综述：利用真菌生物发光途径工程化构建自主发光植物

本综述系统阐述了真菌生物发光途径（FBP）在植物合成生物学中的突破性应用，揭示了其通过内源性咖啡酸循环实现自持续发光的机制。文章详细解析了FBP的分子基础（包括HispS、H3H、Luz、CPH等核心酶）、代谢工程优化策略（如增强咖啡酸供给与竞争通路抑制）以及多色发光设计前景，并展望了其在环境监测、园艺照明和生物传感等领域的应用潜力。

　　

摘要

生物发光是生命体中由酶催化底物氧化产生可见光的现象。真菌生物发光途径（FBP）的发现为工程化自发光植物提供了全新范式，其独特之处在于利用植物内源性咖啡酸作为底物，无需外源添加荧光素即可实现持续发光。

引言

传统生物发光系统（如萤火虫荧光素酶）在植物应用中存在局限性：需外源添加昂贵底物、光强微弱、跨组织递送困难。细菌^lux操纵子虽可自主发光，但存在光强低、中间产物毒性等问题。2018年真菌^{Neonothopanus nambi}中FBP的完整解析突破了这些瓶颈。该途径以咖啡酸为起始底物，通过4种核心酶（HispS、H3H、Luz、CPH）形成代谢循环，发射峰值520 nm的绿光，与植物组织光学窗口匹配度高。

真菌生物发光的机制

FBP是一个保守的真核生物系统，其发光机制分为三步：

1. 1.
   咖啡酸活化：咖啡酸在HispS（聚酮合酶）与丙二酰辅酶A作用下合成hispidin；
2. 2.
   羟基化：H3H催化hispidin生成3-hydroxyhispidin（荧光素）；
3. 3.
   光发射与循环：Luz氧化荧光素产生光能，并生成caffeylpyruvate，最终由CPH水解再生咖啡酸，完成循环。
   该系统在160万年前起源于真菌祖先，基因簇（^Luz-^H3H-^HispS）在发光真菌中高度保守。

自发光植物的开发历程

早期尝试（1986年）通过表达萤火虫荧光素酶获得发光烟草，但光强仅能通过胶片曝光检测。2017年纳米颗粒递送底物将光强提升至1.44×10¹² photons·s^?1，但仍依赖外源底物。2020年基于FBP的烟草首次实现终身自发光，光强达10¹⁰ photons·min^?1（花器官）。后续通过以下策略显著增强发光：

• •
  代谢工程：过表达^BnC3′H1（咖啡酸合成限速酶）使光强提升3倍；
• •
  竞争通路抑制：通过amiRNA沉默木质素/黄酮合成通路基因，使光强提高30倍；
• •
  蛋白工程：定向进化获得稳定变体nnLuz_v4、nnH3H_v2和mcitHispS，光强提升10-100倍；
• •
  系统优化：利用^{Physcomitrium patens}的紧凑型PpASCL替代nnHispS，实现病毒载体递送。

FBP在植物系统中的多样化应用

FBP与植物苯丙烷代谢通路天然兼容，已在烟草、拟南芥、大丽花、玫瑰等多种物种中成功表达。其应用方向包括：

1. 1.
   生物传感：耦合胁迫响应启动子（如干旱响应^pRAB18、免疫响应^NbLYS1）实时监测生理状态；
2. 2.
   育种筛选：通过发光强度早期鉴定优良性状（如花香合成、抗逆性）；
3. 3.
   环境监测：检测重金属、盐胁迫等污染物，结合AI算法实现田间实时诊断；
4. 4.
   可持续照明：发光观赏植物（如美国上市的自发光矮牵牛）为城市照明和生态艺术提供新路径。
   多色发光系统通过荧光蛋白能量转移（BRET）或荧光素酶突变实现，为景观设计提供可能。

挑战与前景

当前FBP能量转换效率仅3.95×10^?3%，需提升至0.3%才能满足户外照明需求。未来需聚焦：

• •
  酶功能优化：提高荧光素酶量子产率和热稳定性；
• •
  代谢重编程：增强咖啡酸通量同时减少副产物分流；
• •
  递送技术：推广“Cut-dip-budding”等无组织培养转化技术；
• •
  AI赋能：利用机器学习预测蛋白结构、优化代谢网络，并开发智能表型分析系统。
  FBP将推动植物合成生物学从实验室走向实际应用，为农业、环保和能源领域提供创新解决方案。