自然界生物進化的必然之路——植物自主發光

假如你有機會乘坐潛水器下潛到伸手不見五指的深海中，就可以看到一些發光的水母。隨著下潛深度的增加，你將會看到更多各種各樣形狀怪異發光的魚類，蝦類，微生物浮游類等一系列發光生物。

全球一共有70多種，會發光的真菌類蘑菇， 如果你有機會看到這些發光的蘑菇，一定會覺得很驚訝。 目前自然界中一共有2000多個螢火蟲的品種，存在於我國的品種就有150多個。

我生活的城市以前螢火蟲數量是很多的，晚上我們幾個小夥伴會去陽江市第六中學附近的船廠抓一些來玩，十幾年過去了現在看不到它們的蹤影了。

小時候爸爸帶著我和我的孿生姐姐去雲南的一個山區遊玩， 到了晚上整個山谷都是一閃一閃發光的螢火蟲，許多螢火蟲圍繞著我們盤旋，彷彿身處仙境般一樣。

自然界的動物類和真菌類有一些會發光，並不存在自身會發光的植物，那麼電影《阿凡達》中的發光植物現實中有可能會出現嗎？今天為大家科普一下——

中國第一株自主發光的植物

以及

如何透過基因編輯讓植物自身發光。

載體轉化

在顯微鏡下觀看植物的細胞，能清楚看到紫色的細胞核被綠色的葉綠體包圍著，一個植物細胞通常只有一個細胞核，而葉綠體這種微小的組織則有上百個。當植物細胞核透過基因轉化技術注入了在螢火蟲身上提取到的熒光素酶基因和熒光蛋白基因之後，植物便有了愈傷組織，也就是長出了植株。

雖然熒光素酶基因和熒光蛋白基因這兩個外源基因在植物細胞中能夠產生了發光現象，但是散發出來的光度是極其微弱的，這種光度只能透過靈敏度較強的檢測儀器才能檢測到這兩個微小外源基因所散發出的光。

造成植物不能發出強烈光的根本原因就是:

植物中含有的熒光素酶基因和熒光蛋白基因數量太少了，這兩個外源基因所發出的光自然也會跟著減少。

要想讓植物細胞存在大量的熒光素酶基因和螢光蛋白基因，就只能在細胞的葉綠體基因中注入大量的熒光素酶基因和熒光蛋白基因，讓它們完全發揮作用並且有顯著的發光效果，這種注入基因的技術「葉綠體基因轉化」。

圖解：植物細胞結構示意圖

葉綠體基因轉化

對植物採用「

葉綠體基因轉化

」的主要目的就是能夠實現每一個葉綠體基因中都含有熒光素酶基因和熒光蛋白基因，一個植物細胞中有上百個葉綠體，也就是一個植物細胞裡要含有上百個熒光素酶基因和上百個熒光蛋白基因。

「

葉綠體基因轉化

」技術的缺點就是，無論在操作上或者是轉化的層面上都是很難攻克的，從轉化到成功花費的時間也比較長。

透過「

葉綠體基因轉化

」將熒光素酶基因和熒光蛋白基因注入到植物細胞的葉綠體基因中，培育出來的植物就能夠讓植物發光了嗎？

顯然事情並沒有這麼簡單。

螢火蟲的發光元件包括有熒光素酶和熒光蛋白，發光的底物是熒光素。螢火蟲發光的原理是發光底物熒光素要在空氣和熒光素酶的共同催化作用下才會產生髮光反應，然後釋放出光。

圖解：螢火蟲發光原理圖

舉例說明：

小時候把螢火蟲裝在瓶子裡，關上燈就能看到它們集體發光的美景，過了一段時間之後螢火蟲發光的亮度就會有明顯下降的趨勢，甚至有一些已經駕鶴西去了，或者有一些已經奄奄一息幾乎也要駕鶴西去了。

