Können Pflanzen Licht ausstrahlen? Wie Wissenschaftler Träume in die Realität umsetzen!

Sie wachen aus dem Schlaf auf und stellen fest, dass alles in ein verträumtes blaues Licht gehüllt ist. In der Umgebung wachsen allerlei seltsame Kreaturen und riesige leuchtende Bäume ragen in den Himmel, deren Blätter wie Edelsteine ​​funkeln. Unter den Bäumen wiegten sich leuchtende Grasflächen sanft wie ein grüner Ozean. Die Blumen verströmen hier einen bezaubernden Duft, während die Blütenblätter in der Nacht in buntem Licht funkeln. Auch nachts erstrahlt die ganze Welt wie ein Sternenhimmel.

Pflanzen leuchten? Dieser ferne und unglaubliche Traum wurde in den letzten Jahren von Wissenschaftlern nach und nach in die Realität umgesetzt.

In der Natur kommt Biolumineszenz häufig bei Organismen wie Pilzen, Bakterien und Insekten vor, über die Biolumineszenz im Pflanzenreich ist jedoch wenig bekannt. Doch im Zuge der kontinuierlichen Weiterentwicklung der synthetischen Biologie ließen sich Wissenschaftler vom Lumineszenzmechanismus der Pilze inspirieren und konnten erfolgreich eine neue Art leuchtender Pflanzen erschaffen.

Ich werde Sie in diese magische, selbstleuchtende Pflanze einführen und ihre Prinzipien, Anwendungsaussichten und Auswirkungen auf eine qualitativ hochwertige Entwicklung in der Landwirtschaft, im Energiebereich, im Umweltbereich und in anderen Bereichen erkunden.

Prinzip des FBP-Reportersystems für lumineszierende Pflanzen

Unter Biolumineszenz versteht man den Prozess, bei dem in Organismen eine Reihe chemischer Reaktionen ablaufen, die sichtbares Licht erzeugen. Derzeit geht man davon aus, dass es in der Natur mindestens 40 verschiedene Biolumineszenzsysteme gibt. Aufgrund der begrenzten Forschungstechnologie sind jedoch bisher nur die Lumineszenzprozesse zweier Systeme vollständig aufgeklärt worden, nämlich des bakteriellen Lumineszenzsystems (1980er Jahre) und des Pilzlumineszenzsystems (2018).

Dieser Artikel konzentriert sich auf den Pilz-Biolumineszenzweg FBP (Fungal Bioluminescence Pathway), der in der Natur bei einigen Leuchtpilzen vorkommt und unter geeigneten Bedingungen grüne Biolumineszenz mit einer Wellenlänge von etwa 520 nm erzeugen kann. Bei diesem Stoffwechselweg handelt es sich um einen aus vier Enzymen bestehenden Kaffeesäure-Stoffwechselzyklus. Kaffeesäure wird nämlich durch die Hispidin-Synthase (HispS) in Hispidin umgewandelt, was dann durch die Hispidin-3-Hydroxylase (H3H) katalysiert wird, um Pilz-Luciferin zu produzieren. Luciferin wird durch Pilzluciferase (Luz) zu Caffeoylpyruvat oxidiert und erzeugt Photonen. Schließlich wandelt die Caffeoylpyruvathydrolase (CPH) Kaffeesäure in Kaffeesäure um und erzeugt dadurch kontinuierliches, für das bloße Auge sichtbares Licht, wodurch das Recycling der Kaffeesäure realisiert wird.

Abbildung 1 Stoffwechselweg des Kaffeesäurezyklus

Wie also führen Wissenschaftler dieses Lumineszenzsystem von Pilzen in Pflanzen ein?

