華南農業大學農學院劉耀光/祝欽瀧團隊發表作物合成生物學賦能“超級營養作物”的重要綜述

核心提示：該論文深入探討了如何運用前沿的植物合成生物學與合成代謝工程技術，將普通農作物升級爲營養強化的“功能性作物”。文章旨在爲全球日益加劇的營養不良和慢性病挑戰提供創新解決方案。這篇綜述不僅全面總結了該領域的關鍵技術和成功案例，更重要的是，它爲未來“超級營養作物”的研發指明瞭方向，描繪了一幅通過智能設計與生物製造來保障未來糧食安全和人類健康的宏偉藍圖。……（世界食品網-www.shijieshipin.com）

近日，華南農業大學農學院、未來作物精準育種基礎研究卓越中心、嶺南現代農業科學與技術廣東省實驗室和亞熱帶農業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，農學TOP期刊）在線發表了題爲“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與合成代謝工程技術，將普通農作物升級爲營養強化的“功能性作物”。文章旨在爲全球日益加劇的營養不良和慢性病挑戰提供創新解決方案。這篇綜述不僅全面總結了該領域的關鍵技術和成功案例，更重要的是，它爲未來“超級營養作物”的研發指明瞭方向，描繪了一幅通過智能設計與生物製造來保障未來糧食安全和人類健康的宏偉藍圖。

1. 直面全球營養挑戰：重塑未來作物迫在眉睫

當前，全球正面臨“隱性飢餓”與“營養過剩”並存的雙重負擔。一方面，許多發展中地區飽受維生素A、鐵、鋅等微量營養素缺乏的困擾，嚴重影響婦女和兒童健康。另一方面，發達國家和新興經濟體因不健康飲食導致的肥胖、糖尿病、高血壓等慢性病發病率居高不下。

水稻、小麥、玉米等主糧作物雖能提供熱量，但在關鍵維生素、礦物質和有益脂肪酸等方面存在天然不足。傳統的雜交育種方法週期長、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的迫切需求。因此，一套能夠精準高效提升作物營養價值的新技術體系，從源頭解決全球營養失衡問題，顯得尤爲緊迫。

2. 系統解析前沿技術：構建植物“營養工廠”的路徑

該綜述系統梳理了將作物打造成“營養工廠”所需的核心技術與策略。文章重點關注與人類健康密切相關的幾大類關鍵營養素——包括維生素（原維生素A、維生素C、維生素B9）、礦物質（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）。文章全面回顧瞭如何通過工程化手段在作物中富集這些物質，並強調實現這些複雜的營養改良目標，已不再是單一基因改良，而是依賴於多項尖端技術的協同發力。

綜述清晰地呈現了當前最主要的“技術工具箱”：

（1）多基因“疊加”技術（Multigene Stacking）： 針對複雜營養物質合成路徑涉及多基因協同的特點，綜述總結了如何利用高效載體系統將多個基因表達元件“組裝”起來，在作物中重建或優化代謝通路，實現營養物質從無到有或從少到多的合成。

（2）精準基因“編輯”技術（CRISPR-based Gene Editing）： CRISPR等基因編輯工具如同“手術刀”，可精確“敲除”競爭性代謝途徑，或通過編輯調控元件“激活”內源關鍵基因表達，從而將代謝流導向目標營養物質的合成。

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

（4）人工智能“設計”技術（Artificial Intelligence）： 文章特別強調了AI技術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數據，AI能夠預測代謝網絡關鍵節點，模擬基因組合效果，從而在實驗前“智能設計”出最優改造方案，極大加速研發進程。

這篇綜述的重要意義在於，它首次將這些分散的技術整合到一個統一框架下，清晰揭示了它們如何協同作用，爲全球科研人員提供了一份實用的“操作手冊”和“技術白皮書”。

展望未來：邁向AI驅動的“智能設計育種”：除了總結現有技術，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的未來四大發展方向：

（1）構建AI驅動的系統生物學設計平臺： 實現對複雜代謝網絡的智能預測與從頭設計。

（2）融合精準基因編輯與酶工程： 實現對細胞內代謝流的精妙調控，甚至構建“人造細胞器”進行高效生產。

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

（4）推行模塊化合成代謝工程策略： 在同一種作物中實現多種營養素的“複合”協同提升，創造出真正的“超級營養作物”。

未來，在AI的輔助下，科學家將能夠更高效、更可預測地“定製”出滿足不同人羣特定營養需求的作物，對未來全球糧食系統可持續綠色發展和人類健康具有重要的意義。

華南農業大學博士後柴楠，西南大學博士後徐捷和華南農業大學博士研究生張瑞祥爲本論文的共同第一作者。祝欽瀧教授與劉耀光院士爲論文共同通訊作者。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、國家自然科學基金項目的資助。

相關論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214514125001527

日期：2025-08-21