我買了一株發光植物。它引領我進入了一個兔子洞

矮牽牛花從未真正打動過我。如果你告訴我有一天，我會為一個矮牽牛花苗支付超過 50 美元，我肯定會嗤之以鼻。但這種植物很特別。這株矮牽牛花在黑暗中會發光。

我的植物是愛達荷州生物技術初創公司 Light Bio 在四月份在美國各地運送的 5 萬株植物之一。它被稱為“螢火蟲”矮牽牛花，含有來自生物發光蘑菇的基因，使其持續發光。宣佈矮牽牛花上市的新聞稿中包含一張照片，照片中一位女士寧靜地凝視著一大片鮮花，這些鮮花像超大的夜光星星一樣被點亮。

我想，這真是一個巧妙的把戲。

關於支援科學新聞報道

如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續講述有關塑造我們當今世界的發現和思想的具有影響力的故事。

我也想知道螢火蟲矮牽牛花是否不僅僅是一個把戲。儘管它看起來微不足道，但或許存在一些我沒有想到的含義。至少，這種植物可能會讓我——一個植物的狂熱愛好者（但有點植物學勢利眼）——對矮牽牛花產生不同的看法，那些加油站和豪宅都常見的裝飾植物。

我決定了解更多。所以我支付了 53 美元（植物 29 美元，運費 24 美元）並下了訂單。

看，生物發光

生物發光是生物體發光。它是由生物體內的化學反應產生的（不同於夜光貼紙的磷光，夜光貼紙需要在發光前充電）。生物發光非常普遍，尤其是在海洋中：有細菌、海蝸牛、蝦、魚和魷魚會發光。陸地發光體包括一些昆蟲和蠕蟲以及真菌。

科學家們只弄清了少數生物發光生物體中涉及的具體化合物。但在大多數情況下，發光反應的基本原理是相同的：它需要燃料、氧氣和催化劑才能啟動反應。在生物發光研究的術語中，燃料被稱為熒光素，催化劑被稱為熒光素酶。熒光素酶幫助將氧氣新增到燃料中，將其轉化為一種非常活潑的高能化合物。當這種過度興奮的熒光素放鬆時，它就會發光。

產生光的能力已在生命之樹的數百個屬中得到證實。科學家們認為它在不同的譜系中獨立進化，可能超過 94 次。

生物體以多種方式使用生物發光。對於螢火蟲來說，這是一種吸引配偶的求偶訊號。一些魚用它來誘捕獵物。其他動物，例如吸血鬼烏賊，可以噴射出一團發光的粘液，用它來分散或迷惑捕食者。在許多譜系中，發光可能是作為一種解毒策略而出現的。當氧氣處於活性狀態時，它會在細胞中反彈並損害分子。這表明許多熒光素最初是抗氧化劑；它們的主要作用是清除代謝過程中產生的有害氧。

尋找真菌的光芒

生物發光真菌長期以來一直吸引著人們的注意力。公元前四世紀，亞里士多德注意到真菌在黑暗中可以是“火熱而閃閃發光的”。幾個世紀後，老普林尼在他的百科全書式著作《自然史》中提到了樹上生長的一種蘑菇發出的“耀眼的光芒”。但直到最近，沒有人確切知道真菌使用的是什麼燃料或催化劑，甚至不知道所有發光真菌是否以相同的方式發光。

對燃料和催化劑分子的尋找在 2017 年達到了頂峰，此前經歷了一個多世紀的研究以及美洲一支不屈不撓的團隊和俄羅斯一家關係良好的實驗室之間長達數年的國際競賽。然而，甚至在那之前，科學家們一直在試圖解開生物發光的奧秘。

在 19 世紀 80 年代，法國生理學家拉斐爾·杜布瓦正在研究一種螢金龜屬Pyrophorus，它是生物發光昆蟲中最亮的一種。杜布瓦將螢金龜的發光部分在冷水中研磨。它們發光然後消失殆盡。然後他在沸水中做了同樣的事情：不發光。但是當他將熱混合物新增到冷混合物中時，混合物發光了。杜布瓦（他後來創造了熒光素和熒光素酶這兩個術語）意識到該反應需要催化劑和燃料。只有冷水含有起作用的催化劑——沸騰破壞了它。但熱提取物和冷提取物都含有燃料，燃料在沸騰中倖存下來。將熱提取物新增到冷提取物中為含有功能性催化劑的提取物提供了新鮮燃料——因此它產生了光。

幾十年後，科學家們將對生物發光真菌進行這種冷熱實驗，但燃料和催化劑的身份仍然讓他們捉摸不透。

大約有 130 種真菌是生物發光的，舊金山州立大學的名譽研究員真菌學家丹尼斯·德斯賈爾丹說，他描述了其中幾種真菌。真菌一生中的大部分時間都以菌絲體的形式存在，菌絲體是線狀細絲的網路，生物發光真菌的菌絲體會發光，儘管它通常隱藏在許多真菌生長的腐爛木材中。在長出蘑菇的物種中，蘑菇也可能發光。

2005 年，德斯賈爾丹開始與巴西聖保羅大學的化學家 卡西烏斯·斯特瓦尼 合作，後者正在研究真菌如何產生光芒。斯特瓦尼與當時的博士生安德森·奧利維拉一起，改進了杜布瓦的冷熱實驗，添加了各種細胞化學物質來潤滑反應。在完善了協議後，斯特瓦尼希望使用不同種類的真菌進行冷熱實驗，一種真菌用於冷，另一種真菌用於熱。斯特瓦尼和德斯賈爾丹在 2012 年報道稱，這些跨物種實驗表明，不同的真菌使用了相同的催化劑和燃料，這表明生物發光在真菌譜系中只進化過一次。

