有没有可能通过基因工程让植物发光，替代路灯？
2024-11-19 阅读 107
更新于 2024年11月22日
可以通过基因工程为植物引入生物发光所需的蛋白质之类，让植物发光。
在可预见的未来，无法期待这能用来替代路灯。用当前技术尝试让植物的生物发光达到路灯的亮度、稳定性、可控性，性价比会很难看。
按照《城市道路照明设计标准》（CJJ45-2015），快速路、主干道路面的照度应达到 20 至 30 勒克斯，次干道路面的照度应达到 15 至 20 勒克斯，支路路面的照度应达到 8 至 10 勒克斯。让生物发光达到这强度，需要大量的实验，需要大把的经费，非常困难。主要从叶面发光的植物在冬季寒冷的地区、长期干旱的地区难以期待。让植物枝干大量发光，需要大量的实验，需要大把的经费，相当困难。达到路灯标准的生物发光植物会将大量的光投射到空中，造成强烈的光污染。给它们加装灯罩或让它们自己长出适当的灯罩而不影响它们的生长，需要大量的实验，需要大把的经费，极其困难。这样脱裤子放屁造出的植物可能会被一些昆虫猛烈攻击。用基因工程给这些植物配备抗虫能力，会卷入持久的演化军备竞赛，对于路灯这样的基础设施，你觉得合适吗？通过基因工程让人眼具有高度敏锐的暗视力，可能会比让植物发光替代路灯更容易、更便宜。1986 年，加州大学圣地亚哥分校研究人员将萤火虫的若干基因转入烟草，获得发光植物。那之后，人们陆续创造了一些发光植物。它们发出的光普遍很暗弱。
2017 年，麻省理工学院研究人员、加利福尼亚大学研究人员以纳米颗粒将荧光素酶递送到植物体内，获得能在黑暗中发光约四小时的植物[1]，其发光效果如图所示：
在很近的距离上，摆放大量这样的植物，勉强能当个糟糕的台灯。基因工程做出的发光植物普遍在单位体积内发出比这更暗弱的光。
2023 年 9 月，美国农业部宣布，人造的生物发光植物可以安全地繁殖、生长。Light Bio 等公司开始在美国市场上销售他们制造的生物发光植物，作为盆栽或加入花园。这些植物可能参与缓解一部分人对转基因的恐惧、减少人们对荧光绿的刻板印象。至于亮度，你可以看看它们在温室里的样子：
参考^doi: 10.1021/acs.nanolett.7b04369
个人认为用基因工程替代路灯是倒退。
论对太阳能的转化效率，太阳能电池板极限效率是22%，平均10%，而树叶对于太阳能的吸收效率最高4.6-6%，平均1.9-2.5%。
而储能效率上路灯用的是锂电和铅酸电池，植物用的是碳水化合物，2021年实现的的从电-甲醇的转化率是10%，而锂电的充电效率是99.5%。
到发光效率上我完全没了解，不知道差距多少，不过仅仅是到储能这一步上，两个方案已经完全拉开了。更何况
我建议是让植物干植物的事情，让路灯干路灯的事情。
我又想起一个角度，在发光强度没有达到一个基础亮度之前，基因工程发光植物绝对不适合拿来当基础照明的理由：
眩光
当发光的光线被直接照射入眼时候会造成看不清暗处的情形，所以基础照明应当是避免照射入眼。
一片发光的植物在路旁绝对会造成眩光。
正常的基础照明光源如果在可视范围内需要灯罩，然而如果给发光植物加上遮罩，又会影响植物的光合作用。
如果要用发光植物做基础照明，那么需要一个定制的照明方式，具体是什么样还得想，不过不能直接拿来替代路灯的灯泡，也不能简单往路边一种是肯定的了。
高赞答主已经基本解释清楚为什么这种赛博生物的技术路线行不通了，这里从当代生物技术已经发展到的现状详细说明一下，顺便对大家都好奇的转基因（基因工程）做个简单的科普，褪去它邪魅的面纱～
