光合作用合成生物学研究现状及未来发展策略

院刊1239光合作用合成生物学研究现状及未来发展策略朱新广1*熊燕2阮梅花2刘晓2徐健3钟超41中国科学院植物生理生态研究所植物分子植物卓越中心和分子遗传国家重点实验室上海2000322中国科学院上海生命科学研究院（上海营养与健康研究院）上海2000313中国科学院青岛生物能源与过程研究所青岛2661014上海科技大学上海201210摘要首先介绍光合作用在国际及国内研究现状，进而简介当前光合作用合成生物学作为一个新兴学科其主要研究范围及进展，提出我国光合作用合成生物学研究目前面临提高其研究系统性、与需求更紧密结合及提高支持力度等需求。鉴于光合作用对未来粮食安全、能源安全及可持续性生态环境维持具有重要战略意义，其未来发展需聚焦于已有光合作用系统优化、光合系统与光合同化产物利用途径协同、跨物种间光合系统重构、全新光合途径构建、光合系统与生物材料耦合等研究方向。关键词光合作用，育种，能源，合成生物学，环境，粮食安全DOI10.16418/j.issn.1000-3045.2018.11.012*通讯作者资助项目：中国科学院战略性先导科技专项（XDA08020301、XDB27020105），国家自然科学基金面上项目（31870214），国家高技术研究发展计划（2014AA101601），国家重点基础研究发展计划（2015CB150104），中国科学院国际合作项目（GJHZ1501）修改稿收到日期：2018年10月31日应用领域Application光合作用是植物利用太阳光能，以CO2和水为原料，合成碳水化合物的生物物理、生物化学过程。光合作用为人类提供粮食、能源，同时也是地球生态系统中碳循环和水循环中的关键一环。光合作用对人类社会的重要性，使得对其的研究及应用一直代表着人类探究自然、改造自然的最前沿。当前，随着基因组学、基因组编辑及合成技术、计算能力的快速发展，一个全新的合成生物学研究模式正在形成：一方面，可以设计并制造全新代谢、结构及调控模式，创制新生物学功能；另一方面，利用该模式为生命科学基础研究提供全新研究材料及视角，从而检验当前生命科学的基本理论及假设。光合作用合成生物学在这个多学科融合的大背景下应运而生。光合作用合成生物学的实质是利用光合作用基本原理，整合多学科理论、技术方法，通过理论设计、工程改造及人工进化等手段，创建新型光合系统，为社会创制更好的粮食、能源、生态系统服务功能供给方式，12402018年.第33卷.第11期应用领域并为光合作用研究提供新材料及资源，提高人类认识光合作用、利用光合作用的能力。1我国及国际光合作用合成生物学研究现状历史上，我国在光合作用基础研究上曾经作出重大贡献。早在20世纪60—70年代，我国集中开展了光合作用光能磷酸化的机理研究，提出在ATP合成过程中需要有高能态存在，支持了ATP合成过程中的电化学势梯度学说[1]；同时，中国科学院植物生理研究所殷宏章等在20世纪60年代就认识到冠层光合作用效率对产量有重大贡献，并系统开展其定量研究。近年来，我国在光合作用光反应色素蛋白复合体的结构与功能[2-4]、C4光合作用等领域[5,6]、Rubisco结构与功能[7]、光合作用光系统调控及建成[8,9]等研究领域获得较大进展。然而，整体而言，我国光合作用研究与美国相比，研究规模及水平仍存在较大差距。对1997—2017年光合作用相关研究的SCI论文进行统计发现，美国在光合作用领域的研究数量及质量都占世界首位，其10年论文量为22312篇，占该领域世界总文章量的26.04%①；ESI高水平论文量521篇，占ESI高水平论文量1201篇的43.38%；发表在Nature、Science、Cell（CNS）三大刊的论文量为247篇，占CNS论文量403篇的61.29%。1997—2017年光合作用领域专利申请量中国（12102件）超过美国（4288件）排名世界第一，但专利强度为5分②及以上的专利数量，美国（1025件）排名世界第一，中国（654件）排名第二。