|
生物发光是一种将化学能直接转化为可见光的自然现象。合成生物学的发展，使我们第一次能够将这一能力系统性地引入植物，并进一步进行工程化重构与优化。本实验室选择并重构来源于真菌的生物发光体系，使发光过程与植物内源代谢网络相耦合，从而实现无需外源底物、可持续运行的植物自主发光，为构建长期、稳定的植物光源奠定基础，也为植物照明的实际应用打开了新的可能。 让植物发光，并不是终点。我们的目标，是让植物真正成为光源。 目前，本实验室已建立可遗传、稳定自主发光的拟南芥和烟草体系，并围绕影响植物发光效率的关键环节，综合运用代谢工程、酶工程、组织特异性调控、能量调控以及光学材料等策略进行系统优化。在已有发光体系基础上，我们实现了约10倍的亮度提升，植物自主发光性能进一步增强，整体水平处于领域前沿。
下一步，我们将继续突破限制植物发光的代谢流、能量供给与光输出瓶颈，通过发光酶持续进化、代谢网络重构、植物底盘优化以及光学增强等手段，推动植物发光亮度实现数量级跃迁，向更高亮度、更高稳定性和更复杂环境下的持续发光迈进，并最终探索从“可见发光”走向“可用照明”的可能。
早期计算机曾经占据整个房间，性能和应用范围都远不能与今天相比，但正是这些最初看似笨重、甚至“不够好”的技术，开启了此后数十年的持续进化。许多真正具有颠覆性的技术，都是从一个并不完美的起点开始。 我们希望做的，不只是让植物更亮，而是把今天看似遥远的植物照明，一步一步变成现实。  一、棉纺织业化学染色危害与天然彩色棉花研究意义 1.棉纺织业化学染色的危害 健康威胁：传统化学染色要用超 300 种化学物质，成品残留的偶氮染料、甲醛等有致癌性，像会增加白血病风险，长期接触还易引发皮肤过敏、呼吸疾病。 环境污染：印染废水是我国第三大工业污染源，含大量有毒物质，处理难，会造成水体富营养化、土壤重金属积累和生物多样性受损。化学染料生产和使用中释放的 VOCs，会加重空气污染。 2.天然彩色棉花研究的意义 环保价值：彩棉无需漂白与化学染色，从种植到成衣“零污染”，化学物质使用减少超 90% ，大幅降低纺织业碳足迹。 健康优势：天然色素无化学染料残留，符合国际环保标准，适合开发婴幼儿、敏感肌人群的纺织品。 经济潜力：彩棉制品价格是普通棉的 3 - 5 倍，能推动农业结构升级，促进高附加值纺织产品出口。 二、天然绿色棉花色素合成机制研究 绿色色素提取鉴定：运用化学方法分离提取绿色棉花中的绿色成分，通过质谱鉴定其化合物。 代谢组学分析：识别绿色棉纤维里的色素前体，像叶绿素衍生物、类黄酮等，对比白棉找出差异代谢物。 基因调控探索：借助转录组测序找出色素合成关键基因，比如查尔酮合成酶、MYB 转录因子，验证其在纤维发育时的时空表达模式。 环境影响研究：探究光照、温度等环境因素对色素代谢通路的作用，剖析绿色素稳定性差的分子原因。 三、遗传改良方向 基因编辑优化：利用 CRISPR/Cas9 技术编辑色素合成关键基因，提高绿色棉纤维色泽均匀度和牢度。 培育优质品种：融合传统育种与合成生物学思路，培育稳定性强、纤维品质好的绿色棉新品种。 传统的植物代谢工程往往依赖持续、高强度的基因表达。在复杂合成通路中，这种静态调控方式容易导致代谢失衡、毒性中间体积累以及长期表达不稳定，从而限制了植物细胞工厂在高价值天然产物制造中的效率与可靠性。 我们探索一种不同的路径：以光作为调控指令，对植物代谢过程进行程序化控制。光信号具有非侵入、可逆和高时空分辨率的天然优势，使代谢通路能够按照预设逻辑动态启停和持续优化。通过将光遗传调控模块与代谢通量调节及状态反馈相结合，植物细胞工厂不再是被动运行的表达体系，而是升级为可编程、可调节的工程系统。 围绕异黄酮、紫杉醇以及彩色棉花色素等代表性天然产物，我们已在烟草、拟南芥和棉花等植物底盘中构建光控代谢程序，实现关键酶表达的时序调控与代谢流的动态分配。在保证植物正常生长的前提下，该策略显著提升了目标产物的合成效率，同时降低了代谢负担与副产物积累。 通过构建光—代谢—反馈的闭环调控框架，这一研究为植物细胞工厂提供了一条具备可预测性、可扩展性和长期稳定性的工程路径，为高价值天然产物的绿色制造以及新型植物性状的理性设计奠定基础。
|
