40多年以来国内外发光植物研发历程

在科幻电影《阿凡达》展示的潘多拉星球和绝美海域中，我们可以欣赏到战羽蕨、水母草和毛叶风蒲等发光植物的绚丽之美，其展现了夜晚奇景与海底秘境。科学家们正在努力让科幻变为现实，实现自然科学与艺术的完美融合，给人类创造更加和谐美好的生存环境。

自然界中有发光的水母、细菌、蘑菇和萤火虫等，但遗憾的是，给人类提供衣食住行和精神慰藉的植物却无法为我们点亮夜晚的黑暗，每当夜幕降临的时候，人们通常给植物穿上LED“灯衣”或用远光灯照射植物，来创造美的观感，但消耗了大量的电力。 据统计，照明消耗约占所有电力消耗的25%，在当前能源极度稀缺、环境污染日益严重的情况下，降低照明用电是推进节能减排的重要途径。随着生物技术的快速发展，创造出发光植物逐渐成为可能，既能给人类带来美的享受，又能节约能源，推动绿色低碳发展。

为此，科学家们开始了长达四十年的探索，1986年，美国加州大学圣地亚哥分校的科学家们，在 science 发文，通过将萤火虫荧光素酶编码基因在烟草植株中表达，添加外源底物后，烟草植株可以发出极微弱的光 （图1）。由于光非常微弱，且需要添加昂贵的底物才能发光，因此该发光系统目前主要应用于基础研究中。

图1

2017年来自美国麻省理工学院的科学家在 Nano Letters 发表研究论文，通过引入纳米装载技术，将萤火虫萤光素酶系统的成分输送到植物中，被注入荧光素酶的植物可持续散发4小时的微光，甚至能够照亮书本上的文字 （图2）。但该发光系统同样需要外源底物和纳米粒子，并且发光不可持续，限制了该方法的应用。

图2

在森林中还存在一些发光蘑菇，主要分布在热带、亚热带光线比较暗的区域，最广为人知的是荧光小菇 Mycena chlorophos （图3），又名荧光蕈、夜光茸。传说古希腊人用荧光蕈当小夜灯，但荧光蕈的寿命通常只有3天，白天如果将其移至暗处，则看不到其发光，直至傍晚时分才会发出淡淡的绿光，这说明荧光蕈的发光具有周期性。

图3

2018年来自俄罗斯的科学家与来自英国、西班牙、巴西、日本和奥地利的研究人员们在美国科学院院刊全面描述了真菌发光的机理。他们发现真菌只利用四种关键的酶便能将咖啡酸转化为荧光素从而实现发光，而将这些酶转移到其他生物体中同样行使发光功能。2020年该团队在 Nature Biotechnology 上发文，用来自这四种酶对应的编码基因转入烟草基因组，成功创造出发光烟草，该系统发光底物为植物内源代谢物咖啡酸，因此可以持续发出肉眼可见的光 （图4），发光最强的花朵能产生6.47×10 10 光量子/min/cm 2 。同年3月，美国明尼苏达大学在 eLife 发表了一篇题为“ Building customizableauto-luminescent luciferase-based reporters in plants ”的文章，该研究将真菌发光系统在不同物种中进行瞬时表达，验证了一定范围内产生自发光的假设，说明该系统在植物中具有广泛的应用前景。但这些研究发光强度仍相对较低，严重限制了该发光系统的应用。

图4

2023年5月8日，浙江大学农业与生物技术学院都浩研究员团队在国际著名期刊 Plant Biotechnology Journal 在线发表了题为“ Metabolic engineering and mechanical investigation of enhanced plant autoluminescence ”的研究论文，展示了在发光植物领域的最新研究成果，成功创制了发光显著增强的自发光植物 （图5），该发光强度达到3×10 12 光量子/min/cm 2 ，并对发光植物的生物学特性和发光机制做了详细阐述。