能发光的生物大自然中数量不多，首先想到的应该就是会发光的藻类（夜光藻），会发光的昆虫（萤火虫），会发光的鱼（安康鱼）等等…
这里首先要排除藻类，虽然它具有最高效的繁殖与发光效率，但原核生物与真核生物的基因转录与翻译机制不同，它们具有两套不同的启动子和调控元件。就像在C语言的背景下，写Java的指令，是不起作用的。
还好，植物和动物，用的是同一套“编程语言”。那么商业化最成功的自发光系统，萤火虫荧光素酶，就成为了不二的选择。
首先，我们说萤火虫荧光素酶报告基因是不二选择，那么让它发光，动物生命体中的ATP（三磷酸腺苷）就是必需品。发光是个耗能过程，之所以能发光，是ATP降解，化学能转化为光能。
植物在光合和呼吸的同时都可以产生ATP，而ATP又要拿去晚上发光。所以植物的光合作用必须高效且有足够自身生长代谢利用后的富裕，合成代谢要远远高于分解代谢，才能积累发光所需的能量。
有了可以基因编码的材料，那么剩下的就是插入的问题了。这个过程，可能比找对可以发光的材料，更麻烦。
目前所有的外源基因导入的办法，都无法保证绝对精确的的定向导入。也就会产生诸如插入片段打断原来植物基因组编码的某些基因序列，导致该部分基因失活。如果该部分基因是能量代谢相关，就存在插入致死的可能性。因此，基因插入，这个看似简单的操作，其实伴随了高度的风险。
高风险也有高收益的时候，千万分之一的概率插入位点合适，且伴随强启动子和高拷贝数的Buff。那么，是不是如果不计成本操作，插入10万株，成功一株，我们就能获得路灯植物了呢？
举个例子吧，荧光素酶报告基因，10E6个细胞拷贝数，显微镜视野下，勉强看得出在发光。同样的，大型生物体（小鼠）体内能被机器检测出发光的最低下限是10*E8个拷贝数（上千万个细胞）。这还的用底寸在2～4inch的超大底CMOS感光芯片，而且至少1～5 秒的高曝光。
通过基因工程技术导入萤火虫荧光素酶报告基因的小鼠在发光用过照相机的兄弟都明白这是个什么数量级别的光通量了，别说用来照明了，用人眼的感光能力来说，出了月亮，怕是夜光植物自己的光就被覆盖了，必须全黑环境，才能看得出它在发光。
比萤火虫荧光素酶报告基因发光方法光通量更高的发光方法有吗？可行吗？生物手段是有的，但那不叫自发光，叫激发光。
具有激发光特征的生物体内含有一些嘧啶，咪唑等生物杂环化合物。在特殊环境下，能够在蛋白质折叠的过程中，与蛋白一起形成荧光共振结构基础。可以在接受强光激发的时候，发生电子跃迁吸收能量，并在激发光消失后，电子跳跃回原轨道释放能量，释放的能量以荧光的形式释放出来。
GFP荧光蛋白在显微镜下发光的照片大前提，强光激发。这个光强度，是要求照度至少上万Lux级别（晴天大太阳），生物实验中一般用激光聚焦来激发。所以，这种技术路线出来的植物，天气不好不能用，很挑剔。
还有一点，生物荧光基团可不是储能充电宝，可以持续放电12个小时。一般激发荧光，顶多亮20～40分钟后，就呈指数型下降了。全灭也不过两三个小时的间档。总不能我每一株道旁树配个闪光灯，曝光5分钟，照明半小时吧？
另外，这个技术路线和荧光涂料是类似的。与其搞基因工程导入生物荧光蛋白，不如给树喷涂荧光涂料来的省时省力。对吧？另外，生物荧光其实比生物自发光光照强度，不过高出数十倍到百倍而已，还是太弱小了，达不到照明的级别。（生物发光都不敢用Lux这个单位来统计发光的光通量，而正常夜间照明，最少也需要数百Lux）
综上，题主想法很好，技术路线也有。但太不成熟，目前人类科技的解锁程度，达不成上述成就。
