未来已来品质设计：未来已来开启造物
未来已来品质设计：未来已来开启造物图4 合成生物学技术的知识图谱 (陈大明 2020)。图3 合成生物学企业图谱 (曾正阳 2021)。合成生物学产业可分为上、中、下游三个部分。中上游领域的公司掌握物体设计与自动化平台、DNA和RNA合成或软件设计等技术；下游领域公司利用合成生物学技术，应用于医疗保健、工业化学品、生物燃料等产品的开发和市场化领域。合成生物学采用工程学“自下而上”的理念，打破“自然”和“非自然”的界限，从系统表征自然界具有催化调控等功能的生物大分子，使其成为标准化“元件”，到创建“模块”、“线路”等全新生物部件与细胞“底盘”，构建有各类用途的人造生命系统。这一与系统生物学“自上而下”解析理念相反的合成理念，也将我们习以为常的“格物致知”研究策略，推进到了“建物致知”的新高度。这样，进化过程中“猜测”的祖先物种或分子体系，将可能被合成，并加以定向的诠释；而被各种“假说”、“对照”分割研究的复杂生命现象，也
近年来，合成生物学的科学魅力和巨大的应用前景驱动世界主要国家提出发展路线图、设立研究专项；迅速增加的融资催生大批初创企业；科学人才和产业发展并举。那么，什么是合成生物学呢？它对未来农业有什么影响？对我们的基础基因功能研究又有怎样的启发呢？来和伯小远一起了解一下吧。
合成生物学
合成生物学是一门以工程思想为指导、多学科结合的新兴领域，通过一系列重新设计与技术改造使生物体或细胞具有新的能力，在此过程中设计与构建一系列新的标准化的生物元件、组件与系统，以实现理想的合成生物系统。
中国科学院院士、中国科学院合成生物学重点实验室专家委员会主任赵国屏曾提到，合成生物学采用工程学“设计-合成-测试”的研究方法，在学习抽象自然生命系统的基础上，或对自然生物系统“重编程”，或重头设计具有全新特征的人工生命体系；然后，利用“基因编辑”、“基因合成”等工具，用实验方法来构建，再对构建出来的生物系统进行测试，如此反复循环优化，形成正向可靠的科学闭环。
合成生物学采用工程学“自下而上”的理念，打破“自然”和“非自然”的界限，从系统表征自然界具有催化调控等功能的生物大分子，使其成为标准化“元件”，到创建“模块”、“线路”等全新生物部件与细胞“底盘”，构建有各类用途的人造生命系统。这一与系统生物学“自上而下”解析理念相反的合成理念，也将我们习以为常的“格物致知”研究策略，推进到了“建物致知”的新高度。这样，进化过程中“猜测”的祖先物种或分子体系，将可能被合成，并加以定向的诠释；而被各种“假说”、“对照”分割研究的复杂生命现象，也可以实现整合的定量研究，解析因果机制。
图1 合成生物学代表性进展 (赵国屏，2018)。
图2 近十年推动合成生物学发展的重要技术进展 (Meng Fankang and Ellis Tom 2020)。
图3 合成生物学企业图谱 (曾正阳 2021)。合成生物学产业可分为上、中、下游三个部分。中上游领域的公司掌握物体设计与自动化平台、DNA和RNA合成或软件设计等技术；下游领域公司利用合成生物学技术，应用于医疗保健、工业化学品、生物燃料等产品的开发和市场化领域。
图4 合成生物学技术的知识图谱 (陈大明 2020)。
表1 “973计划”合成生物学项目 (张先恩 2019)。
注：1997年，我国重点基础研究发展计划启动，称为“973计划”，主要支持国家重大需求驱动的基础研究和重大新兴交叉学科前沿领域。2010年启动“合成生物学”专题研究，部署了表中的10个研发项目。
看了上面的这些介绍，大家对合成生物学有个大概的印象就好，那它和我们平时所学又有什么关系呢？伯小远想先讲讲合成生物学之农业微生物。
农业微生物
伯小远最近在关注与农业相关的国家政策，发现了一些与农业微生物有关的文件或提案。
2022年中央一号文件提出，要加快推进农业种质资源普查收集，聚焦产业促进乡村发展。国务院印发的《“十四五”推进农业农村现代化规划》提出，要加强国家农作物、林草、畜禽、海洋和淡水渔业、微生物种质资源库建设。
在最近召开的“两会”中，中国工程院院士、广东省科学院微生物研究所名誉所长吴清平院士，建议加强微生物种业创新，将微生物种业纳入我国现代种业体系。
红杉中国创始及执行合伙人沈南鹏带来的提案之一是关于发掘农业微生物应用潜力相关的，他指出，随着农业微生物种质资源保护在2020年首次被提升为国家战略，农业领域开发利用促进微生物保护的任务更为迫切。
