段康：基因编辑，让植物发光照亮黑夜

段康

云南纳博生物科技有限公司项目负责人

段康和他的团队经过多年的探索和实验，将海洋发光细菌的发光基因移植到植物叶绿体基因组中，创造一种能够发光的植物。他相信发光植物在新时代可以成为人类的好朋友，发光植物也可以帮助城市展现出更美好的未来。

首先我想跟大家分享一些有趣的图片。这是一个发光的水母。

下面的也是，很漂亮吧，但是它们的毒性很强。它们很早就被大家发现了，现在在一些海洋馆里也可以看到这些漂亮的发光水母。

下面这些生物来自于深海，各种形态独特的鱼，但是它们有一个共同的特点，就是它们都能够发光。

相信随着我们科技的发展，有了像蛟龙号这样先进的深潜器，那这些神奇的发光生物也会越来越被我们大家知道。

那么我们说完了海里的，陆地上的呢？这些是发光的蘑菇，大概有70种蘑菇是可以发光的，它们属于真菌类。

现在我想考一考大家，既能够在空中飞的，又能够发光的是什么？我听到有人说UFO，待会我们单聊。其实答案是萤火虫，目前自然界大概有两千种萤火虫，国内只有150种。

萤火虫对我们来说算是最熟悉的发光生物了，我们创造一种发光植物的最初灵感也来源于萤火虫，我从小就非常好奇这些萤火虫为什么会发光？

上世纪九十年代，我出生在美丽的湖北洪湖岸边。小时候，每到夏天的夜晚，这些一闪一闪的萤火虫是最吸引小伙伴们的，我们在黑夜里追着它跑，有时候会从田埂上掉进稻田里或者水坑里，把裤子和衣服都弄脏了，所以也少不了父母的打。

但当我们看到萤火虫在玻璃瓶里一闪一闪地发着光，伴随着我们入睡，心里还是很高兴的。可惜的是第二天，当我们看到萤火虫全部都死了，我就再也不敢捕捉萤火虫了。

十几年后到了情窦初开的年龄，有一次我去云南游玩，在一个山区的夜晚，整个山谷都是漫山遍野的萤火虫，太美了。此情此景，我脑海里的第一个念头就是可惜缺一个女朋友啊。不过在意识到女朋友这个问题比较难解决之后，我又在想可不可以把萤火虫的发光元件安装到植物上，让植物也可以发光呢？

到了大学，我鬼使神差地学了生物。知道了萤火虫是怎么发光的，但是却不知道这个发光的背后有什么样的基因，也不知道怎么安装到植物上面去。

2012年，我有幸到中国科学院昆明动物研究所遗传资源与进化国家重点实验室学习，知道了发光背后的基因，也学到了一些基因编辑的技术，最重要的是结识了一群志同道合的小伙伴。天时、地利、人和地创造一种发光的植物。

从2013年开始，我们收集了很多很多萤火虫的荧光素酶基因和荧光蛋白基因，我们利用传统的基因转化技术，把这些基因导入到不同的植物细胞核里。

大家看，这是一个植物细胞，紫色的是细胞核，绿色的是叶绿体。一般来说，一个植物细胞里面只有一个细胞核，叶绿体有几十到上百个。

我们把这些荧光素酶基因导入到不同的植物的细胞核里面，我们就获得了很多阳性的愈伤组织，也是很多阳性的植株，这是我们团队一二十个人两年的奋斗结果。

我们很开心地以为成功在即了，但是我们发现发光太微弱了，你甚至只能用仪器检测到发光，团队很气馁，瞬间从一二十个人到了几个人，我们发现其根本原因是发光基因在植物中的表达量实在是太低太低了，没有任何的商业价值，我们的第一次研发尝试也以失败告终。但是我们几个人得继续往前走啊，我们又开始想着怎么解决表达量的问题。

为了解决表达量的问题，我们关注到一种技术，叫叶绿体转化技术。这个技术有很多优点，最重要的就是能够使植物让外源基因大量表达，解决我们最关键的问题。那么它怎么能够使外源基因大量表达呢？上面也提到过了，一个植物细胞里面有几十到上百个叶绿体，假如每一个叶绿体DNA上面都有发光基因，那么这个发光的表达就能显著提高，让这个植物发出肉眼可见的光便有可能了。

有了解决思路，我们团队攻克了一个又一个的技术难题，我们从无到有建立了叶绿体转化技术，等我们把荧光素酶基因转入到植物的叶绿体中，我们发现这个发光还是很微弱。

大家看一下，这是萤火虫的发光原理图。在萤火虫的发光元件里面，有荧光素和荧光素酶，荧光素在荧光素酶和氧气的催化作用下，发生发光反应释放出光，所以我们小时候捕捉萤火虫放到玻璃瓶里后，这些发光会越来越微弱，到第二天萤火虫就会死去是因为它们缺少了氧气。

