合成生物学是一门运用工程学原理，通过标准化、模块化和可设计性的工程理念，构建新型生物系统或生命体的交叉学科。近年来，合成生物学的研究对象已从微生物系统拓展至植物体系。水稻是全球第一主粮，加之作为单子叶模式植物的重要地位，已成为植物合成生物学研究的理想“底盘”生物。水稻合成生物学的发展为实现粮食安全与功能农业提供了全新的技术路径。

近期，中国计量大学生命科学学院国家市场监督管理总局重点实验室（微生物计量检测与生物制品质量安全）滕胜团队完成的题为“Advances in rice synthetic biology: Toward a better staple crop and beyond”的研究在Journal of Integrative Agriculture（《农业科学学报（英文）》，JIA）在2026年5期正式发表。

文章系统梳理了水稻合成生物学领域的最新研究进展，总结了当前发展态势，并对未来研究方向进行了展望。

首先文章介绍了“设计-构建-测试-学习（DBTL）循环”这个合成生物学的技术路线，并对每个步骤的原理和采用的技术手段进行了系统介绍。随后文章展示通过工程化手段，将水稻这一全球最重要的主粮作物，改造为兼具高产、优质、营养强化和医药生产功能的多元化生物平台。

基因组编辑方面

通过应用多重基因组编辑技术已，精准调控基因的表达水平，实现对水稻株型、抽穗期、产量、品质、抗逆性等复杂农艺性状的协同改良，培育出兼具高产、优质、低镉、抗病等特性的新型水稻种质。尤其在抗性淀粉、低蛋白专用稻、耐盐碱水稻、抗病水稻等方面，多重编辑技术展现出强大的育种潜力。

合成杂交水稻方面

在核不育基因突变体中引入育性恢复基因、花粉致死基因和荧光标记基因，建立第三代杂交水稻技术体系，实现了不育系的高效繁殖与杂交种的机械化制种。此外，通过将减数分裂转变为有丝分裂（MiMe）与诱导孤雌生殖相结合，多个研究团队成功获得了能够稳定传递杂种优势的无性繁殖水稻材料，为实现“一系法”杂交水稻奠定了基础。

光合作用与氮素利用方面

研究人员通过构建光呼吸旁路、引入景天酸代谢（CAM）模块、核基因表达光系统II核心亚基D1等手段，显著提升了水稻的光合效率、水分利用效率和耐热性。特别是在光呼吸改造方面，多个合成旁路已在田间条件下实现了水稻产量和生物量的显著提升。

生物固氮方面

研究人员成功将13个固氮酶相关基因导入水稻，并通过蛋白稳定性改造，初步实现了固氮酶在植物细胞中的表达与组装，为未来培育自固氮作物奠定了重要基础。

此外，合成生物学技术不仅被广泛用于水稻中多种维生素、铁、锌、油脂等功能性成分的营养强化，而且已将水稻胚乳改造为高效的生物合成工厂，合成类胡萝卜素、花青素、黄酮类、白藜芦醇、甜菜红素、辅酶Q10、儿茶素、茶氨酸等天然产物。其中，富含β-胡萝卜素的“黄金水稻”已发展到第二代，而富含花青素、虾青素、甜菜碱等的高附加值“彩色水稻”也相继问世。

文章还重点介绍了水稻胚乳作为生物反应器在重组蛋白生产方面的应用。通过胚乳特异性启动子驱动，研究人员已在水稻中成功表达人溶菌酶、乳铁蛋白、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子、胰岛素样生长因子、血清白蛋白、碱性成纤维细胞生长因子、抗HIV蛋白（GRFT）、抗高血压肽、抗菌肽、多种抗原以及治疗性抗体等。部分产品已进入临床试验阶段，显示出良好的免疫原性、稳定性和安全性。

文章最后指出，尽管水稻合成生物学取得了令人瞩目的进展，但仍存在诸多局限、面临诸多挑战。为此，未来研究应更加注重模块化设计与数据驱动的人工智能辅助，发展更高效的工具，构建标准化的工作流程，并与高通量表型平台和自动化育种系统深度融合。随着跨学科协作的不断深入，水稻合成生物学将在保障粮食安全、改善公众健康、推动可持续农业和新型生物制造等方面发挥越来越重要的作用。

Cite the article:

Chenchen Zhang, Yan Wang, Lu Chen, Xixi Wang, Sheng Teng. 2026. Advances in rice synthetic biology: Toward a better staple crop and beyond. Journal of Integrative Agriculture, 25(5): 1741-1759.

https://doi.org/10.1016/j.jia.2025.12.036

Journal of Integrative Agriculture（《农业科学学报（英文）》, JIA）由中华人民共和国农业农村部主管，中国农业科学院与中国农学会主办，中国农业科学院农业信息研究所承办。综合性英文学术期刊，月刊。创刊于2002年，现任主编为中国科学院院士陈化兰。JIA主要栏目有作物科学、园艺、植物保护、动物科学、动物医学、农业生态环境、食品科学、农业经济与管理等。刊稿类型有综述、研究论文、简报以及评述等。全部论文在Elsevier-ScienceDirect (SD) 平台OA出版。最新SCI影响因子4.4，位于SCI-JCR农业综合学科Q1区。中国科学院分区农林科学1区。2016年以来先后获得中国科协等部委 “提升计划”“登峰计划”“卓越计划”项目支持。