封面新聞記者 譚羽清 部份圖片由被訪者提供
近日，美國一家生物技術公司宣布其開發的生物發光室內植物——螢火蟲矮牽牛花（Firefly Petunias）向美國本土48個州的居民開啟預定。這種牽牛花在白天看起來就是普通的白色花朵，也不需要特殊照料，可到了夜晚就會發出微弱的綠色光芒，仿佛是來自「阿凡達世界」的植物。
科學家是如何做到讓植物自行發光？中國自發光植物研究進展如何？中國花園也有望被植物「點亮」嗎？2月23日，記者專訪浙江大學農業與生物技術學院研究員都浩。
自2019年底，都浩開始帶領團隊研發發光植物，於2023年透過匯入甘藍型油菜和自構巢曲黴的催化酶基因最佳化植物內源咖啡酸代謝路徑，結合發光真菌的4個核心基因，成功創制出發光更強的煙草和楊樹。
插入發光蘑菇基因組 植物實作自發光
其實早在20世紀，科學家們就已經在做創造發光植物的嘗試，希望透過生物技術將其他生物的發光能力「移植」到植物身上。螢火蟲的螢光素酶編碼基因、水母的熒光蛋白編碼基因都曾被匯入到植物基因組中進行表達。這些基因的匯入的確讓植物成功發光，但發光的條件較為苛刻、效果也不盡人意。
匯入了螢光素酶基因的植物需要額外接收熒光素和三磷酸腺苷（ATP）才能發出相對微弱而短暫的光芒；擁有水母熒光蛋白的植物發光則需要紫外光的照射，而且發出的短暫熒光僅能夠由儀器檢測到。
但今年即將出售的發光牽牛花得益於插入了來自發光蘑菇Neonothopanus nambi的4個核心基因，實作了植物的「自發光」，不需要特殊的處理就可以持續性地在夜晚發出肉眼可見的柔和熒光。
為什麽動物的發光能力植物無法很好地借鑒，真菌的發光能力它們就成功掌握了？主要原因就藏在蘑菇的發光原理和發光受質中。
發光蘑菇的發光原理為熒光素酶催化發光受質產生一系列化學反應，最後放出光子。其中，關鍵的發光受質咖啡酸，是合成木質素的前體物之一，所有微管植物均能自行生產，普遍存在於地球上所有的微管植物中。因此，科學家只要透過轉基因技術讓植物持續合成發光蘑菇來源的熒光素酶，就能讓植物在正常的代謝過程中像發光蘑菇一樣自行持續發光了。
未來的自發光植物：更明亮、更多彩、更可控
在【自然】的報道中，螢火蟲矮牽牛花的研究人員表示花朵發出的光芒並不會太耀眼，就像滿月的月光一樣，那麽是否有辦法讓發光植物的亮度更高一些或是改變其光芒的顏色？答案是肯定的。
都浩表示，「2023年我們團隊創制出第一版發光植物，植物發光強度顯著高於已經報道的亮度，並能照亮附近的物體。今年，我們透過合成生物技術已經創制出第二版發光植物，發光強度高於第一版約3倍，同時也會有科技論文的發表及重要專利的授權。我們還在持續提升發光植物的亮度，明年我們將推出第三版的發光植物包括多種發光花卉及樹木。希望在不久的未來，發光植物的亮度能夠強於晴天夜間的月光，可以作為目前電力支撐的低亮度照明的替代品。」
都浩團隊創制的第一版發光植物。（圖片源自都浩研究員團隊）
據悉，基於咖啡酸(Caffeic acid)和牛奶樹堿(Hispidin)等發光受質含量是植物發光增強的限制性因素的發現，都浩團隊曾篩選鑒定了促進植物內源發光受質合成的基因——來自甘藍型油菜的BnC3’p基因和來自構巢曲黴的AnNPGA基因。
隨後，他們就在真菌發光系統中引入這兩個催化酶基因，成功創制了「更亮」的自發光植物。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。
都浩團隊創制的第一版發光植物開花期。（圖片源自都浩研究員團隊）
除了提升發光植物的亮度，都浩團隊還在嘗試透過合成生物技術，讓植物的光芒更加多樣、可控，「我們正在透過對植物代謝系統的重設計和發光蘑菇關鍵蛋白酶的定向前進演化，提高植物的發光強度和光譜範圍，利用合成生物技術精確‘設計’植物發光的強度、色彩和發光節律特性等。」
國產發光植物將面向消費市場 價值不止於環境美化
螢火蟲矮牽牛花開放預定引起了許多植物愛好者的關註，「作為一個歐洲人，我很羨慕美國的消費者能夠接觸到這些植物。」一位西班牙研究機構的植物生物學家如此評價這一訊息。
「不久的未來，我們研發的發光植物也會走向市場，用生物科技點亮人們的生活。」當問及中國消費者是否也有望擁有一株自己的自發光植物時，都浩表示團隊在做基礎研究的同時也在積極考慮發光植物的產業化，將來會推出國產的、更好地自發光植物。
同時他還提到，在自發光植物產業化前，團隊會做好基礎研究，包括提高發光強度、光譜範圍，還會做好生物安全相關研究，確保發光植物安全性，「我們會按照國家的法律法規要求穩步推動發光植物的產業化。」
在都浩看來，發光植物相關研究的發展方向主要有三方面，包括提高發光植物的亮度，拓展其發光光譜；實作發光植物的發光節律可控，如只在天黑後發光；明晰發光植物的生物安全性，涉及對人類的安全性和生態安全性。而只要這三方面取得可靠進展，發光植物作為生物育種領域的重要成果將有著非常廣闊的套用前景。
都浩團隊創制的第一版發光植物苗期。（圖片源自都浩研究員團隊）
發光植物白天可以透過光合作用把光能轉化成生物能，夜間透過植物內源的代謝過程把生物能轉化為光能，這種生物能利用的新途徑不僅能美化環境、助力節能減排、成為新的文旅資源等，還有望化身直觀的有害物質檢測儀，「發光植物還可以設計成專門用於感知和檢測土壤有害重金屬，農作物的病蟲害，家中的有害氣體如甲醛檢測等，伴隨著基礎研究的快速推進，我們將系統性開發這種新型發光系統的價值，用更好的科技成果滿足人們的需求。」都浩介紹道。
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