第1章绪论：农业合成生物技术的前世今生
人类原始文明进步的历史就是一部利用可食用生物资源的历史，大致经历了三个阶段：一是采集植物和渔猎动物；二是驯化野生动植物；三是利用经验选择、种间或远缘杂交、物理化学诱变等方法培育优良新品种。人工驯化大约始于1万年前，由于缺乏育种理论与方法，人类根据经验积累和肉眼观察，选择基因自然变异的农业生物，经长期人工驯化获得性状改良的品种。19世纪中叶到20世纪初，遗传学三大定律的创立，奠定了杂交育种技术在农业生产中广泛应用的理论基础，其后随着矮秆、耐肥、抗倒伏和高产作物新品种的培育与应用，引发了全球**次农业绿色革命。
基因工程技术诞生于20世纪70年代，以分子生物学理论为基础，以重组DNA技术为核心，将高产、优质和抗逆等功能基因转入受体生物中，获得稳定遗传的新性状并培育新品种。其后，全基因组选择技术和基因编辑等前沿技术在农业育种领域崭露头角。全基因组选择技术颠覆了以往表型选择测定的育种理念和技术路线，能够在个体全基因水平上对其育种值进行评估，大幅度提高育种效率。基因编辑技术为快速精准改良农业生物重要性状提供了强大的技术工具，培育出的一大批农业新品种正逐步实现产业化。20世纪末到21世纪初，组学、系统生物学、合成生物学和计算生物学等前沿学科交叉融合。21世纪初，由于结构生物学、组学、代谢工程、基因编辑和人工智能等前沿学科与技术的不断突破，集各种前沿技术大成、培育革命性和颠覆性重大品种的农业合成生物技术应运而生，将为光合作用（高光效固碳）、生物固氮（节肥增效）、生物抗逆（节水耐旱）、生物转化（生物质资源化）和未来合成食品（人造肉奶）等世界性农业生产难题提供革命性解决方案。
1.1技术发展历程
1.1.1人工驯化
人工驯化是指人类通过长期选育和人工干预，将野生动植物逐渐改良为适应人类需求的品种或品系的过程。原始农业的起源就是人工驯化触发的一次巨大而深刻的人类文明变革。人类在公元前8000年左右开始驯养繁殖动物和种植谷物，今天常见的主要作物和家畜大多在4000年以前就己基本完成驯化过程。距今
7000～5000年的河姆渡遗址出土的陶猪，造型兼具野猪和家猪的特征，表明当时人们可能己广泛驯养猪，猪肉己成为食物的重要来源。同时，河姆渡遗址还发现了距今约7000年的丰富的稻作遗存，如稻谷、稻秆、稻叶、谷壳等，表明河姆渡人己告别了刀耕火种，处于一个相当成熟的稻作农业时期。
在上万年的动物驯化史中，只有不到10种大型陆生哺乳动物被成功驯化为牲畜。人类祖先驯服野生动物的基本要素是：饲养成本低、生长速度快，可以在圈养条件下繁殖。*早被驯化的绵羊和山羊是在伊朗西南部的扎格罗斯及周边地区，距今有1万多年的历史。对猪的驯化从新石器时代前期开始，距今有10000～8000年的历史。中国是世界上*早养猪的国家，在距今7000多年的河姆渡遗址和距今约9000年的河南舞阳贾湖遗址出土过猪骨。非洲北部的埃及地区在公元前7000年左右*立地驯化出了牛类。
玉米的野生祖先是墨西哥类蜀黍，一种在墨西哥中部地区温暖潮湿环境中生长的草本植物，在距今10000～6000年被人类*次驯化。小麦起源于亚洲西部，是新石器时代的人类将其野生祖先驯化的产物，中国*早的小麦遗存可以追溯到距今4500～4000年。我国是野生水稻的发源地，新石器时代早期我国先民就开始种植水稻，随后经过漫长的栽培过程，逐步把种子易散落、谷粒少且小、匍匐生长且有休眠期的野生稻，驯化成今天高产优质的栽培稻。商周时期常见的“五谷之*”一粟，是从狗尾草驯化而来的，因其耐旱、耐贫瘠、生长期较短等优点，非常适合中国北方旱地种植。
早在人类还居住在洞穴中的时候，就开始利用微生物发酵来制作食品和饮料。8000年前，埃及人就开始用发酵的方式制作啤酒和面包。5000年前的苏美尔石板上描绘了一种古老的酒桶，此外，考古学家在伊朗西部和中国北方发现了用于盛放啤酒原料（如大麦）及其发酵残留物的壶，预计现代酿酒酵母的祖先可以追溯到几千年前。比较基因组学发现，人类驯化啤酒酵母开始于16世纪晚期和17世纪早期。这个时期正好与欧洲的啤酒制造从家庭转移到酒馆和修道院的时间一致。