這是因為把螢火蟲裝在瓶子裡阻斷了熒光素酶基因中的熒光素與氧氣相互之間的催化作用，導致熒光素沒有發揮作用，因此就不能散放出光。

從上面的例子可以認識到雖然植物細胞中的葉綠體基因已經含有了熒光素酶基因，但是作為發光底物的熒光素基因只有一小部分被葉綠體基因吸收了，葉綠體透過自然吸收得到能夠發生發光反應的熒光素基因並不多，與氧氣產生催化作用的熒光素基因少了，植物發光的亮度自然就不會強。

即使注入大量的熒光素基因還是不能夠讓植物發出強光的，因為採用「

葉綠體基因轉化

」注入的基因能夠被葉綠體所吸收的數量實在是太少了，要讓植物散發出強光，就要有更優越的發光基因。

高強度的基因轉化

海洋中那些發光的微生物組成的發光系統，從宏觀的層面上看，微生物的發光基因系統集合在一起，它們的發光基因系統共同營造出照亮一大片海域的美景。從微觀的層面來看，每一個發光的亮點代表的是微生物身體之中的每一個細胞都在發光，微生物細胞中的熒光素酶基因和底物熒光素基因發光的機制是不需要藉助外界的任何催化，自給自足，透過自身就能夠自主發光，只要這些微生物的狀況越佳，發光的亮度就越明顯。

既然微生物可以自主發光，那麼透過轉化它們的基因是否可實現植物發光？

完全是可以的。

把在微生物細胞中提取到的熒光素酶基因和熒光素基因注入到大腸桿菌中，經過一段時間的培養，熒光素酶基因和熒光素基因能夠在大腸桿菌中發揮出應有的作用，大腸桿菌像螢火蟲那樣

有了明顯的發光效果

。

圖解：發光的大腸桿菌

在不破壞葉綠體基因中的任何一個鹼基的情況下，對葉綠體進行向高強度植物轉化，也就是用基因槍對葉綠體基因進行物理轟擊，將培養好的發光大腸桿菌注入到葉綠體基因組中相應的位置上，經過100天的時間葉綠體基因就有了明顯的愈傷組織，也就是在傷口表面新生的組織——植株。

雖然物理轟擊後的葉綠體基因長出了植株，但是並非每一個植株都會發光的，有些植株發出的光度很強，有些植株發出的光度很弱，有些植株根本就不會發光，甚至有些植株發光之後就不再發光了。

總結一系列問題之後，解決問題的突破口在於：

只要檢測出葉綠體基因中哪一些基因發光的含量較高，哪一些基因發光的含量較低，篩選出發光含量較低的基因，保留那些發光的含量較高的基因並注入到植物之中。

解決於以上的問題之後，我國於2017年培育出一株可持續發光，光亮度不會衰減的植物——「中國第一株自主發光植物」，這個科研成果用了5年的時間來完成，這株我國第一代的夜光植物不僅是我國每一次成功培育出真正的夜光植物，同時也填補了我國在相關技術以及科研方面的空白之處。

圖解：中國第一株自主發光植物——本氏菸草

科學大爆發

科學除了要有勇於創新的想法，還要有永不放棄的毅力。過去透過生物工程培育出的“發光”植物，並不是真正會自主“發光”的植物，例如：

①在藍紫光的照射下佩戴特定眼鏡看到的熒光植物、

②注入了熒光素底物短暫發光並且發出的夜光肉眼不可見的植物、

③表面噴灑熒光粉實現短暫散發夜光的植物、

以上3種情況算不上是真正的夜光植物，真正的夜光植物是不需要藉助外界的任何因素來達到發光效果的。

發光基因注入難嗎？

獲取一個微生物的發光基因難度是非常大的，不能在操作上有一丟丟過失，否則就無法保證基因的完整性。注入一個發光基因到葉綠體基因中，更是難上加難。通常一個植物的細胞只有一套核基因組，但是一個植物細胞中卻含有上百個葉綠體，並且每個葉綠體裡有上百套葉綠體基因組複製，正所謂“小結構，大組織”。複雜的配對讓每個植物細胞中存在著近萬個葉綠體基因組複製，所以將提取到的發光基因注入到指定的葉綠體基因組位置上，是一件非常困難的事情。

