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《阿凡达》可成真 人工培育夜间发光植物(组图)

2013年05月24日15:21 | 我来说两句(人参与) | 保存到博客
中科院上海生命科学研究院植物生理生态所研究员刘宏涛
《阿凡达》可成真 人工培育夜间发光植物
中科院上海生命科学研究院植物生理生态所研究员刘宏涛

  将新闻进行到底

  新闻缘起:

  近期有科学家称,夜间发光的树可能很快成为街灯的天然替代品。英国剑桥大学的安东尼·埃文斯和美国斯坦福大学博士凯尔·泰勒以及奥姆雷·阿米拉夫·迪罗里已在加利福尼亚州一个“自己动手做”生物实验室培育出夜间发光植物。

  “到处都是会发光的植物,即使到了深夜,森林里也是一片璀璨光芒。”电影《阿凡达》所呈现的这一景象让人们展开大胆想象150年后,地球上的植物是否就像电影里描绘的那样发光?

  150年太久,科学家们先行一步,将萤火虫体内的发光基因转移到一种名为“拟南芥”的微小植物上,使它们在黑暗中发光。科学家们还期望能将这一成果应用到较大植物和树木上,用它们替代电灯。

  现实中真的存在发光植物吗?人工何以培育发光植物?为何要选用“拟南芥”作为实验对象?培育有何难点?……本期科技之谜将与读者一同探索发光植物的世界。

  植物为何会发光?

  如果你有机会在巴西靠近大西洋的雨林中穿行,一定要留心在树木旁闪闪发光的小东西它叫Mycena luxarboricola,是一种会发出荧光的小蘑菇,仅靠树皮生长。据统计,在全球150万种物种中,能发出生物荧光的真菌类物种达到了71种。

  “我国的灯笼树,非洲的夜光树以及非洲的某些芦荟都属于发光植物。”中科院上海生命科学研究院植物生理生态所研究员刘宏涛说,尽管植物会发光这一现象看似有悖常理,但它确实是存在的,并非假设命题。

  植物为何会发光?刘宏涛说:“主要因为在这些植物的叶子里,含有很多磷质,能释放出少量的磷化氢气体。由于磷化氢的燃点很低,在空气中可以自燃,所以植物会发出淡蓝色的光。”

  但目前,植物发光目的何在仍尚未可知。有专家猜测,蘑菇通常是蕴含孢子的部位发光,这或许有助于吸引昆虫注意,帮助它们把孢子扩散到其他地方,生成新蘑菇。也有可能是为了吸引这些昆虫的天敌,在这些虫子破坏菌丝体前被它们的天敌消灭掉。但就目前来看还没有任何可靠的数据来证实这些观点。

  人工何以培育发光植物?

  尽管现实中有这些发光植物的存在,但想让它们服务大众可是一个不小的挑战。在科技日趋成熟的今天,人工培育发光植物似乎是个不错的选择。

  中科院遗传与发育生物学研究所研究员焦雨铃说:“我们可以将其它发光生物的发光蛋白转化入植物,即有可能人工构建发光植物。比如来自萤火虫的荧光酶(luciferase)。”

  据美国加利福尼亚州发光植物专案的研究人员称,这项研究最初便是从可进行生物发光的萤火虫和发光蠕虫身上获得灵感。

  如何将发光蛋白转入植物中?“选择"转基因生物发光",是利用我们熟悉的萤火虫的发光原理,让植物模拟萤火虫发光。利用转基因技术使植物发光需要荧光素和荧光素酶。”刘宏涛说,“荧光的产生来自于荧光素的氧化,在没有荧光素酶的情况下,荧光素与氧气反应的速率非常慢。荧光素在荧光素酶的作用下氧化,同时放出能量,这种能量以光的形式表现出来,就是我们看到的生物光。”

  “转基因生物发光”并不是人工培育发光植物的唯一选择,“除此之外,也可以采用"纳米荧光发光"。它借助人造纳米粒子的物理特性,激发植物自身的叶绿素发光。“刘宏涛说。

  人工培育发光植物难在哪儿?