合成生物学对未来农业有什么样的影响（图4）？功能微生物学在农业上又有何应用呢（图6）？跟随小远展开想象吧！
图5 合成生物学对未来农业和营养的影响 (Roell and Zurbriggen 2020)。（a）提高植物的营养价值包括增加多种类胡萝卜素（以维生素A为例）和长链多不饱和脂肪酸（PUFA，以花生四烯酸为例）。甜菊糖（如图所示）是甜叶菊的主要成分，被用作天然甜味剂，但其苦涩的余味限制了在食品中的应用；（b）在植物中构建合成代谢有助于改善植物生长。合成代谢途径设计并利用计算机预测植物内源网络环境下的功能，有助于其在植物体内的成功实施；（c）基于光自养的平台，用于疫苗、免疫疗法、抗体、生物制药和生物燃料的生产（从左到右）；（d）通过植物微生物组工程减少肥料使用，利用丛枝菌根和/或外生菌根共生体及结瘤固氮细菌的群落（从左到右）来构建合成微生物的群落。
图6 植物与微生物的几种相互作用方式。（1）生物膜：细菌可以聚集并形成一层薄薄的薄膜，不仅保护细菌，还保护它附着的植物叶片或根，例如枯草杆菌形成的生物膜可帮助部分植物抵抗假单胞菌的侵害；（2）内生菌：生活在宿主组织内的有益微生物，几乎所有的植物都被发现含有内生菌，并且内生菌遍布植物体内；（3）植物激素的产生：细菌会对植物产生的激素有反应，并能影响这些激素的类型，而激素又会影响植物生长；（4）营养获取：许多微生物产生的化合物和矿物质作为副产品，对植物是有益的，例如硝化细菌将铵转化为硝酸盐可被植物吸收；（5）根际沉积：植物在根周围的土壤中沉积化合物，通过吸引或排斥作用改变周围的微生物群落，这种类型的信号会因土壤中的植物类型和微生物类型而异。
应 用
图7 基于合成生物学的功能微生物在农业生产中的应用 (迟佳妮 2020)。
土壤检测与修复
植物根际是一个动态的环境，植物在生长过程中会与土壤中的微生物发生相互作用，可以通过检测特定信号分子的浓度来监测环境中细菌的数量，例如对酰化高丝氨酸内酯类化合物的监测可以成为防治革兰氏阴性菌产生病害的方法 (张彩凤，2011)。
生物修复可以很好的解决农药造成的环境污染问题，例如通过重新构建工程菌株，分别实现对有机磷和拟除虫菊酯的降解 (Zuo et al. 2015)、实现对毒死蜱和呋喃丹的降解 (Gong et al. 2016)。
促进植物生长
在农业生产上，通常使用化肥、杀虫剂来提高作物产量，这样会导致土壤退化、生物多样性丧失、水污染等，而目前的困境不止于此，也在于进一步增加化学品的投入也不能再等比例地提高作物的生物量。在未来生产中，植物根际促生菌（Plant growth-promoting rhizobacteria，PGPR）被认为是化学药品的替代品。
PGPR可以通过产生植物激素或次生代谢物、控制病害、诱导系统抗病性或通过改变与植物的物理化学相互作用来促进植物根和地上部的生长。
在全球市场上，目前BASF SE（德国）， E.I. DuPont de Nemours and Company（美国），Bayer Crop Science（德国），Novozymes A/S（丹麦）和Verdesian Life Sciences LLC（美国）这五家微生物菌剂公司排名前五。
大豆可能是受益于微生物菌剂最成功的作物。在巴西，用优质固氮慢生根瘤菌接种大豆，可以充分满足大豆对氮的需求，为国家每年节省价值130亿美元的氮肥 (Batista Bruna D. and Singh Brajesh K 2021)。
监测植物病原体、检测农产品质量
基于全细胞生物传感器技术的木材降解检测工具，专门用于检测木质腐烂过程中产生的副产物纤维二糖 (Toussaint et al. 2016)。
以大肠杆菌作为微生物底盘，开发出了基于比色检测的生物传感器用于检测有机磷的浓度 (Chong Huiqing and Ching Chi Bun 2016)。
生产植物天然产物
通过向微生物细胞中引入植物代谢的相关途径，以期合成有价值的植物复杂代谢物的中间体或终产物。例如对薄荷醇、萝卜苷、13R-甲酰氧化物的生产 (迟佳妮 2020)。
看了上面的这些应用，大家肯定在想，这些好像离自已平时做的基因功能研究有些远呢，下面伯小远来介绍一篇经典的文献，大家可以看看当分子信号通路做到比较不错的时候，怎么来和微生物联系起来共同解释分子机理，这个方向属于交叉学科，有创意，能出好文章，希望对大家有所帮助!
