电影《阿凡达》中会发光的植物

文丨学术头条

电影《阿凡达》中展现了一个神奇的世界，在那里有郁郁葱葱发着荧光的丛林，这些发光植物创造了一片璀璨的奇异景象。而现如今，借助基因技术的进步，让植物发出可见光已不再是一个幻想。

在本周 Nature Biotechnology（《自然·生物技术》）发表的一项最新成果中，由合成生物学家 Karen Sarkisyan 和 Ilia Yampolsky 博士主导，共 27 位科学家参与，通过基因技术创造出可以持续发出可见光的植物。

研究人员表示，这项新技术具有实用价值，并可用于美学目的，最重要的是可以创造发光的花和其他观赏植物。虽然用会自己发光的树木代替路灯有点太异想天开，但这些植物从它们的生命中散发出的绿色荧光，着实令人愉悦。

Light Bio 首席执行官 Keith Wood 博士表示：“30 年前，我参与创建了第一个使用来自萤火虫基因的发光植物。而本研究创造的新植物可以产生更明亮、更稳定的光。”Light Bio 是一家新成立的公司，其计划与研究团队合作将这项新技术商业化，应用于观赏植物。

研究人员使用普通相机和智能手机，记录下了树叶、茎、根和花朵的荧光。大家可以看一下这些美轮美奂的发光植物图像：

发光植物生长过程（彩色表示发光强度，非实际颜色）

想要植物发光，绝非易事

其实，在地球上也有一些发光生物，水母和萤火虫可能是大家最熟悉的荧光生物。因此，通过将发光生物中获取的 DNA 插入植物中，就有望创造出可以具有发光功能的植物。

但是，想要一种天生不会发光的生物发出可见光，绝非易事，这不是简单地将发光基因从一个生物转移到另一个生物上。就像手表内部的齿轮一样，新添加的基因必须在宿主体内能够正常发挥作用才行。

而对于大多数生物来说，科学家们对于决定发光功能的基因并不完全了解。直到最近，科学家才弄清控制一些微生物荧光的完整基因。

然而，当科学家们尝试使用这些基因创造发光植物时，最终却都失败了，原因就在于这些发光生物的基因往往无法在复杂的生物体中发挥正常作用。

“幽灵蘑菇”带来的新发现

据记载，早在 1840 年，英国植物学家乔治加纳德在巴西首次发现了荧光蘑菇，当时他看到孩子们拿着这种蘑菇在街上游嬉，最初还以为是孩子们在玩荧火虫，而当时这一发现也没有引起科学界的重视。

2009 年，旧金山州立大学的科学家丹尼斯-德斯贾尔丁和他领导的一个科研组在巴西发现了世界最大的一种生物荧光菌类 Neonothopanus gardner，研究人员声称，现在已发现了 70 多种发光蘑菇，但新发现的这种荧光蘑菇会发出很亮的诡异绿光，甚至可以借着它的光阅读，这些在黑暗中发光的蘑菇原生长于巴西圣保罗附近逐渐消失的森林栖息地。

从亮橙色有毒蘑菇奥尔类脐菇，到狐火(腐烂木头里的蘑菇蜜环菌发出的微弱、诡异的荧光)现象，可谓五花八门，令人惊叹。荧光真菌为世界各地的文化提供了想象空间，德斯贾尔丁表示，人们通常都很害怕这些东西，常称其为“幽灵蘑菇”。

直到一年前，科学家们才发现这些蘑菇中维持生物荧光的基因。而在这次《自然·生物技术》发表的最新研究中，科学家发现，这些蘑菇中生物荧光在新陈代谢上与植物中常见的自然过程相似，将蘑菇的生物荧光基因插入植物中，能在植物中发挥正常功能。

让植物拥有直达人类心灵的魅力

为什么发光蘑菇的基因能成功在植物体内发挥作用呢？

科学家经过研究发现，虽然蘑菇不属于植物，但蘑菇发光主要集中在一种有机分子上，而这种有机分子也是植物制造细胞壁所必需的，它就是咖啡酸，可通过四种酶的代谢循环产生光。两种酶将咖啡酸转化成发光的前体，然后被第三种酶氧化产生光子。最后一种酶将氧化后的分子转化成咖啡酸，从而开始新的循环。

在植物中，咖啡酸是木质素的组成部分，它有助于向细胞壁提供机械强度。因此，它是植物木质纤维素生物量的一部分，是地球上最丰富的可再生资源。作为植物新陈代谢的关键组成部分，咖啡酸也是许多其他基本化合物的组成部分，包括颜色、香味、抗氧化剂等。尽管咖啡因酸与咖啡因的名字听起来很相似，但它们没有关系。

研究人员发现，他们创造出的发光植物每分钟可以产生超过 10 亿个光子，比以往创造的任何发光植物都要亮。

而且，通过这种生物光，科学家可以观察到植物的内部活动。与其他常见的生物荧光如萤火虫相比，维持蘑菇的生物荧光不需要独特的化学试剂，这些植入了蘑菇 DNA 的植物，可在不损害植物健康的情况下保持植物从幼苗到生长成熟的整个生命周期都能够持续发光。

通过将光照与这种关键分子联系起来，植物发出的荧光提供了一种内在的代谢指标，它可以揭示植物的生理状态及其对环境的反应。

例如，当把一个成熟的香蕉皮放在发光植物附近(释放乙烯)时，发光会急剧增加。植物最嫩的部分往往会发出最明亮的光，而花朵尤其明亮，肉眼就能看见闪烁的光波。这一方法揭示了植物内部的活动行为，而这个活动通常隐藏在植物体内。

在这项研究中，研究人员选取了烟草植物，因为它们基因简单，生长迅速。但研究人员认为，蘑菇生物发光这一技术广泛适用于其它植物。

Planta 和 Arjun Khakhar 及其同事的研究已经证明了将其应用于其他植物的可行性，包括长春花、矮牵牛花和玫瑰。随着进一步的研究，我们甚至可以发现更明亮的植物。不仅如此，我们还有可能发现新的分子可以根据人和环境改变亮度或颜色。

通过这一技术，在未来我们甚至可能会对植物有一种新的认识，因为他们会像《阿凡达》中潘多拉星球上发光的神树那样拥有直达人类心灵的魅力。

参考资料：
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-04/mlio-sla042420.php
https://www.nature.com/articles/s41587-020-0500-9