Es stellt sich heraus, dass Kaffeesäure, der Ausgangsstoff der Biolumineszenz, ein weit verbreiteter Metabolit des Phenylpropanoid-Stoffwechselwegs in Pflanzen ist. Die Forscher integrierten die oben genannten vier Gene von Leuchtpilzen durch Agrobacterium-Transformation in das Tabakgenom, wodurch die Synthese fluoreszierender Proteine ​​in der Pflanze abgeschlossen und die Pflanzenlumineszenz erreicht wurde.

Der unvergleichliche Vorteil des Pilz-Leuchtsystems liegt darin, dass sein Rohstoff, die Kaffeesäure, eine äußerst geringe Toxizität für tierische und pflanzliche Zellen aufweist, sehr stabil ist und leicht absorbiert werden kann. Die Wissenschaftler müssen lediglich die entsprechenden Gene der verbleibenden vier Proteasen importieren, den Syntheseweg der Kaffeesäure regulieren, das Energieverteilungs-Regulierungsnetzwerk im Pflanzenkörper nutzen und selbstleuchtende Mikroorganismen genetisch modifizieren, um Pflanzen die Fähigkeit zur Biolumineszenz zu verleihen.

Die Beziehung zwischen Biolumineszenz und Photosynthese

Manche Leute fragen sich vielleicht, ob die Selbstleuchtkraft von Pflanzen eine große Menge an Energie verbraucht, die für die Photosynthese benötigt wird. Wenn die ursprüngliche Photosynthese der Pflanzen ernsthaft beeinträchtigt wird, wäre das nicht so, als würde man Sesamkörner aufsammeln und Wassermelonen verlieren?

Eigentlich besteht überhaupt kein Grund zur Sorge. In bestehenden Studien wurde die Wechselwirkung zwischen Photosynthese und pflanzlichem Lumineszenzstoffwechsel durch Messung relevanter physiologischer Parameter der Photosynthese untersucht, darunter die Netto-Photosyntheserate der Pflanze Pn, die stomatäre Leitfähigkeit Gs, die Transpirationsrate Tr und die Quanteneffizienz der CO2-Assimilation PhiCO2. Die Ergebnisse zeigen, dass die aktuellen Leuchtpflanzen der zweiten Generation keinen negativen Einfluss auf die Photosynthese der Pflanzen haben, was darauf hindeutet, dass bei der zukünftigen iterativen Entwicklung von Leuchtpflanzen noch erhebliches Potenzial zur Verbesserung der Lichtintensität besteht.

Anwendungsperspektiven von FBP-Leuchtpflanzen

Abbildung 2 Anwendung der synthetischen Biologie in mehreren Bereichen

Die synthetische Biologie entwickelt sich derzeit rasant und hat in verschiedenen Bereichen einen großen Anwendungswert bewiesen. Die Forschung, Entwicklung und Verbesserung neuer Pflanzenlumineszenzsysteme bildet hier keine Ausnahme.

1. Verschönern Sie die Umgebung und die Beleuchtung mit geringer Helligkeit

Neue Sorten leuchtender Pflanzen verschönern die Umwelt und können sogar dazu beitragen, eine Fantasiewelt wie im Film Avatar zu erschaffen. Gleichzeitig kann es als Ersatz für schwache Beleuchtung verwendet werden, um Strom zu sparen. In Parks, Höfen, Häusern und anderen Orten können künftig leuchtende Pflanzen eingesetzt werden, um eine grüne Beleuchtung zu erreichen.

2. Bio-Neuenergieindustrie

FBP-Leuchtpflanzen realisieren die Rückgewinnung von Lichtenergie und Bioenergie ohne die Notwendigkeit einer künstlichen Energiezufuhr. Dies liefert neue Ideen für die Entwicklung der Bio-Neuenergiebranche und dürfte Veränderungen im Energiebereich vorantreiben.

3. Biologische Überwachung und Umweltschutz

FBP-Leuchtpflanzen können als biolumineszierende Signale verwendet werden, um schädliche Umweltfaktoren wie schädliche Schwermetalle und Formaldehyd im Boden zu melden. Durch die Überwachung der Veränderungen leuchtender Pflanzen können wir den Zustand der Umweltqualität in Echtzeit erkennen und wirksame Maßnahmen zum Umweltschutz ergreifen.

