封面新闻记者 谭羽清 部分图片由被访者提供
近日，美国一家生物技术公司宣布其开发的生物发光室内植物——萤火虫矮牵牛花（Firefly Petunias）向美国本土48个州的居民开启预定。这种牵牛花在白天看起来就是普通的白色花朵，也不需要特殊照料，可到了夜晚就会发出微弱的绿色光芒，仿佛是来自「阿凡达世界」的植物。
科学家是如何做到让植物自行发光？我国自发光植物研究进展如何？中国花园也有望被植物「点亮」吗？2月23日，记者专访浙江大学农业与生物技术学院研究员都浩。
自2019年底，都浩开始带领团队研发发光植物，于2023年通过导入甘蓝型油菜和自构巢曲霉的催化酶基因优化植物内源咖啡酸代谢路径，结合发光真菌的4个核心基因，成功创制出发光更强的烟草和杨树。
插入发光蘑菇基因组 植物实现自发光
其实早在20世纪，科学家们就已经在做创造发光植物的尝试，希望通过生物技术将其他生物的发光能力「移植」到植物身上。萤火虫的萤光素酶编码基因、水母的荧光蛋白编码基因都曾被导入到植物基因组中进行表达。这些基因的导入的确让植物成功发光，但发光的条件较为苛刻、效果也不尽人意。
导入了萤光素酶基因的植物需要额外接收荧光素和三磷酸腺苷（ATP）才能发出相对微弱而短暂的光芒；拥有水母荧光蛋白的植物发光则需要紫外光的照射，而且发出的短暂荧光仅能够由仪器检测到。
但今年即将出售的发光牵牛花得益于插入了来自发光蘑菇Neonothopanus nambi的4个核心基因，实现了植物的「自发光」，不需要特殊的处理就可以持续性地在夜晚发出肉眼可见的柔和荧光。
为什么动物的发光能力植物无法很好地借鉴，真菌的发光能力它们就成功掌握了？主要原因就藏在蘑菇的发光原理和发光底物中。
发光蘑菇的发光原理为荧光素酶催化发光底物产生一系列化学反应，最后放出光子。其中，关键的发光底物咖啡酸，是合成木质素的前体物之一，所有微管植物均能自行生产，普遍存在于地球上所有的微管植物中。因此，科学家只要通过转基因技术让植物持续合成发光蘑菇来源的荧光素酶，就能让植物在正常的代谢过程中像发光蘑菇一样自行持续发光了。
未来的自发光植物：更明亮、更多彩、更可控
在【自然】的报道中，萤火虫矮牵牛花的研究人员表示花朵发出的光芒并不会太耀眼，就像满月的月光一样，那么是否有办法让发光植物的亮度更高一些或是改变其光芒的颜色？答案是肯定的。
都浩表示，「2023年我们团队创制出第一版发光植物，植物发光强度显著高于已经报道的亮度，并能照亮附近的物体。今年，我们通过合成生物技术已经创制出第二版发光植物，发光强度高于第一版约3倍，同时也会有科技论文的发表及重要专利的授权。我们还在持续提升发光植物的亮度，明年我们将推出第三版的发光植物包括多种发光花卉及树木。希望在不久的未来，发光植物的亮度能够强于晴天夜间的月光，可以作为目前电力支撑的低亮度照明的替代品。」
都浩团队创制的第一版发光植物。（图片源自都浩研究员团队）
据悉，基于咖啡酸(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的发现，都浩团队曾筛选鉴定了促进植物内源发光底物合成的基因——来自甘蓝型油菜的BnC3’p基因和来自构巢曲霉的AnNPGA基因。
随后，他们就在真菌发光系统中引入这两个催化酶基因，成功创制了「更亮」的自发光植物。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。
都浩团队创制的第一版发光植物开花期。（图片源自都浩研究员团队）
除了提升发光植物的亮度，都浩团队还在尝试通过合成生物技术，让植物的光芒更加多样、可控，「我们正在通过对植物代谢系统的重设计和发光蘑菇关键蛋白酶的定向进化，提高植物的发光强度和光谱范围，利用合成生物技术精确‘设计’植物发光的强度、色彩和发光节律特性等。」
国产发光植物将面向消费市场 价值不止于环境美化
萤火虫矮牵牛花开放预定引起了许多植物爱好者的关注，「作为一个欧洲人，我很羡慕美国的消费者能够接触到这些植物。」一位西班牙研究机构的植物生物学家如此评价这一消息。
「不久的未来，我们研发的发光植物也会走向市场，用生物科技点亮人们的生活。」当问及我国消费者是否也有望拥有一株自己的自发光植物时，都浩表示团队在做基础研究的同时也在积极考虑发光植物的产业化，将来会推出国产的、更好地自发光植物。
同时他还提到，在自发光植物产业化前，团队会做好基础研究，包括提高发光强度、光谱范围，还会做好生物安全相关研究，确保发光植物安全性，「我们会按照国家的法律法规要求稳步推动发光植物的产业化。」
在都浩看来，发光植物相关研究的发展方向主要有三方面，包括提高发光植物的亮度，拓展其发光光谱；实现发光植物的发光节律可控，如只在天黑后发光；明晰发光植物的生物安全性，涉及对人类的安全性和生态安全性。而只要这三方面取得可靠进展，发光植物作为生物育种领域的重要成果将有着非常广阔的应用前景。
都浩团队创制的第一版发光植物苗期。（图片源自都浩研究员团队）
发光植物白天可以通过光合作用把光能转化成生物能，夜间通过植物内源的代谢过程把生物能转化为光能，这种生物能利用的新途径不仅能美化环境、助力节能减排、成为新的文旅资源等，还有望化身直观的有害物质检测仪，「发光植物还可以设计成专门用于感知和检测土壤有害重金属，农作物的病虫害，家中的有害气体如甲醛检测等，伴随着基础研究的快速推进，我们将系统性开发这种新型发光系统的价值，用更好的科技成果满足人们的需求。」都浩介绍道。
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