］。與之相輔相成，植物合成生物學(xué)在數(shù)字植物模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)設(shè)計指導(dǎo)植物的改造，優(yōu)化代謝通路和信號調(diào)控途徑的基因靶點，實現(xiàn)理論預(yù)測的新型優(yōu)良性狀乃至創(chuàng)造理想的超級植物［147］。數(shù)字植物的設(shè)計與改造將幫助我們培育面向“雙碳”目標(biāo)的優(yōu)良碳匯植物，包括提升光能利用效率、增強抗逆境能力、抵御多種病蟲害和生產(chǎn)高附加值產(chǎn)物等。

2.4.1 模型指導(dǎo)的碳匯植物理想株形設(shè)計

植物理想株形（IPA）的概念被廣泛用于支持主要作物的育種實踐，從而使得植物能夠獲得最佳光能利用效率、最高產(chǎn)量和最適抗逆境能力等［148］。描述作物的理想株型既包括地上部分主要接收光的冠層表型，也包括地下吸收水分和礦質(zhì)營養(yǎng)的根系表型［149］。迄今為止，已有大量工作鑒定了許多顯著影響株形的基因，并針對這些基因的調(diào)控模式建立了模型［150-151］。建立整體模型，需要將描述單一組織器官或生理過程的模塊模型各自發(fā)展，進(jìn)而組織到一起，并不能自發(fā)組織形成整體模型；與此相反，需要建立一個植物整體模型框架，將各個性狀模塊化組織起來，實現(xiàn)從基因組到代謝組再到表型組串聯(lián)貫通，最終實現(xiàn)對生長發(fā)育過程的準(zhǔn)確模擬，并具備設(shè)計適用碳匯植物理想株形的能力［152］。

在植物系統(tǒng)模型指導(dǎo)作物改造這方面，光合作用系統(tǒng)模型在近年來發(fā)展迅速?，F(xiàn)有光合系統(tǒng)模型包括預(yù)測光合基因能力的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型［153-154］、光合產(chǎn)物代謝流的動力學(xué)模型［155-157］、組織器官的發(fā)育和代謝模型［158-160］、代謝產(chǎn)物分配的源-庫流模型［161-163］、群體冠層光合模型等［164-166］。在水稻中這些模型已有指導(dǎo)改造和選育高光效植株的案例［106-107，167］。未來需要進(jìn)一步將這些模型整合到一起，形成一個整體的植物模型，并用于指導(dǎo)整體理想植株設(shè)計（圖2）。

圖2 數(shù)字植物模型指導(dǎo)碳匯植物的創(chuàng)制（數(shù)字植物模型基于植物光合、呼吸、氮同化、同化物分配、水分運輸?shù)然具^程，模擬植物生長發(fā)育、植物環(huán)境互作過程，從而實現(xiàn)對植物生長過程的精確預(yù)測，因而可以用于設(shè)計糧食或者生物量作物的理想株型、生理及調(diào)控特征［170］。碳匯植物具有高生物量、高光能及氮素利用效率、多年生、抗降解等特征。這些特征當(dāng)前糧食作物具有極大差異。數(shù)字植物模型可以用于進(jìn)行碳匯植物所需的理想株型設(shè)計，從而支撐碳匯植物培育）Fig.2 ePlant guided creation of plants for carbon farming(ePlant is a mathematical model to simulate the plant growth and development,the interaction between plant and environment etc.ePlant is based on modeling of photosynthesis,respiration,nitrogen assimilation,assimilate partitioning,water transport etc.ePlant can be used to guide design of ideal architectural,physiological and regulatory features for either food or biomass production[170].Plants for carbon farming has features such as high bio‐mass,high light and nitrogen use efficiencies,perennial and with biomass resistant to degradation.These features differ dramatically from food crops.ePlant can be used to design ideotypes for crops for carbon farming and hence guide breeding such crops)