中华民族的祖先以发芽或发霉的谷物为*，催化蒸熟或者碎裂的谷物，使其转变成酒，制造酒*是世界上*早的保存酿酒微生物及其酶系的技术，甚至被称为是继四大发明之后的“第五大发明”。《齐民要术》是我国*早的一部完整的农书，第七卷涉及造神*并酒、白醪酒、笨*并酒和法酒，共载12种制*法，这些制*法本质上就是富集培养和人工驯化酿酒微生物的过程。
1.1.2杂交技术
杂交技术是遗传学中**的、常用的实验方法，指通过不同的基因型的个体之间的交配而取得某些双亲基因重新组合的个体的方法。2016年，有研究观点认
为，宋徽宗《芙蓉锦鸡图》画中的锦鸡是对900年前鸟类杂交的真实记录，也是迄今为止关于鸟类杂交的*早记录。明末科学家宋应星所著的《天工开物》，记录了农民培育水稻、大麦新品种的事例以及家蚕新品种的培育过程，如将早雄与晚雌杂交，或黄茧蚕与白茧蚕杂交，培育出嘉种和褐茧蚕，比法国的同类记录早200多年。
杂交的本质，即是从同种其他品系或者同属近缘种获取优秀的基因。早在1761年，育种学家就开始把同属同一个物种但性状不同的品系通过雌蕊和雄蕊进行杂交，从杂交后代中选择兼具两个品系好性状的作物，这一方法称为近缘杂交。1961年，袁隆平在实验田里发现了一株“鹤立鸡群”的天然杂交水稻，植株高大，穗大粒多，一蔸稻秧分出10余穗，每穗有壮谷一百六七十粒。于是他提出水稻不育系、保持系和恢复系“三系法”杂交育种的技术路线，但找到雄性不育野生株是关键。他在6年的水稻雄性不育性研究中，先后用1000多个品种的水稻，与*初找到的不育株及其后代进行了3000多次的测交和回交实验，*终找到一个能使后代保持100%不育株率的理想组合。中国杂交水稻历经三次理论创新突破、五轮高产跃升，累计推广应用于70多个国家，共计100亿余亩（1亩～667m2），增产粮食近10000亿斤（1斤=500g）但同一物种或者近缘种内基因资源的有限性，制约着杂交技术的应用。
远缘杂交是指种间杂交，部分为属间杂交，不仅能培育出突破性的优良品种，而且可以创造新物种。今天广泛种植的六倍体普通小麦，是其二倍体祖先一粒小麦与山羊草和节节草通过两次属间杂交，并经染色体自然加倍进化而成的。骡是马科马属动物家驴和家马种间杂交的后代。据记载，中国北方少数民族在公元前16世纪前后的夏商时代就发现了骡，比国外（古希腊）早1000年左右。骡结合了马和驴的优点，如体格健壮、性格温顺且有力气，能够适应各种恶劣的环境，堪称杂交动物中的佼佼者。近20年来，有111个野生种基因被转入19种作物栽培种中，其中80%与抗病性状相关。但远缘杂交的染色体数目异常和配子间不亲和等原因，导致传粉或受精障碍、**后代结实率低甚至不育等问题。
随着农业生产的进步，仅靠物种间的遗传重组是远远不够的，生物多样性的减少、遗传基础的狭窄对育种的影响是致命的。于是，利用物理或化学手段诱变种子，为杂交育种提供全新变异的诱变杂交育种技术应运而生。以“上天入地”的太空育种技术为例，利用太空特殊的、地面无法模拟的环境，如高真空、微重力、宇宙高能离子辐射等，使种子产生变异，再返回地面选育新品种。目前，中国己进行航天育种搭载实验3000余项，育成优质、高产和多抗的粮食作物、蔬菜、水果、林草和花卉等新品种，以及微生物新菌种等，创造直接经济效益逾千亿元。诱变育种技术的优点是突变率比自然条件下高出千百倍，而且有些变异是自然条件下难以获得的，但诱变产生的有益突变频率低，而且众多随机变异难以有效控制。