现在虽然我们把这些荧光素酶基因转入到了植物细胞的叶绿体里，但是形成发光反应的底物荧光素的基因是不清楚的，我们只能外加底物，让这个植物去吸收。大家想一下，这种发光的反应效率必然是很低的，所以基于前期的工作，我们团队的几个人就进行了深入讨论，我们讨论的结果就是要让植物发出肉眼可见的光，我们还需要找到更好的发光基因，所以我们重新前行。

经过大量的文献调研和不知道多少次的讨论，海洋发光细菌的发光基因系统引发了我们的强烈兴趣，从表观来说发光细菌是如此小的个体，但是它们却可以照亮整个海滩，那我的植物细胞里面的每一个叶绿体可不可以跟这些发光细菌一样发出光，也可以被看到如此灿烂？

从基因层面来说，发光基因系统被研究的很清楚了，酶和底物通路不需要外界的任何帮助，完全属于自给自足，只要植物生长的越好，那么它发光就会越亮。

我们打起精神，首先把发光基因转入到大肠杆菌里，对大肠杆菌进行细心地照料，当我们看到大肠杆菌的发光效果如此好之后，心里遍有了底气。然后我们开始进行高强度的植物转化，我们把这些发光基因系统用基因枪进行物理轰击，在不破坏叶绿体基因组任何一个碱基的前提下，定点导入到已经设计好的叶绿体基因组的物理位置上。几个月的艰苦工作，我们成功获得了第一个阳性的愈伤组织。

在为阶段性的成果欣喜之余，我们很快发现这个阳性的愈伤组织发光亮度还是不够强，甚至很多原本阳性的愈伤组织经过组织培养之后，反而丢失了发光基因的现象。

那段时间我们是很紧张的，就好像你怀着孕，还有两个月待产，医生突然告诉你说，孩子的心电图很微弱一样，你会特别担心。所以针对这个工作，我们又开始进行全新的调研，最后为了解决这个问题，我们开发了能够快速准确检测发光基因在叶绿体基因组中含量的技术，检测出含量高的我们就继续培养，这有点像我们现在的产前诊断。通过产前诊断出的愈伤组织能不能够发光，我们心里还是没有谱，毕竟自然界中有那么多的发光生物，但就是没有发光植物，所以创造一种能够发光的植物，也不是一件容易的事情吧！

科学的魅力除了不断地勇攀高峰，不断地失败也是其重要组成部分，所以当我们第一次进暗室观察这些诊断、筛选出来的愈伤组织时，我们内心已经做好了实验失败的准备。

我记得很清楚，那是一个周六的夜晚，我媳妇，那时候还是女朋友，她过来陪我加班。我们自制的暗室很简单，是大家常见的防晒用的宣传架和那些黑纱布搭建的，面积也很小。为了犒劳我，我媳妇让我带了三个橘子吃，我就在里面吃着橘子，适应黑暗，克服孤独。当我吃完最后一瓣橘子的时候，我突然发现眼前一亮，我以为是眼睛冒星光，我揉了揉，那些发光的强度好像来自愈伤织，我再揉了揉，它们亮了，它们亮了，它们真的亮了！

我的心跳瞬间从120到了180，我跳起来，跑出去抱着我媳妇，我说了一句，我记得很清楚，“媳妇你不用工作了！”当然我说这句话，并不是我大男子主义精神很强，而是那个时候她在昆明工作很不开心，我收入也低，我们两个生活比较窘迫。当然现在来看也没有什么改变，跟房价一对比还是很窘迫。

现在呢，我想跟大家一起回顾一下我们当时看到的发光植物，大家看到的这个发光植物是我们团队第一代的发光植物。

这是我们使用的一个模式生物烟草，为什么使用烟草呢？是因为烟草的培植周期很短，我们可以快速看到发光基因的效果。这个里面有些培养基，我们给它们最适宜的温度，这些烟草在普通的光照下跟普通的植物基本上是没有任何异样的。

现在我们进入暗室观察，我们进入暗室之后，肉眼需要适应黑暗，你才能慢慢看到一点点的亮光。但是，随着时间的推移，这些光亮会越来越强。现在开始看它的侧面，我们把瓶子扭转一下就可以看到这个植物的全貌。

