农学院都浩研究员团队发表PlantCell利用BT+IT创制第二代发光增强植物

来源：浙江大学时间：2024-11-13 08:05:00

浙江大学农业与生物技术学院都浩研究员团队在国际著名期刊The Plant Cell在线发表题为“Integration of biological and information technologies to enhance plant autoluminescence”的研究论文。该研究结合信息技术（IT）与生物技术（BT）对发光植物内源代谢网络做重新优化，研究人员首先对公共数据库中发表的咖啡酸、木质素代谢网络研究较好的366个杨树转录组做咖啡酸代谢网络分析，预测出7个基因家族可能参与咖啡酸分流的代谢过程。利用artificial miRNA 在发光烟草中验证相应基因家族表达抑制对发光前体物积累的影响。最终确定抑制以下5个基因家族4CL, COMT, CCoAOMT, CHS和MYB11对发光烟草发光前体物的积累最有效。此外，植物中以苯丙氨酸来源的咖啡酸合成途径较长，合成效率相对较低，因此研究人员引入细菌来源的酪氨酸合成咖啡酸途径中的关键基因 RgTAL、PaHPaB和SeHPaC，结合amiRNA array的设计抑制发光前体物额分流，最终创制出了发光强度达到1.2×1012 photons/(min*cm2)的第二代发光植物，较第一代发光植物eFBP（该团队于2023年5月在Plant Biotechnol J发表）发光增强提升约4倍，在黑暗中可以照亮附近较小的字体（图1），发光植物苗期可以用家用相机，在完全黑暗处拍摄视频。

咖啡酸（Caffeic acid）和牛奶树碱（Hispidin）等发光底物含量是植物发光增强的限制性因素。该研究通过分析杨树（Populus trichocarpa）数据库中366个转录组数据，开发了转录代谢模型，将机器学习与实验分析相结合，成功鉴定了参与植物咖啡酸代谢的有效调控基因。进而创新性地采取“开源节流”策略，在提高咖啡酸与牛奶树碱含量的同时减少其在木质素和类黄酮等其他代谢途径中的分流（图2），有效引导更多的发光底物流向发光代谢通路，从而提高发光强度。具体而言，该研究通过amiRNA array技术下调了Nt4CLs、NtCHSs、NtCOMTs、NtCCoAOMTs和MYB11等木质素和类黄酮合成相关基因的表达水平。同时引入了外源蛋白酪氨酸解氨酶编码基因RgTAL、FAD依赖性的4-羟苯乙酸酯-3-单加氧酶编码基因PaHpaB，和 NADH黄素氧化还原酶编码基因SeHpaC，这些基因能将植物内源酪氨酸转化为咖啡酸（图3）。实验结果证实了该策略可以有效提高发光底物咖啡酸和牛奶树碱的含量，并大幅提升了稳定转化烟草的发光强度，为开发高亮度、高稳定性的植物光源和生物报告系统奠定了基础。

图1 第二代发光植物在黑暗房间中的表现

图2 利用生物信息技术确定提高植物中前体物含量的多重基因表达调控组合

植物体内存在复杂的调控网络来协调能量分配，从而确定生物发光的上限。自发光植物能够从阳光中获取极少量的能量来协助生物发光。通过测定光合作用的相关生理参数，包括植物净光合速率Pn、气孔导度Gs、蒸腾速率Tr以及CO2同化的量子效率PhiCO2，来探索光合作用与植物代谢之间的相互作用。研究结果显示，第二代生物发光系统没有对植物的光合作用产生负面影响，这表明在未来的迭代中提升发光强度有显著的潜力。

该新型发光系统的潜在应用前景广阔，发光植物新品种可以美化环境的同时作为低亮度照明的替代，节约电力，开拓生物能利用的新思路，有助于文旅产业及生物新能源产业的发展；也可以作为生物光信号报告环境有害因子（土壤有害重金属、甲醛等）进行生物监测、还能开发出生物学研究和临床检测的工具。该研究创制的发光植物完全依赖植物自身的光合作用和异化作用，实现光能与生物能的循环利用，无需人造能源供给，实现能源、资源和环境的健康可持续发展，为利用生物科技和信息技术促进农业、能源、环境等领域高质量发展提供新思路和技术支撑。都浩研究员团队还在继续提升发光植物的亮度、颜色、稳定性，并开发生物传感和生物大分子检测工具，持续在植物合成生物技术研发及应用领域做出新成果。

图3真菌FBP整合到植物咖啡酸和牛奶树碱代谢网络示意图

浙江大学农业与生物技术学院博士研究生葛洁瑜、浙江大学农业与生物技术学院已毕业硕士研究生姬佳翼、浙江大学农业与生物技术学院本科生瞿成杙、浙江大学杭州国际科创中心郎绪业研究员、和浙江大学杭州国际科创中心乔赫为文章共同第一作者，浙江大学农业与生物技术学院和浙江大学杭州国际科创中心都浩研究员为该文通讯作者。该研究受到顶尖大学（哈佛大学-浙江大学）国际合作计划学者项目，浙江省重点研发计划(2020C02002)，中央高校基本科研业务费专项资金资助(K20200168)。