  据了解,美国加利福尼亚州发光植物专案的研究团队计划使用软件设计出了发光植物的DNA序列,然后把这些DNA序列在实验室中复制出来,移植到植物中。目前该团队已经排列出了发光植物的DNA序列,正在植入植物中进行培植实验。

  人工培育发光植物究竟难在哪?刘宏涛表示:“培育转基因发光植物很大的问题来自于转基因,烟草、拟南芥、杨树等都可以转基因,但目前很多种植物的转基因还是比较困难的。”

  除此之外,要想将人工培育出的发光植物真正得以运用也需要经受更多考验。“目前看是一项很有趣的研究,利用现代分子生物学技术实际不难实现,相对来说可能比较容易培育的是观赏用发光植物。”焦雨铃说,“距离真正能够照亮街道恐怕还有一段距离。因为目前还没有发现任何蛋白质或其它生物体内的分子能够发出足够照明的强光。目前天然或实验所得到的发光植物只能发出微弱的光,或许弱到需要仪器才能检测到。”

  虽然人工培育发光植物并使其得以广泛应用绝非一朝一夕之事,但它作为一种廉价且环保的光源,得到了众多支持。据了解,这项研究的科学家们已成功制造出较小的发光植物,并为这项技术应用到较大植物和树木上进行筹款。迄今为止,它已得到5000多人支持,筹集到18.3万英镑。凡是承诺向发光植物专案筹款活动进行拨款的人,都能获得一朵夜间发光玫瑰。

  连线专家

  科技日报:为何选拟南芥作培育对象?

  刘宏涛:其基因组小,在2000年成为第一个基因组被完整测序的植物,利与基因定位;植株小,需要的种植空间小;生活周期短,6—8周一代,便于遗传筛选和操作;自花授粉也利于遗传操作;单棵植株可以产生大量种子(几千个);另外利用根瘤农杆菌把基因转化进拟南芥基因组已是常规操作。而现在利用称为“floral-dip”的方法并不涉及组织培养和植株再生,操作简单。

  科技日报:据了解科学家将发光基因放进液态农杆菌中浇灌到植物上,农杆菌可将基因转移到植物内,为何要这么做?

  刘宏涛:这是以根瘤农杆菌的Ti质粒介导的遗传转化,根癌农杆菌的Ti质粒和发根农杆菌的Ri质粒上有一段T-DNA,农杆菌通过侵染植物伤口进入细胞后,可将T-DNA插入到植物基因组中。因此,农杆菌是一种天然的植物遗传转化体系,被誉为“自然界最小的遗传工程师”。可以通过将目的基因比如说荧光素酶基因插入到经过改造的T-DNA区,借助农杆菌的感染实现外源基因向植物细胞的转移和整合。拟南芥是可以通过直接用农杆菌浸泡植物花而实现转基因的,而水稻、烟草等是通过农杆菌侵染愈伤组织,然后通过细胞和组织培养技术,得到转基因植物。

  延伸阅读

  “发光植物”可当作路灯照明?

  近日一个“可持续发光植物”的商业开发项目引起了众多企业赞助者的兴趣。

  据悉,该项目的特别之处就是通过生物发光技术,让植物持续发光。该技术的研发团队介绍称,研究的目标是:在未来用可持续发光的植物用作路灯照明,甚至将发光小盆景用作台灯阅读。

  据报道,这个富有创意的实验团队由加州斯坦福大学的合成生物学家与植物学家组成。科学家们介绍,目前他们正在将荧光素酶基因移植到一种名为拟南芥的植物上,这种荧光素酶普遍存在于萤火虫和一些发光的真菌之上。

  外界对该项目的热情超出了实验团队的想象,他们在热门创意募资平台上发布募资计划,最初目标仅是募集6.5万美元,但目前已经吸引了近4700名投资者,筹集到超过26万美元的资金。实验团队承诺,对捐款超过150美元的投资者,他们将寄送首批培养出来的发光拟南芥种子。

  哈佛医学院的遗传学教授乔治是这一项目的赞助人之一,他认为这种生物技术将能为“持续照明”带来更多的灵感。“生物学是非常节能的,植物不需要消耗额外能量,容易处理,本身就很环保,发光比电池能量包更密集。即使弱发光的花也将是一个伟大的标志。”乔治教授说。

  实验团队下一步希望使玫瑰发光,从而能使这种技术更有商业价值,并将这种技术应用到其他的商业领域,如种植业、花卉园艺。报道称,如果该技术获得企业赞助,将会具有巨大的市场开发潜力。但该技术的风险目前还无法评估,可能培育出来的植物会出现光线不足的情况,还有科学家担心含有这种基因的植物会出现生物变异。

  《科技日报》 2013-05-24 (五版)

  (中国科技网)

  作者:五版来源科技日报)
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