浙江大学成功创制可照亮黑暗环境的第二代自发光植物

浙江大学成功创制可照亮黑暗环境的第二代自发光植物

近日，浙江大学农业与生物技术学院都浩研究员团队在植物自发光研究领域取得重要突破。该团队在国际知名学术期刊《The Plant Cell》上发表了题为「Integration of biological and information technologies to enhance plant autoluminescence」的研究论文。研究团队通过引入细菌来源的关键基因并结合amiRNA array技术，成功开发出第二代发光植物，其发光强度较第一代提升了约4倍。

咖啡酸和牛奶树碱等发光底物含量是植物发光增强的限制性因素。该研究通过分析杨树数据库中366个转录组数据，开发了转录代谢模型，将机器学习与实验分析相结合，成功鉴定了参与植物咖啡酸代谢的有效调控基因。进而创新性地采取「开源节流」策略，在提高咖啡酸与牛奶树碱含量的同时减少其在木质素和类黄酮等其他代谢途径中的分流，有效引导更多的发光底物流向发光代谢通路，从而提高发光强度。

具体而言，该研究通过amiRNA array技术下调了Nt₄CLs、NtCHSs、NtCOMTs、NtCCoAOMTs和MYB11等木质素和类黄酮合成相关基因的表达水平。同时引入了外源蛋白酪氨酸解氨酶编码基因RgTAL、FAD依赖性的4-羟苯乙酸酯-3-单加氧酶编码基因PaHpaB，和 NADH黄素氧化还原酶编码基因SeHpaC，这些基因能将植物内源酪氨酸转化为咖啡酸。

实验结果证实了该策略可以有效提高发光底物咖啡酸和牛奶树碱的含量，并大幅提升了稳定转化烟草的发光强度，为开发高亮度、高稳定性的植物光源和生物报告系统奠定了基础。

植物体内存在复杂的调控网络来协调能量分配，从而确定生物发光的上限。自发光植物能够从阳光中获取极少量的能量来协助生物发光。通过测定光合作用的相关生理参数，包括植物净光合速率Pn、气孔导度Gs、蒸腾速率Tr以及CO₂同化的量子效率PhiCO₂，来探索光合作用与植物代谢之间的相互作用。研究结果显示，第二代生物发光系统没有对植物的光合作用产生负面影响，这表明在未来的迭代中提升发光强度有显著的潜力。

该新型发光系统的潜在应用前景广阔，发光植物新品种可以美化环境的同时作为低亮度照明的替代，节约电力，开拓生物能利用的新思路，有助于文旅产业及生物新能源产业的发展;也可以作为生物光信号报告环境有害因子(土壤有害重金属、甲醛等)进行生物监测、还能开发出生物学研究和临床检测的工具。该研究创制的发光植物完全依赖植物自身的光合作用和异化作用，实现光能与生物能的循环利用，无需人造能源供给，实现能源、资源和环境的健康可持续发展，为利用生物科技和信息技术促进农业、能源、环境等领域高质量发展提供新思路和技术支撑。

浙江大学农业与生物技术学院博士研究生葛洁瑜、浙江大学农业与生物技术学院已毕业硕士研究生姬佳翼、浙江大学农业与生物技术学院本科生瞿成杙、浙江大学杭州国际科创中心郎绪业研究员、和浙江大学杭州国际科创中心乔赫为文章共同第一作者，浙江大学农业与生物技术学院和浙江大学杭州国际科创中心都浩研究员为该文通讯作者。该研究受到顶尖大学(哈佛大学-浙江大学)国际合作计划学者项目，浙江省重点研发计划(2020C02002)，中央高校基本科研业务费专项资金资助(K20200168)。

本文原文来自两江科技评论、FUTURE远见