中国报告大厅网讯，2025年，合成生物行业技术正加速与农业领域深度融合，其中植物工厂作为设施农业的高级形态，凭借高度可控的周年无间断工业化生产特性，成为合成生物技术落地应用的重要载体。当前，通过合成生物技术对植物基因、代谢通路和生理功能进行系统性设计与改造，已在植物次生代谢天然产物生产、分子农业制品开发、资源利用效率提升及碳汇植物创制等方向与植物工厂结合，逐步实现从实验室到产业化的跨越。在这一过程中，相关技术参数与应用数据不断刷新，如植物工厂单位面积产量较传统农业提升 10~20 倍，间歇浸没培养系统可将组培苗玻璃化问题有效解决，液体生物反应器在红豆杉细胞培养生产紫杉醇等场景实现工业化突破，为农业生产变革与高价值农产品供给提供了全新路径。以下是2025年合成生物行业技术分析。
合成生物行业技术为植物工厂适生品种开发提供了核心支撑，通过对植物生命活动的定量模拟与设计，指导基因靶点改造，实现优良性状培育，同时依托植物工厂全要素精细化控制优势，加速育种进程。目前，适生品种开发在元件库标准化构建、底盘植物系统改造及作物光合作用合成生物学改造三大方向取得显著进展。
在元件库标准化构建方面，合成生物技术以模块化工程生物元件为基础，借助合成生物学开放语言(SBOL)构建标准化框架，已形成兼容植物的克隆体系。现有标准化植物元件库涵盖光控元件等功能元件，如原始单细胞绿色植物莱茵衣藻突变体资源库已确定 58101 个突变体在超过 121 种不同环境生长条件下的表型。同时，标准生物元件登记库收录了启动子、核糖体结合序列等 100 多个基因元件，可用于单细胞藻类、多细胞苔藓、拟南芥和烟草等植物，显著提升植物代谢通路设计与基因调控精准度，例如在紫杉二烯合成基因筛选与优化中，实现紫杉醇前体巴卡亭 Ⅲ 分子在烟草上的异源合成，为植物工厂适生品种开发奠定基础。
底盘植物系统改造是合成生物技术应用的关键环节，当前已形成多种底盘植物改造方案。在植物愈伤组织中，可通过重组载体与根茎农杆菌共培养诱导生成转基因毛根;在红花烟草中改造 BY-2 细胞，能去除植物特异性木糖修饰以生产生物治疗蛋白。借助合成生物技术，部分底盘植物已实现产业化应用，如某款以植物为底盘生产的蛋白药物已上市用于特定疾病治疗。同时，结合植物工厂技术，植物快速表达重组蛋白的生产周期可缩短至 3 周内，某公司利用 AI 与基因组测序技术，在 3 个月内完成濒危植物毛状根培养系统的代谢通路解析，使大麻素前体化合物产量提升;通过红光远红光处理本氏烟草，紫杉二烯积累量较白光处理提高 76.5%，外源基因表达效率显著增强。
作物光合作用合成生物学改造通过合成生物与系统生物学深度融合，构建覆盖基因组、代谢组到表型组的数字植物模型，量化解析植物光合固氮、固碳等动态过程。依托植物工厂对光照、温湿度、CO₂浓度等环境参数的精准控制，结合叶绿素快速无损检测技术，实现作物高效生长。例如，通过多尺度建模整合光合作用调控网络模型等，可精准预测作物光能利用效率与物质分配模式，培育出兼具 C4 光合模块、抗病信号回路及耐盐基因簇的 “超级碳汇植物”，具备高固碳效率、抗病虫害及耐盐碱等性状。此外，借助 CRISPR-Cas9 编辑技术改造水稻分蘖调控基因，结合冠层三维光分布模型，可提升光截获效率，同步增强光合碳捕获与地下碳封存能力;通过光质和光周期配合温湿度调整，水稻可实现 1 年 5 代繁育，大豆生长周期从 18 周缩短到 10 周。
植物工厂生产系统依托合成生物技术，在生物反应器改良、环境及能源系统调控、智慧管理系统构建等关键技术领域实现革新，推动工业化大规模生产效率提升与成本优化，同时保障环境友好与经济效益最大化。
合成生物技术与生物反应器技术结合，针对底盘植物生产需求，对间歇浸没培养系统与液体生物反应器进行适应性优化，解决传统培养成本高、成活率低、污染风险大等问题。
