近日，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院、未來作物精準育種基礎(chǔ)研究卓越中心、嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實驗室和亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護與利用國家重點實驗室劉耀光院士和祝欽瀧研究員團隊在國際知名期刊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)作物升級為營養(yǎng)強化的“功能性作物”。文章旨在為全球日益加劇的營養(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“超級營養(yǎng)作物”的研發(fā)指明了方向，描繪了一幅通過智能設(shè)計與生物制造來保障未來糧食安全和人類健康的宏偉藍圖。

 

　　1. 直面全球營養(yǎng)挑戰(zhàn)：重塑未來作物迫在眉睫

 

　　當前，全球正面臨“隱性饑餓”與“營養(yǎng)過剩”并存的雙重負擔。一方面，許多發(fā)展中地區(qū)飽受維生素A、鐵、鋅等微量營養(yǎng)素缺乏的困擾，嚴重影響婦女和兒童健康。另一方面，發(fā)達國家和新興經(jīng)濟體因不健康飲食導(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、效率低，且難以突破物種間的遺傳限制，已無法滿足人類對全面均衡營養(yǎng)的迫切需求。因此，一套能夠精準高效提升作物營養(yǎng)價值的新技術(shù)體系，從源頭解決全球營養(yǎng)失衡問題，顯得尤為緊迫。

 

　　2. 系統(tǒng)解析前沿技術(shù)：構(gòu)建植物“營養(yǎng)工廠”的路徑

 

　　該綜述系統(tǒng)梳理了將作物打造成“營養(yǎng)工廠”所需的核心技術(shù)與策略。文章重點關(guān)注與人類健康密切相關(guān)的幾大類關(guān)鍵營養(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工程化手段在作物中富集這些物質(zhì)，并強調(diào)實現(xiàn)這些復(fù)雜的營養(yǎng)改良目標，已不再是單一基因改良，而是依賴于多項尖端技術(shù)的協(xié)同發(fā)力。

 

　　綜述清晰地呈現(xiàn)了當前最主要的“技術(shù)工具箱”：

 

　?。?）多基因“疊加”技術(shù)（Multigene Stacking）： 針對復(fù)雜營養(yǎng)物質(zhì)合成路徑涉及多基因協(xié)同的特點，綜述總結(jié)了如何利用高效載體系統(tǒng)將多個基因表達元件“組裝”起來，在作物中重建或優(yōu)化代謝通路，實現(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)從無到有或從少到多的合成。

 

　?。?）精準基因“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”競爭性代謝途徑，或通過編輯調(diào)控元件“激活”內(nèi)源關(guān)鍵基因表達，從而將代謝流導(dǎo)向目標營養(yǎng)物質(zhì)的合成。

 

　?。?）高效酶“改造”技術(shù)（Enzyme Engineering）： 針對代謝通路中關(guān)鍵酶的效能，綜述闡述了如何通過定向進化或理性設(shè)計改造酶，提升其催化效率或改變底物偏好，以打破代謝瓶頸，大幅提高目標產(chǎn)物產(chǎn)量。

 

　　（4）人工智能“設(shè)計”技術(shù)（Artificial Intelligence）： 文章特別強調(diào)了AI技術(shù)在未來植物代謝工程中的顛覆性潛力。通過整合分析多組學(xué)數(shù)據(jù)，AI能夠預(yù)測代謝網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點，模擬基因組合效果，從而在實驗前“智能設(shè)計”出最優(yōu)改造方案，極大加速研發(fā)進程。

 

　　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用的“操作手冊”和“技術(shù)白皮書”。

 

　　展望未來：邁向AI驅(qū)動的“智能設(shè)計育種”：除了總結(jié)現(xiàn)有技術(shù)，該綜述更重要的是對未來的展望。文章指出，功能性作物的開發(fā)將進入模塊化、智能化、精準化的新階段。

 

　　進一步，作者提出了作物合成生物學(xué)的未來四大發(fā)展方向：

 

　?。?）構(gòu)建AI驅(qū)動的系統(tǒng)生物學(xué)設(shè)計平臺： 實現(xiàn)對復(fù)雜代謝網(wǎng)絡(luò)的智能預(yù)測與從頭設(shè)計。

 

　?。?）融合精準基因編輯與酶工程： 實現(xiàn)對細胞內(nèi)代謝流的精妙調(diào)控，甚至構(gòu)建“人造細胞器”進行高效生產(chǎn)。

 

　　（3）突破物種限制的遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)： 將強大的合成生物學(xué)工具應(yīng)用到更多具有重要經(jīng)濟價值的作物中。

 

　　（4）推行模塊化合成代謝工程策略： 在同一種作物中實現(xiàn)多種營養(yǎng)素的“復(fù)合”協(xié)同提升，創(chuàng)造出真正的“超級營養(yǎng)作物”。

 

　　未來，在AI的輔助下，科學(xué)家將能夠更高效、更可預(yù)測地“定制”出滿足不同人群特定營養(yǎng)需求的作物，對未來全球糧食系統(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、國家生物育種科技重大專項、國家自然科學(xué)基金項目的資助。

 

　　相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214514125001527