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海洋里有发光的水母，森林里有发光的蘑菇，山坡上还有最常见的发光的萤火虫……  那么问题来了，为什么没有发光的植物呢？ 这个误入歧途学生物的90后，面对漫山遍野的萤火虫时，除了感叹在这样浪漫的情景下缺个女朋友外，更好奇地思考：能否把萤火虫的发光元件安装到植物上呢？  经过一番折腾，答案是：不行。 撸起袖子继续加油干！海滩上一大片的发光细菌又引起了他的注意。他尝试将细菌的发光基因导入到植物叶绿体基因中。  又经过一番“待产”的折腾，终于有一天，他在暗室里看到了一丝光亮！就这样第一代发光植物终于诞生了！  未来，发光植物可以用来干什么呢？是否有可能颠覆城市的照明系统？跟着段康一起开脑洞吧！ 创造一种发光植物 段康 自然界的发光生物 这是一个发光的水母，这个也是，很漂亮吧！但是它们的毒性也很强它们很早就被我们大家所发现。  现在在一些海洋馆里边也可以看到这些漂亮的发光水母。接下来这些生物来自于海洋的深海，各种形态独特的鱼，但是它们有一个共同的特点，就是它们都能够发光。  陆地上的呢？这些是发光的蘑菇，大概有七十种蘑菇是可以发光的，它们属于真菌类。  既能够在空中飞的，又能够发光的是什么？ 是萤火虫，目前自然界大概有两千种萤火虫，国内呢只有一百五十种。萤火虫对我们来说算是最熟悉的发光生物了。我们创造一种发光的植物的最初灵感也来源于萤火虫。  2 当萤火虫遇上植物会怎样？ 上世纪九十年代，我出生在美丽的湖北洪湖岸边。小时候，每到了夏天的夜晚，这些一闪一闪的萤火虫是最吸引小伙伴们的了。我们就在黑夜里面追着它跑，有时候经常会从那些田埂上掉到稻田里面或者水坑里面，把一些裤子啊衣服都弄脏了，所以也少不了父母的挨打。 但是当我们看到这些萤火虫在玻璃瓶里面一闪一闪的发着光，伴随着我们入睡，心里还是很高兴的。可惜的是到了第二天，当我们看到这些萤火虫全部都死了的时候，我就再也不敢捕捉萤火虫了。从小就非常好奇这些萤火虫为什么会发光？  十几年后到了一个情窦初开的年龄，有一次我去云南，游玩到了一个山区，一到夜晚整个山谷都是漫山遍野的萤火虫，太美了。 此情此景在我脑海里的第一个念头就是可惜缺一个女朋友啊，不过在意识到女朋友这个问题比较难解决之后，我又在想可不可以把萤火虫的发光元件安装到植物上面去，让植物也可以发光呢？ 3 第一次失败 到了大学，我鬼使神差的学了生物。知道了萤火虫是怎么发光的，但是却不知道这个发光的背后有什么样的基因，也不知道怎么安装到植物上面去。 2012年，我有幸到中国科学院昆明动物研究所遗传资源与进化国家重点实验室学习，也知道了这背后的基因，也学到了一些基因编辑的技术，最重要的是结识了一群志同道合的小伙伴。天时、地利、人和创造一种发光的植物。 我们从2013年开始，我们收集了很多很多很多萤火虫的荧光素酶基因和荧光蛋白基因。我们利用传统的基因转化技术，把这些基因导入到不同的植物细胞核里面去。大家看，这是一个植物细胞，紫色的是细胞核，绿色的是叶绿体。  一般来说，一个植物细胞里面只有一个细胞核，叶绿体有几十到上百个。我们把这些荧光素酶基因导入到不同的植物的细胞核里面去，我们获得了很多阳性的愈伤组织，也是很多阳性的植株，这是我们团队一二十个人两年的奋斗结果。 我们很开心地以为成功在即了，但是我们发现发光太微弱了，你甚至只能用仪器在细胞水平检测到发光，团队很气馁，瞬间从一二十个人到了几个人。 我们发现其根本原因就是发光基因在植物中的表达量实在是太低太低了，没有任何的商业价值，我们的第一次研发尝试也以失败告终。但是我们几个人得继续往前走啊，我们又开始想着怎么解决这个表达量的问题。 4 如果每一个叶绿体DNA上都有发光基因 为了解决这个表达量的问题，我们关注到一种技术，叫叶绿体转化技术。这个技术有很多优点，最重要的就是能够使植物的外源基因大量表达，解决我们最关键的问题。 那么它怎么能够使我的外源基因大量表达呢？上面也提到过了，一个植物细胞里面有几十到上百个叶绿体，假如每一个叶绿体DNA上面都有我的发光基因，那么这个发光的表达就能显著提高，让这个植物发出肉眼可见的光便有可能了。 