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如果遍布城市的植物能发光
来源:中国科学报      作者:胡珉琦      2017年06月08日       
摘要:近日,云南一家生物科技公司在国内率先研制出一种肉眼可见的自发光植物,黑暗中,它发出的光亮就像点点星光。
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一座城市越来越繁华的同时,夜晚的灯光污染也会越严重,想要在城市里寻找一片星空变得越发困难。这时候,向大自然学习如何打造人类的环境,可能会有意想不到的效果。

 

生物界中存在着一种有意思的现象——化学发光,如人们熟悉的萤火虫、真菌,海洋中的水母、鱼类、细菌,等等。试想,如果遍布城市的植物也能发出足够的光芒,那么有朝一日,生物发光甚至可以替代现有的城市灯光,节约能源、减少污染。

 

实际上,科学家离这个梦想又近了一步。近日,云南一家生物科技公司在国内率先研制出一种肉眼可见的自发光植物,黑暗中,它发出的光亮就像点点星光。

 

从海洋生物移植发光基因

 

萤火虫之所以能发光,是因为发光细胞中含有荧光素、荧光素酶两种发光物质。早在1885年,杜堡伊斯就在实验室里提出了这两种物质。后来,科学家又找到了控制荧光素酶的基因,并且通过基因编辑技术,显著提高了萤火虫的发光亮度。

 

云南纳博生物科技有限公司农业研发团队从2012年起就试图在萤火虫身上获取灵感。他们想,如果把萤火虫的发光基因导入到植物的基因组中,会发生什么?

 

团队负责人段康告诉《中国科学报》记者,项目最初,研究人员只是想做一次探索。不过,他也提到,让植物发光的想法在美国科学界已有探讨和实践。

 

2013年,斯坦福大学的合成生物学家与植物学家就提出了“可持续发光植物”的商业开发项目,将荧光素酶基因移植到一种名为拟南芥的植物上。2014年,美国密苏里州Bioglow公司宣布成功培育出了世界上第一株发光植物,它是将海洋发光细菌发光基因引入烟草叶绿体中,得到了第一批“星光阿凡达”。

 

纳博生物团队在研究的前三年并没有得到显著的成果。段康解释,萤火虫的发光基因只有一个,且发光反应需要添加底物,而荧光素酶如果无法及时代谢,对植物会产生毒害作用,植物体会发育不良,而且使用这种方法的植物发光效果非常微弱。

 

于是,他们也把目光转向了海洋生物。他说,很多海洋生物本身并不会发光,但在共生的环境中它们会利用发光细菌的光为自己服务。

 

于是,他们把海洋细菌的发光基因用基因枪打入到烟草植物的叶绿体基因组中。相较于萤火虫的发光基因,海洋发光细菌的发光基因系统更完整,发光反应对植物的毒害作用小,并且发光效果很显著。

 

目前,这些发光植物就在一间暗室的组培瓶里,肉眼刚接触时,需要适应35分钟,才能看清它们发出的星星一样的光亮。

 

段康表示,之所以选择烟草作为第一批实验对象,是因为烟草是一种很好的模式植物,它们的繁殖周期只有短短3个月。

 

但他们的目标并不是改造烟草植物,而是那些本身就具有观赏性的植物。据段康介绍,研究团队已经完成了对4种多肉植物的叶绿体基因组测序,正在重组它们的叶绿体基因组,这项成果很快将移植到多肉植物身上。

 

“目前,植物的发光强度还比较弱,通过换代升级,将真正提升植物的观赏价值,提高云南花卉产业的产值。”

 

发光对植物生长的影响

 

或许,发光植物的成功实践,意味着该领域将会具有巨大的市场开发潜力。不过,在该技术诞生之初,科学家也产生了担忧。因为这项技术的风险目前还无法评估,拥有了发光基因的植物会出现其他方面的生物变异吗?

 

段康解释,目前科学家还未发现发光基因的导入,会引起植物其他的生物性状、功能发生变化。不过,他也坦言,由于这项技术发展时间还很短,植物长期发光究竟会对自身生长产生怎样的影响并不明确。毕竟人为干预下的植物发光,与其他的生物通过自然选择而发光并不是一回事。

 

一项最新的研究显示,蒙特利海湾研究所(MBARI)的研究人员在蒙特利湾4千米以上的水域中发现,3/4的动物都能自己产生光。会发光的海洋生物不仅仅局限于少部分深海鱼类,还包括了水母、蠕虫、鱿鱼以及各种各样的动物。

 

与此同时,绝大多数的生物主动发光都是有用途的。比如很多海洋动物发光不是为了照明,而是为了捕食,吸引其他动物;脐菇、蜜环菌发出的微弱荧光可能是为了吸引昆虫前来帮助它们扩散孢子;萤火虫求偶时,雌雄之间会发出特异的闪光信号以吸引异性并交尾。

 

生物的生存策略有一个最基本的共同点,那就是在维持生命的正常活动中最大限度地去节省能量。因此,它们不需要发出特别明亮的光芒,有的甚至微弱到人眼无法识别而只能通过仪器检测到。而且,大部分动物也不需要一直发光,这样不仅消耗能量,还会招来捕食者。

 

比如,当城市的亮光干扰了萤火虫的交流,当萤火虫感知到外界灯光时,就会停止发光、飞行、求偶。

 

“也许,在进化的历史上,也曾经出现过主动发光的植物,可能因为太消耗能量,或者是容易招致天敌,以至于携带这一基因的植物并没有竞争力,因此被淘汰。”

 

段康表示,第一代的发光植物,只是为了“取悦”人类,发光强度是持续的,不会衰减。也就是说,它们对周围环境并没有自适应的过程,无法合理利用能量,即使在白天,它们也依然发着光。

 

这是否意味着发光植物比普通植物更容易耗光能量,缩短生命周期?这仍是个未知数。