夜晚，家里的盆栽可以當臺燈；道路兩旁的樹木，變路燈；公園的花海，變星?！?/p>
這些聽上去像科幻電影的場景，正被浙江大學農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學院的都浩研究員團隊一步步變?yōu)楝F(xiàn)實。
會發(fā)光的植物。浙江大學供圖如果植物能發(fā)光
燈一關(guān)，都浩團隊的實驗室墜入了夢幻般的靜謐，這里的植物悄無聲息地“醒”來，將自己一寸一寸點亮。見到眼前發(fā)光的植物，你揉揉眼睛，驚嘆之余，不由得想到電影《阿凡達》潘多拉星球里的熒光森林，那里的枝條垂下星輝，隨風如螢火般在漫舞夜空。
植物會發(fā)光，這不是幻覺，不是視覺特效，而是真實的科學美。都浩團隊在植物中精心設(shè)計生物“電路”，未來，它們可能是你床邊的一盆“小夜燈”，也可能是城市夜空里的一片景觀草坪，更可能是路邊的景觀燈。
這是自然與科學，在光的維度上，完成了一次浪漫的握手。握手的故事開始于一個很奇妙的思考——如果植物能發(fā)光？“地球的生態(tài)系統(tǒng)由動物、植物、微生物構(gòu)成。我們見過發(fā)光的動物、發(fā)光的微生物，那為什么植物不能發(fā)光？”都浩團隊在好奇心的驅(qū)動下，開始了對植物發(fā)光的探索。
團隊工作照。浙江大學供圖發(fā)光原材料是幾乎所有植物都天然含有的咖啡酸
在都浩團隊的研究之前，人類已經(jīng)對植物自發(fā)光技術(shù)進行了多種嘗試：導入螢火蟲熒光素酶基因，需要持續(xù)添加昂貴的外源底物，而且發(fā)光微弱；運用細菌發(fā)光系統(tǒng)，但是物種適用性窄、影響植物生長。
“我們的植物發(fā)光技術(shù)就是來源于‘小雞燉蘑菇’的那個‘蘑菇’?！?/span>都浩團隊發(fā)現(xiàn)，發(fā)光蘑菇的發(fā)光方法可以被運用到植物中，甚至可以與植物代謝無縫銜接。其核心是四個關(guān)鍵酶基因構(gòu)成的封閉循環(huán)系統(tǒng)，而讓植物發(fā)光的原材料是幾乎所有植物都天然含有的咖啡酸。團隊通過密碼子優(yōu)化和農(nóng)桿菌介導轉(zhuǎn)化技術(shù)，將四個真菌基因植入植物基因組，使咖啡酸經(jīng)多步酶催化氧化釋放綠光，最終產(chǎn)物再生為咖啡酸，實現(xiàn)自給自足地持續(xù)發(fā)光。這一發(fā)光技術(shù)，不僅不影響植物正常生長，而且綠色、清潔、可持續(xù)。
“發(fā)光了，但亮度不夠?！泵鎸@樣的狀況，團隊創(chuàng)新性提出“開源節(jié)流”的雙輪策略：通過引入來源關(guān)鍵基因，構(gòu)建全新合成支路，將植物體內(nèi)豐富的酪氨酸直接轉(zhuǎn)化為咖啡酸，讓發(fā)光底物產(chǎn)量翻倍；通過挖掘大量轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，利用人工智能的機器學習篩選并抑制多個咖啡酸分流基因，減少其向木質(zhì)素、類黃酮的消耗，讓更多底物流向發(fā)光通路。
會發(fā)光的西紅柿。浙江大學供圖
“我們要緊跟人工智能時代的潮流，要做更前沿更富想象力的研究?！?/span>都浩介紹道，人工創(chuàng)造新蛋白質(zhì)的時間成本高昂，短則五年長則十年。人工智能的加入，可以大大縮短設(shè)計、優(yōu)化新蛋白質(zhì)的時間。經(jīng)過優(yōu)化，第二代發(fā)光植物的發(fā)光強度可達1.2×1012光子/(min·cm2)，較最初版本提升20余倍，離體葉片仍能持續(xù)發(fā)光三天，真正實現(xiàn)肉眼可見、穩(wěn)定實用的突破，為植物發(fā)光技術(shù)在現(xiàn)實中更廣泛地應用奠定了堅實基礎(chǔ)。
從景觀走向能源
植物發(fā)光技術(shù)的落地實踐，有著廣闊的應用前景。
都浩介紹，發(fā)光植物可以不依靠電力輔助，實現(xiàn)太陽能、生物能、光能三者的轉(zhuǎn)化，通過消耗白天光合作用儲能的0.3％，創(chuàng)制低亮度照明，以替代路燈等人工照明。同時其獨特絢麗的光色與植物體的自然美感，還可應用于道路美化、主題公園建設(shè)等領(lǐng)域，推動文旅產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。
更進一步，都浩團隊希望這一技術(shù)可以使植物從景觀走向能源。“我們國家是制造業(yè)大國，對經(jīng)濟、生態(tài)、能源高質(zhì)量發(fā)展有極高要求。我們期望以發(fā)光植物作為生物能源補充：夜間可替代傳統(tǒng)照明設(shè)施，降低能源消耗；白日則依托光合作用固定大氣中的二氧化碳，并將其轉(zhuǎn)化為高價值生物質(zhì)資源，最終實現(xiàn)經(jīng)濟與生態(tài)的協(xié)同發(fā)展?！?/span>
此外，發(fā)光植物的發(fā)光原理還可以運用在疾病示蹤中，成為基礎(chǔ)醫(yī)學研究的工具，更好助力人類健康事業(yè)的發(fā)展。
