近日，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院、未來(lái)作物精準(zhǔn)育種基礎(chǔ)研究卓越中心、嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室和亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉耀光院士和祝欽瀧研究員團(tuán)隊(duì)在國(guó)際知名期刊The Crop Journal（中科院一區(qū)，農(nóng)學(xué)TOP期刊）在線發(fā)表了題為“Synthetic metabolic engineering of functional crops: boosting nutrition and human health”的最新綜述。該論文深入探討了如何運(yùn)用前沿的植物合成生物學(xué)與合成代謝工程技術(shù)，將普通農(nóng)作物升級(jí)為營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化的“功能性作物”。文章旨在為全球日益加劇的營(yíng)養(yǎng)不良和慢性病挑戰(zhàn)提供創(chuàng)新解決方案。這篇綜述不僅全面總結(jié)了該領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)和成功案例，更重要的是，它為未來(lái)“超級(jí)營(yíng)養(yǎng)作物”的研發(fā)指明了方向，描繪了一幅通過(guò)智能設(shè)計(jì)與生物制造來(lái)保障未來(lái)糧食安全和人類健康的宏偉藍(lán)圖。
1. 直面全球營(yíng)養(yǎng)挑戰(zhàn)：重塑未來(lái)作物迫在眉睫
當(dāng)前，全球正面臨“隱性饑餓”與“營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩”并存的雙重負(fù)擔(dān)。一方面，許多發(fā)展中地區(qū)飽受維生素A、鐵、鋅等微量營(yíng)養(yǎng)素缺乏的困擾，嚴(yán)重影響婦女和兒童健康。另一方面，發(fā)達(dá)國(guó)家和新興經(jīng)濟(jì)體因不健康飲食導(dǎo)致的肥胖、糖尿病、高血壓等慢性病發(fā)病率居高不下。
水稻、小麥、玉米等主糧作物雖能提供熱量，但在關(guān)鍵維生素、礦物質(zhì)和有益脂肪酸等方面存在天然不足。傳統(tǒng)的雜交育種方法周期長(zhǎng)、效率低，且難以突破物種間的遺傳限制，已無(wú)法滿足人類對(duì)全面均衡營(yíng)養(yǎng)的迫切需求。因此，一套能夠精準(zhǔn)高效提升作物營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的新技術(shù)體系，從源頭解決全球營(yíng)養(yǎng)失衡問(wèn)題，顯得尤為緊迫。
2. 系統(tǒng)解析前沿技術(shù)：構(gòu)建植物“營(yíng)養(yǎng)工廠”的路徑
該綜述系統(tǒng)梳理了將作物打造成“營(yíng)養(yǎng)工廠”所需的核心技術(shù)與策略。文章重點(diǎn)關(guān)注與人類健康密切相關(guān)的幾大類關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)素——包括維生素（原維生素A、維生素C、維生素B9）、礦物質(zhì)（鐵、鋅）、抗氧化物（花青素、類黃酮）和健康脂肪酸（多不飽和脂肪酸）。文章全面回顧了如何通過(guò)工程化手段在作物中富集這些物質(zhì)，并強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜的營(yíng)養(yǎng)改良目標(biāo)，已不再是單一基因改良，而是依賴于多項(xiàng)尖端技術(shù)的協(xié)同發(fā)力。
綜述清晰地呈現(xiàn)了當(dāng)前最主要的“技術(shù)工具箱”：
?。?）多基因“疊加”技術(shù)（Multigene Stacking）： 針對(duì)復(fù)雜營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)合成路徑涉及多基因協(xié)同的特點(diǎn)，綜述總結(jié)了如何利用高效載體系統(tǒng)將多個(gè)基因表達(dá)元件“組裝”起來(lái)，在作物中重建或優(yōu)化代謝通路，實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從無(wú)到有或從少到多的合成。
（2）精準(zhǔn)基因“編輯”技術(shù)（CRISPR-based Gene Editing）： CRISPR等基因編輯工具如同“手術(shù)刀”，可精確“敲除”競(jìng)爭(zhēng)性代謝途徑，或通過(guò)編輯調(diào)控元件“激活”內(nèi)源關(guān)鍵基因表達(dá)，從而將代謝流導(dǎo)向目標(biāo)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的合成。
?。?）高效酶“改造”技術(shù)（Enzyme Engineering）： 針對(duì)代謝通路中關(guān)鍵酶的效能，綜述闡述了如何通過(guò)定向進(jìn)化或理性設(shè)計(jì)改造酶，提升其催化效率或改變底物偏好，以打破代謝瓶頸，大幅提高目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)量。
?。?）人工智能“設(shè)計(jì)”技術(shù)（Artificial Intelligence）： 文章特別強(qiáng)調(diào)了AI技術(shù)在未來(lái)植物代謝工程中的顛覆性潛力。通過(guò)整合分析多組學(xué)數(shù)據(jù)，AI能夠預(yù)測(cè)代謝網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，模擬基因組合效果，從而在實(shí)驗(yàn)前“智能設(shè)計(jì)”出最優(yōu)改造方案，極大加速研發(fā)進(jìn)程。
這篇綜述的重要意義在于，它首次將這些分散的技術(shù)整合到一個(gè)統(tǒng)一框架下，清晰揭示了它們?nèi)绾螀f(xié)同作用，為全球科研人員提供了一份實(shí)用的“操作手冊(cè)”和“技術(shù)白皮書(shū)”。
展望未來(lái)：邁向AI驅(qū)動(dòng)的“智能設(shè)計(jì)育種”：除了總結(jié)現(xiàn)有技術(shù)，該綜述更重要的是對(duì)未來(lái)的展望。文章指出，功能性作物的開(kāi)發(fā)將進(jìn)入模塊化、智能化、精準(zhǔn)化的新階段。
進(jìn)一步，作者提出了作物合成生物學(xué)的未來(lái)四大發(fā)展方向：
（1）構(gòu)建AI驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)生物學(xué)設(shè)計(jì)平臺(tái)： 實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜代謝網(wǎng)絡(luò)的智能預(yù)測(cè)與從頭設(shè)計(jì)。
（2）融合精準(zhǔn)基因編輯與酶工程： 實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞內(nèi)代謝流的精妙調(diào)控，甚至構(gòu)建“人造細(xì)胞器”進(jìn)行高效生產(chǎn)。
?。?）突破物種限制的遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)： 將強(qiáng)大的合成生物學(xué)工具應(yīng)用到更多具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值的作物中。
?。?）推行模塊化合成代謝工程策略： 在同一種作物中實(shí)現(xiàn)多種營(yíng)養(yǎng)素的“復(fù)合”協(xié)同提升，創(chuàng)造出真正的“超級(jí)營(yíng)養(yǎng)作物”。
未來(lái)，在AI的輔助下，科學(xué)家將能夠更高效、更可預(yù)測(cè)地“定制”出滿足不同人群特定營(yíng)養(yǎng)需求的作物，對(duì)未來(lái)全球糧食系統(tǒng)可持續(xù)綠色發(fā)展和人類健康具有重要的意義。
華南農(nóng)業(yè)大學(xué)博士后柴楠，西南大學(xué)博士后徐捷和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)博士研究生張瑞祥為本論文的共同第一作者。祝欽瀧教授與劉耀光院士為論文共同通訊作者。該研究得到了廣西科技重大專項(xiàng)、國(guó)家生物育種科技重大專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。
相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214514125001527