现在大家对我们的发光植物，有了基本的了解，你们应该能体会到我当时心跳是怎么从120到180的了吧！所以在这里我也感谢团队那几个人，真的是一直在互相鼓励、互相坚持，当发光植物亮了的时候，我们终于从0到了1。有了这个1，我们就能做到更多，在发光植物上面有更好的想法，有了这个1，我们就能做到更多更有意义的事情。

目前，我们正在研发发光强度更高的发光植物，同时我们正在翻译、组装几种多肉植物的叶绿体基因组，我们计划研发出发光多肉，甚至是发光花卉。我们的第一代发光植物有点像个小傻瓜，因为它总是不分昼夜地在那发着光，所以未来我们计划只让植物在夜晚发光，这样它就能储存更多的能量。甚至我们还打算给这个发光植物安装一个甲醛感应器，比如说大家的房间里面甲醛含量比较高的时候，它就能发出更强的光亮。

所以我现在小结一下吧，我觉得有一个天马行空的想法很重要，实现这个想法的各种技术只是一个工具，所以重要的还是创新的想法。其次是执行，特别是科研特别重要，比如说你光有想法，不动手去实验，永远不知道结果是什么样子，中间还会出现什么样的意外，所以我们还要解决各种各样的问题。

让我现在回想，我们整个项目做得最好的一点，就是我们把每一步、甚至是很小的一步都控制得非常清楚，不留任何的疑虑。从载体构建到转化，到跟踪这些发光基因在细胞中的含量等等，我们尽全力做到最好，结果也就水到渠成了。

当我们发光植物做出来之后，云南最大的媒体《春城晚报》首先进行了报道，后来《新浪科技》、《新华社》等媒体也重点报道了。

随着消息的传播，有人鼓舞，有人质疑......我们的初衷是创造一种无害于人和环境的全新观赏植物，赋予传统观赏植物新的涵义，这也是我们愿意把成果分享出来的原因。对于我们团队来说，我们不希望科研只能停留在实验室，我们更希望听到来自社会和市场的声音，这也是我们不断进步优化的灵感来源和动力。

有人质疑我们创造一种自然界中没有的发光植物是在违背进化。而事实上呢，自然界中生物发光是一种普遍现象。大自然中大约有七百种生物是可以发光的，也有很多关于发光植物的发现，基本上都是因为这些植物富含磷质，能释放出磷化氢气体，这些磷化氢气体在大气中的燃点是很低的，所以它们能够发生自燃使植物发出淡蓝色的光，并非是植物本身发光。

而我们大自然中有很多东西是可以发光的，比如说有发光的动物，有发光的微生物，有发光的真菌......发光的动物如萤火虫，真菌如蘑菇，微生物如发光细菌等等，它们都是可以发光的。那么，这些生物为什么要发光呢？萤火虫发光是为了吸引异性，求偶，一般来说是雄性的萤火虫来吸引雌性的萤火虫；蘑菇发光是为了吸引昆虫来给它传播孢子，达到繁殖的目的；水母发光是为了诱捕食物......对生物而言，这些发光总是充满吸引力，而且在自然界中很多生物都是具有趋光性的。

最新的研究也表明，在活细胞体内的大分子是可以在自然条件下发出荧光的，甚至这些生物发光已经广泛运用到生活的方方面面，比如说萤火虫的荧光素酶基因已经大大推动了我们生物研究的进程，发光细菌广泛应用于检测水中的有毒物质，还有用发光鱼来研究鱼的生活习性等等。

在这个生物多样性的时代，我们相信每一个基因都有它存在的价值，就好像每个人一样，存在即合理，所以发光基因和植物的结合也可以促进我们这个社会的和谐发展，比如说小时候经常能看到的那些萤火虫，因为现在的光污染和水污染，它们已经消失在我们生活的周围，但是正是因为人们对这些闪闪发光的生物具有强烈的好奇心，所以才有那么多的商业放飞，但是这些商业放飞的代价就是成千上万的萤火虫在几天内逐渐死去。

我们生活的环境是在不断地快速变化中，我们相信发光植物在新时代下是可以成为人类的好朋友，每当夜幕降临的时候，在家庭里面，在酒店里面，它们可以发出温柔的光芒；它们可以是我们在座情侣之间新的爱情定物；也可以是小朋友们驱赶黑暗的光明女神，甚至是一个小台灯；它还可以为我们照亮前行的道路，为我们这个社会带来和谐，这是它们最大的价值所在。

我们有幸生活在这个科技大爆发的时代，尽管我们无法预测未来的世界是什么样子，但是我们可以利用我们所掌握的技术，怀着对未来的一份美好憧憬去建造一个更加和谐、更加美好的未来。