图5

研究人员发现咖啡酸 (Caffeic acid)和牛奶树碱 (Hispidin)等发光底物含量是植物发光增强的限制性因素，该研究团队筛选鉴定了促进植物内源发光底物合成基因，在真菌发光系统中引入来自甘蓝型油菜的 BnC3’H1 基因和来自构巢曲霉的 AnNPGA 基因，成功创制了发光显著增强的植物，LC-MS/MS数据表明，上述两个基因的引入是发光底物增加从而使发光增强的关键。

考虑到发光植物具有从基础生物学研究到景观装饰等广泛的潜在应用，该团队研究了植物生长环境对发光系统的影响。植物发光强度对不同的非生物胁迫具有不同的响应，其响应模式反映了植物内源发光底物生物合成途径上重要基因的表达量变化。该研究团队通过一系列处理实验发现，植物发光的最初能量来源于糖 （图六）。并且植物作为光合自养生物，相比动物和微生物等具有独特的优势，可以通过光合作用和呼吸作用，生产发光系统运行所需的所有底物和辅因子，包括辅酶A、丙二酰辅酶A、NADPH、ATP、质子和氧气 （图6）。

图6

作者还测试了该发光系统在其他观赏性植物中的应用，进一步证实了真菌生物发光系统在草本植物和多年生木本植物中的普遍适用性。其选择了中国常见的行道树杨树进行遗传转化，最终通过表型和分子检测，成功创制了发光杨树。 都浩研究员团队研发人员介绍说这套发光系统应用广泛，在未来可以开发成动植物基础生物大分子检测工具，将实现不依赖贵重大型检测仪器，使用肉眼观察或者消费级别相机即可达到检测目的。且该系统的发光过程无需添加外源底物，可用于高通量的活体检测，检测成本低，便捷性高。此外，这套系统还可以用于作物检测的生物传感器，在健康农业和智慧农业领域具有广泛的应用范围。 据介绍研究团队还在持续研发提高发光的植物的亮度，并开发一些生物学研究的工具。很快将给大家带来更多惊喜。

不久的将来，我们的生活中，会有生物能利用的新模式， 即发光植物构成的全新生物能源转化和利用模式——白天能够利用光合作用将太阳能转化为有机物、固定空气中的CO 2 ，夜间通过异化作用释放出光能、应用低亮度照明，有利于节约电力，降低碳排放，为“双碳”战略的实现提供新策略，在“阿凡达”的现实世界中感受生命的奇妙多彩与惊奇震撼。

浙江大学农业与生物技术学院和浙江大学杭州国际科创中心博士后郑鹏，浙江大学农业与生物技术学院硕士研究生 葛洁瑜为该文章共同第一作者，浙江大学农业与生物技术学院和浙江大学杭州国际科创中心 都浩研究员为该文通讯作者。西湖大学吴建平研究员，浙江农林大学卢孟柱教授，中国农科院青岛烟草所马斯琪博士，浙江大学农业与生物技术学院范鹏祥研究员、潘荣辉研究员对该研究内容提供很多帮助。哈佛大学Jen Sheen教授为文章写作提供很多建议，研究所用骨架载体来源于华南农业大学刘耀光院士和祝钦泷研究员团队。该研究受到浙江省重点研发计划(2020C02002)，浙江省自然科学基金(Y21C020015 and LQ22C020002)，浙江大学国际合作计划，中央高校基本科研业务费专项资金资助 (K20200168)。

参考文献

Ow, D.W. et al. Transient and stable expression of the firefly luciferase gene in plant cells and transgenic plants. Science , 1986. 234, 856–859

Kwak, S.Y., Giraldo, J.P., Wong, M.H., et al. A nanobionic light-emitting plant. Nano Lett . 2017,17, 7951–7961.

Mitiouchkina T, Mishin AS, Somermeyer LG, et al. Plants with genetically encoded autoluminescence. Nat Biotechnol . 2020 Aug;38(8):944-946.

Khakhar A, Starker CG, Chamness JC, et al. Building customizable auto-luminescent luciferase-based reporters in plants. Elife . 2020 Mar 25;9:e52786.

Zheng P, Ge J, Ji J, et al. Metabolic engineering and mechanical investigation of enhanced plant autoluminescence. Plant Biotechnol J . 2023 May 8.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14068 

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