近日，中国农业科学院生物技术研究所玉米功能基因组创新团队，深入探讨了人工智能（AI）与合成生物学相结合在作物育种中的应用。该研究强调了利用这些先进技术来增强作物产量特征和改善其环境适应性的潜力，同时总结了合成生物学和遗传元件优化在作物改良中的具体应用场景。基于此，团队提出了“SMART作物”的概念，旨在通过创新策略和技术方法培育更优质的作物品种。相关研究以Synthetic biology and artificial intelligence in crop improvement为题发表在《植物通讯（Plant Communications）》上。
面对全球人口增长及气候变化带来的挑战，预计到2050年粮食需求将有70%的缺口。传统育种手段由于耗时长且成本高昂，难以满足快速增加的作物产量需求。而合成生物学与人工智能的结合则提供了一种全新的解决方案：通过精确编辑基因网络、优化大数据以及进行蛋白质工程设计，可以高效地改良作物的关键性状，并加强它们对环境变化的适应能力，从而大大提高育种效率和作物生产水平。
文章中详细介绍了多种策略的应用，包括但不限于基因编辑、遗传模块重组、多组学数据整合、AI驱动的蛋白质工程和遗传筛选等，用于改造复杂的遗传结构。此外，还讨论了合成生物学如何促进作物高产、优化代谢路径、提升环境适应性和调控表观遗传等方面的作用。提出的“SMART”作物理念，意在确保作物能够在气候变化和资源紧缺的情况下维持高效的生产力，以帮助解决全球粮食安全问题。
同时，该综述也探讨了AI在合成生物学领域如蛋白质定向进化中的潜在应用，以及当前作物改良工作中遇到的挑战，为未来的研究和发展提供了指导方向，为实现作物性状的优化和环境适应性的提高铺平了道路。
图注：SMART作物育种途径
生物所普莉研究员和乐亮副研究员为本文通讯作者，生物所博士研究生张道磊和已毕业博士徐帆（现中国林业科学研究院林业研究所）为共同第一作者，生物所博士研究生王繁华也参与了该工作。该工作得到农业生物育种重大专项、中国农业科学院创新工程等项目的资助。
