我买了一株发光植物。它引领我进入了一个兔子洞

矮牵牛花从未真正打动过我。如果你告诉我有一天，我会为一个矮牵牛花苗支付超过 50 美元，我肯定会嗤之以鼻。但这种植物很特别。这株矮牵牛花在黑暗中会发光。

我的植物是爱达荷州生物技术初创公司 Light Bio 在四月份在美国各地运送的 5 万株植物之一。它被称为“萤火虫”矮牵牛花，含有来自生物发光蘑菇的基因，使其持续发光。宣布矮牵牛花上市的新闻稿中包含一张照片，照片中一位女士宁静地凝视着一大片鲜花，这些鲜花像超大的夜光星星一样被点亮。

我想，这真是一个巧妙的把戏。

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我也想知道萤火虫矮牵牛花是否不仅仅是一个把戏。尽管它看起来微不足道，但或许存在一些我没有想到的含义。至少，这种植物可能会让我——一个植物的狂热爱好者（但有点植物学势利眼）——对矮牵牛花产生不同的看法，那些加油站和豪宅都常见的装饰植物。

我决定了解更多。所以我支付了 53 美元（植物 29 美元，运费 24 美元）并下了订单。

看，生物发光

生物发光是生物体发光。它是由生物体内的化学反应产生的（不同于夜光贴纸的磷光，夜光贴纸需要在发光前充电）。生物发光非常普遍，尤其是在海洋中：有细菌、海蜗牛、虾、鱼和鱿鱼会发光。陆地发光体包括一些昆虫和蠕虫以及真菌。

科学家们只弄清了少数生物发光生物体中涉及的具体化合物。但在大多数情况下，发光反应的基本原理是相同的：它需要燃料、氧气和催化剂才能启动反应。在生物发光研究的术语中，燃料被称为荧光素，催化剂被称为荧光素酶。荧光素酶帮助将氧气添加到燃料中，将其转化为一种非常活泼的高能化合物。当这种过度兴奋的荧光素放松时，它就会发光。

产生光的能力已在生命之树的数百个属中得到证实。科学家们认为它在不同的谱系中独立进化，可能超过 94 次。

生物体以多种方式使用生物发光。对于萤火虫来说，这是一种吸引配偶的求偶信号。一些鱼用它来诱捕猎物。其他动物，例如吸血鬼乌贼，可以喷射出一团发光的粘液，用它来分散或迷惑捕食者。在许多谱系中，发光可能是作为一种解毒策略而出现的。当氧气处于活性状态时，它会在细胞中反弹并损害分子。这表明许多荧光素最初是抗氧化剂；它们的主要作用是清除代谢过程中产生的有害氧。

寻找真菌的光芒

生物发光真菌长期以来一直吸引着人们的注意力。公元前四世纪，亚里士多德注意到真菌在黑暗中可以是“火热而闪闪发光的”。几个世纪后，老普林尼在他的百科全书式著作《自然史》中提到了树上生长的一种蘑菇发出的“耀眼的光芒”。但直到最近，没有人确切知道真菌使用的是什么燃料或催化剂，甚至不知道所有发光真菌是否以相同的方式发光。

对燃料和催化剂分子的寻找在 2017 年达到了顶峰，此前经历了一个多世纪的研究以及美洲一支不屈不挠的团队和俄罗斯一家关系良好的实验室之间长达数年的国际竞赛。然而，甚至在那之前，科学家们一直在试图解开生物发光的奥秘。

在 19 世纪 80 年代，法国生理学家拉斐尔·杜布瓦正在研究一种萤金龟属Pyrophorus，它是生物发光昆虫中最亮的一种。杜布瓦将萤金龟的发光部分在冷水中研磨。它们发光然后消失殆尽。然后他在沸水中做了同样的事情：不发光。但是当他将热混合物添加到冷混合物中时，混合物发光了。杜布瓦（他后来创造了荧光素和荧光素酶这两个术语）意识到该反应需要催化剂和燃料。只有冷水含有起作用的催化剂——沸腾破坏了它。但热提取物和冷提取物都含有燃料，燃料在沸腾中幸存下来。将热提取物添加到冷提取物中为含有功能性催化剂的提取物提供了新鲜燃料——因此它产生了光。

几十年后，科学家们将对生物发光真菌进行这种冷热实验，但燃料和催化剂的身份仍然让他们捉摸不透。

大约有 130 种真菌是生物发光的，旧金山州立大学的名誉研究员真菌学家丹尼斯·德斯贾尔丹说，他描述了其中几种真菌。真菌一生中的大部分时间都以菌丝体的形式存在，菌丝体是线状细丝的网络，生物发光真菌的菌丝体会发光，尽管它通常隐藏在许多真菌生长的腐烂木材中。在长出蘑菇的物种中，蘑菇也可能发光。

2005 年，德斯贾尔丹开始与巴西圣保罗大学的化学家 卡西乌斯·斯特瓦尼 合作，后者正在研究真菌如何产生光芒。斯特瓦尼与当时的博士生安德森·奥利维拉一起，改进了杜布瓦的冷热实验，添加了各种细胞化学物质来润滑反应。在完善了协议后，斯特瓦尼希望使用不同种类的真菌进行冷热实验，一种真菌用于冷，另一种真菌用于热。斯特瓦尼和德斯贾尔丹在 2012 年报道称，这些跨物种实验表明，不同的真菌使用了相同的催化剂和燃料，这表明生物发光在真菌谱系中只进化过一次。

