走进上海市农业科学院生物技术研究所里的一间幽暗房间，刚开始伸手不见五指，当眼睛适应了黑暗后，则会被身边点点荧光所惊叹。点点荧光并非一只只萤火虫，而是来自植物的茎、叶和花。这是该所农业合成生物学研究中心团队利用合成生物学技术培育的新一代高强度自发光植物，也是中心众多实用成果之一。

合成生物学被誉为继DNA双螺旋结构发现、人类基因组计划之后的第三次生物技术革命。据经济合作和发展组织（OECD）预测，到2030年，将有35%的化学品和其他工业产品来自生物制造。农业合成生物学是合成生物学领域的“小众赛道”，因研发周期较长、风险较大、研究团队较少，进展相对滞后。

发光植物、自生固氮植物、富含三种重要饲料酶的大麦……作为我国最早从事农业合成生物学的研究团队，市农科院农业合成生物学研究中心的一系列阶段性成果已展现出产业化潜力。不久的将来，农产品或许能像工业品一样可“私人订制”。

上海团队领跑“小众赛道”

合成生物学是典型的多学科交叉领域，其目标是根据工程学思路将设计好具有特定功能的生物元件，辅以基因编辑、基因合成与组装等技术手段，共同完成一套生物代谢系统的定制合成，用来生产各种人们所需的物质，实现全新功能。它既可自上而下地“改造”生命，也可自下而上地“创造”生命。

“合成生物学的核心是创新和工程化。”市农科院农业合成生物学研究中心团队创始人姚泉洪说。如果将构建人工生命系统比作设计电路，将需要引入的外源基因看作是灯泡，那么，需要同时亮起的“灯泡”越多，“电路”的设计难度就越大。

植物合成生物学的一个先天局限在于生长周期长。构建一个复杂的植物生物合成系统往往需要3-5年，微生物生物合成系统的创制则相对简单。早在1992年，市农科院就开展了基因的化学合成技术研究。“我们组建了一支稳定的专业团队，持续深耕这一领域，积累了丰富经验，发展处一套适配农业合成生物学的研究模式。”姚泉洪说。

得益于良好的基础和长期积累，研究中心是目前国际上少有的掌握在植物生命系统这根“电路”上同时操控10个以上“灯泡”的团队。目前，团队的最高纪录是在植物生命系统中同时操控17个“灯泡”，在微生物生命系统中操控26个“灯泡”。

发光植物重塑城市夜间风景

在扎实的技术底座上，团队积极拓展农业合成生物学的发展空间，发光植物就是他们的研究方向之一。

生物发光现象在植物身上极为稀少，但却普遍存在于真菌、细菌和昆虫等生物中。要创制发光植物，首先要敲定“发光系统”来源。最终，真菌发光系统因其底物咖啡酸稳定性高、发光强度大且对动植物细胞毒性低而入选。

选好“发光系统”后，团队还需考虑发光元件的设计及优化、代谢通路重构、跨物种适配性研究和应用场景验证多个环节。他们选择导入7个基因，除核心发光途径的4个基因外，还包括促进植物体内咖啡酸合成的关键酶基因和强化咖啡酸循环利用的基因。经过一系列精密设计，最终获得的发光植物不仅亮度高，而且发光寿命长。

合成生物学的特殊之处在于，它是一个能把技术和产业在一条较短链条内连接起来的产业领域，且产业链上下游都蕴含巨大商机。姚泉洪看到了机会——随着“夜经济”“赏花经济”的兴起，具有神奇夜景价值的发光植物，也有重塑城市夜间风景线的潜力。

不止是城市夜景，发光技术可广泛应用于家庭绿植、花卉、草坪、行道树等多种植物的遗传改造，而且发光部位、发光条件都可“私人订制”。比如，团队甚至将“被昆虫咬后自发光”的巧思，用于植物病虫害的防治。

目前，中心正在筛选加强版真菌发光系统，并通过组织器官特异表达或诱导表达等策略进一步优化发光系统，同时着手将发光系统拓展到绿萝、黑麦草、油菜、番茄、向日葵、玫瑰等植物品种中。