中國第一株自主發光植物後續

中國第一株發光植物，也就是中國和第一代發光植物，這株植物的載體是本氏菸草，採用菸草來作為載體主要有兩個原因：

特點一：培育週期短

只要供給它些少的水份、陽光、和氧氣就會在短時間內快速成長。

特點二：發光效果顯著

只要供給它適宜的溫度發光基因就會有顯著的發光效果。

這株菸草植物在日常的光照下與普通的植物沒什麼分別，當關上燈時它在黑暗的暗室中就會發出暗淡的微光，隨著關燈的時間越久，菸草發光的光度就會越明亮。

雖然這株第一代的發光植物是分不清白晝與黑夜，每時每刻都在散發著光，只要它身處黑暗之中我們就能夠看到它發光時的面貌，然而這株發光植物是我國第一次培育發光植物成功的案例，同時也體現出我國在相關領域等一些技術層面上的不足之處。

對於讓植物能分清白晝和夜晚，只在黑暗時才發光，處於有光照時則不發光並將能量儲存起來，待面對黑暗時則散發出強烈的光，目前的發光植物並不能發揮出這樣的特性，科研人員正在努力讓植物做到這點，讓我們拭目以待科研人員的研究結果。

·總結——自然界生物進化的必然之路

發光植物的問世，有反對的聲音，也有支援的聲音。

發光植物是科學的創新，代表的是科學的進步，透過基因編輯培育出來的發光植物無論對人或是環境都是無害的，發光植物賦予了傳統觀賞植物的新定義——發光的植物。

那些反對夜光植物的人總是說：“

培育出自主發光的植物，這是違反了自然界的進化論，既然大自然選擇了不進化出自主發光的植物，我們何必非要創造出自主發光的植物。”

我本人不是這麼認為的，我反而是支援創造自主發光植物的，因為在自然界的生物自主發光是一個十分常見的現象，種類也是五花八門，比如：

甲殼類·赫氏海螢、魚類·琵琶魚、多足類·發光蜈蚣、昆蟲類·螢火蟲、外肛動物類·棘膜苔蟲、原生動物類·腰鞭水蟲、環節動物類·發光蚯蚓、軟體動物類·發光蝸牛、紐形動物類·燐紐蟲、原索動物類· 紐鰓樽、節肢動物類·蕈蚊、腔腸動物類·仙遊水母、脊索動物類·守宮、真菌類·熒光臍菇、

全球會自主發光的生物一共有700多種，當中有動物、微生物和真菌，唯獨沒有植物，會自主發光的植物佔有的種數為0。自然界中並不存在會自主發光的植物，事實上目前我們所看到的發光植物，例如：“夜皇后花”、“燈籠樹”、“水晶蘭”、“蠟燭樹”等等。其實它們並不是真正自主發光的，它們之所以會發光是因為植物當中含有的磷質會釋放出磷化氫，這種氣體在空氣中的燃點一般在38℃左右，這是植物產生的一種自燃現象，會散發出淡藍色的光，因此看起來就好像植物本身在發光一樣，並非是植物自主發出的光。

圖解：冥界之花——水晶蘭

生物發光的意義

螢火蟲之所以發光，是因為它們在求偶時為了吸引異性。熒光臍菇之所以發光，是為了吸引昆蟲來傳播孢子繁衍後代。仙遊水母之所以發光，是為了把獵物吸引過來。

對於生物而言，發光都是具有一定吸引力的，在自然界中很多生物都在向著發光的方向進化，並且有些生物具有一定的趨光性，例如活細胞體內的大分子，在一些自然的條件下是會散發出光的。在這個多樣性的生物大爆發年代，每一個細胞基因都有它存在的意義，存在即合理，因此動物的發光基因能夠和植物的葉綠體基因互相溶合，會成為自然界生物進化的必然之路。

珍惜

現在的地球在光汙染和水汙染的影響下，小時候常見的螢火蟲漸漸淡出了我們的視野，它們存在的數量已不多了，為了我們的下一代能親眼目睹螢火蟲散發出的綠光，假如那一天你在路上看到螢火蟲，請好好地善待它——眼見手不動。