借鑒在微生物合成生物學(xué)中的基因回路設(shè)計模式，可以開發(fā)一套適用于植物的編程化理想株形設(shè)計語言，將各個模型預(yù)測的靶點定量化表征，建立一個高通量測試平臺篩選出備選元件庫，經(jīng)數(shù)字化模擬評估設(shè)計效果之后再選取相應(yīng)的工具方法去改造。我們現(xiàn)在距離這種模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的理想株形設(shè)計和改造還比較遙遠(yuǎn)，不僅需要完備系統(tǒng)模型框架，而且還要擴充植物合成生物學(xué)的元件和技術(shù)儲備。

2.4.2 人工調(diào)控植物-環(huán)境互作體系

植物在進(jìn)化中不斷耐受環(huán)境選擇壓積累了大量抗逆基因儲備，但現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對抗逆境能力有更高需求，因此誕生了人工調(diào)控植物-環(huán)境互作體系的概念［168］。未來碳匯植物的重要特征之一是其必須有強大的抗逆能力。從20世紀(jì)80年代開始的抗病轉(zhuǎn)基因體系［169］，到當(dāng)下熱點的提升吸收礦質(zhì)營養(yǎng)效率以減少化肥使用［170］，都是合成生物學(xué)改變植物環(huán)境響應(yīng)的嘗試。

植物與昆蟲的互作關(guān)系是最典型的代表，植物一方面需要抵御害蟲的侵襲啃食，另一方面很多植物又依靠昆蟲傳粉，因此需要保持與昆蟲的動態(tài)平衡關(guān)系。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大量使用農(nóng)藥殺蟲劑造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和導(dǎo)致超級耐藥害蟲出現(xiàn)，至今已有包括木瓜、棉花、玉米、大豆等17種農(nóng)作物廣泛采取了分子農(nóng)業(yè)方法抵御病蟲害［171］。

當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)都會造成大量超額碳排放，其中能源和化學(xué)品使用帶來的碳排放比重已由28.02%增至43.66%［172］。特別是化肥和農(nóng)藥有效使用率僅30%左右，農(nóng)膜殘留率超過40%，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源浪費問題［173］。植物合成生物學(xué)可用于解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的肥料需求和減少環(huán)境污染，例如將豆科植物固氮機制應(yīng)用到其他植物［174］、利用植物吸收重金屬和分解有機聚合物等其他環(huán)境污染物［175］和篩選培育耐鹽堿和極端氣候的作物［176］等都是充滿前景的研究方向。

2.5 植物工廠

植物工廠是最新的合成生物學(xué)應(yīng)用概念，根據(jù)植物生長發(fā)育各個階段的情況選擇最佳培養(yǎng)模式，最終實現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)所需的作物和附加產(chǎn)物，實現(xiàn)環(huán)境友好和經(jīng)濟效益的最大化［177］。尤其是植物工廠與光伏產(chǎn)業(yè)結(jié)合，有望為碳達(dá)峰碳中和貢獻(xiàn)重要解決方案。

一個完備的植物工廠體系需要兼顧植物生理特征、人工光源照明控制、無土立體栽培技術(shù)和自動化監(jiān)管系統(tǒng)等［178］。20世紀(jì)60年代開始美國、奧地利和日本等國就開始進(jìn)行早期的植物工廠工程試點，迄今為止世界各國建設(shè)了大量植物工廠示范項目，但都還處于小型產(chǎn)業(yè)化階段［179］。植物工廠相較于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的土地和能量利用效率更高，但植物工廠的研發(fā)和運營成本依然高昂，培養(yǎng)的作物品種和產(chǎn)量還很有限［180］。