“這非常重要，”斯特瓦尼說。“它在說，哦，如果你在俄羅斯或亞洲有一種真菌，你可以用它來研究這種機制，因為它在所有真菌中都是相同的。”

與此同時，生物化學家 伊利亞·揚波爾斯基，他現在在莫斯科的俄羅斯科學院領導一個實驗室，也在緊追真菌發光的蹤跡。斯特瓦尼聽說了這一進展。“我當然很瘋狂，因為我已經研究這個 15 年了，”他說。2015 年，他寫信給揚波爾斯基，建議他們合作。但俄羅斯人已經搶在斯特瓦尼之前發現了熒光素；他們的發現只是尚未發表。

結果發現，真菌燃料是由一種叫做齒孔菌素的抗氧化劑製成的。齒孔菌素不僅存在於真菌中，也存在於許多植物中。“我尋找了 15 年的分子——我看看窗外，我看到植物中就有這種分子，”斯特瓦尼說。

從那時起，兩個團隊就開始合作。（“我們與俄羅斯人串通一氣，”德斯賈爾丹開玩笑說。）他們確定了導致發光反應的生化裝配線的細節，並在 2018 年的《美國國家科學院院刊》上共同發表了研究結果。斯特瓦尼為真菌催化劑命名。他稱之為luz，葡萄牙語中“光”的意思。

從真菌到矮牽牛花

發光矮牽牛花創造的關鍵發現是真菌中熒光素燃料的來源。它由一種稱為咖啡酸的前體化合物製成，咖啡酸在真菌和植物中都很常見。真菌產生光的裝配線形成一個整潔的迴圈——咖啡酸轉化為齒孔菌素，齒孔菌素轉化為燃料，燃料發光，剩餘的化合物又轉化回咖啡酸——重新啟動迴圈。斯特瓦尼意識到，如果植物也產生那種前體化合物，那麼幾乎任何植物都可能被工程改造為發光。他向揚波爾斯基說了這一點。“我說，‘夥計，我們有一個使用咖啡酸的系統。我們可以轉化任何植物！’”

揚波爾斯基回答說：“你以為我在做什麼？”

俄羅斯合成生物學家 卡倫·薩基相 領導了整理發光反應中涉及的各種基因的細緻工作。然後，該團隊將這些基因——來自生物發光真菌Neonothopanus nambi——插入到菸草植物中。它奏效了：芽、花蕾、花朵甚至根——它們都發光了。“植物和真菌，它們說的是類似的生化語言，”Light Bio 的聯合創始人薩基相說，他現在在倫敦帝國學院經營著自己的實驗室。“而且由於它們說的是類似的生化語言，因此將代謝途徑從真菌翻譯到植物相對容易。”

經過更多基因改造，薩基相、揚波爾斯基及其合作者成功地誘導其他植物——菊花、楊樹、擬南芥和矮牽牛花——發光。到 2023 年 9 月，美國農業部已批准 Light Bio 關於製造和銷售發光矮牽牛花的請求，並確定這些植物不會構成重大風險。五個月後，我下了訂單。

哦，矮牽牛花

我的矮牽牛花剛到時看起來像普通的白色花園矮牽牛花。它有點蓬頭垢面；我把它移植到一個新盆中，給它澆了些水，並在陽光充足的窗戶旁找了個位置。幾周後，它變得精神起來。當我把它帶進黑暗的壁櫥時，它的花朵微微發光——比蠟燭的光芒暗淡，但確實在發光。

我本打算調查矮牽牛花是否會造成任何生態破壞——如果它與野生物種雜交，發光基因逃逸怎麼辦？我們的戶外空間是否會被改造成（非常安靜的）植物狂歡節？但矮牽牛花的光芒似乎太微弱，不會對任何事物產生太大影響。

艾爾莎·楊斯泰特，她是 2023 年《生態學、進化與系統學年度評論》中一篇關於城市環境中持續的光照可能如何影響授粉的文章的合著者，基本上同意我的看法。

她解釋說，在美國沒有任何野生的本地矮牽牛花，而美國是目前唯一可以買到螢火蟲矮牽牛花的地方。普遍常見的花園矮牽牛花都是雜交品種，是白色花朵和蛾類授粉的腋生矮牽牛與有色、蜜蜂授粉的物種長期雜交的結果。北卡羅來納州立大學的授粉生態學專家楊斯泰特說，這些雜交矮牽牛花已經呈現出各種各樣的訊號，可能會使授粉者感到困惑。而且它們都沒有被證明在美國具有入侵性。

那麼——螢火蟲矮牽牛花呢？“我並沒有立即對它感到震驚，”楊斯泰特說。但是，她補充說，“我們為什麼要花費時間、金錢和潛在風險來製造一些東西只是為了好玩呢？”

的確，為什麼呢？事實上，我越想越覺得，將真菌基因植入矮牽牛花只是錦上添花。真正的奇蹟——蛋糕——是多年來為弄清楚真菌是如何發光的而進行的艱苦偵查工作。這讓我對我家的矮牽牛花產生了一種令我驚訝的喜愛之情。

本文最初發表在 可知雜誌 上，可知雜誌是 Annual Reviews 旗下的一項獨立新聞事業。註冊新聞通訊。