浙江大學農業(yè)與生物技術學院都浩研究員團隊在國際著名期刊The Plant Cell在線發(fā)表題為“Integration of biological and information technologies to enhance plant autoluminescence”的研究論文。該研究結合信息技術（IT）與生物技術（BT）對發(fā)光植物內源代謝網絡做重新優(yōu)化，研究人員首先對公共數(shù)據(jù)庫中發(fā)表的咖啡酸、木質素代謝網絡研究較好的366個楊樹轉錄組做咖啡酸代謝網絡分析，預測出7個基因家族可能參與咖啡酸分流的代謝過程。利用artificial miRNA 在發(fā)光煙草中驗證相應基因家族表達抑制對發(fā)光前體物積累的影響。最終確定抑制以下5個基因家族4CL, COMT, CCoAOMT, CHS和MYB11對發(fā)光煙草發(fā)光前體物的積累最有效。此外，植物中以苯丙氨酸來源的咖啡酸合成途徑較長，合成效率相對較低，因此研究人員引入細菌來源的酪氨酸合成咖啡酸途徑中的關鍵基因 RgTAL、PaHPaB和SeHPaC，結合amiRNA array的設計抑制發(fā)光前體物額分流，最終創(chuàng)制出了發(fā)光強度達到1.2×1012 photons/(min*cm2)的第二代發(fā)光植物，較第一代發(fā)光植物eFBP（該團隊于2023年5月在Plant Biotechnol J發(fā)表）發(fā)光增強提升約4倍，在黑暗中可以照亮附近較小的字體（圖1），發(fā)光植物苗期可以用家用相機，在完全黑暗處拍攝視頻。
咖啡酸（Caffeic acid）和牛奶樹堿（Hispidin）等發(fā)光底物含量是植物發(fā)光增強的限制性因素。該研究通過分析楊樹（Populus trichocarpa）數(shù)據(jù)庫中366個轉錄組數(shù)據(jù)，開發(fā)了轉錄代謝模型，將機器學習與實驗分析相結合，成功鑒定了參與植物咖啡酸代謝的有效調控基因。進而創(chuàng)新性地采取“開源節(jié)流”策略，在提高咖啡酸與牛奶樹堿含量的同時減少其在木質素和類黃酮等其他代謝途徑中的分流（圖2），有效引導更多的發(fā)光底物流向發(fā)光代謝通路，從而提高發(fā)光強度。具體而言，該研究通過amiRNA array技術下調了Nt4CLs、NtCHSs、NtCOMTs、NtCCoAOMTs和MYB11等木質素和類黃酮合成相關基因的表達水平。同時引入了外源蛋白酪氨酸解氨酶編碼基因RgTAL、FAD依賴性的4-羥苯乙酸酯-3-單加氧酶編碼基因PaHpaB，和 NADH黃素氧化還原酶編碼基因SeHpaC，這些基因能將植物內源酪氨酸轉化為咖啡酸（圖3）。實驗結果證實了該策略可以有效提高發(fā)光底物咖啡酸和牛奶樹堿的含量，并大幅提升了穩(wěn)定轉化煙草的發(fā)光強度，為開發(fā)高亮度、高穩(wěn)定性的植物光源和生物報告系統(tǒng)奠定了基礎。
圖1 第二代發(fā)光植物在黑暗房間中的表現(xiàn)
圖2 利用生物信息技術確定提高植物中前體物含量的多重基因表達調控組合
植物體內存在復雜的調控網絡來協(xié)調能量分配，從而確定生物發(fā)光的上限。自發(fā)光植物能夠從陽光中獲取極少量的能量來協(xié)助生物發(fā)光。通過測定光合作用的相關生理參數(shù)，包括植物凈光合速率Pn、氣孔導度Gs、蒸騰速率Tr以及CO2同化的量子效率PhiCO2，來探索光合作用與植物代謝之間的相互作用。研究結果顯示，第二代生物發(fā)光系統(tǒng)沒有對植物的光合作用產生負面影響，這表明在未來的迭代中提升發(fā)光強度有顯著的潛力。
該新型發(fā)光系統(tǒng)的潛在應用前景廣闊，發(fā)光植物新品種可以美化環(huán)境的同時作為低亮度照明的替代，節(jié)約電力，開拓生物能利用的新思路，有助于文旅產業(yè)及生物新能源產業(yè)的發(fā)展；也可以作為生物光信號報告環(huán)境有害因子（土壤有害重金屬、甲醛等）進行生物監(jiān)測、還能開發(fā)出生物學研究和臨床檢測的工具。該研究創(chuàng)制的發(fā)光植物完全依賴植物自身的光合作用和異化作用，實現(xiàn)光能與生物能的循環(huán)利用，無需人造能源供給，實現(xiàn)能源、資源和環(huán)境的健康可持續(xù)發(fā)展，為利用生物科技和信息技術促進農業(yè)、能源、環(huán)境等領域高質量發(fā)展提供新思路和技術支撐。都浩研究員團隊還在繼續(xù)提升發(fā)光植物的亮度、顏色、穩(wěn)定性，并開發(fā)生物傳感和生物大分子檢測工具，持續(xù)在植物合成生物技術研發(fā)及應用領域做出新成果。
圖3真菌FBP整合到植物咖啡酸和牛奶樹堿代謝網絡示意圖
浙江大學農業(yè)與生物技術學院博士研究生葛潔瑜、浙江大學農業(yè)與生物技術學院已畢業(yè)碩士研究生姬佳翼、浙江大學農業(yè)與生物技術學院本科生瞿成杙、浙江大學杭州國際科創(chuàng)中心郎緒業(yè)研究員、和浙江大學杭州國際科創(chuàng)中心喬赫為文章共同第一作者，浙江大學農業(yè)與生物技術學院和浙江大學杭州國際科創(chuàng)中心都浩研究員為該文通訊作者。該研究受到頂尖大學（哈佛大學-浙江大學）國際合作計劃學者項目，浙江省重點研發(fā)計劃(2020C02002)，中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助(K20200168)。
原文鏈接如下：
The Plant Cell, koae236, https://doi.org/10.1093/plcell/koae236
