浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)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(jié)合信息技術(shù)（IT）與生物技術(shù)（BT）對發(fā)光植物內(nèi)源代謝網(wǎng)絡(luò)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(zhì)素代謝網(wǎng)絡(luò)研究較好的366個楊樹轉(zhuǎn)錄組做咖啡酸代謝網(wǎng)絡(luò)分析，預(yù)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(yīng)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(guān)鍵基因 RgTAL、PaHPaB和SeHPaC，結(jié)合amiRNA array的設(shè)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(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，開發(fā)了轉(zhuǎn)錄代謝模型，將機器學(xué)習(xí)與實驗分析相結(jié)合，成功鑒定了參與植物咖啡酸代謝的有效調(diào)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(zhì)素和類黃酮等其他代謝途徑中的分流（圖2），有效引導(dǎo)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(shù)下調(diào)了Nt4CLs、NtCHSs、NtCOMTs、NtCCoAOMTs和MYB11等木質(zhì)素和類黃酮合成相關(guān)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(nèi)源酪氨酸轉(zhuǎn)化為咖啡酸（圖3）。實驗結(jié)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(zhuǎn)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(chǔ)。

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(shù)確定提高植物中前體物含量的多重基因表達調(diào)控組合

植物體內(nèi)存在復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)來協(xié)調(diào)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(guān)生理參數(shù)，包括植物凈光合速率Pn、氣孔導(dǎo)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(jié)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(chǎn)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(yīng)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(chǎn)業(yè)及生物新能源產(chǎn)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(xué)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(shù)促進農(nóng)業(yè)、能源、環(huán)境等領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展提供新思路和技術(shù)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(shù)研發(fā)及應(yīng)用領(lǐng)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(wǎng)絡(luò)示意圖

浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院博士研究生葛潔瑜、浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院已畢業(yè)碩士研究生姬佳翼、浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院本科生瞿成杙、浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心郎緒業(yè)研究員、和浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心喬赫為文章共同第一作者，浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院和浙江大學(xué)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(xué)（哈佛大學(xué)-浙江大學(xué)）國際合作計劃學(xué)者項目，浙江省重點研發(fā)計劃(2020C02002)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)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