综述：工程化氮碳固定技术培育下一代作物

这篇综述聚焦利用合成生物学（Synthetic Biology）和人工智能（AI）优化植物氮（N2）和碳（CO2）固定通路，通过改造固氮酶（Nitrogenase）、根瘤菌（Rhizobia）共生系统及Rubisco酶（Rhodospirillum rubrum变体），协同提升作物在极端环境（如盐碱地、火星）下的生产力与可持续性。

　　

引言

植物氮（N）和碳（C）同化途径的自然局限性制约了产量，尤其在资源匮乏条件下。当前农业依赖哈伯-博施法（Haber-Bosch）合成氮肥，但该过程高能耗且污染环境。豆科植物与根瘤菌（Rhizobia）的共生系统通过固氮酶将惰性N₂还原为氨（NH₃），但真核生物中固氮酶工程化尚未突破，因其需低电位电子供体（ferredoxin/flavodoxin）和大量ATP。

工程化植物固氮

全球农业亟需替代合成氮肥的绿色方案。根瘤菌共生系统虽高效，但限于豆科作物。近期研究通过异源表达（如E. coli）解析固氮酶金属簇组装机制，为植物工程化提供可能。同步优化谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸合酶（GOGAT）循环可提升氨同化效率。

工程化碳固定

C3植物依赖卡尔文-本森-巴沙姆（CBB）循环，但Rubisco酶的低效（如O₂竞争性结合导致光呼吸）限制碳固定。通过AI设计Rhodospirillum rubrum Rubisco变体，可改善CO₂亲和力与催化动力学。此外，优化“源-库”碳分配（如叶片到种子）能显著提升产量。

氮碳协同工程

氮碳代谢相互依存：增强固氮可促进Rubisco和叶绿体蛋白合成，而高效碳固定为氨同化提供能量与碳骨架（图1）。这种协同效应赋予作物在沙漠、盐碱地甚至外星环境的耐受性。

未来展望

以E. coli和酵母为底盘，结合定向进化与AI酶设计（图2），可加速固氮酶和Rubisco优化。CRISPR和合成生物学工具将推动代谢通路重构，最终实现低投入、高抗逆的“未来作物”。

结论

氮碳通路协同工程有望变革农业，减少合成肥料依赖，并拓展作物种植边界。从固氮酶异源表达到Rubisco计算设计，技术创新正突破自然进化限制，为可持续粮食安全提供解决方案。

（注：全文专业术语如Nitrogenase、Rubisco等均按原文格式标注，结论均基于综述所述研究，未添加非原文信息。）