农业基因回路设计合成技术发展动态与策略

林敏， 王磊， 谷晓峰， 燕永亮， 刘柱， 涂涛， 姚斌*

（1.河南大学农学院，中原食品实验室，河南 开封 475004； 2.中国农业科学院生物技术研究所，北京 100081；3.海南大学生命科学学院，海口 570100； 4.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，北京 100091）

当前，新一轮科技革命和产业变革蓬勃兴起，生命科学与生物技术呈现出新的发展态势。随着生物组学、系统生物学和合成生物学等前沿生命学科与材料、计算和工程学科等高度交叉融合，新一代基因工程技术不断取得新突破，进入一个智能、精确、定向和定量的新阶段[1-4]。基因回路设计与合成是新一代基因工程兴起的技术核心，其标志性技术特征包括：①颠覆性，即采用工程学的模块化概念和系统设计理论，颠覆自然法则与传统生产模式；②智能性，即智能响应环境和内源信号，大幅度增强农业生物的生产性能与抗性；③精准性，即实现基因精准整合、特异性表达以及高效生物合成[5-9]。

近年来，欧、美、澳等国家和地区纷纷出台国家或区域级研究计划，在农业基因工程领域展开竞争。如美国2018年出台《美国创新战略》并发布“2030年农业研究科学突破预测”，2020年通过《无尽的前沿法案》，拟在未来5年内向包括基因工程和合成生物技术在内的十大关键技术领域及农业、医药、食品和环境等产业投入1 000亿美元。欧盟委员会2018年颁布最新版本的生物经济战略《欧洲可持续生物经济：加强生物与经济、社会和环境之间的联系》，2021年启动“地平线欧洲”第九个研究框架计划。世界新兴国家如印度和巴西等，纷纷把基因工程、人工智能和云计算等列入国家科技优先发展战略。大型跨国公司，如孟山都和先锋等，为保持其技术优势和市场垄断地位，投巨资开展农业生物的基因智能改造与定向表达研究，抢占基因定向表达、作物表观遗传调控、农业微生物组合合成与高效转化等前沿领域的技术制高点[10-12]。目前，我国基因智能改造和定向表达技术在农业、资源、环境等领域还处于起步的阶段，亟需加快创新基因回路设计与合成技术，精准调控农业动植物生产性状，培育优质、高产、抗逆的动植物新品种，创制高附加值农产品或农用品，推动我国农业从单功能、低效益、高污染、高资源依存型的传统农业向多功能、高效益、绿色低碳、高科技支撑型的现代农业转变。本文简要总结了农业生物基因回路设计与合成技术的发展动态，深入探讨了我国农业生物基因智能设计与精准表达技术的发展策略与优先领域，旨在为创制新一代农业生物新品种或新产品提供技术支撑。

1 加强基因回路设计与合成技术创新，促进我国农业高质量绿色发展

1.1 培育新一代高产作物新品种，保障我国粮食安全

据《国家人口发展规划(2016—2030年)》预测，到2030年我国人口数量将达到14.5亿，粮食总需求量增至7.2亿t。因此，粮食产量需要在现有基础上提高15%。与此同时，随着现代化和城镇化推进，我国耕地面积年减少500万亩（33.33万hm2）并呈刚性趋势。近年来，我国粮食进口量持续增加，单纯依靠常规技术难以确保粮食基本自给和稳定供应，需要科技创新为农业发展注入新动力。株型性状直接影响作物的光合作用效率，进而决定作物产量，培育具有“理想株型”的作物新品种是大幅度提高作物产量的重要途径[13-16]。目前我国在水稻、玉米等作物株型基因挖掘与功能解析方面取得重大突破，并选育了一批高产作物新品种，为突破作物产量瓶颈提供了有效解决方案[17-20]。解析作物株型性状（分蘖、株高、穗型、器官大小等）形成的遗传调控回路并阐明其互作调控规律，挖掘具有重要育种价值的株型性状关键调控元器件，开展模块化、智能化元件改造，构建和优化株型性状模块和调控回路，对促进我国主要作物产量增长和确保国家粮食安全具有重要作用。

