浙大杭州國(guó)際科創(chuàng)中心團(tuán)隊(duì)成功創(chuàng)制自發(fā)光植物
電影《阿凡達(dá)》中展現(xiàn)了一個(gè)神奇的世界，在那里有郁郁蔥蔥發(fā)著熒光的叢林，也有夜晚能發(fā)出光芒的花草蘑菇，這些發(fā)光植物創(chuàng)造了一片璀璨的奇異景象。
近日，浙大杭州國(guó)際科創(chuàng)中心生物與分子智造研究院都浩研究員團(tuán)隊(duì)利用合成生物學(xué)技術(shù)，成功創(chuàng)制了一種發(fā)光顯著增強(qiáng)的自發(fā)光植物，讓“阿凡達(dá)”般的奇幻走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。目前，該項(xiàng)成果已發(fā)表在國(guó)際著名期刊Plant Biotechnology Journal上。
此次創(chuàng)制，關(guān)鍵基因來(lái)源于發(fā)光蘑菇，通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)整合到植物基因組內(nèi)，這樣植物就能將光合作用產(chǎn)生的生物能，經(jīng)過(guò)一系列代謝途徑最終轉(zhuǎn)化為光能。
從蘑菇中獲得發(fā)光基因
在發(fā)光植物領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家已經(jīng)探索了四十余年，但不論是利用螢火蟲發(fā)光還是利用真菌發(fā)光，其發(fā)光強(qiáng)度都相對(duì)較低，嚴(yán)重限制了發(fā)光系統(tǒng)的應(yīng)用。浙大杭州國(guó)際科創(chuàng)中心團(tuán)隊(duì)成功破除了上述難題，創(chuàng)制出了發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到3×1011光量子/min/cm2的自發(fā)光植物。這種發(fā)光植物在黑暗中足以照亮周圍環(huán)境，并能清晰地顯示文字。
研究發(fā)現(xiàn)，咖啡酸和牛奶樹堿是有效的發(fā)光底物，其含量是影響植物發(fā)光強(qiáng)度的重要因素。團(tuán)隊(duì)在基礎(chǔ)的真菌生物發(fā)光途徑中引入了來(lái)自甘藍(lán)型油菜的BnC3’H1基因和來(lái)自構(gòu)巢曲霉的AnNPGA基因，利用多基因組裝的方法將其轉(zhuǎn)入植物中，實(shí)現(xiàn)了持續(xù)穩(wěn)定的低亮度照明。
相關(guān)數(shù)據(jù)表明，上述兩個(gè)基因的引入是發(fā)光底物增加從而使發(fā)光增強(qiáng)的關(guān)鍵。通過(guò)這樣的方式，科創(chuàng)中心團(tuán)隊(duì)穩(wěn)定轉(zhuǎn)化得到的植物比原來(lái)的發(fā)光植物亮度提高了五倍多，并成功培育出了發(fā)光楊樹、菊花、蝴蝶蘭等發(fā)光植物品種?！斑@類植物能夠持續(xù)穩(wěn)定發(fā)出肉眼可見光，進(jìn)行離體處理的葉片同樣能持續(xù)發(fā)光三天之久?！笨苿?chuàng)中心生物與分子智造研究院博士后鄭鵬介紹。
讓植物利用光合作用持續(xù)發(fā)光
神奇的發(fā)光植物，能否應(yīng)用到我們的日常生活中？
科創(chuàng)中心團(tuán)隊(duì)通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，植物發(fā)光的最初能量來(lái)源于糖，并且植物作為光合自養(yǎng)生物，可以通過(guò)光合作用和呼吸作用，生產(chǎn)發(fā)光系統(tǒng)運(yùn)行所需的所有底物和輔因子。團(tuán)隊(duì)還測(cè)試了該發(fā)光系統(tǒng)在其他觀賞性植物中的應(yīng)用，進(jìn)一步證實(shí)了真菌生物發(fā)光系統(tǒng)在草本植物和多年生木本植物中的普遍適用性。
這意味著發(fā)光植物可以形成一種全新的生物能源轉(zhuǎn)化和利用模式——白天利用光合作用將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為有機(jī)物、固定空氣中的二氧化碳，夜間通過(guò)異化作用釋放出光能、應(yīng)用于低亮度照明，有利于節(jié)能減排，為“雙碳”戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)提供新策略新思路，打造一個(gè)“阿凡達(dá)”的現(xiàn)實(shí)世界。
都浩介紹，除了在景觀裝飾方面的潛在應(yīng)用，發(fā)光植物未來(lái)還可以開發(fā)成動(dòng)植物基礎(chǔ)生物大分子檢測(cè)工具和生物傳感器等，在一定程度上提高檢測(cè)效率、降低檢測(cè)成本，助力健康農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)探索實(shí)踐。目前，研究團(tuán)隊(duì)還在持續(xù)研發(fā)，希望提高發(fā)光植物的亮度，并開發(fā)相關(guān)生物學(xué)研究工具。
