电力之外的五彩夜晚
电，为人们带来了极大的便利，为我们在黑夜中带来光明与色彩，但你是否幻想过一个在夜晚中各种植物发出不同颜色光芒的色彩斑斓的梦幻世界？在这样的世界中畅游又会是一种怎么样的感受？
可以发光的蘑菇
在很多古老的传说中，人们在森林中或一些阴暗潮湿的地方看见树木上幽暗的光芒，人们曾将这些幽暗的光芒称作狐火。其实这一神秘的现象是由一种微生物-蜜环菌所引起的。
蜜环菌是蘑菇的一种，属于兼性寄生真菌。我们所认识的微生物是一些形态肉眼不可见的生物，但实际上蘑菇也是微生物的一种。大量形态微小的蜜环菌集中生长会使一部分蜜环菌发生形态的和功能的分化，在生长期有基内菌丝、气生菌丝之分，基内菌丝伸入到土壤或半腐烂版的植物中，吸取营养。气生菌丝与霉菌的菌丝相似，毛绒绒的。到生长后期，还会分化出另一类细胞，长成蘑菇的繁殖器官，叫子实体，最终形成我们肉眼可见的蘑菇。而在漆黑的夜晚中在树桩上大量生长的蜜环菌菌丝所发出淡蓝色的荧光就是狐火的真相。
微生物发出荧光并不是个例，在澳大利亚的草原上也生长着一种叫星菊菌的发光蘑菇，当它的孢子随着气流漂泊时，闪着荧光的孢子就像一条变化莫测的彩带照亮着周围大片的地区。
会发光的蘑菇 （图片来自网络）
其他可以发光的生物
既然发光的生物在夜里能展现别样魅力，怎么样能让这种魅力更加的闪亮，丰富并且被更多的生物拥有，一直是具有科学素养的“发光生物”铁粉的基本追求。
发光生物的铁粉中有两个著名的科学家，第一个是荧光蛋白的“知音”下村修，作为一个科学家，看到这些能发荧光的“暗夜精灵”时不仅仅是欣赏它们，他还从那些水母中分离纯化出了荧光制造者——荧光蛋白。
另外一个是著名的华裔科学家钱永健先生，他对编码荧光蛋白的基因做了一系列改造，使得最终产生的荧光蛋白所产荧光的颜色更加多样，颜色更持久更强烈，他的工作为其它的科学家在为其它生物着色满足自己的想象时有了更大的空间。比如在小鼠胚胎期时进行基因工程操作，将编码绿色荧光蛋白的基因插入小鼠基因中，基因表达成功后的小鼠在激发光的刺激下能量释放而发出对应的荧光，以便用于科学观察，因此绿色荧光蛋白现在被广泛运用为荧光标记分子等等。鉴于荧光蛋白在生命医学领域的应用非常广泛，2008年的诺贝尔生理学奖颁给了发现和研究绿色荧光蛋白的科学家。
不同颜色的荧光蛋白和荧光小鼠（图片来源：《基因Ⅺ》）
五彩夜晚的基石——发光物质的选择
既然生物可以发光，在夜晚的林间漫步不免会想，如果身旁这些漆黑的大树能放出斑斓的色彩照亮我们前行的路，该有多么美好。生物工程师们为了实现这一愿望首先对不同生物发光的原理进行了探索。
生物发光的原理大概可以分为以下两类：一种是利用化学物质的特性发出荧光，如萤火虫中的荧光素在相应的荧光素酶的催化下能发出黄色、橙色有时候甚至是红色的光。另一种是利用激发光诱导发光物质产生荧光，如各种颜色荧光蛋白在激发光的刺激下荧光蛋白产生荧光。显然，要在深夜中通过激发光的策略有着更多的阻碍，因此使用荧光素作为发光物质成为了科学家们一个值得考虑的选择。
五彩夜晚的探索——转基因植物的荧光
虽然使用荧光素发光要比使用激发光诱导化合物发光更具有优势，但是荧光素分子多种多样比如广泛存在于海洋发光生物中的腔肠素，发光细菌中的细菌荧光素，萤火虫的D-荧光素等等，选择什么荧光素和如何使植物获得发光的能力成了新的难题。
微生物一直是科学家的良师益友，生物工程师在发着幽幽荧光的蘑菇中找到了一个宝藏——真菌荧光素。真菌荧光素合成自一种名叫咖啡酸的物质，这种物质在一系列酶的催化氧化下可以形成荧光素并发出荧光。
（图片来源：Kotlobay AA et al.,2020）
对于复杂问题的解决，生物工程师们通常会循序渐进去实现最终的目标。为了验证重新建立荧光素合成途径可以使其他生物发出荧光的能力，生物工程师们请出了另一位微生物老师-毕赤酵母。
毕赤酵母在生物学分类上与发光蘑菇亲缘关系更近，在生物学上，亲缘关系的远近反映的是生物演化的过程物种之间的差异，一般认为亲缘关系相近的物种之间在生物特性上可能表现出互通性和一定的相似性。生物工程师们将咖啡酸生物合成途径中的四种关键酶基因和咖啡酸生物合成基因整合到一起后插入毕赤酵母基因组中使毕赤酵母获得了发光的能力。
更好的消息是植物中天然存在着咖啡酸循环的关键物质——咖啡酸。终于，功夫不负有心人，2020年的4月在国际期刊《自然生物技术》发表的一项最新成果中，由27位科学家参与，通过将真菌生物发光基因利用基因工程手段整合到植物核基因组中创造出了可以持续发光的植物，其中也包括我们常见的长春花、矮牵牛花和玫瑰。
能够终身发荧光得植物（图片来源：Mitiouchkina T et al.,2020）
五彩世界的未来
在我们改造微生物的同时，微生物也是我们的老师。如今，通过学习与研究，我们使植物发光，这是生物研究者在研究道路上所走出的一步，而远不是科研与学习的终点，我们所学到的永远只是知识海洋中的一瓢。
在夜晚中，我们不会只因为现在所获得的发光植物而满足，更多的发光物质、发光原理等着我们去发现，更多的颜色等着我们去添加。随着科学技术的发展，当有一天，伴随着更多颜色、更多种类的发光植物，迎来的定是一个五彩斑斓的夜晚。
参考文献：
1. 王贞虎. 有些植物为什么会发光[J]. 林业与生态, 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.
来源：中国科学院青岛生物能源与过程研究所
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