4. Berichtstools zur Effektivität von Genom-Editoren

Da das FBP-Meldesystem der Leuchtpflanze mit bloßem Auge sichtbares Licht aussenden kann, lässt sich die gesamte Wachstumsperiode einzelner oder Gruppen von Organismen mit gewöhnlichen Haushaltskameras erfassen. Wir können dieses System als Berichtssystem verwenden, um die Aktivierungseffekte verschiedener Genom-Editoren schnell zu überprüfen.

Durch die direkte Beobachtung der Lumineszenzintensität gentechnisch veränderter Pflanzen kann der Gehalt des Zielenzyms in der Pflanze beurteilt und so auf die Wirksamkeit des neuen Genom-Editors geschlossen werden. Es macht die traditionelle, umständliche molekulare Messung des Proteingehalts einer Pflanze überflüssig. Stattdessen genügt es, mit einer speziellen Kamera die Größe der von der Pflanze emittierten Lichtquanten zu messen und so den Gehalt des Zielenzyms in der Pflanze zu bestimmen. Dadurch werden die Versuchsschritte erheblich vereinfacht und der Versuchszyklus verkürzt.

Abbildung 3 Blattlumineszenz, beobachtet unter dem 985-System

Beobachtungen liefern starke Belege für die synthetische Biologie von Pflanzen. Durch Methoden wie Genomeditierung, Stoffwechseltechnik, dynamische Interaktionstools von Biomakromolekülen und das eFBP-Berichtssystem (Enhanced Fungal Bioluminescence Pathway) können Pflanzen mit besonderen Funktionen schneller und effizienter kultiviert werden, was zu einer qualitativ hochwertigen Entwicklung in den Bereichen Landwirtschaft, Energie, Umwelt und anderen Bereichen beiträgt.

Aufklärung und Ausblick

Abbildung 4 Leuchtende Pflanzen, fotografiert mit einer normalen Kamera unter dunklen Bedingungen

Es lässt sich nicht leugnen, dass die neu entwickelten Leuchtpflanzen der zweiten Generation noch weit von den Anforderungen für den praktischen Einsatz entfernt sind. Die Blüten können nur eine Lichtquantenintensität von 1012 Foto/min/cm2 erreichen, und die Blätter können nur eine Lichtquantenintensität von 1011 Foto/min/cm2 erreichen, was bei nächtlicher Beobachtung immer noch nicht sehr deutlich ist. In Pflanzen gibt es ein komplexes Regelnetzwerk, das die Energieverteilung koordiniert und so die Obergrenze der Biolumineszenz bestimmt. Wir müssen weiterhin effiziente Werkzeuge zur Genexpression einführen, um die Leistung von Leuchtpflanzen kontinuierlich zu verbessern, die Helligkeit, Farbe und Stabilität von Leuchtpflanzen zu verbessern und sie praktischer zu machen.

Der Einsatz von Biotechnologie und Informationstechnologie zur Förderung der Entwicklung in den Bereichen Landwirtschaft, Energie, Umwelt und anderen Bereichen ist ein wichtiger Weg zur Erreichung einer nachhaltigen Entwicklung. Die Forschungsergebnisse des FBP-Berichtssystems für leuchtende Pflanzen haben der Menschheit beispiellose Erfahrungen im Bereich der grünen Technologie gebracht und nützliche Referenzen für die integrierte Entwicklung der Biotechnologie und Informationstechnologie in meinem Land geliefert.

Ich bin überzeugt, dass diese magische neue Pflanze in naher Zukunft Einzug in unser Leben halten und einer hochwertigen, nachhaltigen Entwicklung einen starken Impuls verleihen wird. Freuen wir uns auf die Welt von Avatar, die zu uns kommt.