植物也能发光?植物自发光技术的探索之路

2024.02.08 责任编辑:陈醒 阅读量:142

生物发光简介
生物发光是自然界中广泛存在的现象,已经发现的发光生物包括细菌、真菌、鱼类、昆虫等。 在这些生物发光有机体中催化生物发光反应的酶称为荧光素酶 (Luciferase),底物则称为荧光素(Luciferin)。来自不同物种的荧光素存在着很大的差异(图1),其对应的荧光素酶也各不相同,但这些发光反应有一个共同点,都需要氧分子的参与。这类反应可以概括为下面的反应式:
图1反应式.PNG 53.9 KB

1 部分荧光素的分子结构.jpg 331.0 KB


植物生物发光历史

最早的植物发光,是在1986年实现的。科学家们在烟草体内稳定地表达了萤火虫的荧光素酶,给这样的烟草施加荧光素,烟草就可以通过类似于萤火虫发光的方式去发光。但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。
想让植物自己长期发光而不需要精心打理和维护,一个可行的策略就是让植物既能合成荧光素酶,又能合成荧光素,这样就不需要外源施加底物。为了应对这一挑战,科学家将发光细菌 Photobacterium leiognathi 中的 lux 操纵子(luxCDABEG)改造进入烟草叶绿体。这种经过叶绿体改造的烟草发光明亮,肉眼可见。这种改良叶绿体的植物发光方法虽然好,但是它操作繁琐。对于大多数植物物种,尤其是单子叶植物,很难进行叶绿体转基因操作,这就大大限制了它的应用。
除了上面的方法以外,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,但这类植物必须在紫外光或者蓝光的激发下才能发出短暂荧光,而且需要用仪器才能够检测到,并不是真正具有自发光能力的植物。

真菌生物发光途径(FBP)的阐明

2018年,来自俄罗斯的 Kotlobay 等人阐明了真菌的生物发光途径(Fungal Bioluminescence Pathway,FBP),为真正实现肉眼可见的植物发光系统带来了重大突破。
表1 FBP 各反应步骤
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将FBP转入植物

2020年,美国科学家 Khakhar 等人通过农杆菌介导的 DNA 转化成功地将 FBP 途径转入到多种植物中(图4),并观察到转基因植物的自发发光,包括番茄和拟南芥的幼苗,大丽花叶子以及长春花和锈红蔷薇的花瓣(图5)。
转 FBP 相关基因的烟草,其叶绿素、类胡萝卜素含量、开花时间、种子发芽等指标与野生型烟草没有区别。这表明,FBP 的表达在植物中无毒,对植物的生长没有明显的负担。

FBP植物的改进

2023年,浙江大学都浩团队对 FBP 系统进行了改进,引入了 C3'H 和 NPGA 这两个新的基因(图6),以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。这种经过改进的系统称为增强型 FBP(enhanced FBP,eFBP)。

发光植物展望

eFBP 植物的发光强度虽然大幅提高,但其亮度依然有限,用普通手机尚无法拍摄到植物发光。科学家们仍在继续努力,通过酶的定向进化等方法,到2024 年底,预计可以使发光强度在 eFBP 的基础上再提升10倍。届时,有望在微弱的月光下观察到植物的自发光,发光植物的商业化价值也将逐步显现。


参考文献

Fleiss, A., Sarkisyan, K.S. A brief review of bioluminescent systems (2019). Curr Genet 65, 877–882 (2019). https://doi.org/10.1007/s00294-019-00951-5
Khakhar, A., Starker, C.G., Chamness, J.C., Lee, N., Stokke, S., Wang, C., Swanson, R. et al. (2020) Building customizable auto-luminescent luciferasebased reporters in plants. Elife, 9, e52786. https://doi.org/10.7554/eLife.52786
Kotlobay, A.A., Sarkisyan, K.S., Mokrushina, Y.A., Marcet-Houben, M., Serebrovskaya, E.O., Markina, N.M., Gonzalez Somermeyer, L. et al. (2018) Genetically encodable bioluminescent system from fungi. Proc. Natl. Acad.Sci. USA, 115, 12728–12732. https://doi.org/10.1073/pnas.1803615115
Zheng, P., Ge, J., Ji, J., Zhong, J., Chen, H., Luo, D., Li, W., Bi, B., Ma, Y., Tong, W., Han, L., Ma, S., Zhang, Y., Wu, J., Zhao, Y., Pan, R., Fan, P., Lu, M. and Du, H. (2023), Metabolic engineering and mechanical investigation of enhanced plant autoluminescence. Plant Biotechnol. J, 21: 1671-1681. https://doi.org/10.1111/pbi.14068


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