间歇浸没培养系统(ISS)通过周期性浸润与通气交替实现高效培养，在植物微繁殖、微生物发酵等领域优势显著。传统 ISS 系统存在设计复杂、成本高昂问题，如单套多容器协同控制设备成本超 10 万美元，且规模化生产中面临放大效应、物种特异性等技术难点，如杜鹃、椰子体细胞胚所需浸没频率分别为 5、30 分钟 / 次，液体添加组分也不同。通过合成生物导向的技术改良，ISS 系统采用透明高压灭菌塑料材质提升透光率与抗冲击性，集成传感器与自动化控制模块，实现对浸没频率、持续时间及营养液成分的精准调控，同时引入机器学习算法优化浸润周期，显著降低能耗并提升培养稳定性，有效解决组培苗玻璃化问题，提升半夏种苗移栽成活率和营养利用率，缩短增殖周期。
液体生物反应器在植物工厂中的应用覆盖植物细胞培养、次生代谢产物生产及规模化育苗等领域。在植株繁育方面，临时浸没式液体生物反应器解决传统固体培养繁殖系数低、病毒污染率高问题，实现草莓脱毒苗高效繁殖;在重组蛋白与次生代谢物生产中，搅拌式生物反应器用于水稻种子胚乳悬浮细胞培养生产重组人血清白蛋白，成本较血浆提取法降低一半;气升式生物反应器实现红豆杉细胞培养生产紫杉醇、布朗葡萄藻工业化突破。此外，模块化浅液流栽培床在生菜种植中应用，可实现营养液深度调控与离子检测，通过定时循环与自动补充硝酸钾、磷酸二氢铵，维持适宜酸碱度，使生菜生长周期缩短至 28 天，水资源利用率提升，有效控制污染，实现农产品免洗即食。在碳中和方向，平板光生物反应器结合膜固定技术培养布朗葡萄藻，使用 Chu13 培养基时生物量可达 65g/m²，碳氢化合物含量 46%，氮缺乏情况下生物量 20g/m²，碳氢化合物含量达 57%;液体生物反应器培养浮萍生产高蛋白饲料，利用奶牛粪便发酵液作为氮源，每立方米反应器可固碳并生产高蛋白饲料，解决传统大豆饲料占地大、碳足迹高问题。
《2025-2030年中国合成生物行业市场深度研究与战略咨询分析报告》指出，合成生物技术创制的植株对生长环境要求严苛，需依托精准稳定的环境及能源系统调控，通过人工光环境监测、小气候调控及能源系统优化，保障作物性状稳定表达与资源高效利用。
人工光环境作为控制植物生长发育的关键因子，其光质、光强、光周期调控直接影响作物性状。在光质方面，红光可促进贯叶连翘开花与次生代谢物积累，单光源照射下烟草属植物叶片血凝集素含量是太阳光源照射的 2 倍，但需结合精准光谱条件保障合成生物创制植株性状稳定;光强方面，光合光子通量密度(PPFD)与每日光照积分(DLI)是关键指标，红蓝光比例光源在 250μmol/(m²・s) PPFD 与 16 小时光周期下，可最大化生菜产量与品质，红紫苏次生代谢物积累更依赖高 PPFD，绿紫苏对营养液电导率更敏感，借助合成生物手段改良的水稻株系光合速率提升 18%;光周期调控影响植物生物量、株高、叶面积及化学成分积累，如 LED 光周期影响维生素 C、叶绿素、黄酮类等含量，基于数字植物模型设计的拟南芥改造株系生长更快，可溶性糖含量上升，C3 光合作用作物生产力提升。当前，光环境调控正从静态单一光质配比向动态多环境因素协同转变，物联网系统实时监测并反馈优化环境参数，如交替红蓝光连续照射结合高光强与低氮协同，可提升生菜维生素 C 含量、降低硝酸盐含量、延长货架期;高强度光、CO₂富集与温度协同调控，使层室内小麦单产达传统农田的 220~600 倍。
