近日，上海市农业科学院生物技术研究所农业合成生物学研究中心科研团队利用合成生物学技术，在烟草植物中重构了来自真菌的自发光系统。

科研人员首先组装了由植物和真菌中普遍存在的基础代谢物——咖啡酸合成荧光素的3个基因及荧光素酶基因；然后为促进植物体内咖啡酸的合成，添加了促成酪氨酸和苯丙氨酸合成咖啡酸的关键酶基因——酪氨酸解氨酶基因和对香豆酸羟化酶基因；最后，为强化咖啡酸的循环利用，给植物补充了咖啡酰丙酮酸水解酶基因。在将上述所有7个基因进行密码子和结构优化并构建成独立的组成型表达单元后，科研人员再将这些表达单元组装在同一植物表达载体中，通过农杆菌介导转化烟草，成功创制出新一代高强度的自发光植物。

由于这一发光系统的底物是咖啡酸，其在植物中普遍存在，能源来源于植物自身代谢产生的活性分子，因此，该植物发光系统不需要外源提供底物和能量，在黑暗环境中，植物仍清晰可见，并且能持续发光。

据研究团队负责人姚泉洪介绍，在自然界中，植物发光现象极为稀少。目前，已知会发光的植物包括中国的灯笼树、非洲的夜光树、非洲某些地区的芦荟、甲藻和路灯草等。这些植物会发光，主要是因为它们体内含有能够释放磷化氢气体的物质，磷化氢在空气中可以自燃并发出淡蓝色的光；但以上自发光植物发出的光十分微弱，其发光机制也与此次上海市农科院的研究不同。

生物发光现象普遍存在于真菌、细菌和昆虫等生物中。科研人员以往曾对细菌和昆虫的发光系统进行过深入研究，发现细菌发光系统强度弱，而昆虫荧光素酶需要在荧光素存在的条件下才能产生光子，由于植物体内缺乏荧光素，因而转化昆虫荧光素酶基因的植物也不能自发光。真菌的生物发光途径在自然界具有一些显著的优点：如其原料咖啡酸稳定性高且对动植物细胞的毒性低等；此外，咖啡酸还是植物合成木质素的关键中间体，它广泛存在于各种植物中且合成途径多样。因此，利用真菌发光系统培育发光植物具有得天独厚的优势。

早在20世纪80年代，科学家们就将萤火虫的荧光素酶导入植物细胞或植株中，通过培养基或浇灌等方式添加底物荧光素和能量物质三磷酸腺苷，使植物组织发出萤火虫般的光芒。但这种方法需要外源提供底物和能量，且发光微弱、持续时间短，肉眼难以观测。之后，科学家们又尝试将水母荧光蛋白或改良后的荧光蛋白转入植物组织中表达，发现这类植物在紫外光或蓝光的激发下能发出短暂的荧光，但同样需要用仪器检测才能证实。直到2020年，美国和俄罗斯的科学家分别利用发光真菌中的真菌生物发光途径，成功建立了在植物中可以起作用的生物发光系统，实现了肉眼可见的植物自发光的突破。目前，由美国Light Bio公司开发的发光矮牵牛已率先商业化，其中包含了4个来源于真菌的基因。浙江大学的研究团队也开展过相关研究并创制出发光植物。另外也有报道提到，合肥神笔生物科技有限公司也开发出了能自发光的“红花烟草”。

上海市农科院研究团队此次重构的发光系统应用十分广阔，理论上可广泛应用于家庭绿植、花卉、草坪和行道树等多种植物的遗传改造。团队目前正在通过对整个发光系统的长DNA重排和体外定向分子进化，筛选发光性能显著强化的加强版真菌发光系统，并设计通过组织器官特异表达或诱导表达等策略进一步优化发光系统。同时，团队也在着手将发光系统拓展到绿萝、黑麦草、油菜、番茄、向日葵、玫瑰等植物材料中。

基于采用该方法培育的植物具有高度的观赏价值，研究人员渴望未来借其重塑城市夜间景观，让人们在夜间能够体验来自植物的梦幻般发光景象。