中国科研团队研发出中国首株基因编辑高亮度夜晚自发光植物，未来或能改变城市夜间景观，还有哪些应用前景？

奋斗的小鸟

日前，中国科研团队成功研发出中国首株基因编辑高亮度夜晚自发光植物。该科研团队负责人李仁汉近期在接受采访时表示，将萤火虫等生物发光基因植入到植物细胞，打造类似电影《阿凡达》中神奇的发光植物，为植物绿色照明领域开辟了新的方向。
李仁汉表示，科研团队经历532次技术迭代，克服多个技术难关，其中最难的就是如何让植物发光做到肉眼可见的效果。“我们成功实现了外源基因在植物细胞内的高通量表达，打破基因表达的壁垒。”科研团队还优化了反应过程中的酶，提高酶的效率，同时叠加多个基因，改变植物本身的一些限制性基因，最终才使植物达到肉眼可见的高亮度状态。
李仁汉表示，这项技术的应用前景广阔，可能改变未来城市的夜间景观。发光植物可应用于家庭装饰、儿童小夜灯，甚至公园绿化和市政道路绿化等方面。科研团队的愿景是发展到类似电影《阿凡达》中的场景，让整个公园呈现出梦幻般的发光景象。

原文地址：https://www.zhihu.com/question/665333856

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没有
每一两年就有相关报道
标题都很震惊，但内容都很拉胯
植物靠光合作用的那微弱的转化效率产生的一点能量供不起这么消耗啊
<hr/>但是不妨碍一些生物科技公司用它打广告
比如
亮度不够？那是表达量不够！用叶绿体转化增加表达量！（之前某公司）
亮度不够？用合成生物学方法优化！看一下自己的业务范围，重点提一下基因编辑！（本案）
<hr/>之前浙大那篇论文一作自己写的发展简史：
http://www.cali-light.com/index.php/index/index/newsart/id/25164.html

清风寡欲

先给大家泼一盆冷水，不要高兴得太早，想通过发光植物来实现夜间照明的路还早着呢。


发光植物这个课题刚好去年接触过，当时是一个课题组想用发光植物作为报告基因，检测野外的重金属含量的课题。所以了解的可能多一些，可以大家的给大家解释一下。
关于发光植物的研究历史悠久了，大概有三个不同的方向。
第一个方向，就是参考了发光动物的思路，比如题目中提到的的加入萤火虫的荧光素类型的发光方式。这个在上世纪80年代就已经有成功案例，研究人员把萤火虫的萤光素酶导入到植物细胞或者植株中表达，植物就能发出萤火虫一样的光芒。



这种图片更多是当时大家美好的期望……

但这个方法有个很大的那问题，就是需要额外浇灌提供ATP，植物才能发光。而且发光微弱，持续时间短，就肉眼很难看到光，要在很暗很暗的地方才行。用来照明几乎不可能。
第二个方向呢，也是来自于动物。除了萤火虫以外，自然界还有很多发光水母。我们在其中也找到了一个关键基因GFP，也就是绿色荧光蛋白基因，这个基因是拿过诺奖的，被作为报告基因广泛的运用在生物科研领域之中，自然也有人把它转到了植物里，而且用的非常多。


但这种荧光植物也有一个问题，它需要一个激发光才能发出荧光，一般我们需要用紫外光或者蓝光来激发这些植物，这就有点像周星驰电影里的那个发明，你需要用一个手电筒来照着另一个手电筒，第二个手电筒才能发光……而且你还的有一个观测设备才行。