所以，是否考虑一下另一个方案？人人都改大底CMOS的眼睛？视网膜面积或光敏细胞数增加，比起提升生物荧光发光几万个数量级，也许更为行得通。
大底灯泡眼的生物，自然界也很多啊，猫头鹰？眼镜猴？
发光实现简单，
但替代路灯，道阻且长。
首先，法律方面过不去。
发光强度、持续时间不满足具体的道路照明适用性。
道路照明设施的规划和建设受到《中华人民共和国城市市政公用设施管理条例》及《道路照明设计标准》的规范 。
根据标准，城市道路的照明需求因道路等级、宽度、交通化路灯的光照强度应满足夜间安全行驶的最低要求。
快速路、主干道路面的照度应达到 20 至 30 勒克斯，次干道路面的照度应达到 15 至 20 勒克斯，支路路面的照度应达到 8 至 10 勒克斯。如果采用发光植物替代路灯，必须确保植物的发光强度、持续时间都达到相应标准。
目前的话，就像蜡烛比日光灯（远没有蜡烛亮）。
还有基因工程技术在应用中受到严格的环境影响评估和法规限制。发光植物大规模应用前，必须通过相关部门的环境安全评估，确保其不会对生态环境和人类健康造成不利影响。（参考转基因大豆，食用油现在都会标明使用非转基因大豆）
另外，从基因工程与生物工程角度来聊聊
基因工程目前的技术，已经成功在实验室环境下制造出能够发光的植物。比如针对两大类发光蛋白：荧光素酶（luciferase）和绿色荧光蛋白（GFP）
荧光素酶是一种由特定生物（如萤火虫）产生的酶，能够在与底物（如荧光素）反应时释放光。科学家通过转基因技术，将荧光素酶基因导入植物基因组，获得可以发光的转基因植物。
2017年，俄罗斯的研究团队成功将 Photinus pyralis（萤火虫）中的荧光素酶基因导入烟草和水稻中，实现了这些植物在特定条件下发光。这种技术利用了Agrobacterium tumefaciens 媒介的基因转移系统，使得植物细胞能够表达外源性基因绿色荧光蛋白（GFP）作为一种标记蛋白，已经被广泛应用于生物学研究中。其基因来源于水母 Aequorea victoria，具有良好的发光特性。通过合成生物学的方法，科学家可以在植物中表达GFP，以追踪细胞和组织的生长发育过程。
中国科学院的研究小组成功在大豆中表达GFP，使得研究人员能够观察到植物在不同环境下的生长情况。导入萤火虫萤光素酶的烟草（左）和导入荧光蛋白的柑橘叶片（右）真正能够实现肉眼可见的植物发光系统在 2020 年取得了重要突破。
来自美国和俄罗斯的科学家分别利用存在于发光真菌中的真菌生物发光途径（fungal bioluminescence pathway，FBP），改造并建立了在植物中可以起作用的生物发光系统。
在 FBP 系统中，咖啡酸（caffeic acid）先被转化为中间产物牛奶树碱（Hispidin），再经过酶催化进一步转化为荧光素，最后荧光素在萤光素酶的催化作用下氧化并释放出光能。
对于这个体系而言，至关重要的是作为荧光素转化原料的咖啡酸。咖啡酸是植物体内常见的物质分子，是木质素和其他重要植物代谢产物的关键中间产物。
因此，将 FBP 系统导入植物，把真菌发光的咖啡酸循环代谢途径整合到植物的代谢过程中，从而构建不需要添加任何化学物质即可产生自发光的植物，这是可行的。
除此之外，咖啡酸循环产生的绿色光与有色植物吸光的光谱在很大程度上不重叠，因此 FBP 途径产生的光也不会因为被植物自身吸收而损失很大亮度。
自发光植物进行呼吸作用的时候，吸收的氧气可促使萤光素酶与荧光素相互作用发生氧化反应，此时植物就会以光的形式释放能量。如果释放出来的光能足够强烈，转化后的植株可在活体生长的状态下产生肉眼可见的自发光。
