Forschungsnotizen | Der Weg zur Entwicklung leuchtender Pflanzen

Der folgende Artikel stammt aus Mol Plant Plant Science , Autoren Ge Jieyu und Du Hao

Auf dem Planeten Pandora und in der atemberaubenden Meereslandschaft, die im Science-Fiction-Film Avatar gezeigt wird, können wir die schillernde Schönheit biolumineszenter Pflanzen wie des War-Feder-Farns, des Quallengrases und der behaarten Blattrohrkolben bewundern, die nächtliche Wunder und Unterwasser Geheimnisse offenbaren. Wissenschaftler bemühen sich, Science-Fiction zur Realität zu machen, eine perfekte Verschmelzung von Naturwissenschaft und Kunst zu erreichen und eine harmonischere und schönere Lebensumgebung für die Menschheit zu schaffen.

In der Natur gibt es leuchtende Quallen, Bakterien, Pilze und Glühwürmchen. Leider können Pflanzen, die Menschen mit Nahrung, Kleidung, Unterkunft, Transport und spirituellem Trost versorgen, die Dunkelheit der Nacht nicht für uns erhellen. Wenn die Nacht hereinbricht, kleiden Menschen Pflanzen normalerweise in LED-„Lichtmäntel“ oder beleuchten sie mit Fernlicht, um einen ästhetischen Effekt zu erzielen, doch dies verbraucht viel Strom. Laut Statistik macht die Beleuchtung etwa 25 % des gesamten Stromverbrauchs aus. In der aktuellen Situation extremer Energieknappheit und zunehmend schwerwiegender Umweltverschmutzung ist die Senkung des Stromverbrauchs für die Beleuchtung ein wichtiger Weg zur Förderung von Energieeinsparung und Emissionsreduzierung. Mit der rasanten Entwicklung der Biotechnologie wird die Schaffung leuchtender Pflanzen allmählich möglich, was nicht nur ästhetischen Genuss für den Menschen bringt, sondern auch Energie spart und eine grüne, kohlenstoffarme Entwicklung vorantreibt.

Zu diesem Zweck begannen Wissenschaftler eine vierzigjährige Exploration. Im Jahr 1986 veröffentlichten Forscher der University of California, San Diego, in science und zeigten, dass durch die Expression des Gens für die Glühwürmchen-Luciferase in Tabakpflanzen und die Zugabe eines exogenen Substrats die Tabakpflanzen extrem schwaches Licht emittieren konnten (Abbildung 1). Aufgrund des sehr schwachen Lichts und der Notwendigkeit, teure Substrate hinzuzufügen, um Lumineszenz zu erzeugen, wird dieses Beleuchtungssystem derzeit hauptsächlich in der Grundlagenforschung eingesetzt.

Abbildung 1

Im Jahr 2017 veröffentlichten Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA eine Forschungsarbeit in Nano Letters, in der sie die Nanobeladungstechnologie einführten, um Komponenten des Luciferase-Systems von Glühwürmchen in Pflanzen zu transportieren. Die mit Luciferase injizierten Pflanzen konnten bis zu 4 Stunden lang ein schwaches Leuchten abgeben und sogar Text auf einer Buchseite beleuchten (Abbildung 2) . Dieses Lumineszenzsystem erfordert jedoch auch exogene Substrate und Nanopartikel, und die Lichtemission ist nicht nachhaltig, was die Anwendung dieser Methode einschränkt.

Abbildung 2

Im Wald gibt es auch einige biolumineszente Pilze, die hauptsächlich in tropischen und subtropischen Gebieten mit relativ schwachem Licht vorkommen. Der bekannteste ist Mycena chlorophosMycena chlorophos (Abbildung 3), auch als leuchtender Pilz oder Nachtpilz bekannt. Der Legende nach verwendeten die alten Griechen diese Pilze als Nachtlichter, aber ihre Lebensdauer beträgt normalerweise nur drei Tage. Wenn sie tagsüber an einen dunklen Ort gebracht werden, leuchten sie nicht; erst in der Dämmerung geben sie ein schwaches grünes Licht ab, was darauf hindeutet, dass ihre Lumineszenz periodisch ist.

