Научные заметки | Путь к разработке светящихся растений

Следующая статья взята из Mol Plant Plant Science , авторы Гэ Цзеюй и Ду Хао

На планете Пандора и в потрясающем морском пейзаже, показанных в научно-фантастическом фильме «Аватар», мы можем восхищаться ослепительной красотой биолюминесцентных растений, таких как папоротник War Feather, медузья трава и камыш с волосистыми листьями, открывающих ночные чудеса и подводные тайны. Ученые стремятся превратить научную фантастику в реальность, достигая идеального слияния естественных наук и искусства, создавая более гармоничную и прекрасную среду обитания для человечества.

В природе существуют светящиеся медузы, бактерии, грибы и светлячки. К сожалению, растения, которые обеспечивают людей пищей, одеждой, жильем, транспортом и духовным утешением, не могут осветить для нас ночную тьму. Когда наступает ночь, люди обычно одевают растения в светодиодные «световые одежды» или освещают их дальним светом фар, чтобы создать эстетический эффект, но это потребляет большое количество электроэнергии. По статистике, на освещение приходится примерно 25% всего потребления электроэнергии. В условиях нынешнего острого дефицита энергии и растущего загрязнения окружающей среды снижение энергопотребления на освещение является важным способом продвижения энергосбережения и сокращения выбросов. С быстрым развитием биотехнологий создание светящихся растений постепенно становится возможным, что может не только приносить людям эстетическое удовольствие, но и экономить энергию, способствуя зеленому низкоуглеродному развитию.

С этой целью ученые начали сорокалетние исследования. В 1986 году исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего опубликовали статью в science, показав, что при экспрессии гена люциферазы светлячка в растениях табака и добавлении экзогенного субстрата растения табака могут испускать чрезвычайно слабый свет (Рисунок 1). Из-за очень слабого света и необходимости добавления дорогих субстратов для свечения эта система освещения в настоящее время применяется преимущественно в фундаментальных исследованиях.

Рисунок 1

В 2017 году ученые из Массачусетского технологического института (MIT) в США опубликовали исследовательскую статью в журнале Nano Letters, представив технологию нанопогрузки для доставки компонентов системы люциферазы светлячка в растения. Растения, инъектированные люциферазой, могли испускать слабое свечение в течение до 4 часов, даже освещая текст на странице книги (Рисунок 2) . Однако эта система люминесценции также требует экзогенных субстратов и наночастиц, а свечение не является устойчивым, что ограничивает применение этого метода.

Рисунок 2

В лесу также встречаются некоторые биолюминесцентные грибы, распространённые преимущественно в тропических и субтропических районах с относительно тусклым освещением. Наиболее известен Mycena chlorophosMycena chlorophos (Рисунок 3), также называемый светящимся грибом или ночным грибом. Согласно легенде, древние греки использовали эти грибы в качестве ночников, но их срок жизни обычно составляет всего три дня. Если днём переместить их в тёмное место, они не светятся; лишь к вечеру они издают слабый зелёный свет, что указывает на периодичность их свечения.

Рисунок 3

В 2018 году ученые из России совместно с исследователями из Великобритании, Испании, Бразилии, Японии и Австрии подробно описали механизм биолюминесценции грибов в Трудах Национальной академии наук США. Они обнаружили, что грибы используют всего четыре ключевых фермента для преобразования кофейной кислоты в люциферин, тем самым достигая свечения, и что перенос этих ферментов в другие организмы также позволяет им испускать свет. В 2020 году команда опубликовала статью в Nature Biotechnology, где они внедрили кодирующие гены, соответствующие этим четырем ферментам, в геном табака, успешно создав светящийся табак. Поскольку люминесцентным субстратом этой системы является кофейная кислота, эндогенный метаболит растения, она может непрерывно излучать свет, видимый невооруженным глазом (Рисунок 4) , при этом самые яркие цветки производят 6.47×10¹⁰ фотонов/мин/см². В марте того же года Университет Миннесоты в США опубликовал статью под названием "Building customizable auto-luminescent luciferase-based reporters in plants" в журнале eLife. Это исследование продемонстрировало транзиторную экспрессию грибной системы люминесценции у различных видов, подтвердив гипотезу о спонтанном свечении в определенном диапазоне и указав на широкие перспективы применения этой системы в растениях. Однако сила света в этих исследованиях остается относительно низкой, что серьезно ограничивает применение данной системы люминесценции.

Рисунок 4

8 мая 2023 года исследовательская группа под руководством исследователя Ду Хао из Колледжа сельского хозяйства и биотехнологии Чжэцзянского университета опубликовала научную статью под названием "Metabolic engineering and mechanical investigation of enhanced plant autoluminescence" в онлайн-версии известного международного журнала Plant Biotechnology Journal. В исследовании представлены последние достижения в области светоизлучающих растений: успешно созданы самосветящиеся растения со значительно усиленным свечением (Рисунок 5). Сила света достигла 3×10¹² фотонов/мин/см², и в статье подробно описаны биологические характеристики и механизмы люминесценции этих растений.

Рисунок 5

Исследователи обнаружили, что содержание люминесцентных субстратов, таких как кофейная кислота (Caffeic acid) и гиспидин (Hispidin), является ограничивающим фактором для усиления биолюминесценции растений. Исследовательская группа отобрала и идентифицировала гены, способствующие синтезу эндогенных люминесцентных субстратов в растениях. Они внедрили ген BnC3’H1 из рапса (Brassica napus) и ген AnNPGA из гриба Aspergillus nidulans в грибную систему люминесценции, успешно создав растения со значительно усиленной люминесценцией. Данные LC-MS/MS показали, что внедрение этих двух генов было ключевым фактором увеличения люминесцентных субстратов и, следовательно, усиления люминесценции.

