目錄
第1章 緒論：農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)的前世今生 1
1.1 技術(shù)發(fā)展歷程 1
1.1.1 人工馴化 1
1.1.2 雜交技術(shù) 2
1.1.3 轉(zhuǎn)基因技術(shù) 4
1.1.4 基因編輯技術(shù) 9
1.1.5 農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù) 15
1.2 相關(guān)技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)分析 22
1.2.1 基因編輯技術(shù) 23
1.2.2 表觀遺傳修飾技術(shù) 23
1.2.3 根際生物固氮技術(shù) 24
1.2.4 人造肉技術(shù) 24
1.2.5 人造奶技術(shù) 25
1.3 生物安全監(jiān)管法規(guī) 26
1.3.1 世界各國(guó)監(jiān)管現(xiàn)狀 26
1.3.2 監(jiān)管內(nèi)容與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 27
1.4 生物倫理風(fēng)險(xiǎn)與管理 30
1.4.1 人造生命體 30
1.4.2 活的基因工程機(jī)器 30
1.4.3 將合成生物體釋放到環(huán)境中進(jìn)行生物修復(fù) 31
1.4.4 致病病毒或微生物的合成 31
1.4.5 哺乳動(dòng)物細(xì)胞的合成生物技術(shù) 31
第2章 農(nóng)業(yè)合成生物底盤(pán)重建 34
2.1 農(nóng)業(yè)合成生物理想底盤(pán) 34
2.1.1 植物底盤(pán) 35
2.1.2 微生物底盤(pán) 39
2.2 農(nóng)業(yè)合成生物底盤(pán)重建策略 52
2.2.1 設(shè)計(jì)編程 54
2.2.2 構(gòu)建驗(yàn)證 54
2.2.3 測(cè)試驗(yàn)證 55
2.2.4 學(xué)習(xí)反饋 55
2.3 農(nóng)業(yè)合成生物底盤(pán)重建技術(shù) 56
2.3.1 DNA測(cè)序、合成與組裝技術(shù) 56
2.3.2 高效遺傳轉(zhuǎn)化與精準(zhǔn)基因編輯技術(shù) 61
2.3.3 全局性基因動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù) 63
2.3.4 蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)與酶工程技術(shù) 64
2.3.5 數(shù)字建模與定量合成生物技術(shù) 66
2.3.6 微流控芯片與微型生物反應(yīng)器技術(shù) 68
2.3.7 自動(dòng)化合成生物設(shè)施平臺(tái) 69
2.4 農(nóng)業(yè)合成生物底盤(pán)重建工程 72
2.4.1 啟動(dòng)子與動(dòng)態(tài)調(diào)控元件工程 73
2.4.2 新酶設(shè)計(jì)與輔因子工程 74
2.4.3 基因線路組裝與底盤(pán)重建工程 78
第3章 人工光合體系與農(nóng)業(yè)應(yīng)用 90
3.1 光合作用與人工光合體系 91
3.1.1 光合作用原理 91
3.1.2 光合作用的生態(tài)意義 92
3.1.3 人工光合體系創(chuàng)建 93
3.2 研發(fā)歷程與最新進(jìn)展 96
3.2.1 天然光反應(yīng)系統(tǒng)的改造優(yōu)化 97
3.2.2 光呼吸和CO2固定途徑的重新設(shè)計(jì) 99
3.2.3 高光效作物的從頭馴化 100
3.2.4 人工自養(yǎng)微生物的工程化設(shè)計(jì) 102
3.2.5 電驅(qū)動(dòng)人工固碳與人工葉片固碳 103
3.2.6 光合細(xì)胞工廠與葉綠體高效表達(dá)系統(tǒng)創(chuàng)建 104
3.2.7 以二氧化碳為原料合成人工淀粉 105
3.3 未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域 106
3.3.1 國(guó)際動(dòng)態(tài) 106
3.3.2 技術(shù)路徑與發(fā)展目標(biāo) 106
3.3.3 重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容 111
第4章 人工固氮體系與農(nóng)業(yè)應(yīng)用 117
4.1 提高氮肥利用率的痛點(diǎn)問(wèn)題 118
4.1.1 化學(xué)氮肥農(nóng)業(yè)應(yīng)用的痛點(diǎn)問(wèn)題 119
4.1.2 生物固氮農(nóng)業(yè)應(yīng)用的痛點(diǎn)問(wèn)題 120
4.2 生物固氮研發(fā)歷程與研發(fā)動(dòng)態(tài) 121
4.2.1 研發(fā)歷程 121
4.2.2 研發(fā)動(dòng)態(tài) 124
4.2.3 產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用動(dòng)態(tài) 132
4.3 技術(shù)路線與研發(fā)布局 134
4.3.1 技術(shù)路線 134
4.3.2 重點(diǎn)研發(fā)布局 141