“这非常重要，”斯特瓦尼说。“它在说，哦，如果你在俄罗斯或亚洲有一种真菌，你可以用它来研究这种机制，因为它在所有真菌中都是相同的。”

与此同时，生物化学家 伊利亚·扬波尔斯基，他现在在莫斯科的俄罗斯科学院领导一个实验室，也在紧追真菌发光的踪迹。斯特瓦尼听说了这一进展。“我当然很疯狂，因为我已经研究这个 15 年了，”他说。2015 年，他写信给扬波尔斯基，建议他们合作。但俄罗斯人已经抢在斯特瓦尼之前发现了荧光素；他们的发现只是尚未发表。

结果发现，真菌燃料是由一种叫做齿孔菌素的抗氧化剂制成的。齿孔菌素不仅存在于真菌中，也存在于许多植物中。“我寻找了 15 年的分子——我看看窗外，我看到植物中就有这种分子，”斯特瓦尼说。

从那时起，两个团队就开始合作。（“我们与俄罗斯人串通一气，”德斯贾尔丹开玩笑说。）他们确定了导致发光反应的生化装配线的细节，并在 2018 年的《美国国家科学院院刊》上共同发表了研究结果。斯特瓦尼为真菌催化剂命名。他称之为luz，葡萄牙语中“光”的意思。

从真菌到矮牵牛花

发光矮牵牛花创造的关键发现是真菌中荧光素燃料的来源。它由一种称为咖啡酸的前体化合物制成，咖啡酸在真菌和植物中都很常见。真菌产生光的装配线形成一个整洁的循环——咖啡酸转化为齿孔菌素，齿孔菌素转化为燃料，燃料发光，剩余的化合物又转化回咖啡酸——重新启动循环。斯特瓦尼意识到，如果植物也产生那种前体化合物，那么几乎任何植物都可能被工程改造为发光。他向扬波尔斯基说了这一点。“我说，‘伙计，我们有一个使用咖啡酸的系统。我们可以转化任何植物！’”

扬波尔斯基回答说：“你以为我在做什么？”

俄罗斯合成生物学家 卡伦·萨基相 领导了整理发光反应中涉及的各种基因的细致工作。然后，该团队将这些基因——来自生物发光真菌Neonothopanus nambi——插入到烟草植物中。它奏效了：芽、花蕾、花朵甚至根——它们都发光了。“植物和真菌，它们说的是类似的生化语言，”Light Bio 的联合创始人萨基相说，他现在在伦敦帝国学院经营着自己的实验室。“而且由于它们说的是类似的生化语言，因此将代谢途径从真菌翻译到植物相对容易。”

经过更多基因改造，萨基相、扬波尔斯基及其合作者成功地诱导其他植物——菊花、杨树、拟南芥和矮牵牛花——发光。到 2023 年 9 月，美国农业部已批准 Light Bio 关于制造和销售发光矮牵牛花的请求，并确定这些植物不会构成重大风险。五个月后，我下了订单。

哦，矮牵牛花

我的矮牵牛花刚到时看起来像普通的白色花园矮牵牛花。它有点蓬头垢面；我把它移植到一个新盆中，给它浇了些水，并在阳光充足的窗户旁找了个位置。几周后，它变得精神起来。当我把它带进黑暗的壁橱时，它的花朵微微发光——比蜡烛的光芒暗淡，但确实在发光。

我本打算调查矮牵牛花是否会造成任何生态破坏——如果它与野生物种杂交，发光基因逃逸怎么办？我们的户外空间是否会被改造成（非常安静的）植物狂欢节？但矮牵牛花的光芒似乎太微弱，不会对任何事物产生太大影响。

艾尔莎·杨斯泰特，她是 2023 年《生态学、进化与系统学年度评论》中一篇关于城市环境中持续的光照可能如何影响授粉的文章的合著者，基本上同意我的看法。

她解释说，在美国没有任何野生的本地矮牵牛花，而美国是目前唯一可以买到萤火虫矮牵牛花的地方。普遍常见的花园矮牵牛花都是杂交品种，是白色花朵和蛾类授粉的腋生矮牵牛与有色、蜜蜂授粉的物种长期杂交的结果。北卡罗来纳州立大学的授粉生态学专家杨斯泰特说，这些杂交矮牵牛花已经呈现出各种各样的信号，可能会使授粉者感到困惑。而且它们都没有被证明在美国具有入侵性。

那么——萤火虫矮牵牛花呢？“我并没有立即对它感到震惊，”杨斯泰特说。但是，她补充说，“我们为什么要花费时间、金钱和潜在风险来制造一些东西只是为了好玩呢？”

的确，为什么呢？事实上，我越想越觉得，将真菌基因植入矮牵牛花只是锦上添花。真正的奇迹——蛋糕——是多年来为弄清楚真菌是如何发光的而进行的艰苦侦查工作。这让我对我家的矮牵牛花产生了一种令我惊讶的喜爱之情。

本文最初发表在 可知杂志 上，可知杂志是 Annual Reviews 旗下的一项独立新闻事业。注册新闻通讯。