第三个方向是近些年才发现的，而且也是目前认为发光植物最可能的一个方向。
这次的借鉴对象不是动物了，是来自于一种发光真菌，也就是蘑菇。在2020年的时候，来自美国和俄罗斯的科学家分别利用存在于发光真菌中的真菌生物发光途径（fungal bioluminescence pathway，FBP），改造并建立了在植物中可以起作用的生物发光系统。
我前边说去年的那个课题也用的是FBP，我估计题目里提到的科研团队应该也是用的这个系统。
在 FBP 系统中，咖啡酸（caffeic acid）先被转化为中间产物牛奶树碱（Hispidin），再经过酶催化进一步转化为荧光素，最后荧光素在萤光素酶的催化作用下氧化并释放出光能。
FBP系统的好处是，这里边用的体系，都是植物本身有的，包括咖啡酸本身是木质素和其他重要植物代谢产物的关键中间产物，也就是说不会改动植物自身的体系。经过改造的植物，白天进行光合作用，而晚上进行异化作用发光。
而且经过基因编辑改造优化过的植物，发光能力是目前几个路线里最强的，比如去年浙大的一个团队就做出来了比原来的发光亮度提高了五倍以上的发光叶片。甚至离开植物本体之后的叶片还能持续发光三天。
但即便当下这种最亮的叶片，照明强度有多大呢？就是多盆植物凑在一起，能看到很大的字的程度。


这基本上就是目前的发光植物的极限了……
其实离开生物学探讨范围，回到物理学角度更容易理解。
发光是需要能源的，别管是灯光阳光还是火光，都是要有能源。植物发光的能源就是生物能，比如白天植物进行光合作用产生的生物能，如果转化为光能的话，发光强度就不会太高，因为植物白天光合作用产生的能量就是有限的，即便是目前经过基因编辑改造了很多通路，最终发光强度也是有限的。
比如浙大研究发现，荧光素的生物合成前体咖啡酸和中间产物牛奶树碱的含量高低是植物发光强度的限制性因素。而进一步研究发现，蔗糖供应的缺乏会导致增强型自发光植物中的咖啡酸和牛奶树碱的生物合成显著降低，也就是说。核心还是光合作用产生的能源是制约植物荧光素的合成至关重要。
所以这事情又绕回来了，如果想做出很亮很亮的植物，就要这个植物的光合作用足够强……比如要达到太阳能板子的程度，如果能极大的增强植物的光合作用，那用处就肯定不限于户外照明这个思路了。

感恩由您

题述和报道中提到通过“基因编辑”的方式获得自发光植物，显然是不可能的。
植物发光基因来源于非植物，属转基因

基因编辑技术一般是对植物自身基因进行修改。植物没有自发光基因，让植物产生自发光物质的基因来自于其他发光生物，将外源基因（非植物基因）导入植物，属于转基因范畴，而非基因编辑范畴。
这在团队人员采访时说的：““我们成功实现了外源基因在植物细胞内的高通量表达，打破基因表达的壁垒。”科研团队还优化了反应过程中的酶，提高酶的效率，同时叠加多个基因，改变植物本身的一些限制性基因，最终才使植物达到肉眼可见的高亮度状态。”也可得到证实。
媒体使用基因编辑，而非转基因属于科学错误。（当然了，也是之前疯狂打压‘转基因’的回旋镖飞回来了吧？）
发光生物有哪些，如何发光？

发光生物主要是一些软体动物如水母，细菌，真菌或一些昆虫（萤火虫等）。除水母中绿色荧光蛋白需要紫外照射激发之外，其他的生物发光现象大都是，由于生物发光物质（荧光素）在与氧气和荧光素酶结合而产生。



荧光素的发光反应

另外，通过改变荧光素的化学结构（微调），就可以让发光蘑菇发出的光有很多种颜色。具体的发现过程和分子机理的解释可参考[1]。



荧光素分子结构的不同，是蘑菇发出的光也是不同的

如何让植物发光？

最简单的方法就是把其他生物的基因转移到植物中。科学家们先前有尝试将细菌的基因转入其中，但发光不理想。于是2020年，由英国帝国理工大学的Karen S. Sarkisyan团队领导的研究小组，将蘑菇的基因转入烟草，产生了肉眼可见的发光烟草[2]。
团队比较了蘑菇荧光素合成路线和植物代谢物质合成路线，发现只需导入四个蘑菇基因就能使得植物产生能够发光的物质，这四个基因分别是 nnluz(luciferase),nnhisps(hispidin synthase),nnh3h(hispidin-3-hydroxylase) 和 nncph(caffeoyl pyruvate hydrolase)。