4.4 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 147
第5章 抗逆模塊設(shè)計(jì)及育種應(yīng)用 149
5.1 抗非生物逆境生物育種工程 150
5.1.1 植物抗非生物逆境機(jī)制 150
5.1.2 植物抗逆模塊挖掘與功能評(píng)價(jià) 151
5.1.3 微生物抗逆基因挖掘與功能評(píng)價(jià) 156
5.1.4 植物抗非生物逆境育種工程的重點(diǎn)研發(fā)方向 162
5.2 抗生物逆境生物育種工程 165
5.2.1 抗病蟲(chóng)基因及其產(chǎn)物 165
5.2.2 抗病蟲(chóng)育種技術(shù)及品種創(chuàng)制 167
5.2.3 耐除草劑作物新品種創(chuàng)制 171
5.3 新型RNA農(nóng)藥創(chuàng)制 174
5.3.1 RNA農(nóng)藥的作用機(jī)制 175
5.3.2 RNA農(nóng)藥的合成與遞送技術(shù) 176
5.3.3 新型RNA農(nóng)藥產(chǎn)品研發(fā) 177
5.4 高性能抗逆底盤(pán)菌株創(chuàng)制 179
5.4.1 底盤(pán)菌株抗逆能力提升 181
5.4.2 高性能抗逆底盤(pán)菌株創(chuàng)制的重點(diǎn)研究方向 189
第6章 農(nóng)業(yè)微生物組工程化應(yīng)用 191
6.1 農(nóng)業(yè)微生物組工程化策略 191
6.1.1 "自下而上"微生物組工程化策略 192
6.1.2 "自上而下"微生物組工程化策略 192
6.2 農(nóng)業(yè)微生物組工程化技術(shù) 193
6.2.1 培養(yǎng)與非培養(yǎng)相結(jié)合的高通量分析技術(shù) 193
6.2.2 農(nóng)業(yè)微生物組遺傳操作與功能測(cè)試技術(shù) 197
6.2.3 厭氧微生物組關(guān)鍵技術(shù) 202
6.2.4 種子生物包衣技術(shù) 204
6.3 農(nóng)業(yè)微生物組工程的應(yīng)用場(chǎng)景 210
6.3.1 植物微生物組工程 210
6.3.2 基于宿主與微生物組互作的新品種選育 217
6.3.3 動(dòng)物腸道微生物組工程 219
6.3.4 厭氧微生物組工程 222
6.4 農(nóng)業(yè)微生物組工程重點(diǎn)研發(fā)方向 224
第7章 農(nóng)業(yè)細(xì)胞工廠與合成食品 229
7.1 細(xì)胞工廠設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用場(chǎng)景 229
7.2 農(nóng)業(yè)細(xì)胞工廠的表達(dá)系統(tǒng) 232
7.2.1 植物細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng) 233
7.2.2 動(dòng)物細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng) 235
7.2.3 微生物表達(dá)系統(tǒng) 237
7.3 農(nóng)業(yè)細(xì)胞工廠的表達(dá)產(chǎn)物 237
7.3.1 蛋白質(zhì) 238
7.3.2 碳水化合物 238
7.3.3 脂肪 238
7.3.4 食品添加劑 240
7.4 未來(lái)合成食品開(kāi)發(fā) 240
7.4.1 國(guó)際發(fā)展趨勢(shì) 242
7.4.2 我國(guó)發(fā)展動(dòng)態(tài) 250
7.5 國(guó)家戰(zhàn)略與重點(diǎn)領(lǐng)域 254
7.5.1 重大需求 254
7.5.2 發(fā)展戰(zhàn)略 255
7.5.3 重點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域 256
7.5.4 政策建議 258
第8章 回顧與展望：未來(lái)30年的農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù) 262
8.1 發(fā)展歷程回顧 262
8.1.1 設(shè)計(jì)原理與工程化技術(shù)創(chuàng)建階段（20世紀(jì)中葉至1999年） 264
8.1.2 合成生命與顛覆性創(chuàng)新階段（2000～2019年） 264
8.1.3 技術(shù)成熟與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用階段（2020年至今） 265
8.2 農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)發(fā)展遠(yuǎn)景 265
8.2.1 促進(jìn)從研究范式到產(chǎn)業(yè)模式的未來(lái)科技革命 265
8.2.2 合成生物創(chuàng)制孕育生物經(jīng)濟(jì)的顛覆性產(chǎn)品 267
8.3 未來(lái)30年我國(guó)農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略 268
8.3.1 面臨的挑戰(zhàn)與存在的問(wèn)題 268
8.3.2 戰(zhàn)略布局與發(fā)展目標(biāo) 270
參考文獻(xiàn) 272