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資料提供:影像顯示科技知識平台 (DTKP, Display Technology
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整理:林晃巖教授、卓真禾 —
植物隨著生長而發光
經過基因改造的植物可以展現明亮的綠色,提供其健康和發育狀況的視覺信號(T. Mitiouchkina等人,Nat. Biotechnol. https://doi.org/10.1038/ s41587-020-0500-9;2020)。將來一旦對其進行優化,該功能可能帶來新的成像機會,以便針對植物的生長進行監視和篩選。
生物發光是動物界中的一種普遍現象,螢火蟲和某些種類的水母、魚類和章魚都是常見的例子。透過使用生物發光基因和基因改造,此項功能也已成功地引入到植物中,但是發光強度通常太弱,以致於無法用於應用。
現今,來自俄羅斯、英國和奧地利的科學家團隊已經成功製造基因改造的植物,其出光能力比以前的嘗試高出許多倍。實際上,他們研究的煙草植物發出的綠光可以用肉眼看到,並且達到每分鐘1010個光子,可以使用消費型數位相機而不是使用昂貴的發光成像設備對其進行成像。
研究人員在《自然生物技術》期刊中發表評論:「我們已經確定了使用真菌生物發光基因來生產發光植物的可行性,且發光植物的亮度至少比以前使用細菌生物發光系統的亮度多一個數量級。」「透過能夠自主發光,可以監測植物的動態過程,包括發育和發病機理,對環境條件的反應以及化學處理的效果。」
重要的是,真菌生物發光是由咖啡酸觸發的,與苯丙烷循環途徑相關的植物代謝循環,可產生與植物健康生長相關的豐富代謝產物,如黃酮、香豆素和木質素。研究人員的實驗表明,確實在植物中某些與生長活動的部位亮度最亮,特別是花朵、種子發芽過程中的根、子葉尖端、受傷部位以及幼芽的芽之中(圖一)。
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圖一、生長中的生物發光植物。 |
咖啡酸是苯丙烷循環途徑中的中間物質,可在維管束植物中產生木質素和其他代謝產物。我們認為將真菌咖啡酸循環整合到植物代謝中可能是可行的。此外,咖啡酸循環產生的綠光與有色植物組織的透光窗非常吻合(圖二a)
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儘管咖啡酸不是動物原有的,但也可以透過包含酪氨酸生物合成所需的兩種其他酶在動物體內實現自主發光-酪氨酸氨裂合酶和香豆酸3-羥化酶或同功能的酶(圖二b)
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圖二、真菌生物發光系統。(a) 真菌生物發光光譜(螢光真菌,綠色部分)覆蓋在植物葉片的吸收光譜上(菸草,深灰色部分)(b) 咖啡酸循環與某些主要的植物生物合成路徑共享代謝產物。用蘑菇和小葉苗符號分別代表酶的真菌或酶的植物來源。4CL,4-香豆酸酯-CoA連接酶、C3H,對香豆酸3-羥化酶、C4H,肉桂酸4-羥化酶、CCOMT, 咖啡酰輔酶A O-甲基轉移酶、CHI,查爾酮異構酶、CHS,查爾酮合酶、CPH,假定存在的咖啡酰丙酮酸水解酶、H3H,乙烯基吡喃酮3-羥化酶、HispS,乙烯基吡喃酮合酶、Luz,螢光素酶、PAL,苯丙氨酸氨裂合酶。葉子吸收光譜的實驗結果是由三片葉子的表現。發光光譜是根據參考文獻三中發布的數據而繪製的。 |
研究人員指出:「在可見側生根萌芽跡象之前數小時,根在分支點處會明亮地發光,」「幼芽在頂芽和腋芽以及莖的上部最亮;隨著植物成熟,芽的老舊部分會變暗。」
此研究是由27位科學家組成的團隊進行,其中大多數隸屬於莫斯科Shemyakin-Ovchinnikov生物有機化學研究所和Planta。Planta成立於2017年,是一家總部位於莫斯科的新創企業,目標為將新型生物發光技術商業化。
參考資料: |
[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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