中國的植物工廠研究雖然起步較晚，但得益于強大的光伏和LED產(chǎn)業(yè)資源具有良好的發(fā)展前景。我國中西部廣大的鹽堿地、戈壁灘等雖然不適宜天然農(nóng)業(yè)，但是有充足的太陽能資源，可用于建設(shè)光伏+植物工廠，從而打造碳中和經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈。下一階段的植物工廠將創(chuàng)造大型的人工高效植物碳匯系統(tǒng)。該系統(tǒng)最上層能量供給由光伏或風(fēng)力發(fā)電提供，照明單元由智能化不同波長光配比的LED陣列組成，不同植物按生長周期和形態(tài)特征分區(qū)栽培，采用無土立體密度最大化種植；還可建立自動化環(huán)境監(jiān)測和灌溉體系，按模型精確計算投入消耗資源和預(yù)期產(chǎn)出價值；下游設(shè)置廢水廢液凈化后回收再循環(huán)系統(tǒng)，并將收獲后的植物剩余部分（如葉片、秸稈等）作為燃料電池和生物肥料的發(fā)酵原料，實現(xiàn)植物全生命周期的高效利用，凈增碳匯和經(jīng)濟效益。當(dāng)前國內(nèi)一些植物工廠試點項目正在建設(shè)中，例如江蘇鹽城阜寧的高效植物碳匯系統(tǒng)原型將嘗試包含光伏農(nóng)場、組培植物工廠、生物炭生態(tài)基地的有機整合。

植物工廠將在應(yīng)對全球氣候變化和維持生態(tài)平衡方面發(fā)揮重要作用，利用光能來發(fā)展可持續(xù)的生物制造產(chǎn)業(yè)［181］。以植物工廠為基礎(chǔ)建立人工生態(tài)系統(tǒng)，是未來空間站和星際旅行的重要設(shè)施原型［57-58］，將助力太空探索事業(yè)的發(fā)展。

3 助力“雙碳”目標(biāo)的植物合成生物學(xué)技術(shù)

相較于成熟的微生物和哺乳動物細(xì)胞底盤，植物合成生物學(xué)體系依然處于早期發(fā)展階段。慢長的生長繁殖周期、龐大而復(fù)雜的基因組、不穩(wěn)定的遺傳轉(zhuǎn)化體系等都是制約植物合成生物學(xué)發(fā)展的因素［182］。盡管如此，近年許多學(xué)者在構(gòu)建植物基因元件標(biāo)準(zhǔn)化體系、設(shè)計植物基因線路和嘗試植物定向進(jìn)化體系等方面都取得了突破性進(jìn)展。

3.1 植物基因元件標(biāo)準(zhǔn)化體系

合成生物學(xué)最重要的核心理念就是標(biāo)準(zhǔn)化，將不同基因經(jīng)過定量表征測試，整合成模塊化的工程元件，再按照一定的規(guī)范組裝以行使功能。這方面已經(jīng)形成了許多標(biāo)準(zhǔn)化框架，最具代表性的就是基于生物磚塊（BioBricks）組裝所發(fā)展而來的合成生物學(xué)開放語言（synthetic biology open language，SBOL）［183］，讓合成生物學(xué)的元件管理和實驗流程如同計算機語言一樣簡潔明確且具有兼容性，最新已經(jīng)開發(fā)到SBOL 2.0版本，并且發(fā)布了兼容植物的克隆體系Plant MoClo Syntax［184］。已有學(xué)者整理各個植物元件數(shù)據(jù)庫并按SBOL體系構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化植物元件庫，不斷更新補充通過測試的植物元件［185］。

萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）是一種兼具光合自養(yǎng)和化能異養(yǎng)的單細(xì)胞真核藻類，基因組較簡單，細(xì)胞中只有一個大的杯狀葉綠體，生長較快，在合適培養(yǎng)條件下約5～6 h可繁殖1代，同時具有無性繁殖和有性生殖，因此成為光合作用研究和植物合成生物學(xué)技術(shù)開發(fā)的重要模式物種［61］。目前在萊茵衣藻中已經(jīng)建立了一個成熟的符合SBOL標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化元件工具庫（Chlamy MoClo Toolkit），該元件庫利用Golden Gate標(biāo)準(zhǔn)化克隆體系將119個基因元件按照功能分為13類整合進(jìn)11個連接位點，可以一次性構(gòu)建最多10個元件組成的復(fù)合載體，為其他植物標(biāo)準(zhǔn)化元件庫的開發(fā)提供規(guī)范的參考案例［186］。近期普林斯頓大學(xué)和卡內(nèi)基研究所等機構(gòu)的科研人員發(fā)布了迄今為止最大的萊茵衣藻突變體資源庫，收集了超過58000種突變體在121種不同生長條件或處理下的表型，為衣藻元件和底盤標(biāo)準(zhǔn)化提供了有力支撐［187］。