Abbildung 3

Im Jahr 2018 beschrieben Wissenschaftler aus Russland zusammen mit Forschern aus dem Vereinigten Königreich, Spanien, Brasilien, Japan und Österreich den Mechanismus der pilzlichen Biolumineszenz umfassend in den Proceedings of the National Academy of Sciences. Sie entdeckten, dass Pilze nur vier Schlüsselenzyme verwenden, um Kaffeesäure in Luciferin umzuwandeln und so Lumineszenz zu erzeugen, und dass die Übertragung dieser Enzyme auf andere Organismen ebenfalls die Lichtemission ermöglicht. Im Jahr 2020 veröffentlichte das Team einen Artikel in Nature Biotechnology, in dem sie die kodierenden Gene, die diesen vier Enzymen entsprechen, in das Tabakgenom einführten und erfolgreich leuchtenden Tabak erzeugten. Da das lumineszente Substrat dieses Systems Kaffeesäure ist, ein endogener Pflanzenmetabolit, kann es kontinuierlich für das menschliche Auge sichtbares Licht emittieren (Abbildung 4) , wobei die hellsten Blüten 6.47×10¹⁰ Photonen/min/cm² produzieren. Im März desselben Jahres veröffentlichte die University of Minnesota in den USA einen Artikel mit dem Titel "Building customizable auto-luminescent luciferase-based reporters in plants" in eLife. Diese Studie demonstrierte die transiente Expression des pilzlichen Lumineszenzsystems in verschiedenen Arten, validierte die Hypothese der spontanen Lumineszenz innerhalb eines bestimmten Bereichs und zeigte breite Anwendungsperspektiven für dieses System in Pflanzen auf. Die Lichtstärke dieser Studien bleibt jedoch relativ niedrig, was die Anwendung dieses Lumineszenzsystems stark einschränkt.

Abbildung 4

Am 8. Mai 2023 veröffentlichte das Forschungsteam unter der Leitung von Forscher Du Hao vom College für Landwirtschaft und Biotechnologie der Zhejiang-Universität eine Forschungsarbeit mit dem Titel "Metabolic engineering and mechanical investigation of enhanced plant autoluminescence" online in der international renommierten Zeitschrift Plant Biotechnology Journal. Die Studie stellte die neuesten Ergebnisse im Bereich der leuchtenden Pflanzen vor und schuf erfolgreich selbstleuchtende Pflanzen mit deutlich verstärktem Leuchten (Abbildung 5). Die Lichtstärke erreichte 3×10¹² Photonen/min/cm², und die Arbeit erläuterte detailliert die biologischen Eigenschaften und die Lumineszenzmechanismen dieser Pflanzen.

Abbildung 5

Forscher fanden heraus, dass der Gehalt an lumineszenten Substraten wie Kaffeesäure (Caffeic acid) und Hispidin (Hispidin) ein limitierender Faktor für die verstärkte Pflanzenbiolumineszenz ist. Das Forschungsteam screenete und identifizierte Gene, die die Synthese endogener lumineszenter Substrate in Pflanzen fördern. Sie führten das Gen BnC3’H1 aus Raps (Brassica napus) und das Gen AnNPGA aus Aspergillus nidulans in das pilzliche Lumineszenzsystem ein und schufen erfolgreich Pflanzen mit signifikant verstärkter Lumineszenz. LC-MS/MS-Daten zeigten, dass die Einführung dieser beiden Gene der Schlüssel zur Erhöhung der lumineszenten Substrate und damit zur Verstärkung der Lumineszenz war.

In Anbetracht der Tatsache, dass leuchtende Pflanzen ein breites Spektrum potenzieller Anwendungen haben, von der grundlegenden biologischen Forschung bis zur Landschaftsgestaltung, untersuchte das Team den Einfluss der Pflanzenwachstumsumgebung auf Leuchtsysteme. Die Lichtstärke reagiert unterschiedlich auf verschiedene abiotische Stressfaktoren, und ihr Reaktionsmuster spiegelt Änderungen in der Expression wichtiger Gene im Biosyntheseweg endogener Leuchtsubstrate in den Pflanzen wider. Durch eine Reihe von Behandlungsexperimenten entdeckte das Forschungsteam, dass die ursprüngliche Energie für das Pflanzenleuchten aus Zuckern stammt (Abbildung 6) . Darüber hinaus haben Pflanzen als photoautotrophe Organismen einzigartige Vorteile gegenüber Tieren und Mikroorganismen; sie können alle Substrate und Cofaktoren produzieren, die für den Betrieb des Leuchtsystems erforderlich sind, einschließlich Coenzym A, Malonyl-CoA, NADPH, ATP, Protonen und Sauerstoff (Abbildung 6) , durch Photosynthese und Atmung.