马铃薯原产于南美洲，在中国的种植则可以追溯到16世纪明朝万历年间。马铃薯作为重要的块茎作物之一，是全球约13亿人的主粮，但其四倍体遗传的复杂性阻碍了栽培马铃薯的遗传改良。2021年，黄三文研究团队运用“基因组设计”的理论和方法体系，通过选择育种亲本材料、淘汰有害突变、打破有害突变和优良等位基因的连锁以及选择杂交亲本，培育出了**代高纯合度（>99%）二倍体马铃薯自交系和杂交优势显著的杂交马铃薯品种‘优薯1号'几千年来，马铃薯都是依靠薯块繁殖栽培的，相比于种子，种薯的脱毒、存储和运输成本高，容易遭受病虫害侵袭。‘优薯1号’的成功选育证明了杂交马铃薯育种的可行性，预示着一个马铃薯杂交种子繁殖的绿色革命时代的到来。
杂交技术是生物技术领域的重要组成部分，己广泛应用于工农业、医药等领域，但其局限性也非常显著，迫切需要新一代高效、精准和安全的农业生物技术出现。
1.1.3转基因技术
转基因技术又称为重组DNA技术或遗传修饰技术，是指将不同生物的一段DNA、一个基因片段，或一个携带目的基因的表达载体，采用物理、化学和生物学等方法转入受体中表达或使受体特定基因沉默，从而改变受体性状的技术。
20世纪40年代，开启了从认识基因到改造和应用基因的科技探索之旅。从20世纪初到中叶，生命科学与生物技术的重大突破，为转基因技术诞生提供了关键理论指导和遗传工具支撑。这些理论与技术突破包括以下几个方面。①遗传物质是DNA的证明：1944年通过肺炎链球菌的体内和体外转化实验，证明了生物的遗传物质是DNA，可以从一种生物个体转移到另一种生物个体；②DNA双螺旋结构的解析：1953年根据碱基互补配对原则和X射线衍射数据，建立了DNA双螺旋结构模型，在分子水平上完美阐明了DNA储存遗传信息的规律和DNA半保留复制的机制；③遗传密码子的破译：1961年，在体外无细胞蛋白质合成体系中加入人工合成的polyU，开创了破译遗传密码子的先河，此后，采用混合共聚物碱基配对、转运RNA（tRNA）与确定密码子结合和以三核苷酸为单位的重复共聚物，于1965年破译了所有氨基酸的密码子；④基因转移和表达载体的发现：1967年，研究发现了细菌染色体DNA之外的环状质粒有自我复制的能力，其可以在不同细菌间转移和表达，可以作为一种通用的基因运载工具；⑤DNA重组工具酶的发现：1970年，**个限制性内切酶被分离并确定功能，20世纪70年代初相继发现了多种限制酶、连接酶和逆转录酶等；⑥基因体外重组和表达:1973年，抗四环素、抗新霉素及抗磺胺的重组质粒被转入大肠杆菌，获得了具有多重抗药性的重组工程菌株。同年，一段非洲爪蟾的核糖体RNA（rRNA）基因被转入大肠杆菌中表达，这表明两栖动物的基因能在原核细菌中复制和表达。
20世纪后半叶，转基因技术横空出世，利用该技术培育的转基因作物应运而生。1980年，借助根癌农杆菌体内的Ti质粒将外源基因转入植物细胞的方法建立，人类历史上**个转基因植物问世，同时通过显微注射法培育出的**个转基因小鼠诞生。1983年，全球*例转基因作物抗病毒转基因烟草和*例生长快速的转基因冠鲤诞生。1987年，全球*家转基因烟草研发公司成立，利用苏云金芽孢杆菌杀虫蛋白基因培育出抗虫转基因烟草。1994年，全球*例产业化的转基因农作物耐贮存转基因番茄在美国批准上市。1995年，美国批准了抗虫转基因马铃薯，以及抗除草剂或抗虫转基因油菜、玉米、棉花和大豆等的商业化种植。自1996年转基因农作物商业化种植以来，转基因技术及其产业在经历了“技术成熟期”和“产业发展期”两个阶段之后，目前己进入至关重要的抢占技术制高点与生物经济增长点的“战略机遇期”，正在从抗病虫和耐除草剂等**代产业化特性向节水抗旱、改良营养品质、改变代谢途径等第二代、第三代特性发展，为解决全球性粮食、环境、健康和能源安全问题提供了不可替代的技术支撑作用。2023年，全球转基因作物种植面积比上年增长1.9%，达到2.063亿hm2（30.9亿亩），创下历史新高。种植面积*大的作物是转基因大豆，达1.009亿hm2，其次是转基因玉米（6930万hm2）、转基因棉花
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