光る植物が登場！もしかしたら、これがあなたの次のデスクランプになるかもしれません。

文学や芸術作品のファンタジーの世界では、光る植物がいたるところに見られます。幻想的な森、街灯の花、空中に浮かぶ蛍光の種子...これらの素晴らしい植物は壮大で感動的です。現実世界で植物が光るかもしれないと考えたことはありますか?

映画「アバター」のスチール写真

生物発光生物学に関する高度な経験

生物発光は、実は自然界ではごく一般的な現象です。現在、約 30 種類の独立した生物発光システムが知られており、発光する種には細菌、藻類、真菌、無脊椎動物などさまざまなものがあります。

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生物発光生物は非常に一般的なので、一部の科学者は「植物も光るのだろうか？」と疑問を持ち始めました。

これまでに「光るキノコ」を見たことがあるかもしれませんが、「キノコ」は植物ではなく菌類であることに注意してください。

当初、科学者は、実験室条件下で蛍光遺伝子をレポーター遺伝子として使用し、発光を検出することで外来遺伝子が植物に正常に導入されたかどうかを識別したり、発光の強度に基づいて実験植物の成長状態や遺伝子発現を判断したりできるように、発光植物を作成しました。

発光植物を研究する場合、まず発光生物の高度な経験から学ぶことができます。

生物発光は、ルシフェラーゼがその基質ルシフェリンを触媒して化学発光を生成することに依存しています。 1980 年代初頭、科学者たちはホタルのルシフェラーゼを植物細胞や植物に導入して発現させていました。基質ルシフェリンとエネルギー物質アデノシン三リン酸（ATP）を培地や水やりを通じて加えると、植物組織はホタルのような光を発します。

しかし、これらの発光植物は基質とエネルギーを供給するために外部源を必要とし、発光が弱い、持続時間が短い、肉眼での観察が難しいなどの制限があります。「蛍を眺めながら夜読書」のような明るさ効果も得られません。

上記の方法に加えて、科学者は、実験室での遺伝子工学を通じて、クラゲの蛍光タンパク質または改良された蛍光タンパク質を植物組織に移して発現させることで、蛍光植物を得ることもできます。しかし、これらの植物は、短期的な蛍光を発するために紫外線または青色光で刺激されなければならず、機器で検出する必要があります。これらは、実際には自ら発光する能力を持つ植物ではありません。

ホタルルシフェラーゼを発現したタバコの葉（左）と蛍光タンパク質を発現した柑橘類の葉（右）。画像出典：参考文献[4]および参考文献[5]

始まりました！自発光植物が登場

ホタルやクラゲから得た経験を植物に完全に適用することはできないため、科学者たちは発光菌から学び始め、今回は成功した。

2020年、植物の発光システムにおいて、実際に肉眼で見える重要な進歩がありました。米国とロシアの科学者たちは、発光菌類に存在する真菌生物発光経路（FBP）を利用して、植物で機能する生物発光システムを変換し、確立した。

FBP システムでは、カフェ酸はまず中間生成物のヒスピジンに変換され、その後酵素触媒によってルシフェリンに変換されます。最後に、ルシフェリンはルシフェラーゼの触媒作用によって酸化され、光エネルギーを放出します。

FBP を一時的に発現する Catharanthus roseus と Rosa feldspar。画像出典：参考文献[1]

このシステムにとって重要なのは、フルオレセインの変換の原料となるカフェ酸です。カフェ酸は植物によく見られる分子であり、リグニンやその他の重要な植物代謝産物の重要な中間体です。したがって、FBP システムを植物に導入し、真菌発光のカフェ酸回路代謝経路を植物の代謝プロセスに統合することで、化学物質を添加せずに自己発光できる植物を構築することが可能です。

さらに、カフェ酸回路によって生成される緑色光は、有色植物によって吸収されるスペクトルとあまり重ならないため、FBP 経路によって生成される光は、植物自体による吸収によって明るさがそれほど失われることはありません。

