光合作用合成生物学研究现状及未来发展策略

光合作用在现代及未来社会中的重大战略性支撑作用

提高光合作用效率在未来提高粮食产量中将起到关键作用

与以往相比，光合作用改造或者改良将在解决未来粮食、能源及维持可持续性的生态环境中将起到更重要的关键性作用。近 50 年来，在矮化育种、杂交育种、分子标记辅助育种等技术的支持下，作物产量得到大幅度提高；因此，尽管世界人口从 1960 年的 30 亿增长到 2018 年的 75 亿，增加了近 1.5 倍，但是全球粮食安全没有受到重大威胁。近些年来，亚洲、非洲、拉丁美洲等地人口持续以近或高于 1% 的年增长率高速增加，然而粮食产量年增加幅度逐年变缓，粮食安全隐患逐步浮现出来。从现在到 2050 年，多种预测都表明，粮食产量需要增长 0.85 倍才能保障如今的人均粮食消耗。在作物收获指数从当前近于或者大于 0.5 的情况下，大幅度提高收获指数已无可能；另外，随着城市化进程，大幅度提高农用耕种面积可能性也消失的情况下，进一步提高光能利用效率成为未来大幅度提高作物产量潜力的重要甚至是唯一可行的途径。值得一提的是，尽管提高作物抗逆性同样是提高光能利用效率的重要手段；但是，大量研究表明，提高光能利用效率可以同时实现在逆境下的作物产量。

基于光合作用的生物能源将成为未来重要替代能源形式

在能源供给方面，随着地球上不可再生的化石能源的耗竭，人类目前也同样面临寻求新的替代能源的紧迫任务。基于光合作用的生物能源与核能、风能、太阳能等都成为未来能源的重要选项。与其他替代能源形式相比，基于光合作用的生物能源具有高效率、维护容易、低能耗维持高效运行、可存储、安全性高、不产生温室效应气体等诸多优点。进一步讲，基于藻类的生物质能源生产，也因为其可以不占用农田耕地、光能转化为生物能的产率高等优点，在替代能源中起到越来越重要的作用。美国建立了 4 个生物能源研究基地，包括大湖区生物能源研究中心、生物能源创新中心、联合生物学能源研究所、先进生物能源及生物产品创新研究中心。美国的《可再生燃料标准》规定，到 2022 年，每年燃料供应中混合生物燃料的供应量将达到 360 亿加仑^③；巴西《国家能源计划 2030》规划到 2030 年，生物乙醇和生物柴油的年产量分别达到 660 亿加仑和 185 亿加仑。美国提出的《2015—2020 战略研究报告》计划到 2050 年，将生物质能源在整个能源消耗中占据 25%—33%。

提高光能利用效率是创建绿色、高效农业，创建未来生态文明的关键一环

光合效率的改良和优化是未来创建生态文明、维护未来可持续生态环境的重要途径。当前，由于化肥的过度使用，土地、河流富营养化已经成为我国重大环境问题。到 20 世纪 90 年代，我国湖泊富营养化比例已经高达 77%。提高光能利用效率，创建高产、高效作（植）物，减少化肥使用量，是未来创制绿色、可持续农业发展的关键所在，也是构建国家生态文明的重要一环。进一步讲，当前全球气候变化中最重要的两个因子，即大气 CO₂浓度增加及温度升高，都是影响光合作用的主要因子。如何改造、优化当前光合作用系统，使之在全球气候变化下仍保持最佳光能转化效率也是当前农业生产中亟待解决的重大问题。