電，為人們帶來了極大的便利，為我們在黑夜中帶來光明與色彩，但你是否幻想過一個在夜晚中各種植物發出不同顏色光芒的色彩斑斕的夢幻世界？在這樣的世界中暢遊又會是一種怎麼樣的感受？
可以發光的蘑菇
在很多古老的傳說中，人們在森林中或一些陰暗潮溼的地方看見樹木上幽暗的光芒，人們曾將這些幽暗的光芒稱作狐火。其實這一神秘的現象是由一種微生物-蜜環菌所引起的。
蜜環菌是蘑菇的一種，屬於兼性寄生真菌。我們所認識的微生物是一些形態肉眼不可見的生物，但實際上蘑菇也是微生物的一種。大量形態微小的蜜環菌集中生長會使一部分蜜環菌發生形態的和功能的分化，在生長期有基內菌絲、氣生菌絲之分，基內菌絲伸入到土壤或半腐爛版的植物中，吸取營養。氣生菌絲與黴菌的菌絲相似，毛絨絨的。到生長後期，還會分化出另一類細胞，長成蘑菇的繁殖器官，叫子實體，最終形成我們肉眼可見的蘑菇。而在漆黑的夜晚中在樹樁上大量生長的蜜環菌菌絲所發出淡藍色的熒光就是狐火的真相。
微生物發出熒光並不是個例，在澳大利亞的草原上也生長著一種叫星菊菌的發光蘑菇，當它的孢子隨著氣流漂泊時，閃著熒光的孢子就像一條變化莫測的綵帶照亮著周圍大片的地區。
會發光的蘑菇 （圖片來自網絡）
其他可以發光的生物
既然發光的生物在夜裡能展現別樣魅力，怎麼樣能讓這種魅力更加的閃亮，豐富並且被更多的生物擁有，一直是具有科學素養的“發光生物”鐵粉的基本追求。
發光生物的鐵粉中有兩個著名的科學家，第一個是熒光蛋白的“知音”下村修，作為一個科學家，看到這些能發熒光的“暗夜精靈”時不僅僅是欣賞它們，他還從那些水母中分離純化出了熒光製造者——熒光蛋白。
另外一個是著名的華裔科學家錢永健先生，他對編碼熒光蛋白的基因做了一系列改造，使得最終產生的熒光蛋白所產熒光的顏色更加多樣，顏色更持久更強烈，他的工作為其它的科學家在為其它生物著色滿足自己的想象時有了更大的空間。比如在小鼠胚胎期時進行基因工程操作，將編碼綠色熒光蛋白的基因插入小鼠基因中，基因表達成功後的小鼠在激發光的刺激下能量釋放而發出對應的熒光，以便用於科學觀察，因此綠色熒光蛋白現在被廣泛運用為熒光標記分子等等。鑑於熒光蛋白在生命醫學領域的應用非常廣泛，2008年的諾貝爾生理學獎頒給了發現和研究綠色熒光蛋白的科學家。
不同顏色的熒光蛋白和熒光小鼠（圖片來源：《基因Ⅺ》）
五彩夜晚的基石——發光物質的選擇
既然生物可以發光，在夜晚的林間漫步不免會想，如果身旁這些漆黑的大樹能放出斑斕的色彩照亮我們前行的路，該有多麼美好。生物工程師們為了實現這一願望首先對不同生物發光的原理進行了探索。
生物發光的原理大概可以分為以下兩類：一種是利用化學物質的特性發出熒光，如螢火蟲中的熒光素在相應的熒光素酶的催化下能發出黃色、橙色有時候甚至是紅色的光。另一種是利用激發光誘導發光物質產生熒光，如各種顏色熒光蛋白在激發光的刺激下熒光蛋白產生熒光。顯然，要在深夜中通過激發光的策略有著更多的阻礙，因此使用熒光素作為發光物質成為了科學家們一個值得考慮的選擇。
五彩夜晚的探索——轉基因植物的熒光
雖然使用熒光素髮光要比使用激發光誘導化合物發光更具有優勢，但是熒光素分子多種多樣比如廣泛存在於海洋發光生物中的腔腸素，發光細菌中的細菌熒光素，螢火蟲的D-熒光素等等，選擇什麼熒光素和如何使植物獲得發光的能力成了新的難題。
微生物一直是科學家的良師益友，生物工程師在發著幽幽熒光的蘑菇中找到了一個寶藏——真菌熒光素。真菌熒光素合成自一種名叫咖啡酸的物質，這種物質在一系列酶的催化氧化下可以形成熒光素併發出熒光。
（圖片來源：Kotlobay AA et al.,2020）
對於複雜問題的解決，生物工程師們通常會循序漸進去實現最終的目標。為了驗證重新建立熒光素合成途徑可以使其他生物發出熒光的能力，生物工程師們請出了另一位微生物老師-畢赤酵母。
畢赤酵母在生物學分類上與發光蘑菇親緣關係更近，在生物學上，親緣關係的遠近反映的是生物演化的過程物種之間的差異，一般認為親緣關係相近的物種之間在生物特性上可能表現出互通性和一定的相似性。生物工程師們將咖啡酸生物合成途徑中的四種關鍵酶基因和咖啡酸生物合成基因整合到一起後插入畢赤酵母基因組中使畢赤酵母獲得了發光的能力。
更好的消息是植物中天然存在著咖啡酸循環的關鍵物質——咖啡酸。終於，功夫不負有心人，2020年的4月在國際期刊《自然生物技術》發表的一項最新成果中，由27位科學家參與，通過將真菌生物發光基因利用基因工程手段整合到植物核基因組中創造出了可以持續發光的植物，其中也包括我們常見的長春花、矮牽牛花和玫瑰。
能夠終身發熒光得植物（圖片來源：Mitiouchkina T et al.,2020）
五彩世界的未來
在我們改造微生物的同時，微生物也是我們的老師。如今，通過學習與研究，我們使植物發光，這是生物研究者在研究道路上所走出的一步，而遠不是科研與學習的終點，我們所學到的永遠只是知識海洋中的一瓢。
在夜晚中，我們不會只因為現在所獲得的發光植物而滿足，更多的發光物質、發光原理等著我們去發現，更多的顏色等著我們去添加。隨著科學技術的發展，當有一天，伴隨著更多顏色、更多種類的發光植物，迎來的定是一個五彩斑斕的夜晚。
參考文獻：
1. 王貞虎. 有些植物為什麼會發光[J]. 林業與生態, 2014, 000(011):38-39.
2. Fleiss, A. and K.S. Sarkisyan, A brief review of bioluminescent systems (2019). Curr Genet, 2019. 65(4): p. 877-882.
3. Kotlobay, A.A., et al., Genetically encodable bioluminescent system from fungi. Proc Natl Acad Sci U S A, 2018. 115(50): p. 12728-12732.
4. Mitiouchkina, T., et al., Plants with genetically encoded autoluminescence. Nat Biotechnol, 2020.
來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所
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