有了解决思路，所以我们团队攻克了一个又一个的技术难题，我们从无到有建立了这个叶绿体转化技术，到我们把荧光素酶基因转入到这个植物的叶绿体中，我们发现这个发光还是很微弱。所以大家看一下，这是萤火虫的发光原理图。 在萤火虫的发光元件里面，有荧光素和荧光素酶，荧光素在荧光素酶和氧气的催化作用下，发生发光反应释放出光，所以我们小时候啊，捕捉那些萤火虫放到玻璃瓶里面去，这些发光会越来越微弱到第二天它们就会死去，是因为它们缺少了氧气。 现在虽然我们把这些荧光素酶基因转入到了植物细胞的叶绿体里面去，但是形成发光反应的底物荧光素，它的基因是不清楚的。我们只能外加底物，让这个植物去吸收。 大家想一下，这种发光的反应效率必然是很低的，所以基于前期的工作，我们团队的几个人就进入了深入的讨论。我们讨论的结果就是要让这个植物发出肉眼可见的光，我们还需要找到更好的发光基因，所以我们就重新前行。 5 照亮整个海滩的发光细菌 我们经过大量的文献调研和不知道多少次的讨论，海洋发光细菌的发光基因系统引起了我们的强烈兴趣。从表观来说发光细菌如此小的一个个体，但是它们却可以照亮整个海滩，那我的植物细胞里面的每一个叶绿体，可不可以跟这些发光细菌一样，一起发出的光也可以看起来如此的灿烂。 从基因层面来说，这个发光基因系统被研究的很清楚，它的酶和底物通路基本清楚，不需要外界的任何帮助，完全属于自产，自给自足，只要这个植物生长的越好，那么它发光就会越亮。 所以我们打起精神，我们首先把这个发光基因转入到大肠杆菌里面去，然后我们经过细心的照料。当我们看到这个大肠杆菌的发光效果如此之好之后，我们心里有了底气。 然后我们开始进行高强度的植物转化，我们把这些发光基因系统，利用基因枪的物理轰击，在不破坏叶绿体基因组任何一个碱基的前提下，定点导入到我们设计好的叶绿体基因组的物理位置上。 几个月的艰苦工作，我们成功获得了第一个阳性的愈伤组织。在为阶段性的成果欣喜之余，我们很快发现这个阳性的愈伤组织，发光亮度还是不够强。甚至很多原本是阳性的愈伤组织，在经过组织培养之后，反而丢失了发光基因的现象。 那段时间我们是很紧张的，就好像你怀着孕，还有两个月待产，医生突然告诉你说，孩子的心电图很微弱一样，你会特别担心。 所以针对这个工作，我们又开始进行全新的调研，最后为了解决这个问题，我们开发了能够快速准确检测发光基因在叶绿体基因组中含量的技术，含量高的我们就继续培养，有点像我们现在的产前诊断。 通过产前诊断出的愈伤组织能不能够发光，我们心里还是没有谱，毕竟自然界中有那么多的发光生物，但就是没有发光植物，所以创造一种能够发光的植物，也不是一件容易的事情吧！ 6 终于亮了！亮了！亮了！ 科学的魅力除了不断地勇攀高峰，不断的失败也是其重要组成部分，所以当我们第一次进暗室，观察这些诊断筛选出来的愈伤组织的时候，我们内心已经做好了实验失败的准备。 我记得很清楚，那是一个周六的夜晚，我媳妇，那时候还是女朋友，她过来陪我加班。她为了犒劳我，特意让我带了三个橘子去暗室吃，我一个人就在暗室里面吃着橘子。 我们自制的暗室很简单的，是大家常见用的防晒用的宣传架和那些黑纱布搭建的，面积也很小。我就在里面吃着橘子，适应黑暗，克服孤独。 当我吃完最后一瓣橘子的时候，我突然发现眼前一亮，我以为是眼睛冒星光。我揉了揉，那些发光的强度好像来自愈伤织。我再揉了揉，它们亮了，它们亮了，它们真的亮了！ 我的心跳瞬间从120到了180，我跳起来我跑出去我抱着我媳妇，我说了一句，我记得很清楚，“媳妇你不用工作了。” 当然我说这句话，并不是说我大男子主义精神很强，而是那个时候她在昆明工作很不开心，我收入也低，我们两个生活比较窘迫。当然现在来看也没有什么改变，跟房价一对比还是很窘迫。 7 成功以后还是要总结一下的 现在呢，我想跟大家一起回顾一下我们当时看到的发光植物，大家看到的这个发光植物是我们团队第一代的发光植物。这是一个我们使用的模式生物烟草。 为什么使用烟草呢？是因为烟草的培植周期很短，我们可以快速看到我们这个发光基因的效果。这个里面有些培养基，我们给它们最适宜的温度，这些烟草在普通的光照下，它们跟普通的植物是基本上没有任何的异样的。 现在我们进入暗室观察，我们先进入暗室之后，肉眼需要适应黑暗，你才能慢慢看到一点点的亮光。但是，随着时间的推移，这些光亮会越来越强。