電影【阿凡達】曾展現了這樣一個神奇的世界：潘朵拉星球的夜晚，城市裏到處長滿著自發光的植物，仿佛在黑暗中點綴著星空，給人一種夢幻般的神秘感。想象一下，在我們的生活環境中也大量種上這種發光的植物，該是一件多美妙的事！那麽，地球上是否也存在這種自發光植物呢？
其實，自然界中的生物發光現象相當普遍，目前已知有大約30種獨立的生物發光體系，各種發光物種包括細菌、藻類、真菌和無脊椎動物等，而其中會發光的植物更是少之又少。中科院上海生命科學研究院植物生理生態所研究員劉宏濤介紹說，中國的燈籠樹、非洲的夜光樹，以及非洲的某些蘆薈、甲藻、路燈草都屬於發光植物。盡管植物會發光這一現象看似有悖常理，但它確實是存在的，並非假設命題。
說到這裏，有人可能有這樣的疑惑：不是有「發光蘑菇」嗎？已發現了幾十種。要知道，蘑菇並不屬於植物，而是真菌。
以非洲的某些蘆薈為例，主要是因為在這些植物的葉子裏，含有很多磷質，能釋放出少量的磷化氫瓦斯。由於磷化氫的燃點很低，在空氣中可以自燃，所以它會發出淡藍色的光。但目前，植物發光目的何在仍尚未可知。
不過，雖然蘑菇不屬於植物，但蘑菇發光主要集中在一種有機分子上，而這種有機分子也是植物制造細胞壁所必需的，它就是咖啡酸，可透過四種酶的代謝迴圈產生光。兩種酶將咖啡酸轉化成發光的前體，然後被第三種酶氧化產生光子。最後一種酶將氧化後的分子轉化成咖啡酸，從而開始新的迴圈。
在植物中，咖啡酸是木質素的組成部份，它有助於向細胞壁提供機械強度。因此，它是植物木質纖維素生物量的一部份，是地球上最豐富的可再生資源。
於是有科學家便開始設想：能否透過科技手段讓植物發光？比如將某些生物的基因移植到植物體內並行揮作用。構想雖好但絕非易事，這不是簡單地將發光基因從一個生物轉移到另一個生物上。就像手表內部的齒輪一樣，新添加的基因必須在宿主體內能夠正常發揮作用才行。不過，它作為一種廉價且環保的光源，仍舊得到了眾多支持。
實際上，早在20世紀80年代，科學家就將螢火蟲的螢光素酶匯入到植物細胞或者植株中表達，當透過培養基或者澆灌等方式添加受質熒光素和能量物質三磷酸腺苷（ATP）時，植物組織就會發出螢火蟲般的光芒。除此之外，科學家們在實驗室中經過基因工程改造，將水母熒光蛋白或者改良後的熒光蛋白轉入植物組織中表達，也能獲得熒光植物。只是，這些發光植物需要外源提供受質和能量，而且存在發光微弱、持續時間短、依靠肉眼難以觀測等局限性，哪怕是「囊螢夜讀」這樣的亮度效果都達不到，並不是真正具有自發光能力的植物。
從螢火蟲和水母身上得到的經驗並不能完全適用於植物，科學家又開始向發光真菌「取經」，這次他們成功了。
2020年，在【自然·生物技術】）發表的一項最新成果中，由合成生物學家 Karen Sarkisyan 和 Ilia Yampolsky 博士主導，共 27 位科學家參與，透過基因技術創造出可以持續發出可見光的植物。
圖片來自新華網
研究人員表示，這項新技術具有實用價值，並可用於美學目的，最重要的是可以創造發光的花和其他觀賞植物。雖然用會自己發光的樹木代替路燈有點太異想天開，但這些植物從它們的生命中散發出的綠色熒光，著實令人愉悅。
圖片來自新華網
一代更比一代亮
可實作照明的生物來了！
2023年5月，浙江大學都浩團隊在此基礎上又對該系統進行了改良。他們在研究中發現，熒光素的生物合成前體咖啡酸和中間產物牛奶樹堿的含量高低是植物發光強度的限制性因素。透過鑒定和篩選，研究團隊分別得到了來自甘藍型油菜和構巢曲黴的兩個催化酶基因。
在FBP系統中引入這兩個基因，這二者產生的催化酶能高效促進植物體內咖啡酸和牛奶樹堿的大量合成和積累，由此明顯提高了熒光素的含量，從而成功地增強了自發光植物的發光強度。
這種經過代謝工程手段最佳化的植物自發光系統，比原來的發光亮度提高了五倍以上，並且能夠持續穩定地發出人類肉眼可見的光。哪怕是離體的葉片，也同樣能持續發光三天之久。當多株開花期的植物放置在一起時，所發出的光芒可照亮黑暗的環境，亮度足以讓人清晰地看見附近較大的字型，未來，這些植物將不再局限於實驗室科研和檢測用途，還有望套用於環境照明等領域。
你以為這就是極限？還有更厲害的！近日，合肥神筆生物科技有限公司科研團隊成功研發出中國首株基因編輯高亮度夜晚自發光植物。科研團隊負責人李仁漢表示，科研團隊經歷532次技術叠代，克服多個技術難關，其中最難的就是如何讓植物發光做到肉眼可見的效果，團隊還成功實作了外源基因在植物細胞內的高通量表達，打破基因表現的壁壘。此外，科研團隊還最佳化了反應過程中的酶，提高酶的效率，同時疊加多個基因，改變植物本身的一些限制性基因，最終才使植物達到肉眼可見的高亮度狀態。
據介紹，與國際同類產品相比，神筆生物的發光植物在亮度方面具有明顯優勢。這些植物不需要相機長時間曝光，在黑暗環境中肉眼就能很快看到發光效果，可以實作商業化照明。目前，神筆生物已成功在包括向日葵等多種植物上實作了高亮度自發光，同時還拓展其他花卉品種的發光技術，其中包括改造玫瑰、月季、百合等花卉。未來，這些發光植物有望套用在園林領域，甚至打造出真實的【阿凡達】主題公園。
參考來源：科普中國、新華網、科技日報等
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