最近，Mehta等首次成功地將藍(lán)細(xì)菌與釀酒酵母融合形成內(nèi)共生體，模擬真核光合細(xì)胞葉綠體起源，在光下由藍(lán)細(xì)菌為酵母供給ATP以提供能量，而酵母為內(nèi)共生的藍(lán)細(xì)菌提供必需代謝物［188］。雖然尚未實現(xiàn)完全光合自養(yǎng)，但業(yè)已讓酵母作為光合作用合成生物學(xué)底盤成為可能，有望利用酵母已有的成熟的合成生物學(xué)工具測試光合元件并對光合作用進(jìn)行改造。

3.2 植物基因線路設(shè)計

植物基因組相較于微生物和動物普遍更加龐大復(fù)雜，信號通路繁復(fù)眾多，且很多尚未解明，這使得植物的合成基因線路設(shè)計更加困難。應(yīng)用合成生物學(xué)技術(shù)設(shè)計檢測激素和短肽等分子信號傳感器（biosensor）以了解植物的信號通路和基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，包括采取熒光共振能量轉(zhuǎn)移（F?rster resonance energy transfer，F(xiàn)RET）、雙分子熒光互補（bi-molecular fluorescence complementation，BiFC）、雙熒光素酶報告體系（dual-luciferase reporter assay，Dual-Luc）等技術(shù)，來可視化描繪植物基因線路［189］。更進(jìn)一步可以改造植物本底的信號通路來執(zhí)行新的功能，例如有學(xué)者改造脫落酸（ABA）受體結(jié)構(gòu)使其能感受外界小分子化學(xué)物質(zhì)，通過噴灑小分子化學(xué)物質(zhì)誘導(dǎo)ABA信號通路響應(yīng)以提升鹽堿地區(qū)植物的耐干旱能力［190］。

植物也具備運行復(fù)雜合成基因線路的能力。已經(jīng)有工作利用煙草花葉病毒（TEV）蛋白酶切割不同底物，以調(diào)控基因線路狀態(tài)，從而成功實現(xiàn)在煙草葉片中構(gòu)建可執(zhí)行布爾代數(shù)運算的邏輯門［191］。植物葉綠體等質(zhì)體基因組兼具真核和原核基因組特征，如同時含有內(nèi)含子剪接機制和TATA box轉(zhuǎn)錄調(diào)控等［192］。在萊茵衣藻葉綠體當(dāng)中已經(jīng)測試成功了一些原核合成生物學(xué)工具，如在葉綠體中轉(zhuǎn)入大腸桿菌的乳糖操縱子相關(guān)調(diào)控基因成功實現(xiàn)了IPTG誘導(dǎo)衣藻葉綠體表達(dá)外源基因［193］，并構(gòu)建了可用小分子誘導(dǎo)的衣藻葉綠體核糖體開關(guān)（Riboswitch）等［194］。

最近，Lister等［195］設(shè)計了首個植物細(xì)胞中穩(wěn)定的重編程合成基因線路。該體系在擬南芥中通過不同啟動子和終止子調(diào)控重組酶，整合一系列植物基因元件，可以對內(nèi)源信號和外源信號的誘導(dǎo)信號輸出和反饋，實現(xiàn)了OR、AND、NOR、NAND等一系列激活和抑制作用的邏輯門。而Brothy等［196］則更進(jìn)一步，不僅在煙草體系中構(gòu)建了合成基因線路，而且在擬南芥中實現(xiàn)了用布爾邏輯運算操控基因的空間表達(dá)模式以改變根系形態(tài)。

3.3 植物基因編輯和定向進(jìn)化技術(shù)

