Leuchtende Pflanzen sind da! Vielleicht wird es Ihre nächste Schreibtischlampe?

In der Fantasiewelt literarischer und künstlerischer Werke sind leuchtende Pflanzen allgegenwärtig. Fantasiewälder, Straßenlaternenblumen, in der Luft schwebende fluoreszierende Samen ... diese wunderbaren Pflanzen sind großartig und inspirierend. Haben Sie jemals daran gedacht, dass Pflanzen in der realen Welt leuchten könnten?

Standbilder aus dem Film Avatar

Fortgeschrittene Erfahrung mit Biolumineszenzbiologie

Biolumineszenz kommt in der Natur eigentlich recht häufig vor. Derzeit sind etwa 30 unabhängige biolumineszierende Systeme bekannt, und zu den verschiedenen leuchtenden Arten zählen Bakterien, Algen, Pilze und Wirbellose.

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Da biolumineszierende Organismen weit verbreitet sind, begannen sich einige Wissenschaftler zu fragen: Können Pflanzen auch leuchten?

Es ist wichtig zu beachten, dass Sie möglicherweise schon einmal „leuchtende Pilze“ gesehen haben, aber „Pilze“ sind keine Pflanzen, sondern Pilze.

Ursprünglich hatten Wissenschaftler Leuchtpflanzen geschaffen, um unter Laborbedingungen fluoreszierende Gene als Reportergene einzusetzen und so durch die Erkennung der Lumineszenz festzustellen, ob exogene Gene erfolgreich in die Pflanze eingebracht wurden. Oder sie konnten anhand der Intensität der Lumineszenz den Wachstumszustand oder die Genexpression der Versuchspflanzen beurteilen.

Beim Studium leuchtender Pflanzen können wir zunächst von den fortgeschrittenen Erfahrungen leuchtender Organismen lernen.

Bei der Biolumineszenz ist Luciferase darauf angewiesen, dass sie ihr Substrat Luciferin katalysiert und so Chemilumineszenz erzeugt. Bereits in den 1980er Jahren führten Wissenschaftler Glühwürmchen-Luciferase zur Expression in Pflanzenzellen oder Pflanzen ein. Wenn das Substrat Luciferin und der Energiestoff Adenosintriphosphat (ATP) über das Kulturmedium oder durch Gießen hinzugefügt werden, strahlt das Pflanzengewebe ein glühwürmchenähnliches Leuchten aus.

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 des „Nachtlesens mit Glühwürmchen“ kann nicht erreicht werden.

Zusätzlich zu den oben genannten Methoden können Wissenschaftler fluoreszierende Pflanzen auch dadurch erhalten, dass sie fluoreszierendes Quallenprotein oder verbessertes fluoreszierendes Protein in Pflanzengewebe übertragen, um es dann im Labor durch Gentechnik zum Ausdruck zu bringen. Allerdings müssen diese Pflanzen durch ultraviolettes oder blaues Licht stimuliert werden, um kurzzeitige Fluoreszenz auszusenden, und sie müssen von Instrumenten erkannt werden. Es handelt sich dabei nicht um Pflanzen mit der Fähigkeit zur Selbstleuchtung.

Tabakblätter mit Glühwürmchen-Luciferase (links) und Zitrusblätter mit fluoreszierendem Protein (rechts). Bildquelle: Referenz [4] und Referenz [5]

Ist Zustand! Selbstleuchtende Pflanzen gibt es hier

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 ein wichtiger Durchbruch im Bereich des Pflanzenlumineszenzsystems, das mit bloßem Auge tatsächlich sichtbar ist. Wissenschaftler aus den USA und Russland nutzten den in Leuchtpilzen vorhandenen Pilz-Biolumineszenzweg (FBP), um ein Biolumineszenzsystem umzuwandeln und zu etablieren, das in Pflanzen funktionieren kann.

Im FBP-System wird Kaffeesäure zunächst in das Zwischenprodukt Hispidin und anschließend durch Enzymkatalyse weiter in Luciferin umgewandelt. Schließlich wird Luciferin unter der Katalyse der Luciferase oxidiert und setzt Lichtenergie frei.

Catharanthus roseus und Rosa feldspar exprimieren vorübergehend FBP. Bildquelle: Referenz [1]

Entscheidend für dieses System ist Kaffeesäure, die als Ausgangsstoff für die Umwandlung von Fluorescein dient. Kaffeesäure ist ein in Pflanzen häufig vorkommendes Molekül und ein wichtiges Zwischenprodukt von Lignin und anderen wichtigen Pflanzenmetaboliten. Daher ist es möglich, das FBP-System in Pflanzen einzuführen und den Stoffwechselweg der Pilzlumineszenz im Kaffeesäurezyklus in den Stoffwechselprozess der Pflanzen zu integrieren und so Pflanzen zu konstruieren, die ohne Zugabe von Chemikalien Selbstlumineszenz erzeugen können.

