Möchten Sie einen Topf dieser Pflanze haben, der nachts leuchtet?

Herausgeber: He Jian

Der Film „Avatar“ zeigte einst eine solch magische Welt: In der Nacht des Planeten Pandora war die Stadt voller selbstleuchtender Pflanzen, als ob sie in der Dunkelheit mit dem Sternenhimmel übersät wären, was den Menschen ein verträumtes und geheimnisvolles Gefühl vermittelte. Stellen Sie sich vor, wie wunderbar es wäre, wenn wir eine große Anzahl dieser leuchtenden Pflanzen in unserem Wohnumfeld anpflanzen könnten! Gibt es also solche selbstleuchtenden Pflanzen auch auf der Erde?

Tatsächlich kommt Biolumineszenz in der Natur recht häufig vor. Derzeit sind etwa 30 unabhängige Biolumineszenzsysteme bekannt. Zu den verschiedenen leuchtenden Arten zählen Bakterien, Algen, Pilze und Wirbellose, darunter auch sehr wenige leuchtende Pflanzen. Liu Hongtao, ein Forscher am Institut für Pflanzenphysiologie und -ökologie des Shanghai Institutes for Biological Sciences der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, sagte, dass der Laternenbaum meines Landes, der leuchtende Baum Afrikas und einige Aloen, Dinoflagellaten und Straßenlaternengräser in Afrika allesamt leuchtende Pflanzen seien. Obwohl das Phänomen der Lichtemission von Pflanzen kontraintuitiv erscheint, existiert es tatsächlich und ist keine hypothetische Annahme.

Apropos, manche Leute haben vielleicht solche Zweifel: Gibt es nicht „leuchtende Pilze“? Es wurden Dutzende Arten entdeckt. Denken Sie daran, dass Pilze keine Pflanzen, sondern Pilze sind.

Warum leuchten manche Pflanzen?

Am Beispiel einiger Aloen in Afrika liegt dies vor allem daran, dass die Blätter dieser Pflanzen viel Phosphor enthalten, der eine geringe Menge Phosphingas freisetzen kann. Da Phosphin einen sehr niedrigen Zündpunkt hat und in der Luft spontan verbrennen kann, strahlt es ein hellblaues Licht aus. Der Zweck der Biolumineszenz von Pflanzen ist derzeit jedoch noch unbekannt.

Obwohl Pilze keine Pflanzen sind, konzentriert sich ihre Lumineszenz hauptsächlich auf ein organisches Molekül, das Pflanzen auch zum Aufbau ihrer Zellwände benötigen. Es handelt sich um Kaffeesäure, die durch den Stoffwechselzyklus von vier Enzymen Licht erzeugen kann. Zwei Enzyme wandeln Kaffeesäure in einen lumineszierenden Vorläufer um, der dann von einem dritten Enzym oxidiert wird, um Photonen zu erzeugen. Das letzte Enzym wandelt die oxidierten Moleküle in Kaffeesäure um und beginnt so den Zyklus von neuem.

Bei Pflanzen ist Kaffeesäure ein Bestandteil von Lignin, das zur mechanischen Festigkeit der Zellwände beiträgt. Es ist daher Teil der pflanzlichen Lignozellulose-Biomasse, der am häufigsten vorkommenden erneuerbaren Ressource der Erde.

Einige Wissenschaftler begannen sich vorzustellen: Ist es möglich, Pflanzen mit technischen Mitteln zum Leuchten zu bringen? Beispielsweise werden die Gene bestimmter Organismen in Pflanzen transplantiert und sorgen so dafür, dass diese funktionieren. Die Idee ist gut, aber keineswegs einfach. Es ist nicht so einfach, wie das Lumineszenzgen von einem Organismus auf einen anderen zu übertragen. Wie die Zahnräder in einer Uhr müssen die neu hinzugefügten Gene im Wirtskörper ordnungsgemäß funktionieren können. Als kostengünstige und umweltfreundliche Lichtquelle genießt sie jedoch weiterhin große Unterstützung.

Tatsächlich haben Wissenschaftler bereits in den 1980er Jahren Glühwürmchen-Luciferase zur Expression in Pflanzenzellen oder Pflanzen eingebracht. Wenn das Substrat Luciferin und die Energiesubstanz Adenosintriphosphat (ATP) über das Kulturmedium oder durch Bewässerung hinzugefügt wurden, emittierten die Pflanzengewebe ein glühwürmchenähnliches Licht. Darüber hinaus können Wissenschaftler auch fluoreszierende Pflanzen erhalten, indem sie fluoreszierendes Quallenprotein oder verbessertes fluoreszierendes Protein in Pflanzengewebe übertragen, um es dann durch Gentechnik im Labor zum Ausdruck zu bringen. Allerdings benötigen diese leuchtenden Pflanzen externe Quellen zur Bereitstellung von Substraten und Energie und weisen Einschränkungen auf, wie beispielsweise eine schwache Lumineszenz, eine kurze Dauer und eine schwierige Beobachtung mit bloßem Auge. Auch der Helligkeitseffekt „Nachtlesen mit Glühwürmchen“ lässt sich damit nicht erreichen und es handelt sich nicht um echte Pflanzen mit Selbstleuchtfähigkeit.