在光合作用合成生物学领域中，近年来国际相关研究团队获得长足发展。尤其是以比尔-梅琳达盖茨基金会支持的国际C4水稻项目、国际以C3改良为核心的RIPE项目为支点，当前国际上已经建立了多个光合作用合成生物学研究高地，建立了高度合作的国际研究团队，创建了开展光合作用合成生物学研究的关键工具、平台及资源，并取得重大进展[10]。与此同时，以色列威兹曼研究院在自养大肠杆菌创建方面获得长足进展，实现了利用丙酮酸支持大肠杆菌自养生存[11]，为自养型工业微生物建成跨出实质性一步。在光合作用合成生物学研究领域，我国科学家也经过多年的努力，在几个研究领域中占据国际领先或者齐平的地位。首先，在国家相关经费尤其是中国科学院战略性先导科技专项的支持下，我国建立了从分子、细胞器、细胞、叶片、冠层乃至整个个体的系列光合作用系统模型[12]，对于指导C3、C4及全新光合途径的改造起到支撑作用；近期又连同国际同行，创立了专业学术杂志insilicoPlant，这为我国在该领域持续开展国际领先性的研究、确立标准制定权奠定了基础。同时，我国也在光呼吸支路改造、藻胆体重建、光合特定基因改造等方面开展了研究[13-18]。同时，我国研究人员也建立了以蓝细菌等单细胞藻为底盘，生产各类能源及高附加值分子的研究体系及平台[19-22]，树立了以微拟球藻为代表的工业微藻合成生物学模式物种[23-27]，建立了能源微藻合成生物学国际研究合作网络，为深入理解光合作用的网络调控机制，以及设计与构建高效、低成本、可规模化部署的光合产能细胞工厂奠定了基础。同时，结合化学、材料和合成生物学等方面的技术，国际上正在开展有机/无机人工光合复合催化体系，这代表着人工光合领域的一个研究热点。这种具有广阔前景的人工光合作用体系结合了生物系统的催化特异性，以及无机纳米材料的高光电转换效率等优点。其中蛋白酶-纳米材料体系和活细胞-纳米材料体系是该领域中较为常见的两种方法。以活细胞-纳米材料体系为例，这个体系巧妙地结合了细菌体内的代谢通路和无机材料提供代谢通路所需的还原力，从而通过模拟光合作用产生具有高附加值的产物。例如，日本科学家利①检索日期：2018-10-08；数据库更新日期：2018-10-05；论文类型限定为Article+Review。②利用Innography专利数据库进行检索，检索日期：2018-10-09。专利强度（strength）是该数据库特有的、衡量专利质量的一个指标，该指标是一个复合指标，涉及10多个影响因素，分数越高，专利价值越高，总分是10分。院刊1241光合作用合成生物学研究现状及未来发展策略用光能够让特定半导纳米材料产生电子，电子通过甲基紫精跨膜传递到细胞体内，能驱动含有氢化酶的细菌连续不断地产生氢气[28]。美国科学家则通过CdS量子点在细菌的表面原位沉积：在光照条件下，电子传递到细菌体内提供还原力来促进Wood-Ljungdahl循环的进行；最后，通过模拟人工光合作用，能直接将CO2代谢生成乙酸，实现了光能到化学能的转化和存储[29,30]。2我国在光合作用合成生物学研究方面的短板尽管我国在光合作用合成生物学相关领域获得一定进展，然而我国在这一领域中的研究仍具有明显短板。2.1我国光合作用相关研究仍较为零散尽管实现了在特定领域（如光合作用系统生物学、光合作用大分子结构与功能等）的国际话语权，但是整体水平仍较低，尤其是国家层次的研究平台尚未建成，这与光合作用在社会发展中的重大战略性意义不相称。与此相对，国际多个发达国家都竞相成立光合作用研究大型团队和平台，这些团队之间也一改已往相互竞争态势，形成了紧密合作的国际光合作用研究群体，占据了当前光合作用合成生物学话语权。2.2我国光合作用合成生物学研究目前跟实际应用之间的距离仍较大在这一方面，首先值得一提的是，鉴于对光合磷酸化的基础研究成果，中国科学院上海植物生理生态研究所在20世纪80年代就发现，喷洒亚硫酸氢钠可以有效提高叶片环式电子传递，增加ATP供给，从而有效提高冠层光合作用效率及作物产量，这是光合作用基础理论研究用于指导生产的一个成功案例[31]。