小气候监测调控技术结合合成生物设计，通过多参数协同控制实现作物代谢优化与能源消耗降低。建立光温根区温度响应曲面模型，发现 PPFD 为 300μmol/(m²・s)、气温与根温均为 18℃时，干物质积累速率达峰值 1.2g/d;借助机器学习融合鲁棒优化模型，提升温度、相对湿度、CO₂浓度协同控制精度;1000pmol/mol CO₂浓度与 LED 高红光光谱协同作用，可使莴苣叶片中 14 种氨基酸含量提升，同时降低无机氮残留。在物理环境建模方面，构建机械通风温室动态模型、GPSMPC 克里金随机模型、三维计算流体动力学模型等，实现从静态经验公式向动态数字孪生演进，冬季预测控制框架跟踪误差减少 67%，优化种植架气流均匀热环境。能源系统从单一电网依赖转向光伏地热多能互补模式，结合合成生物创制的碳汇植物，封闭工厂中能源自给率提升 40%，土地利用率及农业机械通过性提高，制冷系统效率提高 14.3%。
合成生物技术 “设计 - 构建 - 测试 - 学习” 的研究思路，需依托智慧管理系统提供定量、标准化的可控生产环境，通过数字孪生、物联网与人工智能融合，实现植物全生命周期智能化管理。
智慧管理系统的控制算法从经验驱动转向数据模型混合驱动，提升预测精准度与自主决策能力。如垂直植物工厂中融合 5G 传输与机器学习的 DDRMPC 框架，将温室气候控制响应时间缩短，温度波动范围控制在 1℃以内;动态模型预测控制系统引入作物光响应函数，结合 NSGA-II 算法，提升 CO₂利用率并降低光照能耗。在水肥管理方面，未来将借助代谢组学、表观遗传学技术，精准控制营养液配方、离子浓度、pH 值及电导率等参数，建立逆系统模型推导光强与 7 种离子浓度最优组合方案，在提升生物量产出的同时降低营养液消耗。物联网架构从集中式向边缘计算过渡，结合智能控制与分子生物学技术，解析植物工厂条件下遗传发育基础与农艺性状分子规律，支撑底盘植物规模化合成治疗性蛋白，实现高产优质品种精准设计与快速创制，以及代谢物定向合成闭环控制。
智慧管理系统通过引入各类智慧模型，提升作物生产效益与能源利用效率。如 “舒适率模型” 通过 24 类无线传感器实时采集环境参数，结合作物生长阶段特性构建动态评分体系，在温室应用中使能源消耗降低 22%，产量提升 17%;系统动力学模型优化照明和气候调节系统，整合太阳辐射、能源消耗等耦合模型与农业决策系统，显著减少能源使用，较传统温室节水，蔬菜年产量提升，最高达 1.1×10⁵t。
合成生物技术与植物工厂的融合，突破传统农业生产边界，在合成种子及次生代谢物合成、高附加值生物制品生产、碳汇植物创制与环境保护、抗逆性优化与多场景应用等领域实现拓展，展现出多元化应用潜力。
植物工厂为合成种子选育与次生代谢物生产提供可控环境，结合合成生物技术，形成从种质保存到商业化开发的全链条体系。不同光强、光周期、光质对种子萌发影响显著，如贯叶连翘种子光敏感期在 12 小时以内，光受体为光敏色素，光量超过 14.904mol/m² 后光照具有抑制效应。借助植物工厂可控环境与多层立体栽培，已成功选育出生长周期短、株型紧凑的水稻，株高≤30cm，生育周期缩短至 25 天，单位体积产量较传统水培大幅提升;采用海藻酸钠包埋法制备的龙胆目夹竹桃科药用植物合成种子，在 4℃储存 36 个月后仍保持高再生率和遗传稳定性，配合机器学习构建的萌发预测模型，准确率达 92%，濒危植物繁殖效率较传统组培提升 2.3 倍。
在次生代谢物合成方面，植物工厂结合合成生物技术，解决户外种植质量难控问题。全球最大植物代谢物数据库收录 50 万种化合物，为合成生物元件设计提供基础。植物工厂利用烟草悬浮培养系统、毛状根培养系统、红豆杉细胞培养系统等，结合 CO₂脉冲供给、糖基转移酶改造、微流控芯片等技术，提升萜类化合物合成效率，实现大麻素前体化合物规模化生产，过表达紫穗槐 - 4,11 - 二烯合酶提升青蒿素产量，推动紫杉醇等商品化次生代谢物生产，为抗癌药物开发提供新路径，替代野生资源采伐。例如，研究发现特定酶对高粱中病原体诱导的 3,5 - 双 O - 甲基化白藜芦醇生物合成至关重要，且两种甘蔗属草本植物能区域选择性生产 O - 甲基化芪类化合物，为次生代谢物合成提供新方向。
