文明薪火

你从睡梦中醒来，发现一切都被一层梦幻般的蓝光所笼罩。周围生长着各种奇特的生物，巨大的发光树木高耸入云，树上的叶子犹如宝石般闪烁着光芒。树下，一片片发光的草地如同绿色的海洋，轻轻摇曳。这里的花朵散发着迷人的香气，而花瓣在夜色中闪耀着五彩斑斓的光芒。即使在夜晚，整个世界却犹如璀璨的星空，熠熠生辉。

植物发光？这一遥远而不可思议的梦想，却在近年被科学家们一步步变成现实。

自然界中，生物发光的现象常存在于真菌、细菌和昆虫等生物中，而植物界的生物发光现象却鲜为人知。但随着合成生物学的不断发展，科学家们受真菌发光机制的启发，成功创制出了一种新型发光植物。

我将带您走进这一神奇的自发光植物，探讨其原理、应用前景及其对农业、能源、环境等领域的高质量发展带来的启示。

FBP报告系统发光植物原理

生物发光是指生物体内发生的一系列化学反应，产生可见光的过程。目前认为，在自然界中至少存在40种不同的生物发光系统，但由于研究技术局限，日前只有两个系统的发光过程被完全解析，分别是细菌发光系统（20世纪80年代）和真菌发光系统（2018年）。

本文重点介绍的是真菌生物发光途径FBP（Fungal bioluminescence pathway），它存在于自然界部分发光真菌中，在适宜条件下可以产生波长约520nm的绿色生物荧光。该途径是由四种酶组成的咖啡酸代谢循环，即咖啡酸在牛奶树碱合酶（Hispidin synthase，HispS）作用下转换成牛奶树碱，随即被牛奶树碱-3-羟化酶（Hispidin-3-hydroxylase，H3H）催化生成真菌荧光素，荧光素在真菌荧光素酶（luciferase，Luz）作用下被氧化成咖啡酰丙酮酸并产生光子，最后由咖啡酰丙酮酸水解酶（caffeoyl pyruvate hydrolase，CPH）将咖啡酰丙酮酸转化成咖啡酸，从而产生持续的肉眼可见的光，又实现了咖啡酸的循环利用。

图1 咖啡酸循环代谢途径

那么，科学家们是如何将真菌的这一套发光体系引入到植物中的呢？

原来，生物发光的起始原料咖啡酸是植物体内一种广泛存在的苯丙烷类途径代谢产物。研究人员通过农杆菌转化法在烟草基因组中整合了上述的四个来自发光真菌的基因，从而在植物体内完成荧光蛋白的合成，实现植物发光。

真菌发光系统无可比拟的优越性在于，其原料咖啡酸对动植物细胞毒性极低、稳定性高且容易被吸收。科学家只需要导入剩余四个蛋白酶对应基因，通过调控咖啡酸合成途径，利用植物体内的能量分配调控网络，通过自发光微生物的基因改造，就可以使植物具备生物发光能力。

生物发光与光合作用的关系

也许有人会问，植物的自发光会不会消耗大量的光合作用所需要的能量呢？如果严重影响了植物原本的光合作用，岂不是捡了芝麻丢了西瓜吗？

事实上，这完全不用担心。现有研究通过测定光合作用的相关生理参数，包括植物净光合速率Pn、气孔导度Gs、蒸腾速率Tr以及CO2同化的量子效率PhiCO2，来探索光合作用与植物发光代谢之间的相互作用。结果显示，目前第二代发光植物没有对植物的光合作用产生负面影响，这表明在未来发光植物的迭代发展中，提升发光强度仍有显著的潜力。

FBP发光植物的应用前景

图2 合成生物学在多领域应用

当前合成生物学正在不断蓬勃发展中，在各个领域都展现了巨大的应用价值。其中的新型植物发光系统的研发和升级，也不例外。

1. 美化环境与低亮度照明

发光植物新品种具有美化环境的作用，甚至有望打造像阿凡达电影里那样的梦幻世界。同时可作为低亮度照明的替代，节约电力。在未来，公园、庭院、家庭等场所均可使用发光植物，实现绿色照明。

2. 生物新能源产业

FBP发光植物实现光能与生物能的循环利用，无需人造能源供给。这为生物新能源产业的发展提供了新思路，有望推动能源领域的变革。

3. 生物监测与环境保护

FBP发光植物可作为生物光信号报告环境有害因子，如土壤有害重金属、甲醛等。通过监测发光植物的变化，实时掌握环境质量状况，为环境保护提供有力手段。

4. 基因编辑器有效性的报告工具

由于该发光植物的FBP报告系统能发出肉眼可见的光，可以通过普通家用相机对生物体个体或群体全生育期进行检测。我们可以利用该系统做报告体系，对不同基因编辑器激活效果做快速验证。

通过直接观测转基因植物的发光强度来判断植物体内目标酶含量，从而推断新的基因编辑器的有效性。打破了传统需要进行繁琐的植物蛋白含量的分子测定，而转为只需要用特定的摄像机测定植物发出的光量子大小，就可以判断植物体内目标酶的含量，大大简化了实验步骤，缩短了实验周期。

图3 在985系统下观测叶片发光情况

通过观测为植物合成生物技术提供了有力支撑。通过基因编辑、代谢工程、生物大分子动态互作工具和eFBP（enhanced Fungal bioluminescence pathway）报告系统等方法，更快更高效培育具有特殊功能的植物，助力农业、能源、环境等领域高质量发展。

启示与展望

图4 黑暗条件下普通相机拍摄的发光植物

不容忽视的是新研发出的第二代发光植物距离投入实际应用的要求还相差较远，花只能达到1012photo/min/cm2光量子强度，而叶子只能达到1011photo/min/cm2光量子强度，在夜晚观测依旧不太明显。植物体内存在着复杂的调控网络来协调能量分配，从而确定生物发光的上限，我们仍要通过引入高效的促基因表达工具，不断提升发光植物性能，提升发光植物的亮度、颜色、稳定性，使其更具实用价值。

利用生物科技和信息技术，推动农业、能源、环境等领域的发展，是实现可持续发展的重要途径。FBP报告系统发光植物的研究成果，为人类带来了前所未有的绿色科技体验，为我国生物科技和信息技术融合发展提供了有益借鉴。

相信在不久的将来，这种神奇的新型植物将走进我们的生活，为高质量可持续发展注入强大动力。让我们共同期待，阿凡达世界走进我们身边。

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