用植物种子生产PHA？生物农业公司打造「GRAIN」平台扩大农作物产量

生辉获悉，一家生物农业公司 Yield10 Bioscience（以下简称“Yield10 ”）的首席科学官 Kristi Snell 博士在前段时间召开的 “2021 年合成生物工程、进化与设计 (SEED)” 会议上发表了演讲，分享了该公司的一项新技术，即通过基因编辑开发出有更高含量的 PHA（聚羟基烷酯）的亚麻荠种子，并且适合大田种植。

PHA 是自然界普遍存在的天然聚合物，在环境中可完全生物降解，它为实现碳中和提供了一种方法，并支持更可持续的行业。

 Yield10 此前名为 Metabolix，成立于 1992 年，当时专注于工程微生物以制造专有生物塑料和生物基化学品，2002 年，Metabolix 启动了一项作物科学研究计划，旨在利用植物的可再生特性从农作物中生产可再生的生物塑料、化学品和生物能源。

2015 年公司更名为 Yield10，业务聚焦在提高植物 CO₂固定效率、增加亚麻荠油籽产量以及亚麻荠种子开发 PHA 生物塑料等。

扩大用亚麻荠种子生产 PHA 规模

目前，利用工程微生物发酵是生产 PHA 主要的人工手段。

而 Yield10 却另辟蹊径，采用亚麻荠种子生产 PHA。其官方网站展示的研究论文介绍了利用亚麻荠种子生产聚 3 - 羟基丁酸酯 (PHB) 的方法，简单来说，研究人员将编码 PHB 生物合成酶的基因转入了亚麻荠的基因组，成熟的种子中就会产生比一般植物更多的 PHB。

图丨基因编辑的亚麻荠种子富含 PHA（来源：Yield10）

Yield10 的新技术生产的含有高含量的 PHA，适合大田生产。今年 7 月，Yield10 签署了 2021 年田间试验和种子扩大计划，试验田分布在美国、加拿大和阿根廷。

田间试验旨在生成田间条件下新性状表现的数据，并推动商业化发展。在这些田间试验中，Yield10 计划监测植物在整个生长期的关键参数，并在种子收获后酌情评估种子产量、油含量、PHA 含量和性状的其他参数。

此前，Yield10 已经在美国和加拿大的实地试验场中种植了几条亚麻荠生产线。该公司表示，虽然经过编辑的 PHA 植物成熟较其他植物晚，但其活力、分支、开花都非常好，成熟种子中产生 PHA 重量占种子总重的 6%。

根据这些测试结果，Yield10 在今年选择了两条 PHA 亚麻荠生产线进行更大规模的现场测试，该测试还计划确定生产线是否适合初始商业化。该公司表示，其目标是 PHA 含量占亚麻荠生产线的成熟种子重量 5%-20%。其计划从亚麻荠生产线的种子中提取 PHA 生物塑料，用于产品原型设计、采样和业务开发。

“这些测试结果标志着 PHA 在商业化生产上又迈出了重要的一步，使其能够低成本、大规模生产。”Snell 表示。

提升固碳效率，增加农作物产量

Yield10 打造的技术平台的目标是，提供一套高产作物的创新解决方案。

光合作用的效率直接影响作物的产量，根据光合作用系统可以把植物分为三类：C3、C4 和 CAM 植物。一般来说，C4 植物的固有产量比 C3 植物高 5 倍。

C3 是最简单的植物光合作用系统，大多数农作物包括油菜、大豆、水稻、小麦和马铃薯都属此类。

C4 光合作用是一个更复杂的系统。利用 C4 系统的植物已经进化出了另外一种独特的细胞结构，在这种结构中，二氧化碳通过一系列被称为 C4 途径的代谢和代谢产物运输被浓缩为主要的光合酶 RUBISCO。玉米和甘蔗是 C4 植物家族中的代表。

图 | 3 种固碳形式

科学家们利用先进的代谢工程方法和预测模型挖掘基因，同时能够观察到植物光合性能改善的早期迹象，从而提高植物产量、种子产量、生物量、油和淀粉含量。

Yield10 试图通过利用现代生物技术策略解决产量差距，其中就包括合成生物学，通过该技术可以使植物在光合作用过程中更有效地捕获大气中的碳，并将碳沉积在种子或生物量中，也就是更高效的固碳，从而提高重要粮食作物的总体产量。

Yield10 在其官网介绍了集合其核心技术的平台：“GRAIN” 性状基因发现平台，该平台由农作物智能碳网和 T3 平台构成。

官方称，已利用该平台确定了与光合作用相关的 C4004 到 C4027 系列的转录因子基因，以及 C3003 等新的基因靶点。

图 | “GRAIN” 性状基因发现平台（来源：公司官网）

“GRAIN” 性状基因发现平台的目标是创建一个工具，用以识别植物基因修饰组合 (“智能目标”)，进一步优化种子产量和种子含油量性状，从而改善作物性能的各个方面。该公司认为，CRISPR/Cas9 系统可以实现强大的基因编辑，但关键问题在于要识别出应该编辑哪些基因。

农作物智能碳网，是一个代谢工程学平台，官网介绍称，该平台具有改善光合作用净固碳量、优化碳转化和优化固定碳到种子或生物量的分配，从而提高产量的潜力。

图 | 农作物智能碳网平台（来源：公司官网）

T3 平台包含了转录组分析网络，该平台主要用于确定全球调控基因，以控制复杂的全球调控网络和基因级联，实现作物产量的梯级改进。“T3 平台有潜力提供一系列新的产量、耐受性和基因组编辑目标，用于研究重要的农业作物。”

图 | T3 平台（来源：公司官网）

Yield10 正在与农业生物技术领域的其他公司合作，以确定可用于提高大豆、高粱和马铃薯等作物性能的基因；Yield10 还与 Rothamsted Research 建立了研究合作伙伴关系，以在亚麻荠中开发一种 omega-3 鱼油替代品。

参考资料：

• https://synbiobeta.com/yield10-bioscience-announces-achievement-of-proof-of-concept-milestone-for-producing-pha-bioplastic-in-field-grown-camelina-plants/

• https://www.yield10bio.com/Innovation/Publications

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