农业是合成生物学近年来的重点研究方向之一，包括农作物(包括粮食作物和经济作物)、畜牧水产等主要领域。中国人均耕地面积少，生物科技的应用尤为关键。此外，根据BCG研究，农业排放占全球人类活动温室气体排放总量的17%。来自农业体系的温室气体排放往往会造成更高的温室效应，主要原因在于农业排放中的甲烷及氨氧化物占比较高。中国是农业排放的大国，农业减排道路任重道远。

在农业领域，合成生物学的研究重点围绕减少肥料使用、减少碳排放、强化病害防控、提高生长效率等话题开展，但行业整体仍处于早期。例如，从技术角度来看，合成生物学在农业应用中目前主要围绕微生物改造植物改造并未达到严格意义上的系统性重构遗传及代谢体系。

粮食作物领域又可分为育种、作物保护、作物营养等赛道，合成生物学在各细分领域均可发挥作用。其中，部分设计育种、固氮肥料和微生物农药已实现商业化。以育种为例，合成生物学应用主要分为三类:通过野生植物驯化，提升产量和质量，具备广阔的市场空间但尚未商业化:提高果实质量、固、抗虫抗药等性能改造的应用具有广泛的应用场景且进展快，已有多种产品上市:通过合成生物学来促进羧化反应，提高光能利用，降低光呼吸损失，也具有巨大潜在价值，但尚未实现商业化。

此外，合成生物学还可用于新型农药开发，包括RNAi/微生物农药和植物源农药，除虫效率更高，也取得了较多进展和产品布局。此外，还可利用合成生物学来搭建光自养平台，能覆盖诸多产业，想象空间巨大。

合成生物学在农业上的应用还面临市场、监管、资金、技术四个方面的挑战。在市场端,“转基因作物”部分消费者认可不足,存在反对声浪，大部分地区育种难以集约化推广监管端，在以中国为代表的地区，肥料、农药等生物制剂因存在生态风险，存在审批挑战审批时间甚至可达十年:资金端，除部分成熟市场外，大型农业公司较少，行业发展缺乏有力投资:技术端，植物天然性状改造仍存在“卡脖子”，以植物的自身固氮为例，存在固氮酶存于叶片细胞中氮气接触不足等问题。