从研究领域看，在粮食、能源等实用领域，我国光合作用相关研究仍较少，在摘要中同时体现“光合作用”与“能源”或者“育种”的研究仅仅为2718篇，占中国光合作用领域论文总量的22.70%。这一问题也体现在国家大型研究项目的设计与部署上。例如，尽管在“十二五”期间，“973”部署了“人工叶片”项目，“863”合成生物学重大项目部署了“光能人工细胞工厂的构建及应用”课题，但这些研究总体上属于基础研究和共性技术开发，尚未与大规模生物燃料生产的实际分子育种需求相结合。而在“十二五”期间部署的“973”项目“微藻能源规模化制备的科学基础”则侧重于微藻生物柴油生产全流程的示范，基本上没有微藻光合作用的研究内容。2.3我国光合作用研究科研经费支持仍然较低近10年国家自然科学基金委员会在重大项目和重点研发计划中，包括了光合作用、矿质营养代谢、发育生物学、逆境生物学等领域，光合作用相关研究在这些领域中所获得的资助最少。在各类作物育种项目中，尽管高光效被认为是大幅度提高产量的重要途径，然而光合作用改良相关研究所得支持相对较少；同样，在生物能源方面，也存在相似问题。如何从政策及经费支持上，有效促使基础研究与应用研究之间的有效融合，是保障光合作用合成生物学研究长足发展的一个关键问题。3光合作用在现代及未来社会中的重大战略性支撑作用3.1提高光合作用效率在未来提高粮食产量中将起到关键作用与以往相比，光合作用改造或者改良将在解决未来粮食、能源及维持可持续性的生态环境中将起到更重要的关键性作用。近50年来，在矮化育种、杂交育种、分子标记辅助育种等技术的支持下，作物产量得到大幅度提高[32]；因此，尽管世界人口从1960年的30亿增长到2018年的75亿，增加了近1.5倍[33]，但是全球粮食安全没有受到重大威胁。近些年来，亚洲、非洲、拉丁美洲等地人口持续以近或高于1%的年增长率高速增加，然而粮食产量年增加幅度逐年变缓，粮食安全隐患逐步浮现出来。从现在到2050年，多种预测都表明，粮食产量需要增长0.85倍才能保障如今的人均粮食消耗[34]。在作物收获指数从当前近于或者大于0.5的情况下，大幅度提12422018年.第33卷.第11期应用领域高收获指数已无可能；另外，随着城市化进程，大幅度提高农用耕种面积可能性也消失的情况下，进一步提高光能利用效率成为未来大幅度提高作物产量潜力的重要甚至是唯一可行的途径[35]。值得一提的是，尽管提高作物抗逆性同样是提高光能利用效率的重要手段；但是，大量研究表明，提高光能利用效率可以同时实现在逆境下的作物产量[36]。3.2基于光合作用的生物能源将成为未来重要替代能源形式在能源供给方面，随着地球上不可再生的化石能源的耗竭，人类目前也同样面临寻求新的替代能源的紧迫任务。基于光合作用的生物能源与核能、风能、太阳能等都成为未来能源的重要选项。与其他替代能源形式相比，基于光合作用的生物能源具有高效率、维护容易、低能耗维持高效运行、可存储、安全性高、不产生温室效应气体等诸多优点。进一步讲，基于藻类的生物质能源生产，也因为其可以不占用农田耕地、光能转化为生物能的产率高等优点，在替代能源中起到越来越重要的作用。美国建立了4个生物能源研究基地，包括大湖区生物能源研究中心、生物能源创新中心、联合生物学能源研究所、先进生物能源及生物产品创新研究中心。美国的《可再生燃料标准》规定，到2022年，每年燃料供应中混合生物燃料的供应量将达到360亿加仑③；巴西《国家能源计划2030》规划到2030年，生物乙醇和生物柴油的年产量分别达到660亿加仑和185亿加仑。美国提出的《2015—2020战略研究报告》计划到2050年，将生物质能源在整个能源消耗中占据25%—33%[37]。3.3提高光能利用效率是创建绿色、高效农业，创建未来生态文明的关键一环光合效率的改良和优化是未来创建生态文明、维护未来可持续生态环境的重