2018年7月，澳大利亚麦考瑞大学研究人员在Genes上发文探讨植物合成生物学在多行星探索中的应用。近年来，人类到遥远的行星和卫星上做太空旅行的兴趣被重新点燃，并且正在计划在不久的将来将首批载人飞行任务的目的地设为火星。除了在产生氧气、固碳、循环利用废弃物和水等方面发挥作用，植物在为微生物制造提供食物和生物质原料以生产材料、化学品和药品方面也起到至关重要的作用。然而，由于地球上的生命是在陆地生物圈的条件下进化的，植物在不同的行星栖息地中不能发挥最佳性能。植物种植设施的建设或运输，以及光照和液态水资源的可用性也是限制因素，从而对在外星球进行有效耕作带来了新的挑战。利用即将完成的人类火星任务的框架，本文讨论了一系列生物工程方面的努力，以使人类能够在火星温室环境中充分利用植物。此外，文章还提出了关于适应火星生命的研究路线图，并概述合成生物学有助于实现这一目标所做的努力以解决地球上一些主要的农业和工业挑战。

　　1 充分利用植物对首批外星居住人类的影响

　　空间探索是科学研究最具启发性的领域之一，也是技术创新的主要推动力。在外来行星体中实现人类的可持续生存将扩大我们对宇宙和对诸如在地球家园之外的行星生活等根本问题的调查能力的认识，也将使全球经济持续增长。空间机构，例如美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）、欧洲航天局（European Space Agency，ESA）以及来自私营部门的公司，像SpaceX公司。限制人类扩大太空探索的一个主要因素是从地球发射和再补给资源的巨大后勤成本。因此，在未来几年中，开发可靠的技术以实现人类在太空中可持续的长期活动将是至关重要。

　　人类和植物的生命与地球密切相关，未来首批进驻外星球的生物也是如此。充分利用植物可以增加长期在外星球居住期间的自给，从而最大限度地降低风险和减少货物运输和补给任务的部署。然而，植物在陆地生物圈的条件下进化，如果在其他星球环境中模拟地球条件以实现高效农业需要分配大量资源。像阳光和液态水这些简单的资源可能有限，有益微生物和营养物需要被植入，条件良好的温室能够使植物避免有害紫外线和宇宙辐射的照射，也需要建设和运输。需要消耗相当多的能源来维持受控的温室条件，例如温度、湿度和压力。尽管空间农业在这方面不断取得进步，以维持外星球温室和改进在不同环境下的行星植物性能为目的的生物工程方法仍然需要探讨。

　　合成生物学将为在陆地以外星球充分利用植物提供方法。利用人类火星探索方案，本文讨论了一系列使植物在火星上茁壮成长的生物工程努力。

　　2.重新构建改善性能的火星植物

　　火星是邻近行星中最像地球的星球，也是人类下一步探索的行星。预计为了实现在火星的长期居住，红色星球任务将不再完全依赖运载货物而是实现高水平的自给自足。如上所述，实现这一目标的一种方法是部署特殊设施，使植物能够在火星的恶劣环境中生存。一种互补的方法是在火星条件下设计改善性能的工程植物，这种努力需要在多个层面进行大幅修改，但最终将带来能源、水和栖息地空间等益处。为了应对一系列火星挑战，潜在的植物合成生物学解决方案包括：（1）增强光合作用和光保护；（2）提高耐旱性和耐寒性；（3）提高产量和提高功能性食品。

　　3.调整微生物以补充和促进火星上的植物

　　火星上植物的构建和利用将从联合微生物一起使用中获益。工程菌除了可以固氮等用途，还可以从火星土壤中除去有毒化合物以及将干旱贫瘠的沙漠资源转换为能够支持植物生长营养丰富土。与植物的情况类似，由于这些微生物的工作环境完全不同，合成生物学对于设计所需功能至关重要。研究人员构建了11种植物，微生物可用于将植物生物质转化为蛋白质和代谢物，用于材料、化学品和药物生产。通过使用植物糖和生物质作为生物过程的通用原料，这些资源可以高速高通量和高产量的按需生产。值得注意的是，设计出来用于执行多种任务的大量微生物可以携带极少额外物品被运输到火星。本文重点提及的主要是利用微生物调节火星土壤从而促进植物生长；利用微生物以植物材料为原料生产代谢物和蛋白质。

　　4.适应火星生命的研究路线图

　　本文建议通过建立“火星生物铸造厂（biofoundry）”来应对构建适应火星环境的植物和微生物这一艰巨的挑战，即构建一个自动化的多功能平台，能够加速生物系统的工程化和高通量表型构建以适应火星上的环境条件。生物铸造厂促进复杂的自动化工作流来并行构建、分析和优化大量生物工程设计，从而加快了对巨大的设计空间的探索。虽然目前大多数平台都使用微生物，但火星生物铸造厂也会包含植物。因此，它应该能够在模拟的火星条件下有效地构建工程菌和植物，并筛选高性能微生物和植物。这种独特的能力还有助于确定最适合火星的植物物种。

　　直接的植物工程，即使实施最先进的方法和设施，可能因为其冗长的再生时间和庞大规模的设施而变得不切实际。一个比较渐进的方式是在异源生物中测试靶向植物的生物工程设计将更易操纵，能够快速产生大量所需生物，并且适合于功能性的大规模并行分析。微生物如藻类、酵母和细菌可用于快速测试设计的基因电路和途径，同时也可能作为植物替代者来筛选模拟的火星环境条件。由于与植物发育相关的性状无法在单细胞微生物中表征，表现最好的方案将被转移到一个简单的多细胞植物模型中，如地钱和小立碗藓等用于在模拟火星温室条件下进行其他表征。如果需要，可以对植物进行进一步改良（例如，与功能或解剖组织分化相关的性状）或进行反复的微生物工程。

　　最终，可以设想未来通过频繁的无人驾驶航班每隔约1-2年在火星表面部署的微型培育设施内进行安顿实验。对火星性能的远程监测将为调整地球上生物铸造厂工作提供关键知识。适应火星生活的研究将有助于同时评估意外释放情况下的行星生物污染的风险，因此，为降低此类风险设计有效策略将显得尤为重要。

　　5.从地球到火星，再到地球

　　人类对火星的探索将是人类最伟大的成就之一，也是我们多行星旅程的第一站。开发用于在另一个星球上维持人类生命的所需技术促进了革命性的进步和科学发现。植物将为此做出巨大贡献，同时也对地球产生巨大影响。随着人口的增长，粮食需求也随之增长，对农业生产力也提出更高要求。现有的农业技术对地球生态系统造成了较大压力。改善火星植物性状将对地球农业产生深远影响。微生物介导的土壤调节，不仅促进火星植物生长，也能利用植物生物质生产各种产品，有利于地球发展真正可持续的工业。建造火星铸造厂可能会带来巨大的好处，可解决粮食安全和环境保护问题，并加深了我们对植物生物学的认识。最后，开发火星植物的主要受益者就是地球。

　　丁陈君 编译自http://www.mdpi.com/2073-4425/9/7/348/htm
　　原文标题：The Multiplanetary Future of Plant Synthetic Biology