2023年5月8日，浙江大学农业与生物技术学院都浩研究员团队在国际著名期刊Plant Biotechnology Journal (IF：13.26)在线发表了题为“Metabolic engineering and mechanical investigation of enhanced plant autoluminescence”的研究论文。该研究在前人研究基础上通过在真菌发光系统中引入来自甘蓝型油菜的BnC3’H1基因和来自构巢曲霉的AnNPGA基因，成功创制了发光显著增强的自发光植物，并对发光植物的生物学特性和发光机制做了详细阐述。该研究对于进一步通过代谢工程手段提高植物发光强度具有重要的参考意义。

咖啡酸(Caffeic acid)和牛奶树碱(Hispidin)等发光底物含量是植物发光增强的限制性因素，通过代谢工程手段促进发光底物在植物内源积累有利于增强植物发光。该研究首先利用生物信息学的方法在14个物种中筛选并鉴定了甘蓝型油菜BnC3’H1基因，并合成了来源于构巢曲霉的AnNPGA基因，通过在植物中瞬时表达证明两者共同作用能显著提高发光底物含量从而增强植物发光；进一步通过稳定转化得到发光增强植物，其比原来的发光植物亮度提高五倍多，并且能够持续稳定发出肉眼可见光，进行离体处理的叶片同样能持续发光三天之久。代谢数据也证明了更强的发光强度与引入上述两个基因有密切的关系，发光较强的植物体内咖啡酸和牛奶树碱含量更高。当多株开花期的植物放在一起时其发出的光可以照亮周围的黑暗环境，甚至可以让较大的字体清晰可见（图1）。随后通过一系列的非生物胁迫处理发光植株表明，植物发光强度对不同的非生物胁迫具有不同的响应，其响应模式反映了植物内源发光底物生物合成途径上重要基因的表达量变化。最后，该研究通过一系列处理实验发现，植物发光的最初能量来源于糖。该研究为进一步设计和优化发光系统提供了重要的方向。

图1 增强型生物发光植物在黑暗房间中的表现

图2 BnC3’H和AnNPGA增强发光的机制研究

 

增强型发光系统应用广泛，在未来可以开发成动植物基础生物大分子检测工具，该体系将不依赖于贵重大型检测仪器，使用肉眼观察或者消费级别相机即可达到检测目的；并且不用添加外源底物，检测成本低，更加便捷；此外可以用做高通量的活体检测，应用范围更广。新型检测技术的开发将加速动植物基础研究的进展和大健康产业的发展。同样地，该发光系统可应用于作物检测的生物传感器，推动健康农业和智慧农业的发展。在进一步提高发光强度的基础上，将有望创造出发光植物（花卉、树木）新品种，并且生物发光植物白天利用光合作用将太阳能转化为有机物并固定空气中的CO2，晚上再通过异化作用释放出光能，应用于低亮度照明，这是一种全新的生物能源转化和利用模式，有利于节约电力，降低碳排放，为国家“双碳”战略的实现提供新策略，实现真正的绿色照明和环境美化，打造一个“阿凡达”的现实世界。

图3 将真菌生物发光途径整合到植物代谢途径中

 

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博士后郑鹏，浙江大学农业与生物技术学院硕士研究生葛洁瑜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。西湖大学吴建平研究员，浙江农林大学卢孟柱教授，中国农科院青岛烟草所马思琪博士，浙江大学农业与生物技术学院范鹏祥研究员、潘荣辉研究员对该研究内容提供很多帮助。哈佛大学Jen Sheen教授为文章写作提供很多建议，研究所用骨架载体来源于华南农业大学刘耀光院士和祝钦泷研究员团队。该研究受到浙江省重点研发计划(2020C02002)，浙江省自然科学基金(Y21C020015、LQ22C020002)，浙江大学国际合作计划，中央高校基本科研业务费专项资金资助(K20200168)。

文章来源：植物生物技术Pbj