蘑菇和植物发光物质合成路线

最终，团队通过将四个基因导入到烟草，并获得稳定遗传的株系，成功获得发光烟草。



这些照片是用手机Huawei P30 Pro拍摄，曝光时间为0.5-30秒。


快乐的发光烟草，华为手机拍摄
https://www.zhihu.com/video/1811532757375008769
发光植物的应用

生物发光，或者说植物发光系统，最优价值的应用是作为分子标签，显示细胞的活动状态和基因的表达特点。有光生物发光的研究，可参考[3]
现实中的应用，可以通过园艺布景，设计一些梦幻的项目，诸如此类，这些可以咨询园艺专家 @南宫晴。至于，其他用处，只能说应用场景目前来说，并不多。
最后，这个技术是个较为成熟的技术（原创文章发表为2020年），如果有团队需要，可以提供资金支持，我来负责生产发光植物。
并不清楚该中国科研团队所做的改进到底是什么。不过新闻稿中所述“中国首株”，确实没错。
PS: 美国已经有不少公司做出很成熟的产品了，比如Light Bio. The flower you will love the most. 公司，29.99美元就可以买一株petunia (Petunia hybrida) with flowers。
除了发光的植物，还有发光的鱼https://www.glofish.com/glofish.aspx。



Light Bio公司产品

下面是Light bio的视频，满屋子的发光植物还是很梦幻的：


发光植物在哪里
https://www.zhihu.com/video/1811583605551554560

大力水手

生物的发光能力存在于细菌、真菌、植物和动物中。它们的发光能力依赖于表达荧光素酶，这种酶可以催化荧光素分子转化为氧化荧光素，一次反应的产生大量的能量，多的能量以光的形式释放处理。但大部分生物的荧光素酶的全合成途径和对应基因并不完全清楚。目前已知的两条荧光素分子生物合成途径有两个：
1、于20世纪80年代发现的由lux操纵子编码的细菌脂肪酸代谢途径产生的荧光素酶，但是细菌表达途径不能广泛应用于真核生物，一是产生的光亮度低，二是中间体有毒性；
2、于2019年发现的真菌Neonothopanus nambi中苯丙烷类代谢途径，能够催化咖啡酸产生荧光素，产生的荧光可以用肉眼看到[1]。
Neonothopanus nambi是伞菌科的一种有毒发光蘑菇。



https://uk.inaturalist.org/taxa/552693-Neonothopanus-nambi

2020年开始，这种真菌的基因就被用于开发生物发光植物，当时应用的植物是烟草。真菌生物的发光途径由硬脂酸合酶 HispS、硬脂酸-3-羟化酶 H3H、荧光素酶 Luz 和假定的咖啡酰丙酮酸水解酶 CPH 催化。



真菌生物发光的生化反应途径

2024年1月发表的一篇文章，将这种生物发光途径进行改良，通过转基因技术得到稳定发光的7中不同植物。他们通过将含有发光基因的质粒整合到农杆菌中，然后入侵目标植株得到转基因发光植物。在这7种植物中，即使在昏暗的外部照明条件下，也可以使用消费级相机监测矮牵牛和烟草植物的生物发光。此外，最亮的组织——矮牵牛花蕾——可以用现代智能手机相机记录下来[2]。



拟南芥( e )、菊花( f )、加拿大杨( g )、矮牵牛( h和j )、烟草( i ) 和本氏烟( k )

题目中展示的中国科研团队来自神笔生物公司，目前没有在网上搜到他们的相关文献和技术路径，应该是用CRISPR/Cas技术将改良后的发光基因转入特点植物中，具体涉及的发光基因应该主要是真菌发光基因。但没有提到编辑了哪些物种的异源基因。在他们的公众号上找到了相关成果[3]。



红花烟草

从公司开发发光植物的角度看，将发光植物商业化，用于园林绿化、制造城市夜景以及打造主题公园等。目前该公司在向日葵、矮牵牛等花卉也在实验中实现了花瓣和叶片“发光”。目前，团队还在针对玫瑰、牡丹、百合等观赏性花卉进行开发。

卡卡

前段时间看到相关文献介绍了，没想到过了这么久才有热点，简单的说一下吧！
首先，恭喜 中国科研团队成功研发出中国首株基因编辑高亮度夜晚自发光植物。
应用前景——打造《阿凡达》主题公园！

