土壤是一个国家最重要的自然资源，被称为“食物之源”，大约 95％的食物由土壤生长。
健康的土壤是食物系统的基础，为粮食作物生长提供所需的主要养分、水分、氧气和根系支持。然而，如今这一重要的自然资源正面临着多种威胁，包括自然因素和人为因素。土壤正在成为世界上最脆弱的资源之一。
在中国，不当或者过度使用化肥是造成土壤损害加重和耕地退化的主要原因之一。目前，中国的化肥生产量和使用量位居世界第一。此外，过度使用化肥还会造成成本增加、环境污染、害虫抗药性增强以及食品安全性下降等一系列问题。
（来源：pixabay）
与化肥相比，生物肥料（微生物肥料、微生物菌肥）是一类以微生物生命活动为核心使农作物获得特定肥料效应的肥料制品。这种肥料不会一次性将过量可溶性营养元素带入土壤中，可避免环境污染，同时有益菌会不断在植物根系周围繁殖代谢，持续适量向作物提供营养。
近年来，合成生物学技术的发展进一步推进了生物肥料研究和土壤状况改良。由于具有构建、控制和编程细胞行为的能力，合成生物学正华通过工程化方法改善土壤中微生物的种类和数量，提高作物的吸收养分的能力。
深圳先进技术研究院合成生物学研究所周佳海研究团队在一篇文章中指出，“合成生物学在农业方向应用前景广阔，不仅在作物改良中改变代谢途径、遗传回路和植物结构上的潜力；同时，基于合成生物学技术的工程微生物还能够在可持续农业中发挥重要作用，例如生物施肥、生物刺激和生物防治。”
农业合成生物学经过了哪些发展阶段？人工生物固氮进展如何？产业化现状怎样？
固氮微生物是农业合成生物学更为成熟的应用场景
合成生物学主要运用工程技术设计和构建新的生物部件、设备和系统，从而实现自然界中不存在的新功能或生命形式。根据相关数据，这项技术已广泛应用于能源、化工、医药、食品、环境、农业等领域。
合成生物学始于 21 世纪初，自 2016 年起，合成生物学进入政策、学科和产业全面发展的快速增长期，已经成为世界各国必争的科技战略高地。农业是合成生物学丰富的场景之一，农业合成生物学的发展自然也受到重视。
期间，各国相继出台了一系列政策支持农业合成生物学产业。美国的合成生物学始于国防科技，后续强化农业领域布局；英国从国家层面提出首个《英国合成生物学计划》，对合成生物学进行全面系统的布局；欧盟方面，最早开展宏观战略部署，启动实施未来作物育种的研究计划；中国的《“ 十四五” 生物经济发展规划》旨在推动合成生物学在农业生产领域的技术创新，重点围绕生物育种、生物肥料、生物饲料、生物农药等...
政策支持加速了农业合成生物学领域的进展。目前，农业合成生物学的基础研究主要集中在人工细胞合成、细胞工厂、种质改良、二氧化碳固定、生物固氮（biological nitrogen fixation，BNF）和农业环境优化等方面。
（来源：Advanced Agrochem）
其应用研究主要集中在植物天然产物开发、农作物性状改良、畜禽动物改良、病虫害防控、固氮肥料生产、饲料及添加剂制备等方面。
具体来说，对于植物天然产物开发，植物合成生物学可以通过改造现有代谢途径或从头合成新的人工代谢途径对作物进行改良或者获得新的代谢产物，这样可以提高作物的营养价值，同时实现规模化生产天然产物；通过精准编辑作物基因等方式，改善其性状和性能，包括耐病性、产量、品质等；对于生物肥料生产，通过构建人工高效固氮体系为农作物提供氮源达到固氮增效效果，从而部分替代或大幅度减少使用化学氮肥， 减轻水体富营养化和大气污染等问题。
不过，虽然合成生物学已经在农业领域的多个方面都显示出了潜力，但目前能够实现或接近商业化的应用仅集中在作物育种、微生物固氮以及生物制造等方面。其中，用于微生物肥料的固氮微生物也是合成生物学当前在农业领域中较为成熟的应用场景。
“采用合成生物技术平台，能使极其复杂的固氮系统模块化，集成作物固氮与抗逆线路从而弥补固氮体系的天然缺陷，在田间应用中实现高效稳定的节肥增产目标。”中国农科院生物技术研究所研究员林敏接受采访时说。
工程固氮微生物是产业化重点
氮是植物生长不可缺少的“维生素”，也是作物产量的重要限制因素之一。虽然空气中的氮元素丰富，占比高达 78%，但是大部分植物并不能直接利用大气中的氮气。
在自然界中，只有豆科植物可以利用与其共生的根瘤菌将空气中的氮转化为植物根部可直接吸收的硝酸盐或氨，这一过程称之为生物固氮。在这一过程中，豆科植物与根瘤菌通过相互作用建立共生关系，形成高效的“固氮工厂”——共生根瘤。
生物固氮是自然界生物可用氮的最大天然来源，大体可分为三类，自生固氮，联合固氮和共生固氮。共生固氮是其中固氮效率最高的类型，根据固氮微生物的类型可分为蓝细菌共生固氮、放线菌共生固氮以及根瘤菌共生固氮。
据联合国粮农组织的统计，每年全球微生物固定的氮素量可达 2 亿吨，相当于工业生产氮肥的 3 倍多，其中与豆科植物共生的根瘤菌固定的氮占到 60%~70%。豆科植物与根瘤菌的结瘤共生固氮体系是自然界中固氮效率最高、农业生产应用最广泛的生物固氮系统。