基因編輯技術(shù)自從CRISPR/Cas9工具化以來迅速發(fā)展，在植物中也已開發(fā)了一系列成熟高效的基因編輯工具，為植物合成生物學(xué)的發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)［197-199］。相比功能缺失的基因編輯，更重要的是基因敲入和原位精準(zhǔn)編輯，將是未來分子育種的技術(shù)基礎(chǔ)。Zhu等［200］開發(fā)了一系列高效的植物基因片段靶向敲入和替代體系，在水稻中的敲入效率最高可達(dá)47.3%［201］?；趬A基替換的先導(dǎo)編輯（prime editing）技術(shù)也在植物中迅速發(fā)展，例如Li和Gao等［202］開發(fā)的在水稻原生質(zhì)體中較高效率的Dual-pegRNA先導(dǎo)編輯工具，以及Zhu等［203］在番茄中和Chen等［204］在玉米中的先導(dǎo)編輯工具。除了基于CRISPR的基因編輯技術(shù)以外，Kim等［205］基于TALEN的基因編輯結(jié)合靶向質(zhì)體的胞嘧啶堿基編輯器實現(xiàn)了對植物的葉綠體和線粒體基因點突變，在生菜和油菜中都實現(xiàn)了高頻的C-T堿基替換。

定向進(jìn)化是人為加速蛋白質(zhì)的自然變化，按照特定的目的加以有方向性的選擇，最終獲得相應(yīng)功能的蛋白質(zhì)或更高級的組織形式如代謝通路或生物個體［206］。早期的定向進(jìn)化是隨機的、不連續(xù)和低通量的，用于改造已有的酶獲得更好的動力學(xué)參數(shù)［207］；后來出現(xiàn)了連續(xù)的、高通量的定向進(jìn)化技術(shù)，可以改造已有的蛋白來獲得預(yù)期的功能［208］；最新的理念是結(jié)合理性設(shè)計，完全從頭設(shè)計出自然界不存在的可執(zhí)行功能的人工蛋白質(zhì)［209］。

在微生物中已經(jīng)建立了許多穩(wěn)定的連續(xù)定向進(jìn)化技術(shù)體系，例如利用噬菌體在大腸桿菌內(nèi)進(jìn)行 的PACE（phage-assisted continuous evolution）技術(shù)［210］、在酵母中的正交進(jìn)化體系OrthoRep（an orthogonal DNA polymerase-plasmid pair replication system）［211］，在 酵 母 和 哺 乳 動 物 細(xì) 胞 中 的eVOLVER框架［212］等。近年來由CRISPR/Cas9基因編輯發(fā)展來的先導(dǎo)編輯（prime editing，PE）結(jié)合PACE實現(xiàn)了基因組范圍內(nèi)連續(xù)定向進(jìn)化［213-214］。

植物的定向進(jìn)化技術(shù)仍在初期發(fā)展階段，基本上是將需要改造的植物目的蛋白融入微生物的定向進(jìn)化體系中改造，但也有學(xué)者開發(fā)了一些在植物本底中的定向進(jìn)化技術(shù)［215］。植物免疫和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中有重要功能的NLR（nucleotide-binding leucine-rice repeat）受體是定向進(jìn)化改造的重點對象，目前已經(jīng)報道了很多定向進(jìn)化選擇出來的NLR受體［216］。植物中連續(xù)定向進(jìn)化的代表技術(shù)是飽和靶向內(nèi)源誘變編輯器（saturated targeted endogenous mutagenesis editors，STEME），其結(jié)合先導(dǎo)編輯在植物中成功現(xiàn)實對指定基因的原位飽和打靶編輯，經(jīng)過篩選得到了符合預(yù)期的新性狀［217］?；谙葘?dǎo)編輯的植物定向進(jìn)化技術(shù)已經(jīng)推廣到了水稻、小麥等作物中［218］。