典型文献
2019年6月，中国科学院白洋和储成才团队在Nature Biotechnology杂志上发表了题为“NRT1.1B is associated with root microbiota composition and nitrogen use in field-grown rice”的文章 (Zhang et al. 2019)，该研究通过对不同籼稻和粳稻品种的根际微生物组进行研究，发现籼稻根际比粳稻根际富集了更多参与氮代谢的微生物群落，且该现象与硝酸盐转运蛋白基因NRT1.1B在籼粳之间的自然变异有关。NRT1.1B的缺失改变了籼稻中49.6%的根际微生物群落，表明其在籼稻招募特异的根际微生物中发挥重要作用。
01背景介绍
亚洲栽培稻（Oryza sativa L.）分为籼稻和粳稻两个亚种，它们在基因组和表型层面的差异已有许多文献报道，其中籼稻与粳稻有一个显著的表型差异，前者具有更高的氮利用效率（Nitrogen-use efficiency，NUE），作者团队之前对此解释了其可能的分子机制，即负责氮转运的基因NRT1.1B的自然变异导致了这种差异，该基因第327位氨基酸在籼稻中是蛋氨酸Met，而在粳稻中则是苏氨酸Thr (Hu et al. 2015)。
土壤中氮的主要形式为铵盐、硝酸盐和有机氮，相比于有机氮，植物更喜欢吸收无机氮（NO3-、NH4 ）。那么，水稻的根系微生物组是否与籼粳稻的不同氮吸收效率有关？之前关于水稻群体水平的微生物组差异的研究还未见报道过。
02实验结果
1、对籼粳稻分别进行微生物组检测
通过对68份籼稻材料和27份粳稻材料的根际微生物进行研究，发现籼稻根系特异富集的微生物类群分布在δ-变形菌纲（Deltaproteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、酸酐菌门（Acidobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidetes）等，而粳稻根系富集的微生物主要集中在α-变形菌纲（Alphaproteo bacteria）。
2、检测微生物组能否作为区分籼粳亚种的生物标志物
与籽粒形状、叶片颜色、基因组特征一样，研究表明根系微生物组也可以作为鉴别籼粳稻的生物标志物。
3、鉴定根系微生物组与氮利用的关系
籼稻富集的OTUs与氮循环有关，氮转化在籼稻的根系环境中比粳稻更活跃，这可以解释之前报道的籼稻氮利用效率比粳稻高的现象。
注：OTUs（Operational taxonomic units）指可执行的分类操作单位，主要是按照16s DNA测序结果计算遗传距离，人为规定遗传距离，然后依此距离区别微生物类群的分类单位，往往会和已知菌一起做聚类，从而完成微生物的种属归属鉴定，它是微生物遗传学上的概念。
图8 籼粳稻根系微生物组在种属和功能上的差异 (Zhang et al. 2019)。（a、b）曼哈顿图展示地块I（a）和地块II（b）籼粳稻间有差异的OTUs。圆形或三角形代表OTUs，籼稻显著富集的为实心上三角，粳稻显著富集的为空心下三角；（c、d）籼稻（c）和粳稻（d）在两块地共同富集的OTUs；（e、g）基于FAPROTAX注释，籼稻（e）和粳稻（g）特异富集的OTUs。每行代表一个OTU；（f、h）对于籼稻（f）和粳稻（h），检测其随着种植时间变化的OTUs丰度；（i、j）在籼稻（i）和粳稻（j）的根系微生物群中富集的代谢和生态功能的相对丰度。
4、检测NRT1.1B与籼粳稻根系微生物组之间的联系
对野生型中花11和nrt1.1b缺失突变体的根系微生物组进行分析，发现NRT1.1B在水稻根系微生物组形成中起重要作用。
图9 NRT1.1B与籼粳稻根系微生物组之间的联系 (Zhang et al. 2019)。（a）硝酸盐的氨化功能与NRT1.1B基因在籼粳稻中的自然变异有关；（b）四种材料的根际微生物群落分布；（c）nrt1.1b突变体中缺失的OTUs和籼稻富集的OTUs的重叠；（d）NRT1.1B籼稻富集的OTUs与籼稻富集的OTUs的重叠；（e、f）是（c、d）中重叠OTUs的分类；（g）NRT1.1B与根际微生物群中与铵形成的基因有关。
5、培养水稻根系微生物组
为了进一步研究籼粳稻根系微生物组中特异富集的OTUs功能，对IR64和日本晴的根际微生物进行细菌分离培养，建立了今后可用于研究水稻根系细菌群落功能的资源材料库。
图10 以籼稻IR64（a）和粳稻日本晴（b）为材料分离培养的根系细菌 (Zhang et al. 2019)。
6、人工微生物群落可改进水稻氮吸收
通过分离籼粳稻特异富集的微生物，构建了人工微生物群落（Synthetic community，SynCom）来验证其在水稻生长和氮吸收中的作用。从籼稻富集的SynCom在以有机氮为唯一氮源时，可显著促进IR24的生长，初步表明籼稻可以通过招募特异的根际微生物来提高对氮的利用效率。
该研究为解析微生物群落调控植物营养，尤其是为解析籼稻和粳稻的氮利用效率的分子机制提供了重要线索，也为通过管理根际微生物提高作物营养吸收提供了理论支撑。
小远叨叨
