如何通过生物技术使植物发光？

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如何通过生物技术使植物发光？
原文地址：https://www.zhihu.com/question/536231367

清风寡欲

最近这盆“小夜灯”——夜间发光牵牛花，在美国已经逐渐发货，并且相信不少朋友已经拿到手观赏了。
在 Ginkgo Ferment 2024，LightBio 公司 CEO Keith Wood 将这盆发光牵牛花带到了现场，并为大家讲述了从 1986 年第一次成功实现发光植物，到 2024 年 Light Bio 成功实现发光植物商业化的漫漫长路。
夜光牵牛花来了！丨再创

锐锐 / 作者
孟凡康 / 审校

2023 年 9 月，LightBio 正式通过了美国农业部（USDA）和动植物卫生检验局（APHIS）的审查。APHIS 表示这种改良后的牵牛花不太可能增加植物害虫风险，因此允许在美国安全种植和繁殖。



▲ 美国农业部（USDA）审批页面

2024 年 2 月 LightBio 开始正式在官网售卖，发光牵牛花每盆售价 29 美金（但是运费很贵！) 。首轮 50000 盆白色发光牵牛花已经全部售罄，预计销售额会在年底再翻一番。同时已经接受了两笔大额婚礼用花订单。


2024 年 4 月初，LightBio 的发光牵牛花已经开始陆续发货。



▲图片来源：@revealplant

但实际上，使用基因转移技术来设计发光植物并不是什么新鲜事。



▲ 1986 年 Keith Wood 在 Science 发表相关文章

早在 1986 年，此时还在加州大学圣地亚哥分校化学系的 Keith Wood 和其他研究人员团队开发了一种生物发光植物，并发表了文章。



▲ 左侧为 Keith Wood 设计的第一株发光植物

他们从萤火虫中提取出了能产生发光特性的基因，并插入烟叶（Nicotiana tabacum）中。但这些基因在植物体内表现并不理想，使得改造后的植物发出的光非常暗。在当时，只有这一种方法可以实现发光植物。

生物发光是从细菌中首先发现并确定其基因组成的：
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/6831560/，这套系统包含好几个基因，对植物确实有负面影响。（1983年）
Keith 做的萤火虫的工作是比细菌的靠后几年（1986年）。
因此读者们会在视频中看到 Keith 讲的是“我们在细菌中提取了发光基因...”等表述。两者并不冲突，这也体现了 Keith 在学术上的严谨性。

大约 10 年前，Karen Sarkisyan 等研究者发现了一种新的方法，他们发现了来自生物发光蘑菇 Neonothopanus nambi 的一组新基因。
这些基因能编码一种催化循环，利用植物中天然存在的代谢物来实现发光。
随后，Karen Sarkisyan 、Ilia Yampolsky 和 Keith Wood 一同创立了 Light Bio。
据 NPR 报道，Light Bio 实际上使用了“来自生物发光蘑菇的四个基因和来自真菌的第五个基因”。这些酶能够将咖啡酸转化为发光分子荧光素，并将其再循环转化回咖啡酸，从而实现持续的生物发光。
对这些植物来说唯一新颖的物质是下图标注的两个发着绿光的化学分子。他们分别是发光反应的底物和产物。


研究者们发现，光合作用的能量主要用于制造由纤维素和木质素组成的细胞壁。因此，他们将这些发光基因插入到木质素的合成路径中，这样一来，发光所需的能量便可以来自植物中最有活力的部分。



在推特/X/Instagram 上，已经有不少博主分享了自己已经到货的发光牵牛花。我们一起来欣赏一下～



https://www.zhihu.com/video/1768280939917262848


https://www.zhihu.com/video/1768281015523831808




▲ @evilrabbit_





▲ @G1NG3RM4N



▲ @FrankMuniz



▲ @CWStGeorge



▲@G1NG3RM4N

再创也在 4 月下单了两盆发光白色牵牛花，但目前还未发货。届时到货会为各位读者们拍个开箱视频～





此外，在发光植物方面，中国也有非常丰厚的技术储备。再创丨Regenesis 曾报道过中国在发光植物研究方面的相关工作进展。（读者们可以点击下方图片跳转原文）




浙江大学杭州国际科创中心（简称科创中心）生物与分子智造研究院都浩研究员团队利用合成生物学技术成功创制了一种发光显著增强的自发光植物（发光强度达到 3×10^11 光量子/min/cm2）。该发光植物的关键基因来源于发光蘑菇。团队在基础的真菌生物发光途径中引入了来自甘蓝型油菜 BnC3’H1 基因和来自构巢曲霉的 AnNPGA 基因，利用多基因组装的方法转入植物中，实现了持续稳定的低亮度照明。植物将可以利用光合作用产生的生物能，经过一系列代谢途径最终转化为光能。
我们能看到，都浩团队研发的自发光植物亮度可以清晰照亮后方浙江大学展板的字样。


▲ 来源：浙大杭州科创中心公众号

Keith Wood 历时 38 年，才将发光植物从实验室真正带到了消费者面前 ，让所有人都能直观感受到来自合成生物学的魅力，可谓是道阻且艰。再创也期待中国自己的发光植物在科学研究，景观观赏，农业的应用上早日成功！

感恩由您

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