Abbildung 6

Die Autoren testeten dieses lumineszente System auch an anderen Zierpflanzen und bestätigten damit weiter die breite Anwendbarkeit des pilzlichen Biolumineszenzsystems in krautigen und mehrjährigen holzigen Pflanzen. Sie wählten die Pappel, einen in China häufigen Straßenbaum, für die genetische Transformation aus und erzeugten erfolgreich leuchtende Pappeln durch phänotypische und molekulare Analysen. Forscher aus dem Team von Dr. Du Hao stellten vor, dass dieses lumineszente System breite Anwendungen hat und in Zukunft als Werkzeug zum Nachweis grundlegender biologischer Makromoleküle in Tieren und Pflanzen entwickelt werden kann. Es ermöglicht den Nachweis ohne Abhängigkeit von teuren Großgeräten, wobei visuelle Beobachtung oder der Einsatz von Consumer-Kameras ausreichen, um die Nachweisziele zu erreichen. Darüber hinaus erfordert der Lumineszenzprozess dieses Systems keine Zugabe exogener Substrate, was es für hochdurchsatzfähige In-vivo-Nachweise mit niedrigen Kosten und hoher Benutzerfreundlichkeit geeignet macht. Zudem kann dieses System als Biosensor zur Erntedetektion eingesetzt werden und bietet umfangreiche Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen der gesunden Landwirtschaft und der intelligenten Landwirtschaft. Laut Berichten entwickelt das Forschungsteam weiterhin Methoden zur Steigerung der Leuchtdichte leuchtender Pflanzen und zur Entwicklung von Werkzeugen für die biologische Forschung. Bald werden sie allen weitere Überraschungen bringen.

In naher Zukunft werden neue Modelle der Bioenergienutzung in unserem Leben entstehen, nämlich ein neues Modell der Bioenergieumwandlung und -nutzung, das aus leuchtenden Pflanzen besteht—tagsüber können sie Sonnenenergie durch Photosynthese in organische Stoffe umwandeln und CO₂ aus der Luft binden; nachts setzen sie durch Katabolismus Lichtenergie für Beleuchtung mit niedriger Leuchtdichte frei. Dies hilft, Strom zu sparen, Kohlenstoffemissionen zu reduzieren, bietet neue Strategien zur Erreichung der „Dual-Carbon“-Ziele und lässt uns die wunderbare Vielfalt und die atemberaubende Schönheit des Lebens in der realen Welt von „Avatar“ erleben.

Zheng Peng, Postdoktorand am College für Landwirtschaft und Biotechnologie der Zhejiang-Universität und am Internationalen Innovationszentrum Hangzhou der Zhejiang-Universität, sowie Ge Jieyu, Masterstudentin am College für Landwirtschaft und Biotechnologie der Zhejiang-Universität, sind die gemeinsamen Erstautoren dieses Artikels. Der Forscher Du Hao vom College für Landwirtschaft und Biotechnologie der Zhejiang-Universität und vom Internationalen Innovationszentrum Hangzhou der Zhejiang-Universität ist der korrespondierende Autor. Der Forscher Wu Jianping von der Westlake University, Professor Lu Mengzhu von der Zhejiang A&F University, Dr. Ma Siqi vom Qingdao Tobacco Research Institute der Chinesischen Akademie der Agrarwissenschaften sowie die Forscher Fan Pengxiang und Pan Ronghui vom College für Landwirtschaft und Biotechnologie der Zhejiang-Universität haben dieser Studie erhebliche Unterstützung zukommen lassen. Professorin Jen Sheen von der Harvard University gab viele Anregungen zur Manuskripterstellung. Die in der Studie verwendeten Backbone-Vektoren stammen vom Team des Akademikers Liu Yaoguang und des Forschers Zhu Qinlong an der South China Agricultural University. Diese Forschung wurde durch das Schlüssel-F&E-Programm der Provinz Zhejiang (2020C02002), die Naturwissenschaftliche Stiftung der Provinz Zhejiang (Y21C020015 und LQ22C020002), das Internationale Kooperationsprogramm der Zhejiang-Universität und die Sondermittel für grundlegende Forschungsaktivitäten zentraler Hochschulen (K20200168) gefördert.

Der Original-Link lautet wie folgt:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14068

Literaturverzeichnis

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Autoren | Ge Jieyu, Du Hao

Quelle: Mol Plant Plant Science