Учитывая, что светящиеся растения имеют широкий спектр потенциальных применений, от фундаментальных биологических исследований до ландшафтного декора, команда изучила влияние условий выращивания растений на светоизлучающие системы. Сила света по-разному реагирует на различные абиотические стрессы, и характер этой реакции отражает изменения уровня экспрессии ключевых генов в биосинтетическом пути эндогенных светоизлучающих субстратов внутри растений. В ходе серии экспериментов исследовательская группа обнаружила, что первоначальная энергия для свечения растений поступает из сахаров (Рисунок 6) . Кроме того, как фотоавтотрофные организмы, растения обладают уникальными преимуществами перед животными и микроорганизмами; они могут производить все субстраты и кофакторы, необходимые для работы светоизлучающей системы, включая кофермент А, малонил-КоА, НАДФН, АТФ, протоны и кислород (Рисунок 6) , посредством фотосинтеза и дыхания.

Рисунок 6

Авторы также протестировали эту люминесцентную систему на других декоративных растениях, дополнительно подтвердив широкую применимость грибной биолюминесцентной системы в травянистых и многолетних древесных растениях. Они выбрали тополь, распространенное уличное дерево в Китае, для генетической трансформации и успешно создали светящиеся тополя с помощью фенотипического и молекулярного анализа. Исследователи из команды доктора Ду Хао представили, что эта люминесцентная система имеет широкое применение и может быть разработана как инструмент для обнаружения основных биологических макромолекул у животных и растений в будущем. Это позволит проводить обнаружение без зависимости от дорогих крупногабаритных приборов, позволяя визуальное наблюдение или использование камер потребительского уровня для достижения целей обнаружения. Более того, процесс люминесценции этой системы не требует добавления экзогенных субстратов, что делает ее пригодной для высокопроизводительного обнаружения in vivo с низкой стоимостью и высокой удобностью. Кроме того, эта система может использоваться как биосенсор для обнаружения сельскохозяйственных культур, предлагая обширные применения в областях здорового сельского хозяйства и умного сельского хозяйства. Сообщается, что исследовательская группа продолжает разрабатывать методы повышения яркости светящихся растений и создавать инструменты для биологических исследований. Вскоре они принесут всем больше сюрпризов.

В ближайшем будущем в нашей жизни появятся новые модели использования биоэнергии, а именно новая модель преобразования и использования биоэнергии, состоящая из светящихся растений—днём они могут преобразовывать солнечную энергию в органические вещества посредством фотосинтеза и фиксировать CO₂ из воздуха; ночью они выделяют световую энергию посредством катаболизма для освещения с низкой яркостью. Это помогает экономить электроэнергию, снижать выбросы углерода, предоставляет новые стратегии для достижения целей «двойного углерода» и позволяет ощутить удивительное разнообразие и потрясающую красоту жизни в реальном мире «Аватара».

Чжэн Пэн, постдокторант Колледжа сельского хозяйства и биотехнологии Чжэцзянского университета и Международного центра инноваций в Ханчжоу Чжэцзянского университета, и Гэ Цзеюй, магистрант Колледжа сельского хозяйства и биотехнологии Чжэцзянского университета, являются соавторами-первоавторами этой статьи. Исследователь Ду Хао из Колледжа сельского хозяйства и биотехнологии Чжэцзянского университета и Международного центра инноваций в Ханчжоу Чжэцзянского университета является автором для корреспонденции. Исследователь У Цзяньпин из Университета Вестлейк, профессор Лу Мэнчжу из Чжэцзянского аграрно-лесного университета, доктор Ма Сыци из Института исследований табака в Циндао Китайской академии сельскохозяйственных наук, а также исследователи Фань Пэнсян и Пань Рунхуэй из Колледжа сельского хозяйства и биотехнологии Чжэцзянского университета оказали значительную помощь в этом исследовании. Профессор Джен Шин из Гарвардского университета предоставила множество рекомендаций по написанию статьи. Скелетные векторы, использованные в исследовании, были получены от команды академика Лю Яогуана и исследователя Чжу Цинлуна из Южно-Китайского сельскохозяйственного университета. Это исследование было поддержано Ключевой программой НИОКР провинции Чжэцзян (2020C02002), Фондом естественных наук провинции Чжэцзян (Y21C020015 и LQ22C020002), Программой международного сотрудничества Чжэцзянского университета и Специальным фондом базовых научных исследований центральных университетов (K20200168).

Оригинальная ссылка следующая:

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

Список литературы

Оу, Д.У. и др. Транзиентная и стабильная экспрессия гена люциферазы светлячка в растительных клетках и трансгенных растениях. Science, 1986. 234, 856–859

Kwak, S.Y., Giraldo, J.P., Wong, M.H., и др. Нанобионическое светоизлучающее растение. Nano Lett. 2017,17, 7951–7961.

Котлобай А.А., Саркисян К.С., Мокрушина Я.А. и др. Генетически кодируемая биолюминесцентная система грибов. Proc Natl Acad Sci USA. 2018, 11 декабря;115(50):12728-12732.

Mitiouchkina T, Mishin AS, Somermeyer LG, и др. Растения с генетически закодированной автолюминесценцией. Nat Biotechnol. 2020 авг.;38(8):944-946.

Хакхар А., Старкер К.Г., Чамнесс Дж.К. и др. Создание настраиваемых автолюминесцентных репортеров на основе люциферазы в растениях. Elife. 2020 март 25;9:e52786.

Zheng P, Ge J, Ji J, и др. Метаболическая инженерия и механическое исследование усиленной автолюминесценции растений. Plant Biotechnol J. 8 мая 2023 г.

Авторы | Гэ Цзеюй, Ду Хао

Источник: Mol Plant Plant Science