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还记得《阿凡达》里会发光的植物吗?有人“种”出来了

2020-04-30 11:51:07 作者:

本文来自微信公众号:Scitoutiao,作者:学者,标题图片:头像剧照

电影《阿凡达》展示了一个神奇的世界,那里有郁郁葱葱的荧光丛林。这些发光的植物创造了一个令人眼花缭乱和奇怪的场景。现在,随着基因技术的进步,让植物发出可见光不再是幻想。

在自然生物技术(Nature Biotechnology)本周发布的最新成果中,由合成生物学家卡伦·萨尔基斯扬(Karen Sarkisyan)和伊利亚·亚姆波尔斯基(Ilia Yampolsky)博士领导的27名科学家参与创造了能够通过基因技术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,可以用于美学目的。最重要的是创造发光的花朵和其他观赏植物。虽然用能发光的树来代替路灯有点异想天开,但这些植物从生活中发出的绿色荧光确实令人愉快。

光生物首席执行官基思·伍德博士说:“30年前,我参与了第一个利用萤火虫基因的发光植物的创造。这项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,计划与研究团队合作,将这项新技术商业化,并将其应用于观赏植物。

研究人员使用普通相机和智能手机来记录叶子、茎、根和花的荧光。你可以看看这些美丽发光的植物图片:

夜光植物的夜景照片

发光植物的生长过程(颜色表示发光强度,而不是实际颜色)

想要植物发光并不容易。

事实上,地球上有一些发光的生物,水母和萤火虫可能是最熟悉的荧光生物。因此,通过将从发光生物获得的DNA插入植物,有望创造出具有发光功能的植物。

然而,想要一个非自然发光的生物体发出可见光绝非易事。它不是简单地将发光基因从一个有机体转移到另一个有机体。就像手表的内部装置一样,新添加的基因必须在宿主体内正常发挥作用。

对于大多数生物来说,科学家并不完全了解决定光发射功能的基因。直到最近,科学家才发现控制一些微生物荧光的完整基因。

然而,当科学家试图用这些基因创造发光植物时,他们最终失败了,因为这些发光生物的基因在复杂的生物中通常不能正常发挥作用。

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·加德纳在巴西首次发现荧光蘑菇。当他看到孩子们在街道的上游玩蘑菇时,他起初以为孩子们在玩萤火虫。当时,这一发现没有引起科学界的注意。

2009年,旧金山州立大学的科学家丹尼斯·德·贾丁和他领导的一个研究小组在巴西发现了世界上最大的生物发光真菌——新拉加禁核组织。研究人员声称,现在已经发现了70多种发光蘑菇,但是新发现的荧光蘑菇可以发出非常明亮的奇怪绿光,甚至可以被它的光读取。这些深色发光蘑菇最初生长在巴西圣保罗附近逐渐消失的森林栖息地。

从带有毒蘑菇的亮橙色,到狐狸火(蜜环菌发出的微弱而诡异的荧光,一种腐烂木材中的蘑菇),这种现象可以被描述为五花八门,令人惊叹。荧光真菌为世界各地的文化提供了想象力空。德斯贾丁说,人们通常害怕这些东西,经常称它们为“幽灵蘑菇”。

直到一年前,科学家才发现这些蘑菇中保持生物发光的基因。然而,在《自然生物技术》发表的最新研究中,科学家发现这些蘑菇中的生物发光在新陈代谢方面与植物中常见的自然过程相似。将蘑菇的生物发光基因插入植物中可以在植物中发挥正常的作用。

让植物有魅力直达人心

为什么发光蘑菇的基因能在植物中成功工作?

科学家发现,尽管蘑菇不属于植物,但它们的发光主要集中在有机分子上,这也是植物形成细胞壁所必需的。咖啡酸可以通过四种酶的代谢循环产生光。两种酶将咖啡酸转化为发光前体,然后被第三种酶氧化产生光子。最后一种酶将氧化的分子转化为咖啡酸,从而开始新的循环。

咖啡酸循环与一些主要的植物生物合成途径共享代谢产物

咖啡酸是植物木质素的一种成分,有助于为细胞壁提供机械强度。因此,它是植物木质纤维素生物质的一部分,是地球上最丰富的可再生资源。咖啡酸是植物新陈代谢的关键成分,也是许多其他基本化合物的成分,包括颜色、香味、抗氧化剂等。尽管含咖啡因的酸和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,他们创造的发光植物每分钟能产生超过10亿个光子,比任何一种发光植物都要亮。

此外,通过这种生物光,科学家可以观察植物的内部活动。与萤火虫等其他常见的生物发光相比,不需要特殊的化学试剂来维持蘑菇的生物发光,植入蘑菇DNA的植物可以保持植物从幼苗到生长成熟的整个生命周期持续发光,而不损害植物的健康。

通过将光与这一关键分子联系起来,植物发出的荧光提供了一个内在的代谢指数,它可以揭示植物的生理状态及其对环境的反应。

例如,当成熟的香蕉皮放在发光植物(释放乙烯)附近时,发光会显著增加。植物最脆弱的部分通常发出最亮的光,而花特别亮,所以肉眼可以看到闪烁的光波。这种方法揭示了植物内部的活动,通常隐藏在植物内部。

在这项研究中,研究人员选择了烟草植物,因为它们的基因简单,生长迅速。然而,研究人员认为蘑菇生物发光技术广泛适用于其他植物。

阿凡达中的发光植物

Planta和Arjun Khakhar及其同事的研究证明了将它们应用于其他植物的可行性,包括长春花、矮牵牛和玫瑰。随着研究的深入,我们甚至可以找到更亮的植物。不仅如此,我们还可能发现新分子会根据人和环境改变亮度或颜色。

通过这项技术,我们甚至可能在未来对植物有一个新的理解,因为它们将具有到达人类心灵的魅力,就像《阿凡达》中潘多拉星球上闪亮的魔法树一样。

参考:https://www.eurekalert.org/pub发布/2020-04/mlio-sla042420.php

https://www.nature.com/articles/s4158020-0500-9

本文来源于微信公众号:学术标题(身份证号:Scitoutiao),作者:学术之王

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