1.2 创制新一代抗病虫农作物重大新品种，推动我国绿色农业革命

全球农作物每年因为病虫害导致的产量损失在11%～30%，全球气候变暖以及农业种植结构调整等原因导致病虫害爆发和流行更加频繁[21]。我国农业生态系统比较脆弱、耕作模式单一，近几年新发生的病虫害逐渐增多，特别是外来入侵物种很容易打破生态系统的平衡, 导致病虫害的爆发流行，如原产于美洲热带和亚热带地区的杂食性害虫草地贪夜蛾危害尤为严重[22-26]。2019年，在我国云南监测到国内入侵的草地贪夜蛾为玉米型草地贪夜蛾入侵，由于其较强的迁飞能力和繁殖能力，将对玉米生产和我国粮食安全产生极大威胁。黄萎病是棉花生产上的主要病害之一，每年造成的皮棉产量损失约占全世界的皮棉产量的10%～20%，严重发病的年份可以达到25%～30%。我国每年由此造成的皮棉产量损失高达7.5万～10万t[27-30]。苏云金芽胞杆菌(Bacillus thuringiensis, Bt) 杀虫蛋白如 Cry1Ab、Vip3 等对不同昆虫（如鳞翅目、鞘翅目、双翅目等）有特异毒杀作用[31]。利用高效表达Bt杀虫基因的玉米是防治草地贪夜蛾等害虫的理想手段。随着功能基因组学研究的快速发展，调控主要农作物的重要农艺性状如抗病、抗虫、抗逆、高产、优质和养分高效利用等关键功能基因群、调控网络、代谢路径和蛋白机器已经得到解析。对这些基因群及调控元件进行人工设计与智能改造、发展基因群高效组装技术、基因群定向协调表达技术，培育新一代抗病、抗虫等农作物新品种[21，32-33]。

1.3 发展微生物组设计育种策略，确保农业生产的可持续性

当前，我国农业发展已进入新的历史发展阶段，正在由过度依赖资源消耗、增加投入品而满足量的需求，向绿色生态、高效、可持续发展转变。但我国农业发展面临资源条件和生态环境两个“紧箍咒”，资源与生态环境承载能力已到极限，生态安全面临严重威胁。我国耕地仅20亿亩（1.33亿hm2），土壤普遍瘠薄，其中中低产田占70%，尚有7亿亩（0.47亿hm2）盐碱地未能开发利用，同时在粮食生产、食品安全、化肥、农药和抗生素用量过度、农业废弃物污染、连年耕作土传病害严重等方面承压较重，亟需重大农业生物技术的突破和替代应用，农作物微生物组为解决这些问题提供了全新的角度和思路[34-35]。自然界中正常生长的农作物或养殖动物表面及体内富集了数量庞大且种类繁多的微生物，其集合被称为农业微生物组[36-38]。动物肠道和植物根际是营养最为丰富的地方，也是共生微生物最主要的定植场所，该类相对集中的微生物群落被看作是宿主的一个“器官”，与其他器官一样，相对独立并发挥多种功能，具有牵一发而动全身的特征[39]。根际微生物是一类保持土壤肥力、促进作物生长、抑制土传病害的重要农业微生物，在保持包括水稻、玉米等在内的非豆科作物节肥增产和提高品质等方面具有巨大的应用潜力[40-42]。开发新的微生物组调控策略改善畜禽肠道健康将为解决畜禽产业中面临的替抗问题、饲料转化效率问题、疾病问题、新饲料原料利用问题等提供新的思路和手段[43-44]。

