农业合成生物技术的科学内涵是什么？农业合成生物技术的重点研究方向是什么？我国为什么要大力发展农业合成生物技术？合成生物农业为什么是未来农业的发展方向？本书作为“合成生物学丛书”的农业分册，内容包括绪论、农业合成生物底盘重建、人工光合体系与农业应用、人工固氮体系与农业应用、抗逆模块设计及育种应用、农业微生物组工程化应用、农业细胞工厂与合成食品，最后是回顾与展望。本书力图以科学权威和通俗易懂的语言阐释农业合成生物技术的发展历程，尽可能让读者从多方位角度掌握农业合成生物技术相关的最新科学知识和发展动态。
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1985年毕业于四川大学生物系生化专业，1985-1991年获中国农科院研究生院生物物理专业理学硕士和农学博士学位。1988,8－1993,8，中国农科院原子能所生物技术室；1993,8－1994,5，法国巴斯德研究所生物技术系博士后，从事联合固氮基因克隆和表达研究；1997,6-1998,4，荷兰瓦赫宁根荷兰农业科学院植保所访问学者1988年-中国农业科学院农业荣获国家863计划先进个人称号并获三等奖（1996-2001），浙江省自然科学奖一等奖（2019）和科技部“全国颠覆性技术创新大赛”生物技术优胜奖（2021）。现任中国农业生物技术学会副理事长、中国生物工程学会生物农业分会主任、国家重点研发计划合成生物学重点专项专家组成员、第九届农业农村部肥料登记评审委员会专家，中关村量子生物农业产业技术创新战略联盟理事长和《生物技术进展》杂志主编。
目录
第1章 绪论：农业合成生物技术的前世今生 1
1.1 技术发展历程 1
1.1.1 人工驯化 1
1.1.2 杂交技术 2
1.1.3 转基因技术 4
1.1.4 基因编辑技术 9
1.1.5 农业合成生物技术 15
1.2 相关技术知识产权分析 22
1.2.1 基因编辑技术 23
1.2.2 表观遗传修饰技术 23
1.2.3 根际生物固氮技术 24
1.2.4 人造肉技术 24
1.2.5 人造奶技术 25
1.3 生物安全监管法规 26
1.3.1 世界各国监管现状 26
1.3.2 监管内容与风险评估 27
1.4 生物伦理风险与管理 30
1.4.1 人造生命体 30
1.4.2 活的基因工程机器 30
1.4.3 将合成生物体释放到环境中进行生物修复 31
1.4.4 致病病毒或微生物的合成 31
1.4.5 哺乳动物细胞的合成生物技术 31
第2章 农业合成生物底盘重建 34
2.1 农业合成生物理想底盘 34
2.1.1 植物底盘 35
2.1.2 微生物底盘 39
2.2 农业合成生物底盘重建策略 52
2.2.1 设计编程 54
2.2.2 构建验证 54
2.2.3 测试验证 55
2.2.4 学习反馈 55
2.3 农业合成生物底盘重建技术 56
2.3.1 DNA测序、合成与组装技术 56
2.3.2 高效遗传转化与精准基因编辑技术 61
2.3.3 全局性基因动态调控技术 63
2.3.4 蛋白质设计与酶工程技术 64
2.3.5 数字建模与定量合成生物技术 66
2.3.6 微流控芯片与微型生物反应器技术 68
2.3.7 自动化合成生物设施平台 69
2.4 农业合成生物底盘重建工程 72
2.4.1 启动子与动态调控元件工程 73
2.4.2 新酶设计与辅因子工程 74
2.4.3 基因线路组装与底盘重建工程 78
第3章 人工光合体系与农业应用 90
3.1 光合作用与人工光合体系 91
3.1.1 光合作用原理 91
3.1.2 光合作用的生态意义 92
3.1.3 人工光合体系创建 93
3.2 研发历程与最新进展 96
3.2.1 天然光反应系统的改造优化 97
3.2.2 光呼吸和CO2固定途径的重新设计 99
3.2.3 高光效作物的从头驯化 100
3.2.4 人工自养微生物的工程化设计 102
3.2.5 电驱动人工固碳与人工叶片固碳 103
3.2.6 光合细胞工厂与叶绿体高效表达系统创建 104