而对于玉米、小麦和大米等非豆科植物，此前常用的方法是合成氮肥。不过生产氮肥使用的化学方法，需要高温、高压等非常苛刻的条件。在自然界生物固氮的启发下，领域内正在利用合成生物学技术改造固氮微生物表达一些特征，这种工程化固氮微生物可提高氮源使用率，也有潜力用于非豆科谷类作物固氮。
（来源：BMC Biology）
比方说，利用合成生物学技术可以改进生物固氮途径、提高作物对氮源的利用率。将异源固氮基因簇 nif 移植到植物中是最直接的选择。长久以来，研究人员们都在植物不同的区室中尝试异源固氮基因的设计和表达，Christopher Voigt 教授团队基于产酸克雷伯氏菌固氮途径的 nif 基因簇构建了序列同一性较低的重构基因簇，展示了合成生物学工具在固氮修饰方面的潜力；北大王忆平团队揭示了nifD 在真核细胞器线粒体中异源表达不稳定的机制，并筛选出了高稳定性的nifD突变体；马德里理工大学团队重新设计了烟草中的固氮基因 nifH、nifM、nifU 和 nifS，利用合成生物学工具优化了烟草叶绿体中 nifH 的生产。这些基于合成生物学技术的研究为构建稳定、通用、高效的固氮酶系统迈出了新的一步。
此外，通过合成生物学技术将豆科植物的共生固氮系统移植到非豆科植物上也是当前的一个热门研究方向。
目前，生物固氮产业化主要集中于工程固氮菌剂制备，还有针对豆科植物接种根瘤菌的解决方案等，已应用于农业生产的固氮微生物包括共生结瘤和根际联合固氮两种。
微生物肥料市场将超 50 亿美元，巴斯夫、拜耳、先正达等已入局
随着现今环保和健康意识的增强，相关专家预计微生物肥料的市场需求将继续保持增长趋势，该产业将成为 21 世纪最具潜力的“朝阳产业”之一。
微生物肥料主要有 3 类产品，分别是农用微生物菌剂、生物有机肥、复合微生物肥料。根据国际市场研究和咨询公司 Mordor Intelligence 的一份分析报告，到 2024 年预计微生物肥料市场规模将达到 32.7 亿美元，预计到 2029 年将达到 52.3 亿美元，2024 到 2029 年的复合年增长率为 9.85%。
分析报告指出，北美和欧洲是全球生物肥料的主要消费国。2022 年，北美占全球生物肥料市场的 35.9%，欧洲地区占比 31.9%，成为第二大生物肥料消费国并有持续上涨的势头。
农业中用作生物肥料的最常见微生物包括菌根、固氮菌和解磷菌等。其中，固氮菌市场规模预计到 2024 年达到 3.66 亿美元，预计到 2029 年将增加到 5.80 亿美元，预计2024 到 2029 年的复合年增长率为 9.68%。
事实上，生物固氮的研发历史其实可以追溯到 100 多年前。19 世纪 80 年代，欧洲科学家首次证明了根瘤菌纯培养物可形成豆科植物固氮的根瘤；1888 年，荷兰科学家 Beijerink 构建了世界上首个固氮根瘤菌的纯菌株，开创了豆科植物共生固氮研究；1895 年，美国推出首个根瘤菌剂——Nitragin，这也是国际上首例商业化的生物肥料；20 世纪 40 年代初，N 同位素示踪法应用于固氮研究；近年来，开始与合成生物学技术交叉融合，利用其技术平台有望实现固氮系统的模块化、固氮线路的最优化和人工固氮体系实用化等。
在 20 世纪 30 至 40 年代，美国、英国、德国、澳大利亚等均布局了根瘤菌接种剂产业。巴斯夫、杜邦、拜耳、诺维信以及美国植物健康和营养公司 Verdesian Life Sciences 位列全球菌剂公司排名前五。比方说，巴斯夫的产品 lNodulator 是一种每克含有超一百万活根瘤菌的干播接种剂，可以帮助豆科植物固定更多的氮。
除了这些巨头之外，合成生物学初创公司Piovt Bio一直专注于利用微生物固氮方式为玉米、小麦、高粱等植物提供养料，减少排放，还在拓展磷、钾等肥料；此前，位于加州的农业技术公司 BioConsortia 合作伙伴宣布向亚洲市场推出固氮微生物产品；合成生物学公司 Joyn Bio 专注于工程固氮微生物，包括固氮项目以及针对疾病和抗虫害的项目；Kula Bio 成立于 2018 年，已筹集约 2200 万美元，正在利用固氮微生物生产有机肥料，第一个商业产品是 Kula-N；英国农业技术公司 Azotic Technologies 推出具有天然的固氮菌剂 N-Fix®......
▲图 | Piovt Bio 技术平台（来源：公司官网）
中国的固氮微生物肥料产业同样始于 20 世纪 30～40 年代。1937 年张宪武开始对大豆根瘤菌研究，1944 年陈华癸等对中国特有的紫云英根瘤菌进行研究，为揭示豆科植物共生固氮体系的氧保护机制奠定了基础；后续国内加速根瘤菌研究及其在田间应用，现在正处于第 4 次应用发展阶段。
国内的微生物固氮公司包括丽豪生物、绿氮生物、汉和生物、山东拓普生物等等。先正达集团制定了生物制剂的全面战略，推出农用微生物肥料新产品，其在生物制剂、种衣剂和生物固氮菌联合应用方面均有布局。
素材来源官方媒体/网络新闻
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