植物定向進(jìn)化技術(shù)的最大制約是大多數(shù)高等植物較長的繁殖周期讓連續(xù)迭代的進(jìn)化歷程難以加速，因此在藻類等繁殖較快的低等植物中更有望開發(fā)可靠的連續(xù)定向進(jìn)化技術(shù)［219］。定向進(jìn)化技術(shù)有望讓RuBisCO改造和C3～C4植物改造等難題獲得突破［220］（近期報道的植物合成生物學(xué)工具案例總結(jié)見表3）。

表3 近期已發(fā)表的植物合成生物學(xué)工具Tab.3 Recently published plant synthetic biology tools

4 總結(jié)

到2050年全球的糧食產(chǎn)量需要比現(xiàn)在增加85%才能滿足屆時的人口需求，但按照目前的糧食增產(chǎn)預(yù)估是遠(yuǎn)達(dá)不到的［88］。同時，按照全球碳中和目標(biāo)來看，植物在整個碳循環(huán)生態(tài)中扮演著非常重要的角色，且植物光合固碳的提升空間巨大［13］。在太空時代，植物也將是維持星際旅行間的人造生態(tài)圈中的重要一環(huán)［57］。限于植物本身的代謝及調(diào)控限制，要在較短時間內(nèi)大幅度提升植物固碳能力非常困難；植物合成生物學(xué)的發(fā)展將在未來碳達(dá)峰碳中和實現(xiàn)中發(fā)揮重要作用。實現(xiàn)這些目標(biāo)必然要對植物進(jìn)行人工設(shè)計和改造，需要植物合成生物學(xué)的基礎(chǔ)研究和配套產(chǎn)業(yè)。

在“雙碳”目標(biāo)進(jìn)程中，植物合成生物學(xué)可以從控制碳排放和提升固碳兩個方面發(fā)揮作用，突破植物本底碳匯限制。上文所提的植物合成生物學(xué)的5個應(yīng)用領(lǐng)域，與面向“雙碳”目標(biāo)的應(yīng)用場景有機結(jié)合，可以為雙碳目標(biāo)實現(xiàn)提供新路徑。在未來10年，首先實現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)下，著重于控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的碳排放，以及用更為環(huán)境友好的植物生產(chǎn)方式替代一些農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的高排放、高污染環(huán)節(jié)；在這個目標(biāo)需求下，基于數(shù)字植物設(shè)計與改造會指導(dǎo)按照植物生產(chǎn)全周期中最優(yōu)的能量吸收和營養(yǎng)分配方式去種植，增加產(chǎn)量的同時降低各個環(huán)節(jié)碳排放，并減少化肥和農(nóng)藥的使用。分子農(nóng)業(yè)和植物天然產(chǎn)物合成也將扮演更重要的角色，以低碳的形式提供多種多樣的高價值產(chǎn)物。雖然當(dāng)前植物生產(chǎn)的成本和規(guī)模相比于工業(yè)生產(chǎn)還不占優(yōu)勢，但通過優(yōu)化迭代技術(shù)路線提升競爭力，例如提升遺傳轉(zhuǎn)化和基因編輯的效率等，可以增加天然產(chǎn)物的產(chǎn)量。到21世紀(jì)中葉以后，在進(jìn)一步實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)進(jìn)程中，改良光合作用培育具有更強光合能力的碳匯植物將會成為研究的核心。通過優(yōu)化捕光天線、C3轉(zhuǎn)為C4、引入CCM和建立光呼吸支路等合成生物學(xué)改造途徑，有望大幅提升作物光能利用效率，提高糧食產(chǎn)量；同時在數(shù)字植物模型指導(dǎo)下，創(chuàng)制具有高光效、抗逆、強根系的碳匯植物。在未來，光合作用的改造對象不僅是農(nóng)業(yè)作物，也包括構(gòu)成森林碳匯的樹木和海洋碳匯的藻類。光合藻類更是有望成為零碳乃至負(fù)碳排放的清潔能源和工業(yè)生產(chǎn)介質(zhì)。最終一個理想狀態(tài)是，綜合各方面技術(shù)形成完備的植物工廠體系，讓植物按照預(yù)設(shè)的最優(yōu)生長軌跡生長，在植物群體層面符合人工設(shè)計，最大限度增加凈碳固定。與此同時，完全的人工光合作用技術(shù)也是有望為人類提供徹底解決能源問題的可行方案。

