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— 资料提供:影像显示科技知识平台 (DTKP, Display Technology
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整理:林晃岩教授、卓真禾 —
植物随着生长而发光
经过基因改造的植物可以展现明亮的绿色,提供其健康和发育状况的视觉信号(T. Mitiouchkina等人,Nat. Biotechnol. https://doi.org/10.1038/ s41587-020-0500-9;2020)。将来一旦对其进行优化,该功能可能带来新的成像机会,以便针对植物的生长进行监视和筛选。
生物发光是动物界中的一种普遍现象,萤火虫和某些种类的水母、鱼类和章鱼都是常见的例子。透过使用生物发光基因和基因改造,此项功能也已成功地引入到植物中,但是发光强度通常太弱,以致于无法用于应用。
现今,来自俄罗斯、英国和奥地利的科学家团队已经成功制造基因改造的植物,其出光能力比以前的尝试高出许多倍。实际上,他们研究的烟草植物发出的绿光可以用肉眼看到,并且达到每分钟1010个光子,可以使用消费型数字相机而不是使用昂贵的发光成像设备对其进行成像。
研究人员在《自然生物技术》期刊中发表评论:「我们已经确定了使用真菌生物发光基因来生产发光植物的可行性,且发光植物的亮度至少比以前使用细菌生物发光系统的亮度多一个数量级。」「透过能够自主发光,可以监测植物的动态过程,包括发育和发病机理,对环境条件的反应以及化学处理的效果。」
重要的是,真菌生物发光是由咖啡酸触发的,与苯丙烷循环途径相关的植物代谢循环,可产生与植物健康生长相关的丰富代谢产物,如黄酮、香豆素和木质素。研究人员的实验表明,确实在植物中某些与生长活动的部位亮度最亮,特别是花朵、种子发芽过程中的根、子叶尖端、受伤部位以及幼芽的芽之中(图一)。
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图一、生长中的生物发光植物。 |
咖啡酸是苯丙烷循环途径中的中间物质,可在维管束植物中产生木质素和其它代谢产物。我们认为将真菌咖啡酸循环整合到植物代谢中可能是可行的。此外,咖啡酸循环产生的绿光与有色植物组织的透光窗非常吻合(图二a)
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尽管咖啡酸不是动物原有的,但也可以透过包含酪氨酸生物合成所需的两种其它酶在动物体内实现自主发光-酪氨酸氨裂合酶和香豆酸3-羟化酶或同功能的酶(图二b)
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图二、真菌生物发光系统。(a) 真菌生物发光光谱(荧光真菌,绿色部分)覆盖在植物叶片的吸收光谱上(烟草,深灰色部分)(b) 咖啡酸循环与某些主要的植物生物合成路径共享代谢产物。用蘑菇和小叶苗符号分别代表酶的真菌或酶的植物来源。4CL,4-香豆酸酯-CoA连接酶、C3H,对香豆酸3-羟化酶、C4H,肉桂酸4-羟化酶、CCOMT, 咖啡酰辅酶A O-甲基转移酶、CHI,查尔酮异构酶、CHS,查尔酮合酶、CPH,假定存在的咖啡酰丙酮酸水解酶、H3H,乙烯基吡喃酮3-羟化酶、HispS,乙烯基吡喃酮合酶、Luz,荧光素酶、PAL,苯丙氨酸氨裂合酶。叶子吸收光谱的实验结果是由三片叶子的表现。发光光谱是根据参考文献三中发布的数据而绘制的。 |
研究人员指出:「在可见侧生根萌芽迹象之前数小时,根在分支点处会明亮地发光,」「幼芽在顶芽和腋芽以及茎的上部最亮;随着植物成熟,芽的老旧部分会变暗。」
此研究是由27位科学家组成的团队进行,其中大多数隶属于莫斯科Shemyakin-Ovchinnikov生物有机化学研究所和Planta。Planta成立于2017年,是一家总部位于莫斯科的新创企业,目标为将新型生物发光技术商业化。
参考资料: |
[1] Oliver Graydon, “Plants glow as they grow,”
Nature Photonics volume
14, 407(2020)
https://www.nature.com/articles/s41566-020-0661-6
DOI:10.1038/ s41566-020-0661-6
[2] Tatiana Mitiouchkina, Alexander S. Mishin, Louisa Gonzalez Somermeyer, Nadezhda M. Markina, Tatiana V. Chepurnyh, Elena B. Guglya, Tatiana A. Karataeva, Kseniia A. Palkina, Ekaterina S. Shakhova, Liliia I. Fakhranurova, Sofia V. Chekova, Aleksandra S. Tsarkova, Yaroslav V. Golubev, Vadim V. Negrebetsky, Sergey A. Dolgushin, Pavel V. Shalaev, Dmitry Shlykov, Olesya A. Melnik, Victoria O. Shipunova, Sergey M. Deyev, Andrey I. Bubyrev, Alexander S. Pushin, Vladimir V. Choob, Sergey V. Dolgov, Fyodor A. Kondrashov, Ilia V. Yampolsky & Karen S. Sarkisyan, “Plants with genetically encoded autoluminescence,”
Nature Biotechnology 38,
944–946(2020)
https://www.nature.com/articles/s41587-020-0500-9
DOI: 10.1038/ s41587-020-0500-9
[3] Yan, Y. & Lin, Y. Biosynthesis of caffeic acid and caffeic
acid derivatives by recombinant
microorganisms. US patent
8809028B2 (2012)
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