1.4 创建饲料高效转化基因回路，促进农业资源循环利用

我国蛋白源饲料严重缺乏，导致饲料行业过度依赖大豆进口，加上中美贸易摩擦的不断升级以及疫情防控导致的大豆贸易运输受阻，严重阻碍了我国畜牧行业持续健康的发展。低蛋白日粮策略可以有效降低饲料生产成本，提高蛋白质转化和利用率，最大程度缓解未消化蛋白进入后肠引发动物肠道微生物紊乱并诱发肠炎和腹泻的问题，并降低不能被动物消化和吸收而排出体外还造成极大的蛋白资源浪费和环境污染。我国非粮饲料资源丰富，但长期以来无法得到有效利用，9亿t秸秆的利用率不足25%，其不但成为潜在的环境污染源，更造成了极大的资源浪费。因此，迫切需要深化饲料行业供给侧结构性改革，大力发展非常规蛋白资源在饲料行业的高效高质化应用，实现产业转型升级发展。通过优化及重构微生物中心代谢途径，精准调控及组装废弃物分解及功能转化的合成模块，利用辅因子供应及底盘生物循环系统改造等手段开发非粮饲料资源高效转化合成的生物反应器系统，如将秸秆木质纤维素类淀粉化，实现秸秆能量饲料化利用，或将棉籽粕、动物羽毛等废弃物资源蛋白化，实现农业废弃物资源化利用。

1.5 开发益生元件生物合成与调控技术，支撑我国养殖产业健康发展

我国正从小康全面迈入富裕阶段，对动物食品尤其代表高品质蛋白的养殖类畜禽和水产品的消费需求猛增，驱动我国养殖业迅猛发展与结构优化。然而，随着抗生素“滥用”引起的药物残留、细菌耐药性等负面问题不断突显，“绿色加无抗”成为了畜牧养殖业发展的必然趋势。据报道，欧盟等国禁用饲用抗生素后，饲用药物使用量大增，使每头猪的饲养成本增加6美元以上[45]。根据农业农村部发布的第194号公告，我国已于2020年正式实施饲料禁抗，抗生素的全面禁用对我国畜牧养殖业产生了巨大影响。肠道微生物分为有益或有害两类菌群，与宿主健康、免疫、发育、神经传导、疾病控制等关系密切。益生元不被宿主动物消化吸收却能够选择性地促进体内有益菌的代谢和增殖，从而改善宿主健康[46-47]。因此，通过对益生元件的收集与鉴定，构建可用于大规模创制的益生元件或模块库，并针对底盘生物人工智能设计益生元件生物合成的调控回路，建立高效合成多种益生元件的人工智能微生物体系，对于创建支撑我国健康养殖及动物产品安全的技术产品具有重要的意义。

2 国内外发展动态

2.1 作物株型回路设计技术可实现农艺性状的精准调控，是针对不同种植环境下提高作物产量的核心技术

第一次绿色革命成功的关键是对作物株型进行了优化改良，解决了多个发展中国家粮食的自给问题[48-49]。围绕全球气候变化的影响，针对作物株型的遗传改良一直备受关注，并占据着作物遗传改良的关键位置[15-16，50-52]。作物植株形态的优化包括多方面，例如株高、分蘖数、叶片夹角以及生殖器官形态等[53-54]。株型优化不但可以提高作物的单产和群体产量，还可使其适于机械收割，降低生产成本。株型优化依赖于发掘发育相关的元器件和解析调控回路，并在此基础上有针对性地对回路进行精准优化改良，从而达到提高产量的目标。

鉴于株型优化对产量提高的重要性，针对株型调控的元件挖掘及调控回路构建成为农业合成生物学领域的研究热点之一。早期的株型研究主要集中在模式植物拟南芥，研究人员解析了植物器官决定和细胞分化的调控回路，为作物株型改良打下了深厚的理论基础[52]。随着合成生物学和表观遗传学等前沿理论与技术发展，为揭示不同作物的株型性状调控差异以及各个性状之间的相互关联，解析作物株型发育的关键元件和信号模块，智能优化株型调控回路，从而实现作物株型动态精准调控，提供了颠覆性的新策略[55-56]。目前，我国具有自主知识产权的株型调控元器件及回路有限，与美国等发达国家相比，在对作物株型发育的元器件功能解析及回路构建上仍有一定的差距，阻碍了作物株型优化进程。因此，亟需在该领域加大研发力度，发掘株型发育与优化的元器件、建立调控回路，并在此基础上结合转基因及基因编辑技术对调控回路进行精准设计，从而快速、准确地对作物株型进行优化。

