这种夜晚发光的植物，你想来一盆吗？|植物体|真菌|荧光素

编辑：贺健

电影《阿凡达》曾展现了这样一个神奇的世界：潘多拉星球的夜晚，城市里到处长满着自发光的植物，仿佛在黑暗中点缀着星空，给人一种梦幻般的神秘感。想象一下，在我们的生活环境中也大量种上这种发光的植物，该是一件多美妙的事！那么，地球上是否也存在这种自发光植物呢？

其实，自然界中的生物发光现象相当普遍，目前已知有大约30种独立的生物发光体系，各种发光物种包括细菌、藻类、真菌和无脊椎动物等，而其中会发光的植物更是少之又少。中科院上海生命科学研究院植物生理生态所研究员刘宏涛介绍说，我国的灯笼树、非洲的夜光树，以及非洲的某些芦荟、甲藻、路灯草都属于发光植物。尽管植物会发光这一现象看似有悖常理，但它确实是存在的，并非假设命题。

说到这里，有人可能有这样的疑惑：不是有“发光蘑菇”吗？已发现了几十种。要知道，蘑菇并不属于植物，而是真菌。

有些植物为何会发光？

以非洲的某些芦荟为例，主要是因为在这些植物的叶子里，含有很多磷质，能释放出少量的磷化氢气体。由于磷化氢的燃点很低，在空气中可以自燃，所以它会发出淡蓝色的光。但目前，植物发光目的何在仍尚未可知。

不过，虽然蘑菇不属于植物，但蘑菇发光主要集中在一种有机分子上，而这种有机分子也是植物制造细胞壁所必需的，它就是咖啡酸，可通过四种酶的代谢循环产生光。两种酶将咖啡酸转化成发光的前体，然后被第三种酶氧化产生光子。最后一种酶将氧化后的分子转化成咖啡酸，从而开始新的循环。

在植物中，咖啡酸是木质素的组成部分，它有助于向细胞壁提供机械强度。因此，它是植物木质纤维素生物量的一部分，是地球上最丰富的可再生资源。

于是有科学家便开始设想：能否通过科技手段让植物发光？比如将某些生物的基因移植到植物体内并发挥作用。构想虽好但绝非易事，这不是简单地将发光基因从一个生物转移到另一个生物上。就像手表内部的齿轮一样，新添加的基因必须在宿主体内能够正常发挥作用才行。不过，它作为一种廉价且环保的光源，仍旧得到了众多支持。

实际上，早在20世纪80年代，科学家就将萤火虫的萤光素酶导入到植物细胞或者植株中表达，当通过培养基或者浇灌等方式添加底物荧光素和能量物质三磷酸腺苷（ATP）时，植物组织就会发出萤火虫般的光芒。除此之外，科学家们在实验室中经过基因工程改造，将水母荧光蛋白或者改良后的荧光蛋白转入植物组织中表达，也能获得荧光植物。只是，这些发光植物需要外源提供底物和能量，而且存在发光微弱、持续时间短、依靠肉眼难以观测等局限性，哪怕是“囊萤夜读”这样的亮度效果都达不到，并不是真正具有自发光能力的植物。

从萤火虫和水母身上得到的经验并不能完全适用于植物，科学家又开始向发光真菌“取经”，这次他们成功了。

2020年，在《自然·生物技术》）发表的一项最新成果中，由合成生物学家 Karen Sarkisyan 和 Ilia Yampolsky 博士主导，共 27 位科学家参与，通过基因技术创造出可以持续发出可见光的植物。

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研究人员表示，这项新技术具有实用价值，并可用于美学目的，最重要的是可以创造发光的花和其他观赏植物。虽然用会自己发光的树木代替路灯有点太异想天开，但这些植物从它们的生命中散发出的绿色荧光，着实令人愉悦。

图片来自新华网

一代更比一代亮

可实现照明的生物来了！

2023年5月，浙江大学都浩团队在此基础上又对该系统进行了改良。他们在研究中发现，荧光素的生物合成前体咖啡酸和中间产物牛奶树碱的含量高低是植物发光强度的限制性因素。通过鉴定和筛选，研究团队分别得到了来自甘蓝型油菜和构巢曲霉的两个催化酶基因。

在FBP系统中引入这两个基因，这二者产生的催化酶能高效促进植物体内咖啡酸和牛奶树碱的大量合成和积累，由此明显提高了荧光素的含量，从而成功地增强了自发光植物的发光强度。

这种经过代谢工程手段优化的植物自发光系统，比原来的发光亮度提高了五倍以上，并且能够持续稳定地发出人类肉眼可见的光。哪怕是离体的叶片，也同样能持续发光三天之久。当多株开花期的植物放置在一起时，所发出的光芒可照亮黑暗的环境，亮度足以让人清晰地看见附近较大的字体，未来，这些植物将不再局限于实验室科研和检测用途，还有望应用于环境照明等领域。

你以为这就是极限？还有更厉害的！近日，合肥神笔生物科技有限公司科研团队成功研发出中国首株基因编辑高亮度夜晚自发光植物。科研团队负责人李仁汉表示，科研团队经历532次技术迭代，克服多个技术难关，其中最难的就是如何让植物发光做到肉眼可见的效果，团队还成功实现了外源基因在植物细胞内的高通量表达，打破基因表达的壁垒。此外，科研团队还优化了反应过程中的酶，提高酶的效率，同时叠加多个基因，改变植物本身的一些限制性基因，最终才使植物达到肉眼可见的高亮度状态。