真菌发光系统：原理、生态意义与应用前景
真菌发光系统：原理、生态意义与应用前景
真菌发光系统是一种独特的生物发光现象，其原理涉及四种关键酶的协同作用。这种发光系统不仅在自然界中具有重要的生态意义，还在合成生物学领域展现出广阔的应用前景。本文将为您详细介绍真菌发光系统的原理、生态意义及其在植物发光领域的应用潜力。
生物发光现象是一种普遍存在于自然界中的现象，其原理是生物体通过各种生化反应分解底物分子荧光素，并将能量以光能的形式释放。目前，虽然已知有约10000个物种拥有生物发光能力，但是只有极少的发光分子被成功表征。本文主要介绍真菌发光系统。
图1：发光真菌Neonothopanus nambi
2019年，俄罗斯科学家从一种发光真菌Neonothopanus Nambi中表征出了真菌发光所需要的四种关键酶：牛奶树碱合酶HispS，牛奶树碱-3-羟化酶 H3H，荧光素酶Luz和咖啡丙酮酸水解酶CPH。在该循环中，底物咖啡酸首先在HispS的催化下形成牛奶树碱，这是一种存在于部分真菌和植物体内的一种小型聚酮。之后，牛奶树碱在酶的作用下被氧气氧化成3-羟基牛奶树碱，之后在荧光酶的催化下和氧气作用生成高能中间体，然后高能中间体分解产生二氧化碳和咖啡丙酮酸并发出波长为520nm左右的光，最后，咖啡丙酮酸分解产生咖啡酸和丙酮酸。该发光途径中底物可以循环，并且循环过程中仅消耗丙二酰辅酶A和氧气，同时产生副产物丙酮酸和二氧化碳。
关于真菌发光的生态意义，学术界尚未形成统一的定论，有观点认为真菌发光可以吸引昆虫传播孢子，一个重要的例子是Neonothopanus gardneri，该种真菌仅仅在晚上发光，并且产生的光可以吸引部分昆虫，这在缺少风力的林下层具有重要意义。但是在开阔地生长的Mycena、Omphalotus属的部分发光真菌不需要昆虫帮助传粉，它们的孢子依靠风力传播。还有观点认为真菌发光仅仅是其他代谢途径的副产品。
图2：真菌发光的机理
由于咖啡酸是部分植物的代谢产物，在植物体内含量较高，并且发光途径中的物质对植物没有毒害作用，因此，该途径广泛被用于发光植物的研发。但是由于真菌发光途径的发光强度总体较低，限制了该途径的应用。外源补充增加咖啡酸的浓度，增加相关酶的活性，增加咖啡酸的合成量均可以有效提高发光强度。2023年研究的一种新型发光植物，通过转入甘蓝型油菜来源的BnC3′H1基因和Aspergillus nidulans来源的AnNPGA基因，发光强度可以达到3*1011光量子/（cm2∙min），在黑暗环境下可以明显照亮周围环境。
图3：工程植物在黑暗条件下的发光
图4：Luz酶活性随着温度和pH的变化
由于Luz酶在30度以上的温度下会逐渐失活使得循环中断，这限制了该途径的未来应用。在白天的高温下令荧光酶失活中断发光循环，避免能量过量消耗，随着晚上温度降低到30度以下，荧光素酶重新开始合成并启动发光。
在未来，增强型真菌发光系统可以用于生物学工具开发，具有广泛的应用前景。由于FBP途径和传统萤火虫荧光素途径在代谢上不会互相干扰，光谱上可以互相区分，并且520nm绿光几乎不会被植物吸收，可以用作植物体内长期连续的活性检测甚至是生物传感器的开发。在进一步提高发光强度的基础上，发光植物甚至可能作为生物照明工具，应用于城市规划领域。
参考文献
[1] Haddock SH, Moline MA, Case JF. Bioluminescence in the sea. Ann Rev Mar Sci. 2010;2:443-493.
[2] Kotlobay AA, Sarkisyan KS, Mokrushina YA, et al. Genetically encodable bioluminescent system from fungi. Proc Natl Acad Sci USA. 2018;115(50):12728-12732.
[3] Oliveira AG, Stevani CV, Waldenmaier HE, et al. Circadian control sheds light on fungal bioluminescence. Curr Biol. 2015;25(7):964-968.
[4] Weinstein P, Delean S, Wood TM, Austin AD. Bioluminescence in the ghost fungus Omphalotus nidiformis does not attract potential spore dispersing insects. IMA Fungus.2016;7; 229 - 234.
[5] Zheng P, Ge J, Ji J, et al. Metabolic engineering and mechanical investigation of enhanced plant autoluminescence. Plant Biotechnol J.
[6] Kotlobay AA, Sarkisyan KS, Mokrushina YA, et al. Genetically encodable bioluminescent system from fungi. Proc Natl Acad Sci USA. 2018;115(50):12728-12732.
[7] Yujie W, Jiarui X, Hongyu C, Hao D. Fungal luminescence pathways: research and applications. Chin J Biotech. 2024, 40(1): 1-14.
本文原文来自清华大学THU-CYSL团队