自発光植物が呼吸すると、吸収した酸素がルシフェラーゼをルシフェリンと相互作用させて酸化反応を引き起こし、その際に植物は光の形でエネルギーを放出します。放出された光エネルギーが十分に強い場合、形質転換された植物は生きながら成長しながら肉眼で見える自己発光を生成できます。

FBPシステムを導入した自発光タバコ植物。画像出典：参考文献[3]

各世代は前世代よりも明るくなっている

将来、植物が照明を提供するかもしれない

2023年5月、浙江大学の杜浩氏のチームはこれを基にシステムをさらに改良した。

研究チームは、ルシフェリンの生合成前駆体であるカフェ酸と中間生成物であるラクトンの含有量が植物の発光強度を制限する要因であることを発見した。研究チームは、同定とスクリーニングを通じて、それぞれ Brassica napus と Aspergillus nidulans から 2 つの触媒酵素遺伝子を取得しました。

これら2つの遺伝子をFBPシステムに導入することで、それらが産生する触媒酵素が植物中の大量のカフェ酸と乳酸菌の合成と蓄積を効率的に促進し、ルシフェリン含有量を大幅に増加させ、自発光植物の発光強度を高めることに成功しました。

代謝工学により最適化されたこの植物自発光システムは、本来の5倍以上の明るさを持ち、人間の目に見える光を連続的かつ安定的に発することができます。葉は体から離れてからも3日間光り続けます。

複数の花を咲かせた植物を一緒に置くと、それらが発する光が暗い環境を照らし、近くにある大きな文字をはっきりと見ることができるほど明るくなります。

強化されたFBPプラント

さらに研究を進めた結果、研究チームは、ショ糖の供給不足により、強化された自家発光植物におけるカフェ酸とラクトンの生合成が大幅に減少することを発見しました。これは、自家発光植物の光合成によって生成される糖が、ルシフェリンの合成に不可欠であることを示しているのです。

通常のFBP植物の自己発光強度との比較。画像出典：参考文献[6]

これらの発見は、生物発光植物が日中に光合成によって空気中の二酸化炭素を固定し、太陽エネルギーを糖や他の有機物に変換し、夜間に異化作用によって光エネルギーを放出するメカニズムを説明するものです。

開花期におけるFBPタバコの発光効果の増強。画像出典：参考文献[6]

この研究結果は、植物の自己発光のメカニズムの詳細な分析と検証を提供し、発光システムのさらなる設計と最適化に重要な方向性を示しています。これまでの成果をもとにさらに発光強度を向上させ、強い発光を示す植物品種を創出することができれば、実験室での科学研究や試験用途に限らず、環境照明などの分野での活用も期待されます。

結論

継続的な徹底的な研究により、発光植物の明るさはますます高くなり、将来的には照明を提供できる植物が実際に登場してくるかもしれません。想像してみてください。光る木を数本植えれば道を照らすことができますし、枝を持ったり光る花を植えたりすれば、それをランプとして使うことができます。なんと素晴らしい気分でしょう。その時、バイオエネルギーを直接変換して利用することができ、電力を節約できるだけでなく、二酸化炭素排出量を効果的に削減し、省エネ、環境保護、美化の2つの役割を果たします。

科学者が創り出した現実の「ワンダーランドガーデン」と「魔法の森」の驚異に期待しましょう。

参考文献

[1] Khakhar A、et al. Elife、2020、9：e52786。

[2] Krichevsky A、et al. PLoS One、2010年、5(11):e15461。

[3] ミティオウキナT、et al.ナショナルバイオテクノロジー、2020、38(8):944-946。

[4] Ow DWらサイエンス、1986年、234(4778):856-859。

[5] Wu H、et al.作物科学、2015年、55：2786–2797。

[6] 鄭P、他植物バイオテクノロジージャーナル、2023、21：1671–1681。

企画・制作

中国科学普及協会制作

著者: 李銀、中山大学生命科学学院

プロデューサー丨中国科学博覧会