目前农业生物资源开发的形势是重“动植物”，轻“微生物”。当前对农业生物多样性的关注，更多集中在农作物和家畜等可获取食物、营养和药用的物种上，目前在农业生产中对微生物在作物增产、植株抗病、生态修复等方面的价值普遍认知不足，成功产业化开发的微生物菌种相对较少。在未来，强化微生物在农业系统中的作用可能是未来农业可持续发展的重要方向之一。在本文中，伯小远在“应用”、“典型文献”部分也做了简单介绍，微生物在农业领域中广泛的应用值得期待！
改造生命的目的，是为了更好地认识和调控生命现象，使之为改善生态、提高人类生命、生活质量服务。我们科研人，也要时时关注生产实际问题、国家政策发展方向、资本发展方向，才能顺势而为，守正出奇！
参考文献：
张彩凤. 细菌群体感应系统信号分子的分类及检测[J]. 生命科学仪器 2011 9(5):2.
赵国屏. 合成生物学:开启生命科学"会聚"研究新时代[J]. 中国科学院院刊 2018 33(11):1135-1149.
陈大明 刘晓 范月蕾 等. 从全球专利分析看合成生物学技术发展趋势[J]. 合成生物学 2020 1(3):13.
张先恩. 中国合成生物学发展回顾与展望[J]. 中国科学：生命科学 2019 49(12):30.
迟佳妮 郭明璋 刘洋儿 等. 基于合成生物学的功能微生物在种植业生产中的研究进展[J]. 农业生物技术学报 2020 28(9):11.
曾正阳 刘心宇 马铭驹 等. 合成生物学产业发展与投融资战略研究[J]. 集成技术 10(5):104.
Batista BD Singh BK. Realities and hopes in the application of microbial tools in agriculture. Microb Biotechnol. 2021;14(4):1258-1268.
Chong H Ching CB. Development of Colorimetric-Based Whole-Cell Biosensor for Organophosphorus Compounds by Engineering Transcription Regulator DmpR. ACS Synth Biol. 2016;5(11):1290-1298.
Hu B Wang W Ou S et al. Variation in NRT1.1B contributes to nitrate-use divergence between rice subspecies. Nat Genet. 2015;47(7):834-838.
Gong T Liu R Che Y et al. Engineering Pseudomonas putida KT2440 for simultaneous degradation of carbofuran and chlorpyrifos. Microb Biotechnol. 2016;9(6):792-800.
Meng F Ellis T. The second decade of synthetic biology: 2010-2020. Nat Commun. 2020;11(1):5174.
Roell MS Zurbriggen MD. The impact of synthetic biology for future agriculture and nutrition. Curr Opin Biotechnol. 2020;61:102-109.
Toussaint M Bontemps C Besserer A Hotel L Gérardin P Leblond P. Whole-cell biosensor of cellobiose and application to wood decay detection. J Biotechnol. 2016;239:39-46.
Zhang J Liu YX Zhang N et al. NRT1.1B is associated with root microbiota composition and nitrogen use in field-grown rice. Nat Biotechnol. 2019;37(6):676-684.
Zuo Z Gong T Che Y et al. Engineering Pseudomonas putida KT2440 for simultaneous degradation of organophosphates and pyrethroids and its application in bioremediation of soil. Biodegradation. 2015;26(3):223-233.
NO.1好文推荐Historical articles
蛋白翻译后修饰——磷酸化（二）
油菜想做个自我介绍
袁隆平爷爷心系的“一系法”，能否实现？
你还在小瞧质谱吗？
谈谈CRISPR/dCas9系统的“百变”应用（二）
NO.2伯远生物可提供以下技术服务Technical service
十六大植物遗传转化
多重基因编辑全套服务
高通量基因编辑检测
突变体库靶标设计及完整解决方案
蛋白-蛋白、蛋白-核酸相互作用检测
繁种服务