Darüber hinaus überschneidet sich das vom Kaffeesäurezyklus erzeugte grüne Licht nicht stark mit dem von farbigen Pflanzen absorbierten Spektrum, sodass das vom FBP-Signalweg erzeugte Licht durch die Absorption durch die Pflanze selbst nicht viel an Helligkeit verliert.

Wenn selbstleuchtende Pflanzen atmen, kann der absorbierte Sauerstoff dazu führen, dass Luciferase mit Luciferin interagiert und eine Oxidationsreaktion auslöst, bei der die Pflanzen Energie in Form von Licht freisetzen. Wenn die freigesetzte Lichtenergie stark genug ist, können die transformierten Pflanzen während ihres Wachstums eine mit bloßem Auge sichtbare Selbstleuchtkraft erzeugen.

Selbstleuchtende Tabakpflanze mit dem FBP-System vorgestellt. Bildquelle: Referenz [3]

Jede Generation ist klüger als die vorherige

Pflanzen könnten künftig für Beleuchtung sorgen

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 in Pflanzen effizient fördern, wodurch der Luciferingehalt deutlich erhöht und die Lumineszenzintensität selbstleuchtender Pflanzen erfolgreich gesteigert wird.

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 erzeugte Licht eine dunkle Umgebung hell genug erhellen, damit Menschen größere Texte in der Nähe deutlich erkennen können.

Verbesserte FBP-Anlagen

Nach weiteren Untersuchungen stellte das Team fest, dass der Mangel an Saccharose zu einer signifikanten Verringerung der Biosynthese von Kaffeesäure und Lacton in Pflanzen mit verstärkter Selbstleuchtkraft führen würde, was darauf hindeutet, dass der durch Photosynthese in Pflanzen mit verstärkter Selbstleuchtkraft produzierte Zucker für die Synthese von Luciferin unerlässlich ist.

Vergleich mit der Selbstleuchtintensität gewöhnlicher FBP-Pflanzen. Bildquelle: Referenz [6]

Diese Erkenntnisse liefern eine Erklärung für den Mechanismus , durch den biolumineszierende Pflanzen tagsüber durch Photosynthese Kohlendioxid in der Luft fixieren, Sonnenenergie in Zucker und andere organische Stoffe umwandeln und dann nachts durch Katabolismus Lichtenergie freisetzen.

Verstärkter Lumineszenzeffekt von FBP-Tabak während der Blütezeit. Bildquelle: Referenz [6]

Dieses Forschungsergebnis bietet eine eingehende Analyse und Überprüfung des Mechanismus der Selbstlumineszenz von Pflanzen und liefert wichtige Hinweise für die weitere Entwicklung und Optimierung des Lumineszenzsystems. Wenn es gelingt, die Lichtstärke auf Basis der bisherigen Errungenschaften weiter zu verbessern und leuchtstarke Pflanzensorten zu züchten, werden diese Pflanzen nicht mehr nur für wissenschaftliche Forschungs- und Testzwecke im Labor verwendet, sondern voraussichtlich auch in Bereichen wie der Umgebungsbeleuchtung zum Einsatz kommen.

Abschluss

Durch die kontinuierliche, eingehende Forschung wird die Helligkeit leuchtender Pflanzen immer höher und in Zukunft könnten tatsächlich Pflanzen auftauchen, die für Beleuchtung sorgen können. Stellen Sie sich vor, Sie können die Straße erhellen, indem Sie ein paar leuchtende Bäume pflanzen, und Sie können einen Zweig hochhalten oder eine leuchtende Blume pflanzen, um ihn als Lampe zu verwenden. Wie wunderbar es sich anfühlt. Dann können wir Bioenergie direkt umwandeln und nutzen, wodurch wir nicht nur Strom sparen, sondern auch den Kohlendioxidausstoß wirksam verringern und so eine doppelte Rolle bei der Energieeinsparung, dem Umweltschutz und der Verschönerung spielen.

Freuen wir uns auf die echten, von Wissenschaftlern geschaffenen Wunder des „Wunderlandgartens“ und des „Zauberwalds“.

Verweise

[1] Khakhar A, et al. Elife, 2020, 9:e52786.

[2] Krichevsky A, et al. PLoS One, 2010, 5(11):e15461.

[3] Mitiouchkina T, et al. Nat Biotechnol, 2020, 38(8): 944-946.

[4] Ow DW, et al. Science, 1986, 234(4778): 856-859.

[5] Wu H, et al. Crop Sci, 2015, 55:2786–2797.

[6] Zheng P, et al. Plant Biotechnol J, 2023, 21: 1671–1681.

Planung und Produktion

Produziert von Science Popularization China

Autor: Li Yin, School of Life Sciences, Sun Yat-sen-Universität

Produzent: China Science Expo

Herausgeber: Lin Lin, Jin Yufen (Praktikant)

Das Titelbild dieses Artikels stammt aus der Copyright-Bibliothek

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