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目錄
第1章 緒論：農(nóng)業(yè)合成生物技術的前世今生 1
1.1 技術發(fā)展歷程 1
1.1.1 人工馴化 1
1.1.2 雜交技術 2
1.1.3 轉(zhuǎn)基因技術 4
1.1.4 基因編輯技術 9
1.1.5 農(nóng)業(yè)合成生物技術 15
1.2 相關技術知識產(chǎn)權分析 22
1.2.1 基因編輯技術 23
1.2.2 表觀遺傳修飾技術 23
1.2.3 根際生物固氮技術 24
1.2.4 人造肉技術 24
1.2.5 人造奶技術 25
1.3 生物安全監(jiān)管法規(guī) 26
1.3.1 世界各國監(jiān)管現(xiàn)狀 26
1.3.2 監(jiān)管內(nèi)容與風險評估 27
1.4 生物倫理風險與管理 30
1.4.1 人造生命體 30
1.4.2 活的基因工程機器 30
1.4.3 將合成生物體釋放到環(huán)境中進行生物修復 31
1.4.4 致病病毒或微生物的合成 31
1.4.5 哺乳動物細胞的合成生物技術 31
第2章 農(nóng)業(yè)合成生物底盤重建 34
2.1 農(nóng)業(yè)合成生物理想底盤 34
2.1.1 植物底盤 35
2.1.2 微生物底盤 39
2.2 農(nóng)業(yè)合成生物底盤重建策略 52
2.2.1 設計編程 54
2.2.2 構建驗證 54
2.2.3 測試驗證 55
2.2.4 學習反饋 55
2.3 農(nóng)業(yè)合成生物底盤重建技術 56
2.3.1 DNA測序、合成與組裝技術 56
2.3.2 高效遺傳轉(zhuǎn)化與精準基因編輯技術 61
2.3.3 全局性基因動態(tài)調(diào)控技術 63
2.3.4 蛋白質(zhì)設計與酶工程技術 64
2.3.5 數(shù)字建模與定量合成生物技術 66
2.3.6 微流控芯片與微型生物反應器技術 68
2.3.7 自動化合成生物設施平臺 69
2.4 農(nóng)業(yè)合成生物底盤重建工程 72
2.4.1 啟動子與動態(tài)調(diào)控元件工程 73
2.4.2 新酶設計與輔因子工程 74
2.4.3 基因線路組裝與底盤重建工程 78
第3章 人工光合體系與農(nóng)業(yè)應用 90
3.1 光合作用與人工光合體系 91
3.1.1 光合作用原理 91
3.1.2 光合作用的生態(tài)意義 92
3.1.3 人工光合體系創(chuàng)建 93
3.2 研發(fā)歷程與最新進展 96
3.2.1 天然光反應系統(tǒng)的改造優(yōu)化 97
3.2.2 光呼吸和CO2固定途徑的重新設計 99
3.2.3 高光效作物的從頭馴化 100
3.2.4 人工自養(yǎng)微生物的工程化設計 102
3.2.5 電驅(qū)動人工固碳與人工葉片固碳 103
3.2.6 光合細胞工廠與葉綠體高效表達系統(tǒng)創(chuàng)建 104
3.2.7 以二氧化碳為原料合成人工淀粉 105
3.3 未來重點發(fā)展領域 106
3.3.1 國際動態(tài) 106
3.3.2 技術路徑與發(fā)展目標 106
3.3.3 重點研究內(nèi)容 111
第4章 人工固氮體系與農(nóng)業(yè)應用 117
4.1 提高氮肥利用率的痛點問題 118
4.1.1 化學氮肥農(nóng)業(yè)應用的痛點問題 119
4.1.2 生物固氮農(nóng)業(yè)應用的痛點問題 120
4.2 生物固氮研發(fā)歷程與研發(fā)動態(tài) 121
4.2.1 研發(fā)歷程 121
4.2.2 研發(fā)動態(tài) 124
4.2.3 產(chǎn)業(yè)化應用動態(tài) 132
4.3 技術路線與研發(fā)布局 134
4.3.1 技術路線 134
4.3.2 重點研發(fā)布局 141
4.4 未來發(fā)展趨勢 147
