随着全球人口数量的持续增加，人类生存所面临的粮食危机越来越严重。预计至2050年，全球粮食产量需增产70%才能满足全球人口需求。此外，全球气候变化以及工业化导致的世界范围内的土壤退化问题将使得人均可用耕地面积进一步减少。因此，如何在全球气候变化的背景下，以快速且可持续的方式在更少的土地上生产更多的粮食以满足不断增长的人口对粮食的需求将是农业界未来面临的最大挑战。

合成生物学是一门融合利用生物学和工程学原理设计、构建标准化元器件和模块，量化已知的生物过程, 改造或者重新设计现有生物系统的学科。合成生物学已在能源、化工、医药、食品以及环境等领域取得了重大进展。近些年来，随着合成生物学的快速发展, 其在提高农业生产力、改良作物、降低生产成本以及实现可持续发展等方面的潜力日益凸显，特别是改造植物光合作用增加农业产量、利用微生物或代谢工程手段减少农业化肥使用以及重塑代谢通路改良作物等方面的能力，将大大突破了传统农业瓶颈，为其带来农业产能、营养的突破性增长，实现农业的“第二次绿色革命”。

利用合成生物学提高光合作用效率，增加农业产量

农业产量主要受限于光捕获效率、生物量积累效率和收获指数等。目前，植物的光捕获率已接近最大理论值，且大幅度提高收获指数已无可能；但是植物将光能转化为生物量的效率仅达到理论值的20%左右，光合作用效率还有很大的提升空间。另外，城市化进程使得大幅度提高农用耕种面积可能性大大降低。因此，与以往相比，利用合成生物学改造或改良光合作用，提高光能利用效率以大幅度提高作物产量将在解决未来粮食危机及维持可持续生态环境中起到更关键的作用。目前光合作用合成生物学的研究主要体现在利用合成生物学对植物体内代谢进行改造，以提高光合碳同化效率如提高Rubisco酶活性、引入碳浓缩机制和减少碳损耗，以及提高光能利用效率等方面。

利用合成生物学自主固氮，减少农业化肥使用

发达国家的农业高产量很大程度上依赖于肥料的大量使用，自20世纪60年代以来，世界范围内的氮肥消耗量增加了13%，但禾谷类作物的氮肥有效利用率由80%降至近30%。化肥的大量施用在提高作物产量的同时，也带来了水体富营养化和大气污染等问题，严重威胁着农业的可持续发展。近年来，国内外的研究学者将目标转向了生物固氮途径，通过构建人工高效固氮植株体系为农作物提供氮源，从而部分替代或大幅度减少化学氮肥的使用，开创了固氮合成生物学的新领域。

利用合成生物学重塑代谢通路

改良农产品品质, 调整农业种植结构

利用合成生物学重塑代谢通路，改良农产品品质，调整农业种植结构。目前农业的生产力已接近极限，意味着对于提高作物营养价值的需求变得更加迫切，以满足充足粮食供应的同时解决人类营养不良等问题。在有限的土地资源和极端的气侯变化背景下，种植更有价值的产品将是未来农业不可避免的选择。植物合成生物学可以通过改造现有代谢途径或者从头合成新的人工代谢途径对作物进行改良或者获得新的代谢产物。如，富含维生素A的“黄金大米”、富含花青素的“紫晶米”、低致敏蛋白含量的花生等。再比如，利用合成生物学可以在细菌或酵母中实现诸多高价值植物源天然产物的批量生产，例如紫杉二烯、青蒿素、吗啡、红景天苷、灯盏乙素和大麻素等。在不到100 m3的发酵车间中青蒿素的年产量可接近于我国5万亩(1亩≈667 m2 )耕地的种植产量。因此，合成生物学必将推动未来农业种植结构的调整。

农业是人类的生存之本。农业的发展既要满足持续增长的人口对粮食的需求，还要在有限的土地资源以及全球气候变化的背景下实现可持续发展。合成生物技术被誉为是改变世界的十大颠覆性技术之一，具有广阔的应用前景。随着合成生物学研究的不断发展，其在突破传统农业瓶颈、引领农业现代化发展方面的作用日益突出。合成生物学即将为农业带来重大成果。目前利用合成生物学原理提高植物的光合效率是增加农业产量的有效手段。如何改造、优化当前光合作用系统，使之在全球气候变化下仍保持最佳光能转化效率仍是当前农业生产中亟待解决的重大问题。合成生物学也将为生物固氮这一世界性农业难题提供革命性的解决方案，从而为农业生产提供最经济、环保和高效的氮素供应方式。通过重塑合成代谢通路，对作物进行改良来提高作物的营养价值，以及通过异源合成人类所需的各种植物天然产物，合成生物学将使农业发展不再受限于有限的土地资源和气候变化。此外，合成生物学还为提高作物抗旱性、改良农业土壤以及从头驯化作物改良性状等方面提供了新的途径。可以预见，合成生物学必将影响未来农业走向，为农业领域带来巨大的变革。

参考文献：吴杰,赵乔.合成生物学在现代农业中的应用与前景[J].植物生理学报,2020,56(11):2308-2316.DOI:10.13592/j.cnki.ppj.2020.0148.