2.2 综合利用资源高效挖掘、基因编辑和合成生物等技术，快速创制抗病虫目标性状突出的农作物新品种

随着生物技术的发展，尤其是宏基因组和单细胞测序技术的发展，从微生物基因组中高通量挖掘抗病虫、耐除草剂以及次生代谢产物合成基因受到广泛关注，已为现代基因工程育种提供了有重要应用潜力的候选元器件和靶标回路[57-59]。近年来，作为颠覆性技术的合成生物学兴起，为培育抗病虫害农作物提供了新思路和新方法，其通常采用的策略是在植物中引入抗病虫活性物质的生物合成基因，重建抗病虫活性物质的生物合成途径，从而达到抗病虫的目的[60]。德国BASF公司和瑞士Evolva公司已经形成联盟，共同研发基于合成生物学的作物抗病虫害新技术[61]。国际上报道对草地贪夜蛾有防治效果的是来源于苏云金芽胞 杆 菌 的cry1Ab、cry1F、cry1A、105+cry2Ab2、vip3Aa20基因等；MIR162（Vip3A）对草地贪夜蛾具有很好的防控效果。据统计，1996—2016年基因工程作物的应用使产量增加了6.58亿t，带来1 861亿美元的收益；全球累计减少农药使用量6.71亿kg[62]。

我国已建成了涵盖基因克隆、遗传转化、品种培育、安全评价等全链条的研发与产业化设施平台，克隆了具有重大育种价值的抗病虫、耐除草剂基因，创制出一批具有重要应用前景的抗虫作物新品系。近年来，我国在作物抗刺吸式害虫基因发掘与抗性机制解析方面取得了一系列重要进展，特别是在水稻抗稻飞虱研究方面已处于国际领先地位，从作物种质资源中克隆一系列抗褐飞虱和抗蚜虫基因[21]。此外，采用基因编辑技术加快野生种质资源的人工驯化，加快抗病基因的原位编辑与聚合,实现精准设计抗病虫育种，为未来的农作物抗病虫改良提供新的思路[63-64]。

2.3 农业微生物组与宿主互作机制研究不断深入，为新一代微生物制剂研发奠定了重要基础

农业微生物组被认为是作物或养殖动物的第二基因组。根际微生物组对植物健康生长和土壤活力质量具有重要作用[65]，而肠道微生物不仅参与营养物质的消化吸收，还在宿主代谢和健康中具有重要调节功能。微生物组研究的高速发展得益于高通量非培养测序手段，能短时间内获得生态系统全部微生物的组成和结构，其中包括自然界不能培养的85%以上的暗物质[66-68]。但是植物体系因细胞器DNA污染，使得内生微生物组测序平台欠缺，导致多方面研究落后于动物和环境体系[69-70]。在认识根际有益微生物基础上，深刻了解底盘物代谢网络、功能模块作用机制和调控元件，设计并合成具有预期功能的生物元件和器件，将其组建为微生物促生模块，并在适当的“底盘”微生物中组装、测试、优化，以产生新型结构化合物，从而实现针对地上农作物的特异、高效、安全、环保的促生功效[71-72]。

豆科植物与根瘤菌的共生结瘤作用对于促进农业可持续发展与维持生态系统氮循环有着举足轻重的意义[40-41]。环境中的氮素精确调控豆科植物与根瘤菌间的共生结瘤。在氮贫瘠土壤中，根瘤菌诱导植物根系发育形成根瘤器官，并将空气中的氮气转化为可供植物直接利用的形式[73]。研究氮素营养吸收、运输、存储和代谢相关基因在共生关系建立中的细胞信号调控网络，鉴定可控氮素营养代谢结构元件，对于促进豆科植物高效结瘤、提高农业生产、减少化肥施用、保护生态环境等方面都具有重要意义[74-76]。我国科学家解析了目前为止国际上规模最为宏大的猪肠道微生物基因集和基于宏基因组组装的基因组，探索了宿主基因型对猪肠道微生物群组成的影响，证明在遗传多样性和环境均匀性加剧的条件下，微生物群组成和特定类群的丰度是可遗传的[77-78]。2019年，美国国家科学院、工程院和医学院联合发布题为“Science Breakthroughs to Advance Food and Agricultural Research by 2030” 的研究报告，将农业微生物组列入未来10年农业领域亟待突破的五大研究方向之一。