现在我们开始看它的侧面，现在我们把瓶子扭转一下就可以看到这个植物的全貌。 现在大家对我们的发光植物，有了基本的了解，你们应该能体会到，我当时心跳是怎么从120到180的了吧！所以在这里我也感谢我团队那几个人，真的是一直在互相的鼓励、互相的坚持，当我们发光植物亮了的时候，我们终于从零到了一。有了这个一，我们就能做到更多，在发光植物上面更好的想法，有了这个一，我们就能做到更多更有意义的事情。 目前，我们正在研发发光强度更高的发光植物，同时我们正在翻译组装几种多肉植物的叶绿体基因组，我们计划研发出发光多肉，甚至是发光花卉。 我们的第一代的发光植物有点像个小傻瓜，因为它总是不分昼夜地就在那里发着光，所以未来我们计划只让这个植物在夜晚发光，这样它就能储存更多的能量。甚至我们还打算给这个发光植物安装一个甲醛感应器，比如说大家的房间里面甲醛含量比较高的时候，它就能发出更强的光亮。 8 要有一个天马行空的想法 所以我现在小结一下吧，我觉得有一个天马行空的想法很重要，实现这个想法的各种技术只是一个工具，所以重要的还是创新的想法。其次是执行，特别是科研特别重要。比如说你光有想法，你不动手去实验，永远不知道结果是什么样子，中间还会出现什么样的意外，所以我们还要解决各种各样的问题。 让我现在回想，我们整个项目做得最好的一点，就是我们把每一步，甚至是很小的一步都质控得非常清楚，不留任何的疑虑。从载体构建到转化，到跟踪这些发光基因，在细胞中的含量等等，我们尽全力做到最好，结果也就水到渠成了。 9 质疑？ 当我们发光植物做出来之后，我们云南最大的媒体《春城晚报》首先报道了，后面《新浪科技》《新华社》等等也重点报道。随着消息的传播，有人鼓舞，有人质疑。我们的初衷是创造一种无害于人和环境的全新的观赏植物，赋予传统观赏植物新的涵义，这也是我们愿意把成果分享出来的原因。 对于我们团队来说，我们不希望科研只能停留在实验室，我们更希望听到来自社会和市场的声音，这也是我们不断进步优化的灵感来源和动力。 有人质疑我们创造一种自然界中没有的发光植物是在违背进化。而事实上呢，自然界中生物发光是一种普遍现象。大自然中大约有七百种生物是可以发光的，也有很多关于发光植物的发现，基本上都是因为这些植物富含磷质，能释放出磷化氢气体，这些磷化氢气体在大气中的燃点是很低的，所以它们能够发生自燃，使这个植物发出淡蓝色的光，但并非是这个植物本身发光。 而我们大自然中有很多是可以发光的，那么这些生物为什么要发光呢？萤火虫发光是为了吸引异性，求偶，一般来说是雄性的萤火虫来吸引雌性的萤火虫。蘑菇发光是为了吸引昆虫来给它传播孢子，达到繁殖的目的。水母发光是为了诱捕食物。对生物而言，这些发光总是充满吸引力的，而且在自然界中很多生物都是具有趋光性的。 最新的研究也表明，在活细胞体内的大分子是可以在自然条件下发出荧光的，甚至这些生物发光已经广泛运用到我们生活的方方面面，比如说萤火虫的荧光素酶基因已经大大推动了我们生物研究的进程，发光细菌广泛应用于检测水中的有毒物质，还有发光鱼来研究鱼的生活习性等等。 10 未来，发光植物将会怎样？ 在这个生物多样性的时代，我们相信每一个基因都有它存在的价值，就好像每个人一样，存在即合理，所以发光基因和植物的结合，它也可以促进我们这个社会和谐发展。 比如说我们小时候经常能看到的那些萤火虫，但是因为光污染和水污染，这些萤火虫已经消失在我们生活的周围。但是正是因为人们对这些闪闪发光的生物具有强烈的好奇心，所以才有那么多的商业放飞。但是这些商业放飞的代价就是，成千上万的萤火虫在几天内逐渐死去。 我们生活的环境是在不断的快速变化，我们相信发光植物在新时代下是可以成为人类的好朋友。每当夜幕降临的时候，在家庭里面，在酒店里面，它们可以发出温柔的光芒。 它们可以是我们在座情侣之间新的爱情定物，也可以是小朋友们驱赶黑暗的光明女神，甚至是一个小台灯。它还可以为我们照亮前行的道路，为我们这个社会带来和谐，这是它们最大的价值所在。 我们有幸生活在这个科技大爆发的时代，尽管我们无法预测未来的世界是什么样子，但是我们可以利用我们所掌握的技术，怀着对未来的一份美好憧憬，去建造一个更加和谐更加美好的未来。 |
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