合成生物技术推动植物工厂成为高附加值生物制品的绿色生产平台，通过基因编辑、生物反应器优化及封闭式环境调控，实现药物、疫苗、工业酶、化妆品原料等产品生产。在日化与食品原料领域，植物细胞工厂可高效合成香兰素、没药烯等香料，替代传统植物提取工艺;在工业酶领域，烟草叶片生产的胶原蛋白和抗体已实现数百万元销售额，并计划向农业生物制剂领域拓展;在食品领域，本生烟合成的母乳低聚糖，可作为食品添加剂、膳食营养补充剂应用于婴幼儿配方奶粉等功能性食品或特医食品。
在医药领域，植物作为 “分子农场” 的潜力逐步释放，口服疫苗等蛋白制剂取得突破。通过核基因组遗传转化、瞬时转化、叶绿体遗传转化等方法，烟草、水稻、番茄、拟南芥等底盘植物可快速安全生产重组蛋白，如药物、疫苗、激素等。其中，烟草作为抗体、重组疫苗等蛋白质生物制剂的制造平台已较为成熟，两种候选疫苗已进入临床试验特定阶段;利用烟草瞬时表达系统组装的包含病毒样颗粒的中和抗体，能检测到新冠病毒原始毒株和 Delta 突变株的刺突蛋白;某款基于烟草瞬时表达系统生产的植物源新冠疫苗已获批准上市;水稻胚乳表达系统也已应用于新冠病毒疫苗的中试生产。此外，玉米、水稻、生菜、番茄等植物表达的重组蛋白，在动物试验阶段可用于霍乱、乙肝、疟疾等疫病疫苗或血糖调节相关多肽及酶前体的合成，未来引入植物工厂后，可充分发挥其可控、稳定、高效的生产特点，满足植物基口服疫苗规模化供给需求。
面对耕地减少、气候变化和人口增长挑战，合成生物技术创制碳汇植物，结合植物工厂精准环境控制，实现单位面积产量提升与资源消耗降低，同时探索碳汇交易新模式。植物工厂单位面积产量较传统农业提升 10~20 倍，水资源消耗减少 90% 以上，如北纬 52° 地区植物工厂单位产量耗水量仅为传统温室的 1/9，某植物工厂每平方米年产量达传统农田的 40 倍，某智能植物工厂已实现叶菜类作物 365 天连续生产。
在绿色化发展方向，新型光合作用细胞工厂以太阳能驱动，直接靶向捕获二氧化碳，促进蓝藻和藻类多样性，为藻类植物工厂提供新策略;喷雾冷却系统与浅层地热能交换器耦合，使光伏板转换效率稳定在 18.7%，基于 GPSMPC 框架的温室气候控制系统将冬季能源和二氧化碳成本降低 51.4%，春季降低 40%。LED 光源材料创新成为提升光效的关键，预计到 2030 年 LED 光效突破 3.0μmol/J，使植物工厂能耗占比由 62% 下降;Mn⁴+ 掺杂荧光粉 / 玻璃复合材料实现 27.5% 的量子效率，热导率达 1.671W/(m・K)，使生菜生物量提升 58%;Eu³+ 活化 Sr₄La₆(SiO₄)₆Cl₂荧光材料在 394nm 激发条件下有位点替代触发发光特性，可调节提高边沁草植物的病毒抗性;量子点通过将紫外线辐射转化为可见光合作用有效辐射(PAR)，改善植物光合作用和生长条件。
植物工厂与光伏产业结合，打造人工高效植物碳汇系统。某试点项目尝试整合光伏农场、组培植物工厂、生物碳生态基地，构建大型 “生物反应器”，控制每吨饲草电力成本，显著减少土地与水资源消耗，同时监测 CO₂交换量，探索新型碳汇交易模式。此外，某地区沉水植物碳汇交易单价达 1.5×10⁴元 /hm²，年固碳超 40t，推动生态价值转化;某植物工厂通过太阳能供电实现碳足迹净零排放;某藻类植物共生系统将废水处理与生物质生产结合，水资源循环利用率达 95%;某煤化工植物工厂耦合系统利用 CO₂合成燃料减排，同时生产高附加值植物提取物，实现种养循环。
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