2.4 农业废弃物资源高效转化与合成技术应用前景广阔，是解决农业资源短缺和利用率低下等问题的有效途径

农业废弃物资源高效生物转化技术作为一种具有颠覆性意义的新兴技术，可以通过优化及重构微生物中心代谢途径，精准调控及组装废弃物分解及转化酶功能模块，实现体内或体外的高效合成与转化[79]。截止到2021年，全球高效生物转化与合成相关行业整体爆发式增长，市场规模达到736.93亿美元，较2020年增长767.5%，其中农业和食品领域被预测是未来市场需求最大和应用前景最广的领域[80]。目前，主要的瓶颈在于预处理技术不够成熟和转化效率不高两方面[81]。我国农业废弃物资源利用受制于以效应微生物及酶蛋白为代表的核心技术不成熟，整体利用效率低，转化技术稳定性差。

我国是畜禽养殖和饲料生产大国，近几年饲料行业发展迅速，饲料总产量和生产总值均以两位数增长，2021年全国工业饲料总产量达到2.9亿t，连续10年位居世界第一，约占全球总产量的1/4，全国饲料工业总产值已经接近万亿元[82]。我国生物饲料的发展已取得长足的进步，目前在饲料酶、饲用微生物、发酵饲料等领域的技术创新和产品研发上取得很好的成绩，品种不断增多，功能逐渐拓展，在国际市场也占据了一席之地，大大推动了我国饲料产业的技术升级和发展。农业废弃物资源高效生物转化与利用目前已成为畜牧业发展的新增长点，也是国际竞争的主战场之一，其应用能从源头上有效缓解动物产品安全与公众健康、减少养殖环境污染，也是进一步解决饲料资源短缺的现实需要。目前已有较好的研发和产业基础，要进一步整合成生物学、基因编辑技术、纳米技术、人工智能等高新技术，开展农业废弃物资源高效生物转化与合成生物学的基础研究、应用技术研究，建立系统的分子智能设计与绿色智造平台，推进农业废弃物资源高效生物转化与合成技术的研发和应用。

2.5 在饲料全面禁抗的背景下，益生元件生物合成与调控技术为创制绿色健康养殖产品提供重要支撑

养殖动物的共生微生物，尤其是消化道共生微生物，在参与养殖动物免疫与病害防治、营养代谢与品质调控、繁殖与发育维护等方面发挥着重要作用。由肠道微生物产生的益生元件则是目前最具潜力的抗生素替代品之一，对于解决目前饲料行业中抗生素滥用等问题具有重要的作用[83]。益生元作为直接参与饲料代谢和分解的元件，成为人们开发新一代饲料添加剂和饲料益生元件的重点关注对象[84-85]。如活菌代谢活动分泌（代谢产物）或细菌死亡溶解后释放的短链脂肪酸（SCFA）、酶类、多肽类、磷壁酸等可溶性因子，能够对宿主产生有益影响；其抗菌活性成分如细菌素、酶类、小分子物质和有机酸等，对革兰阳性和革兰氏阴性菌具有抑制或杀灭作用[46]。尤其是许多益生菌所产生的低聚糖、多酚和高分子聚合物（如聚谷氨酸）等益生元对调控畜禽动物免疫力、生长性能和提高肉蛋品质等方面具有很好的效果[86-87]。

