一座城市越來越繁華的同時，夜晚的燈光污染也會越嚴重，想要在城市裡尋找一片星空變得越發困難。這時候，向大自然學習如何打造人類的環境，可能會有意想不到的效果。

愈傷組織發光效果圖

地里的發光效果

海洋發光細菌

生物界中存在著一種有意思的現象——化學發光，如人們熟悉的螢火蟲、真菌，海洋中的水母、魚類、細菌，等等。試想，如果遍布城市的植物也能發出足夠的光芒，那麼有朝一日，生物發光甚至可以替代現有的城市燈光，節約能源、減少污染。

實際上，科學家離這個夢想又近了一步。近日，雲南一家生物科技公司在國內率先研製出一種肉眼可見的自發光植物，黑暗中，它發出的光亮就像點點星光。

從海洋生物移植髮光基因

螢火蟲之所以能發光，是因為發光細胞中含有熒光素、熒光素酶兩種發光物質。早在1885年，杜堡伊斯就在實驗室里提出了這兩種物質。後來，科學家又找到了控制熒光素酶的基因，並且通過基因編輯技術，顯著提高了螢火蟲的發光亮度。

雲南納博生物科技有限公司農業研發團隊從2012年起就試圖在螢火蟲身上獲取靈感。他們想，如果把螢火蟲的發光基因導入到植物的基因組中，會發生什麼？

團隊負責人段康告訴《中國科學報》記者，項目最初，研究人員只是想做一次探索。不過，他也提到，讓植物發光的想法在美國科學界已有探討和實踐。

2013年，斯坦福大學的合成生物學家與植物學家就提出了「可持續發光植物」的商業開發項目，將熒光素酶基因移植到一種名為擬南芥的植物上。2014年，美國密蘇里州Bioglow公司宣布成功培育出了世界上第一株發光植物，它是將海洋發光細菌發光基因引入煙草葉綠體中，得到了第一批「星光阿凡達」。

納博生物團隊在研究的前三年並沒有得到顯著的成果。段康解釋，螢火蟲的發光基因只有一個，且發光反應需要添加底物，而熒光素酶如果無法及時代謝，對植物會產生毒害作用，植物體會發育不良，而且使用這種方法的植物發光效果非常微弱。

於是，他們也把目光轉向了海洋生物。他說，很多海洋生物本身並不會發光，但在共生的環境中它們會利用發光細菌的光為自己服務。

於是，他們把海洋細菌的發光基因用基因槍打入到煙草植物的葉綠體基因組中。相較於螢火蟲的發光基因，海洋發光細菌的發光基因系統更完整，發光反應對植物的毒害作用小，並且發光效果很顯著。

目前，這些發光植物就在一間暗室的組培瓶里，肉眼剛接觸時，需要適應3～5分鐘，才能看清它們發出的星星一樣的光亮。

段康表示，之所以選擇煙草作為第一批實驗對象，是因為煙草是一種很好的模式植物，它們的繁殖周期只有短短3個月。

但他們的目標並不是改造煙草植物，而是那些本身就具有觀賞性的植物。據段康介紹，研究團隊已經完成了對4種多肉植物的葉綠體基因組測序，正在重組它們的葉綠體基因組，這項成果很快將移植到多肉植物身上。

「目前，植物的發光強度還比較弱，通過換代升級，將真正提升植物的觀賞價值，提高雲南花卉產業的產值。」

發光對植物生長的影響

或許，發光植物的成功實踐，意味著該領域將會具有巨大的市場開發潛力。不過，在該技術誕生之初，科學家也產生了擔憂。因為這項技術的風險目前還無法評估，擁有了發光基因的植物會出現其他方面的生物變異嗎？

段康解釋，目前科學家還未發現發光基因的導入，會引起植物其他的生物性狀、功能發生變化。不過，他也坦言，由於這項技術發展時間還很短，植物長期發光究竟會對自身生長產生怎樣的影響並不明確。畢竟人為干預下的植物發光，與其他的生物通過自然選擇而發光並不是一回事。

一項最新的研究顯示，蒙特利海灣研究所（MBARI）的研究人員在蒙特利灣4千米以上的水域中發現，3/4的動物都能自己產生光。會發光的海洋生物不僅僅局限於少部分深海魚類，還包括了水母、蠕蟲、魷魚以及各種各樣的動物。

與此同時，絕大多數的生物主動發光都是有用途的。比如很多海洋動物發光不是為了照明，而是為了捕食，吸引其他動物；臍菇、蜜環菌發出的微弱熒光可能是為了吸引昆蟲前來幫助它們擴散孢子；螢火蟲求偶時，雌雄之間會發出特異的閃光信號以吸引異性並交尾。

生物的生存策略有一個最基本的共同點，那就是在維持生命的正常活動中最大限度地去節省能量。因此，它們不需要發出特別明亮的光芒，有的甚至微弱到人眼無法識別而只能通過儀器檢測到。而且，大部分動物也不需要一直發光，這樣不僅消耗能量，還會招來捕食者。

比如，當城市的亮光干擾了螢火蟲的交流，當螢火蟲感知到外界燈光時，就會停止發光、飛行、求偶。

「也許，在進化的歷史上，也曾經出現過主動發光的植物，可能因為太消耗能量，或者是容易招致天敵，以至於攜帶這一基因的植物並沒有競爭力，因此被淘汰。」

段康表示，第一代的發光植物，只是為了「取悅」人類，發光強度是持續的，不會衰減。也就是說，它們對周圍環境並沒有自適應的過程，無法合理利用能量，即使在白天，它們也依然發著光。

這是否意味著發光植物比普通植物更容易耗光能量，縮短生命周期？這仍是個未知數。

來源：中國科學報/胡珉琦

生物易構|更人性的生物化學試劑耗材採購平台

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！