3.2.7 以二氧化碳为原料合成人工淀粉 105
3.3 未来重点发展领域 106
3.3.1 国际动态 106
3.3.2 技术路径与发展目标 106
3.3.3 重点研究内容 111
第4章 人工固氮体系与农业应用 117
4.1 提高氮肥利用率的痛点问题 118
4.1.1 化学氮肥农业应用的痛点问题 119
4.1.2 生物固氮农业应用的痛点问题 120
4.2 生物固氮研发历程与研发动态 121
4.2.1 研发历程 121
4.2.2 研发动态 124
4.2.3 产业化应用动态 132
4.3 技术路线与研发布局 134
4.3.1 技术路线 134
4.3.2 重点研发布局 141
4.4 未来发展趋势 147
第5章 抗逆模块设计及育种应用 149
5.1 抗非生物逆境生物育种工程 150
5.1.1 植物抗非生物逆境机制 150
5.1.2 植物抗逆模块挖掘与功能评价 151
5.1.3 微生物抗逆基因挖掘与功能评价 156
5.1.4 植物抗非生物逆境育种工程的重点研发方向 162
5.2 抗生物逆境生物育种工程 165
5.2.1 抗病虫基因及其产物 165
5.2.2 抗病虫育种技术及品种创制 167
5.2.3 耐除草剂作物新品种创制 171
5.3 新型RNA农药创制 174
5.3.1 RNA农药的作用机制 175
5.3.2 RNA农药的合成与递送技术 176
5.3.3 新型RNA农药产品研发 177
5.4 高性能抗逆底盘菌株创制 179
5.4.1 底盘菌株抗逆能力提升 181
5.4.2 高性能抗逆底盘菌株创制的重点研究方向 189
第6章 农业微生物组工程化应用 191
6.1 农业微生物组工程化策略 191
6.1.1 "自下而上"微生物组工程化策略 192
6.1.2 "自上而下"微生物组工程化策略 192
6.2 农业微生物组工程化技术 193
6.2.1 培养与非培养相结合的高通量分析技术 193
6.2.2 农业微生物组遗传操作与功能测试技术 197
6.2.3 厌氧微生物组关键技术 202
6.2.4 种子生物包衣技术 204
6.3 农业微生物组工程的应用场景 210
6.3.1 植物微生物组工程 210
6.3.2 基于宿主与微生物组互作的新品种选育 217
6.3.3 动物肠道微生物组工程 219
6.3.4 厌氧微生物组工程 222
6.4 农业微生物组工程重点研发方向 224
第7章 农业细胞工厂与合成食品 229
7.1 细胞工厂设计原理与应用场景 229
7.2 农业细胞工厂的表达系统 232
7.2.1 植物细胞表达系统 233
7.2.2 动物细胞表达系统 235
7.2.3 微生物表达系统 237
7.3 农业细胞工厂的表达产物 237
7.3.1 蛋白质 238
7.3.2 碳水化合物 238
7.3.3 脂肪 238
7.3.4 食品添加剂 240
7.4 未来合成食品开发 240
7.4.1 国际发展趋势 242
7.4.2 我国发展动态 250
7.5 国家战略与重点领域 254
7.5.1 重大需求 254
7.5.2 发展战略 255
7.5.3 重点研发领域 256
7.5.4 政策建议 258
第8章 回顾与展望：未来30年的农业合成生物技术 262
8.1 发展历程回顾 262
8.1.1 设计原理与工程化技术创建阶段（20世纪中叶至1999年） 264
8.1.2 合成生命与颠覆性创新阶段（2000～2019年） 264
8.1.3 技术成熟与产业化应用阶段（2020年至今） 265
8.2 农业合成生物技术发展远景 265
8.2.1 促进从研究范式到产业模式的未来科技革命 265
8.2.2 合成生物创制孕育生物经济的颠覆性产品 267
8.3 未来30年我国农业合成生物技术发展战略 268
8.3.1 面临的挑战与存在的问题 268
8.3.2 战略布局与发展目标 270
参考文献 272
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