電影《阿凡達》中會發光的植物

　　文丨學術頭條

　　電影《阿凡達》中展現了一個神奇的世界，在那里有郁郁蔥蔥發著熒光的叢林，這些發光植物創造了一片璀璨的奇異景象。而現如今，借助基因技術的進步，讓植物發出可見光已不再是一個幻想。

　　在本周 Nature Biotechnology（《自然·生物技術》）發表的一項最新成果中，由合成生物學家 Karen Sarkisyan 和 Ilia Yampolsky 博士主導，共 27 位科學家參與，通過基因技術創造出可以持續發出可見光的植物。

　　研究人員表示，這項新技術具有實用價值，并可用于美學目的，最重要的是可以創造發光的花和其他觀賞植物。雖然用會自己發光的樹木代替路燈有點太異想天開，但這些植物從它們的生命中散發出的綠色熒光，著實令人愉悅。

　　Light Bio 首席執行官 Keith Wood 博士表示：“30 年前，我參與創建了第一個使用來自螢火蟲基因的發光植物。而本研究創造的新植物可以產生更明亮、更穩定的光。”Light Bio 是一家新成立的公司，其計劃與研究團隊合作將這項新技術商業化，應用于觀賞植物。

　　研究人員使用普通相機和智能手機，記錄下了樹葉、莖、根和花朵的熒光。大家可以看一下這些美輪美奐的發光植物圖像：

　　發光植物生長過程（彩色表示發光強度，非實際顏色）

　　想要植物發光，絕非易事

　　其實，在地球上也有一些發光生物，水母和螢火蟲可能是大家最熟悉的熒光生物。因此，通過將發光生物中獲取的 DNA 插入植物中，就有望創造出可以具有發光功能的植物。

　　但是，想要一種天生不會發光的生物發出可見光，絕非易事，這不是簡單地將發光基因從一個生物轉移到另一個生物上。就像手表內部的齒輪一樣，新添加的基因必須在宿主體內能夠正常發揮作用才行。

　　而對于大多數生物來說，科學家們對于決定發光功能的基因并不完全了解。直到最近，科學家才弄清控制一些微生物熒光的完整基因。

　　然而，當科學家們嘗試使用這些基因創造發光植物時，最終卻都失敗了，原因就在于這些發光生物的基因往往無法在復雜的生物體中發揮正常作用。

　　“幽靈蘑菇”帶來的新發現

　　據記載，早在 1840 年，英國植物學家喬治加納德在巴西首次發現了熒光蘑菇，當時他看到孩子們拿著這種蘑菇在街上游嬉，最初還以為是孩子們在玩熒火蟲，而當時這一發現也沒有引起科學界的重視。

　　2009 年，舊金山州立大學的科學家丹尼斯-德斯賈爾丁和他領導的一個科研組在巴西發現了世界最大的一種生物熒光菌類 Neonothopanus gardner，研究人員聲稱，現在已發現了 70 多種發光蘑菇，但新發現的這種熒光蘑菇會發出很亮的詭異綠光，甚至可以借著它的光閱讀，這些在黑暗中發光的蘑菇原生長于巴西圣保羅附近逐漸消失的森林棲息地。

　　從亮橙色有毒蘑菇奧爾類臍菇，到狐火(腐爛木頭里的蘑菇蜜環菌發出的微弱、詭異的熒光)現象，可謂五花八門，令人驚嘆。熒光真菌為世界各地的文化提供了想象空間，德斯賈爾丁表示，人們通常都很害怕這些東西，常稱其為“幽靈蘑菇”。

　　直到一年前，科學家們才發現這些蘑菇中維持生物熒光的基因。而在這次《自然·生物技術》發表的最新研究中，科學家發現，這些蘑菇中生物熒光在新陳代謝上與植物中常見的自然過程相似，將蘑菇的生物熒光基因插入植物中，能在植物中發揮正常功能。

　　讓植物擁有直達人類心靈的魅力

　　為什么發光蘑菇的基因能成功在植物體內發揮作用呢？

　　科學家經過研究發現，雖然蘑菇不屬于植物，但蘑菇發光主要集中在一種有機分子上，而這種有機分子也是植物制造細胞壁所必需的，它就是咖啡酸，可通過四種酶的代謝循環產生光。兩種酶將咖啡酸轉化成發光的前體，然后被第三種酶氧化產生光子。最后一種酶將氧化后的分子轉化成咖啡酸，從而開始新的循環。

咖啡酸循環與一些主要的植物生物合成途徑共享代謝產物

　　在植物中，咖啡酸是木質素的組成部分，它有助于向細胞壁提供機械強度。因此，它是植物木質纖維素生物量的一部分，是地球上最豐富的可再生資源。作為植物新陳代謝的關鍵組成部分，咖啡酸也是許多其他基本化合物的組成部分，包括顏色、香味、抗氧化劑等。盡管咖啡因酸與咖啡因的名字聽起來很相似，但它們沒有關系。

　　研究人員發現，他們創造出的發光植物每分鐘可以產生超過 10 億個光子，比以往創造的任何發光植物都要亮。

　　而且，通過這種生物光，科學家可以觀察到植物的內部活動。與其他常見的生物熒光如螢火蟲相比，維持蘑菇的生物熒光不需要獨特的化學試劑，這些植入了蘑菇 DNA 的植物，可在不損害植物健康的情況下保持植物從幼苗到生長成熟的整個生命周期都能夠持續發光。

　　通過將光照與這種關鍵分子聯系起來，植物發出的熒光提供了一種內在的代謝指標，它可以揭示植物的生理狀態及其對環境的反應。

　　例如，當把一個成熟的香蕉皮放在發光植物附近(釋放乙烯)時，發光會急劇增加。植物最嫩的部分往往會發出最明亮的光，而花朵尤其明亮，肉眼就能看見閃爍的光波。這一方法揭示了植物內部的活動行為，而這個活動通常隱藏在植物體內。

　　在這項研究中，研究人員選取了煙草植物，因為它們基因簡單，生長迅速。但研究人員認為，蘑菇生物發光這一技術廣泛適用于其它植物。

電影《阿凡達》中會發光的植物

　　Planta 和 Arjun Khakhar 及其同事的研究已經證明了將其應用于其他植物的可行性，包括長春花、矮牽牛花和玫瑰。隨著進一步的研究，我們甚至可以發現更明亮的植物。不僅如此，我們還有可能發現新的分子可以根據人和環境改變亮度或顏色。

　　通過這一技術，在未來我們甚至可能會對植物有一種新的認識，因為他們會像《阿凡達》中潘多拉星球上發光的神樹那樣擁有直達人類心靈的魅力。

　　參考資料：
　　https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-04/mlio-sla042420.php

　　https://www.nature.com/articles/s41587-020-0500-9

總結

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