随着分子生物学的飞速发展以及二代、三代全基因组测序技术和转录组分析技术的出现，从基因水平上研究益生元件的生物合成机制，并发掘新型益生元件生物合成模块已成为可能。与其他促生长物质（抗生素、益生素等）相比，其除具有安全、无毒、无残留、耐氧、耐酸、不易失活的优点外，还具有肠道定植能力强、耐热稳定性好、能耐受各种不良饲料加工条件和贮藏条件，在饲料中使用没有配伍禁忌等优点，可长期作为预防性使用[88]。早在20世纪80年代中期，日本就有在饲料中添加益生元件的研究。据报道，日本的仔猪饲料中约有40%都添加了益生元件[89]。与此同时，美国、欧盟等也对饲用益生元件进行了大量研究，特别是欧盟在2006年实施禁用饲用抗生素以来，益生元件作为替代品在动物疾病预防上成为主流。我国对饲用益生元件的研究起步较晚，并且主要集中于寡聚糖类益生元的抗病和促生长机制等方面的理论研究。今后应针对养殖动物的肠道微生物宏基因组与养殖动物健康之间的关系，高通量筛选新型饲料益生元件，集成与整合益生元件库，高效合成并创制具有更强抑菌活性和生长调控功能的新型益生元件产品，推动我国由传统养殖大国转变为健康养殖强国。

3 发展策略

3.1 总体目标

设计和创建主要作物重要性状调控、重大农业病虫害防治、根际微生物与转基因作物互作、饲料高效转化和抗生素替代等相关元器件和基因线路，实现基因智能改造和定向表达，为培育新一代转基因作物新品种提供技术支撑。

3.2 发展策略

针对影响作物产量、抗病虫、根际微生物、农业废弃物资源利用以及抗生素应用泛滥等各种农业问题，综合利用合成生物学、表观遗传学、基因组学、代谢组学等理论和技术，对关键基因群及调控元器件进行人工设计与智能改造，重点解决精准化与智能响应、适配性与系统优化的关键瓶颈问题，创造综合性状优良的作物新材料、发展共生基因组育种、促进农业资源循环利用的人工智能微生物和植物体系，确保国家粮食安全，实现我国农业绿色发展（图1）。

图1 农业生物基因农业生物基因回路设计与合成技术发展策略Fig.1 Development strategy of gene circuit design and synthesis technologies for agricultural organisms

3.3 优先领域

3.3.1 作物农艺性状调控回路设计技术 要针对我国粮食安全和高产优质作物品种精准设计的重大需求：①解析水稻、玉米、大豆、苜蓿等主要农作物株型性状（分蘖、株高、穗型等）形成的遗传调控回路并阐明其作用机理，挖掘具有重要育种价值的株型性状关键调控元器件及模块；②以水稻、玉米、大豆、苜蓿等作物为底盘，开展模块化基因智能改造，构建和优化株型性状模块和调控回路，创制株型改良、产量增加的水稻、玉米、大豆、苜蓿等优异育种新材料。通过挖掘和解析水稻、玉米、大豆、苜蓿等作物株型发育关键调控元器件和回路，设计和优化株型性状调控元件和模块，创制水稻、玉米、大豆等主要农作物新材。

3.3.2 作物抗病虫调控回路设计技术 针对当前农业生产中重大抗病虫作物新品种和国家粮食安全的迫切需求，重点开展以下研究。①通过对草地贪夜蛾有效的目标基因遗传转化，筛选优良的抗虫转基因玉米新材料；建立草地贪夜蛾的筛选和鉴定体系，获得遗传稳定的转基因抗性品系，开展分子特征、目标性状有效性和稳定性等研究，筛选出优良的抗虫转化体，并开展生物安全评价。②系统研究真菌聚酮等具有高抗病虫功能的微生物次生代谢产物相关合成途径和调控机制，在酵母菌等底盘生物中人工设计并构建组合合成模块，通过合成生物学、RNA干扰、基因组组装等技术创造具有抗黄萎病、枯萎病等多种病害的陆地棉新材料，并开展中间试验。③以底物通道理论设计相关抗病虫害物质的生物合成路线，形成可在植物亚细胞结构区域或细胞器定向表达的生物合成模块，在优选方案基础上获得生物合成途径稳定重建的转基因植物，测定相关抗病虫害活性物质的含量，评估转基因作物的抗病虫害能力。