Die mit Glühwürmchen und Quallen gewonnenen Erfahrungen lassen sich nicht uneingeschränkt auf Pflanzen übertragen. Daher begannen die Wissenschaftler, ihre Erkenntnisse mit leuchtenden Pilzen zu gewinnen, und dieses Mal gelang ihnen dies.

Im Jahr 2020 gelang es einem Team aus 27 Wissenschaftlern unter der Leitung der synthetischen Biologen Karen Sarkisyan und Dr. Ilia Yampolsky, mithilfe genetischer Technologie Pflanzen zu züchten, die kontinuierlich sichtbares Licht aussenden können. Dies wurde in Nature Biotechnology veröffentlicht.

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Die Forscher sagen, dass die neue Technologie einen praktischen Wert hat und für ästhetische Zwecke eingesetzt werden könnte, insbesondere um leuchtende Blumen und andere Zierpflanzen zu erzeugen. Obwohl es ein bisschen zu skurril ist, selbstleuchtende Bäume anstelle von Straßenlaternen zu verwenden, ist die grüne Fluoreszenz, die diese Pflanzen ausstrahlen, wirklich angenehm.

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Im Mai 2023 verbesserte Du Haos Team an der Zhejiang-Universität das System auf dieser Grundlage weiter. In ihrer Studie stellten sie fest, dass der Gehalt an Kaffeesäure, der biosynthetischen Vorstufe von Luciferin, und dem Zwischenprodukt Lacton die limitierenden Faktoren für die Leuchtintensität von Pflanzen sind. Durch Identifizierung und Screening erhielt das Forschungsteam zwei katalytische Enzymgene aus Brassica napus bzw. Aspergillus nidulans.

Durch die Einführung dieser beiden Gene in das FBP-System können die von ihnen produzierten katalytischen Enzyme die Synthese und Ansammlung großer Mengen Kaffeesäure und Lactobacillus im Pflanzenkörper effizient fördern und so den Luciferingehalt deutlich erhöhen und so die Lumineszenzintensität der selbstleuchtenden Pflanzen erfolgreich steigern.

Dieses durch Stoffwechseltechnik optimierte pflanzliche Selbstleuchtsystem weist eine mehr als fünfmal höhere Helligkeit als das Original auf und kann kontinuierlich und stabil für das menschliche Auge sichtbares Licht aussenden. Auch wenn die Blätter vom Körper getrennt werden, können sie noch drei Tage lang weiterleuchten. Wenn mehrere blühende Pflanzen zusammen platziert werden, kann das von ihnen ausgestrahlte Licht eine dunkle Umgebung hell genug erhellen, damit Menschen größere Schriftarten in der Nähe deutlich erkennen können. Zukünftig werden diese Pflanzen nicht mehr nur für wissenschaftliche Forschungs- und Testzwecke in Laboren eingesetzt, sondern voraussichtlich auch in Bereichen wie der Umgebungsbeleuchtung Verwendung finden.

Glauben Sie, dass dies die Grenze ist? Es gibt etwas noch Erstaunlicheres! Vor kurzem hat das wissenschaftliche Forschungsteam der Hefei Shenbi Biotechnology Co., Ltd. erfolgreich Chinas erste gentechnisch veränderte, nachts selbstleuchtende Pflanze mit hoher Helligkeit entwickelt. Li Renhan, Leiter des Forschungsteams, sagte, dass das Forschungsteam 532 technische Iterationen durchlaufen und viele technische Schwierigkeiten überwunden habe. Die größte Herausforderung bestand darin, Pflanzen so stark zum Leuchten zu bringen, dass es mit bloßem Auge sichtbar ist. Dem Team gelang außerdem die Hochdurchsatzexpression exogener Gene in Pflanzenzellen, wodurch die Barrieren der Genexpression durchbrochen wurden. Darüber hinaus optimierte das Forschungsteam auch die Enzyme im Reaktionsprozess, um deren Effizienz zu verbessern. Gleichzeitig überlagerten sie mehrere Gene und veränderten einige restriktive Gene der Pflanzen selbst, wodurch die Pflanzen letztendlich einen mit bloßem Auge sichtbaren Zustand hoher Helligkeit erreichen konnten.

Es wird berichtet, dass die Leuchtpflanzen von Shenbi Bio im Vergleich zu ähnlichen internationalen Produkten deutliche Vorteile hinsichtlich der Helligkeit aufweisen. Diese Pflanzen erfordern keine langfristige Kamerabelichtung und der Lumineszenzeffekt ist in einer dunklen Umgebung schnell mit bloßem Auge erkennbar, wodurch eine kommerzielle Beleuchtung erreicht werden kann. Derzeit ist es Shenbi Bio gelungen, bei einer Vielzahl von Pflanzen, darunter Sonnenblumen, eine hochhelle Selbstleuchtkraft zu erzielen, und die Leuchttechnologie wurde auch auf andere Blumenarten ausgeweitet, darunter die Transformation von Rosen, Rosen, Lilien und anderen Blumen.

Man geht davon aus, dass diese leuchtenden Pflanzen in Zukunft auch im Gartenbereich zum Einsatz kommen und sogar einen echten „Avatar“-Themenpark schaffen werden.

Referenzquellen: Science Popularization China, Xinhuanet, Science and Technology Daily usw.