据介绍，与国际同类产品相比，神笔生物的发光植物在亮度方面具有明显优势。这些植物不需要相机长时间曝光，在黑暗环境中肉眼就能很快看到发光效果，可以实现商业化照明。


目前，神笔生物已成功在包括向日葵等多种植物上实现了高亮度自发光，同时还拓展其他花卉品种的发光技术，其中包括改造玫瑰、月季、百合等花卉。
关于应用到的技术

其实主要运用到的技术还是基因编辑技术，这个是最近很火的一个技术又区别于转基因技术！
科研人员通过基因编辑技术，将萤火虫、发光蘑菇等生物的发光基因导入到植物细胞内，从而能让植物在夜晚发出肉眼可见的高亮度光芒。


从实验结果来看，还是很明显的，肉眼基本上也能观察出区别！
自然界中的生物发光现象其实相当普遍，目前已知有大约 30 种独立的生物发光体系，各种发光物种包括细菌、藻类、真菌和无脊椎动物等。


举个例子:
荧光小菇，它其实是一种真菌植物，在夜晚的时候，它就会发出一种比较幽暗的光芒，光芒颜色是深绿色的。它一般长在森林里，依附着森林中的树木生长，从外观形态上来看，它与其它的菇类植物没有太大的差别，唯一不同的就是，这种小菇会发光而已。



最初，科学家们创造发光植物，是为了可以在实验室条件下将荧光基因作为报告基因，从而通过检测发光情况鉴定外源基因是否成功导入植物体，或者根据发光的强度判断实验植物的生长状态或者基因表达情况。
这也是生物学实验室常常用到的一种检测方法！
关于基因编辑与转基因

基因编辑（Gene Editing）是指通过基因编辑技术对生物体基因组特定目标进行修饰的过程。高效而精准的实现基因插入、缺失或替换，从而改变其遗传信息和表现型特征。
基因编辑技术的原理最常用的系统就是CRISPR-Cas系统了

CRISPR-Cas系统由成簇的规律间隔的短回文重复序列（CRISPR）和与之相关的Cas蛋白组成。该系统通过引导RNA（gRNA）识别特定的DNA序列，并借助Cas蛋白实现对目标基因的精准切割和修饰。
就我的专业而言，基因编辑可以用于改良农作物，提高其产量、耐病性和适应性。通过编辑农作物基因组中的关键基因，可以使其具备更好的抗虫性、耐旱性、耐盐性等特性。
那么转基因为什么有人反对呢？

转基因技术是一种通过将外源基因导入到植物或动物的基因组中，使其获得新的性状或特征的方法。转基因食品是由转基因作物生产的食品，如转基因大豆、转基因玉米等。
这些转基因作物通常会在其基因中引入抗虫、耐草除剂或提高产量的基因，以改善农作物的生长和抗病能力。
个人觉得哈
信息传播和公众意识对转基因食品的认知存在一定的偏差。转基因食品的安全性研究虽然广泛，但少数反对转基因技术的机构和个人持续发表负面的报道和观点，它们通常会引发公众的担忧和恐慌。由于公众对科学研究的了解和接触有限，对于转基因食品的概念和科学依据产生了很多误解。
另外，基因编辑技术不同于转基因技术，转基因做的是“加法”，基因编辑做的是“减法”或“替换法”。基因编辑技术是对基因组的已经搞清楚的特定DNA序列做调整，而且可以精确到基因组的某个特定字符-碱基对。“减法”就是去掉已有的部分，例如删除诱发人类过敏的基因。
简单来说，基因编辑产生的过程中会应用到转基因技术，但又与转基因技术完全不同。转基因技术是受体物种中转入外源基因的技术。基因编辑技术会利用到稳定或瞬时表达转基因技术，但最终受体物种中并没有残留外源基因，只是对受体自身的基因按人为的目标进行了定点定向突变。
最后，中国对转基因生物实行严格的安全评价和管理，只有经过科学评估、证明安全且符合相关法规要求的转基因产品才会被批准进入市场。同时，对于转基因食品也要求进行明确标识，以保障消费者的知情权和选择权。
你们对发光植物有哪些期待呢？