3.3.3 作物根际互作促生模块设计技术 针对农业可持续发展的重大需求，发展共生基因组育种策略。①系统定义作物的种传及逐代获得的内生菌、根表及根际微生物，以稳定定植的共生菌为供体向水稻传递生物学性状。②构建与作物根系适配、高效利用氮的土壤微生物共出现网络，挖掘促生微生物功能系统；建立根系微生物底盘代谢网络，鉴定参与促生的反应途径及相关酶系，开发设计有利于根际互作的合成起始单元及后修饰的功能元件。③构建豆科植物高效结瘤的遗传调控网络，鉴定强环境耐受性、高效结瘤结构元件，并通过高效转化上述重要元件及基因线路，实现结瘤的智能改造与定向表达。

3.3.4 多酶系功能模块的组装与调试技术 针对我国饲料粮严重短缺，种、养殖业有机废弃物综合利用效率低、饲料转化技术不成熟、稳定性差等问题，进行多酶系功能模块组织和调试：①通过秸秆、棉籽粕的资源营养分析，确定降解转化的反应途径、代谢流分布及相关酶系，开发设计秸秆、棉籽粕转化相关酶系的合成生物元件、合成线路和生物功能系统，组装和调试生物转化的完整线路，并分别对底盘生物与转化酶系的调控回路进行多层次的重新设计，解决底盘细胞的合理优化问题，最终获得具有应用潜力的高效转化酶系或菌株；②建立完善羽毛降解元器件的克隆技术，开展具有重要应用价值的羽毛降解相关新元器件的筛选与鉴定工作，创建羽毛废弃物高效生物转化系统。通过分解转化系统模块的功能化组装和调试，基于底盘生物细胞转化验证其应用价值，实现农业有机废弃物的高效饲料化。

3.3.5 益生元件生物合成与调控技术 针对畜禽养殖业抗生素应用泛滥的问题，突破益生元件生物合成与调控技术。①在对重要养殖动物与其肠道微生物互作研究的基础上，重点突破益生元件生物合成的理论和技术难题。通过已构建的养殖动物肠道微生物纯培养物资源库和宏基因组文库，挖掘可调控畜禽动物免疫力、生长性能和肉（蛋）品质的益生元件，并进行功能模块的优化和改良。②利用基因工程技术及合成基因组学等方法，从转录、翻译、信号通路和翻译后修饰等不同层次智能设计益生元件生物合成的调控回路，优化合成线路中系统模块的功能化组装，建立高效合成多种益生元件的人工智能微生物体系。

4 结语

21世纪初，生命科学与生物技术的飞速发展推动农业育种由“耗时低效的传统育种”向“高效精准的分子育种”的革命性转变，可望突破传统农业瓶颈和资源刚性约束，培育细胞农业、低碳农业和智能农业等未来农业新业态和新动能[90-94]，促进以二氧化碳为基础原料，生产碳水食物的碳循环经济和以氮气为原料合成蛋白质的氮循环经济发展[95-97]。未来10年，为应对全球气候变化、人口增长、环境污染和资源匮乏等问题以及确保碳达峰和碳中和目标实现，基因回路设计和合成技术为代表的新一代基因工程将广泛应用于农业生产[4]，为光合作用、生物固氮、生物抗逆、生物转化和未来食品等世界性农业科技难题提供颠覆性的技术路线和革命性解决方案（表1）。

表1 基因回路设计和合成技术在农业和环境领域的应用前景Table 1 Application prospects of gene circuit design and synthesis technologies in agriculture and environment fields

2022年美国施密特未来智库发布《美国生物经济：为灵活和竞争性的未来规划路线》，把中国列为未来争夺全球主导地位的主要竞争对手，建议从政策体系、技术创新、成果转化、基础设施、人才培养等方面推进生物经济战略，以保持美国全球科技和经济的霸主地位，引领规模超过4万亿美元的全球生物经济发展。中国作为发展中的世界农业大国，面临国际贸易竞争日趋白热化，农业资源和生态环境的刚性制约日益突出，食物消费结构亟待加快转型升级，农业生产结构需要不断优化等重大挑战，迫切需要加快基因智能设计与定向表达技术等新一代基因工程创新，创制新一代农业生物新品种，突破性地提高对光、肥、水和土地等资源的利用率，促进我国农业高质量绿色发展。