导入了 FBP 系统的自发光烟草。2023 年 5 月，浙江大学都浩团队在此基础上又对该系统进行了改良。他们在研究中发现，荧光素的生物合成前体咖啡酸和中间产物牛奶树碱的含量高低是植物发光强度的限制性因素。通过鉴定和筛选，研究团队分别得到了来自甘蓝型油菜和构巢曲霉的两个催化酶基因。
在 FBP 系统中引入这两个基因，这二者产生的催化酶能高效促进植物体内咖啡酸和牛奶树碱的大量合成和积累，由此明显提高了荧光素的含量，从而成功地增强了自发光植物的发光强度。
这种经过代谢工程手段优化的植物自发光系统，比原来的发光亮度提高了五倍以上，并且能够持续稳定地发出人类肉眼可见的光。哪怕是离体的叶片，也同样能持续发光三天之久。团队经过进一步研究发现，蔗糖供应的缺乏会导致增强型自发光植物中的咖啡酸和牛奶树碱的生物合成显著降低，说明自发光植物光合作用产生的糖对于荧光素的合成至关重要。
这些发现提供了一种解释机制，即生物发光植物白天通过光合作用固定空气中的二氧化碳，将太阳能转化为糖和其他有机物，晚上再通过异化作用释放出光能。
增强型 FBP 烟草在开花期的发光效果。尽管已有成功的案例，但当前发光植物的光强仍显不足。研究显示，普通LED路灯的光强在5000到8000流明，而大多数发光植物的光输出仅为几百流明。
针对发光强度，科学家们也在进一步寻找解决方案：
2019年，一项针对基因编辑技术的研究表明，通过CRISPR-Cas9系统对植物中的发光蛋白基因进行优化，可以显著提高其发光效率。该技术能有效增强发光蛋白的表达量，使植物在夜间的可见性增加。
此外，研究人员还希望通过优化代谢，提升植物发光效率。美国麻省理工学院的研究人员利用纳米粒子技术，增强植物细胞内的光能传递，从而提高发光强度 。
《将活植物叶肉增强为光子电容器》（Augmenting the living plant mesophyll into a photonic capacitor）SA NP 渗透到活植物中（来源：Science Advance）此外，还有在持续性与能量消耗方面的问题有待解决：多数植物的光合作用主要发生在白天，夜间则缺乏足够的能量支持持续发光。目前，研究人员正在尝试通过基因调控机制，将植物白天积累的能量有效转化为夜间发光的能量供应。此外，合成生物学技术可能进一步优化能量转化的效率，增加光的持续性。
加州大学伯克利分校的科学家们提出了一种“生物电池”设计，允许植物在夜间通过化学反应释放能量以维持发光。这一方法结合了植物的生理特性和生物电池技术，有望为未来的发光植物提供一种新的能量供给方式。如果这些都突破了，还会面临适应性问题：发光植物的耐候性和抗环境变化能力。城市环境中的污染、气候变化和人为破坏都会影响植物的健康和发光效果。
生物工程生物工程的角度看，发光植物应用于城市照明，首先是生长与维护，还需要面临持续性、生态平衡和生命周期等多方面的挑战。
1.植物的生长与维护条件
在城市环境中，植物面临着一系列挑战，包括污染、极端气候、土壤质量低下等。这些因素不仅影响植物的生长，还可能影响其发光性能。
2.植物的生命周期与耐久性
发光植物的生命周期和耐久性直接影响其在城市环境中的应用效果。大多数植物在极端天气条件下表现不佳，容易枯死或失去发光能力。
另外，也有科学家正在尝试通过遗传改良，使植物对城市环境中的污染物更加耐受，甚至利用基因编辑技术使植物能够净化空气，从而提升其附加价值。
理想的发光植物不仅需要在城市中存活，还需保持较低的维护成本，以确保经济可行性。
最后，环境与生态平衡也是应该被考虑到的。