第5章 抗逆模塊設計及育種應用 149
5.1 抗非生物逆境生物育種工程 150
5.1.1 植物抗非生物逆境機制 150
5.1.2 植物抗逆模塊挖掘與功能評價 151
5.1.3 微生物抗逆基因挖掘與功能評價 156
5.1.4 植物抗非生物逆境育種工程的重點研發(fā)方向 162
5.2 抗生物逆境生物育種工程 165
5.2.1 抗病蟲基因及其產(chǎn)物 165
5.2.2 抗病蟲育種技術及品種創(chuàng)制 167
5.2.3 耐除草劑作物新品種創(chuàng)制 171
5.3 新型RNA農(nóng)藥創(chuàng)制 174
5.3.1 RNA農(nóng)藥的作用機制 175
5.3.2 RNA農(nóng)藥的合成與遞送技術 176
5.3.3 新型RNA農(nóng)藥產(chǎn)品研發(fā) 177
5.4 高性能抗逆底盤菌株創(chuàng)制 179
5.4.1 底盤菌株抗逆能力提升 181
5.4.2 高性能抗逆底盤菌株創(chuàng)制的重點研究方向 189
第6章 農(nóng)業(yè)微生物組工程化應用 191
6.1 農(nóng)業(yè)微生物組工程化策略 191
6.1.1 "自下而上"微生物組工程化策略 192
6.1.2 "自上而下"微生物組工程化策略 192
6.2 農(nóng)業(yè)微生物組工程化技術 193
6.2.1 培養(yǎng)與非培養(yǎng)相結合的高通量分析技術 193
6.2.2 農(nóng)業(yè)微生物組遺傳操作與功能測試技術 197
6.2.3 厭氧微生物組關鍵技術 202
6.2.4 種子生物包衣技術 204
6.3 農(nóng)業(yè)微生物組工程的應用場景 210
6.3.1 植物微生物組工程 210
6.3.2 基于宿主與微生物組互作的新品種選育 217
6.3.3 動物腸道微生物組工程 219
6.3.4 厭氧微生物組工程 222
6.4 農(nóng)業(yè)微生物組工程重點研發(fā)方向 224
第7章 農(nóng)業(yè)細胞工廠與合成食品 229
7.1 細胞工廠設計原理與應用場景 229
7.2 農(nóng)業(yè)細胞工廠的表達系統(tǒng) 232
7.2.1 植物細胞表達系統(tǒng) 233
7.2.2 動物細胞表達系統(tǒng) 235
7.2.3 微生物表達系統(tǒng) 237
7.3 農(nóng)業(yè)細胞工廠的表達產(chǎn)物 237
7.3.1 蛋白質(zhì) 238
7.3.2 碳水化合物 238
7.3.3 脂肪 238
7.3.4 食品添加劑 240
7.4 未來合成食品開發(fā) 240
7.4.1 國際發(fā)展趨勢 242
7.4.2 我國發(fā)展動態(tài) 250
7.5 國家戰(zhàn)略與重點領域 254
7.5.1 重大需求 254
7.5.2 發(fā)展戰(zhàn)略 255
7.5.3 重點研發(fā)領域 256
7.5.4 政策建議 258
第8章 回顧與展望：未來30年的農(nóng)業(yè)合成生物技術 262
8.1 發(fā)展歷程回顧 262
8.1.1 設計原理與工程化技術創(chuàng)建階段（20世紀中葉至1999年） 264
8.1.2 合成生命與顛覆性創(chuàng)新階段（2000～2019年） 264
8.1.3 技術成熟與產(chǎn)業(yè)化應用階段（2020年至今） 265
8.2 農(nóng)業(yè)合成生物技術發(fā)展遠景 265
8.2.1 促進從研究范式到產(chǎn)業(yè)模式的未來科技革命 265
8.2.2 合成生物創(chuàng)制孕育生物經(jīng)濟的顛覆性產(chǎn)品 267
8.3 未來30年我國農(nóng)業(yè)合成生物技術發(fā)展戰(zhàn)略 268
8.3.1 面臨的挑戰(zhàn)與存在的問題 268
8.3.2 戰(zhàn)略布局與發(fā)展目標 270
參考文獻 272