到2060年，中國預(yù)計每年不得不排放的CO2約為25億噸。陸地生態(tài)系統(tǒng)及海洋生態(tài)系統(tǒng)預(yù)計分別可吸收13.2億噸及5.8億噸，共計約19億噸CO2［221-222］。其余途徑中，利用理化技術(shù)封存CO2（例如制造碳化水泥、煙道集碳再利用等）的能力上限約為2億噸，至此仍有約4億噸的缺口。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，生物質(zhì)可以生產(chǎn)生物炭成為重要的碳匯，根據(jù)當(dāng)前生物炭生產(chǎn)能力，2060年農(nóng)業(yè)生物炭可達(dá)2億噸CO2當(dāng)量。同時，我國還有261.16萬平方公里（約39億畝）荒漠化土地沒有開發(fā)利用，其中沙漠約25億畝；改造利用這些地區(qū)，發(fā)展光伏、風(fēng)力發(fā)電等清潔能源等，同時，利用在鹽堿地種植耐鹽堿植物，預(yù)估固碳潛力可達(dá)3億噸CO2。

前文概述的植物合成生物學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中，天然產(chǎn)物和分子農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展可以支撐碳達(dá)峰，即通過優(yōu)化次生代謝生產(chǎn)工藝和推廣植物光能自然固碳生產(chǎn)附加產(chǎn)物，可以取代化石能源和非可持續(xù)原料的消耗。光合作用改造和碳匯植物創(chuàng)制等則支撐未來碳中和的實現(xiàn)，提升作物光能利用效率獲得更多的糧食，生產(chǎn)更多的生物炭，改良適應(yīng)鹽堿地等逆境的固碳植物用于利用荒漠土地資源等，都可以用于支撐未來近4億噸CO2的固定需求。最后，植物工廠通過結(jié)合光伏發(fā)電、邊際土地的植物生產(chǎn)及基于生物質(zhì)的生物炭生產(chǎn)，可以同時支持碳達(dá)峰和碳中和的實現(xiàn)。

植物合成生物學(xué)目前仍面臨著許多問題。相較于微生物和哺乳動物的基因組研究，當(dāng)今對植物基因組的認(rèn)知還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，仍非常缺乏對植物功能基因組學(xué)層面的理解，離實現(xiàn)從頭設(shè)計的植物合成基因組學(xué)還有漫長路途。植物合成生物學(xué)研究的成果轉(zhuǎn)化和配套的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也才剛剛起步，大環(huán)境尚未建立，沒有形成市場體系。雖然當(dāng)前植物研究的經(jīng)費呈逐年增長趨勢，但相較其他領(lǐng)域還是偏低，并且合成生物學(xué)思想和方法還沒在植物學(xué)研究中成為主流。另外，植物合成生物學(xué)研究和應(yīng)用面臨一系列的法律和倫理爭議，需要盡快彌補相關(guān)法律空白并引導(dǎo)宣傳公眾正確認(rèn)識對待植物合成生物學(xué)。最后，植物合成生物學(xué)的人才缺口是巨大的，需要相關(guān)政策支持農(nóng)林專業(yè)教育和科研。

在我國乃至國際上實現(xiàn)碳中和的歷程中，從基礎(chǔ)科研的技術(shù)突破到符合低碳要求的產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型都將極大推動植物合成生物學(xué)的發(fā)展。以空間轉(zhuǎn)錄組和高通量單細(xì)胞多組學(xué)為代表的新技術(shù)將加快植物基因組解碼，這將與基因組合成技術(shù)結(jié)合從而加速植物工程化改造。目前，已有一批企業(yè)以碳中和為目標(biāo)，啟動植物碳匯技術(shù)的開發(fā)和成果轉(zhuǎn)化。植物合成生物學(xué)有望在實現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的過程中起到至關(guān)重要的作用，并迎來自身快速發(fā)展的巨大契機。