与植物对话：我们能给植物提供即将到来的危险的预警吗?

　　剑桥大学塞恩斯伯里实验室(SLCU)的植物科学家们设计了一种光控基因表达系统(光遗传学系统)，从原核系统转变为为植物量身定制的真核系统。

　　

想象一下，如果人类可以与植物“对话”，并警告它们即将到来的害虫袭击或极端天气。

剑桥大学塞恩斯伯里实验室(SLCU)的一组植物科学家希望通过光信息与植物“对话”，将这一科幻小说变成现实。

烟草(Nicotiana benthamiana)的早期实验室实验表明，它们可以利用光作为刺激(信使)激活植物的自然防御机制(免疫反应)。

光作为人类日常交流的普遍手段，例如在交通灯、人行横道或商店的开闭状态下发出信号。

亚历山大·琼斯的研究小组正在利用光作为信使开发工具，使植物能够与人类交流，人类也能够与植物交流。

剑桥大学的研究小组先前设计了一系列生物传感器，利用荧光灯实时可视化地交流植物细胞水平上发生的事情，揭示关键植物激素的动态。这些生物传感器可以告诉我们植物对环境压力的反应——植物与人类“对话”。

他们发表在《公共科学图书馆·生物学》杂志上的最新研究描述了一种名为Highlighter的新工具，它使用特定的光照条件来激活植物中目标基因的表达，例如触发它们的防御机制——人类与植物“对话”。

长期以来，人类能够与植物进行有意义的交流的概念一直激发着人们的想象力。如果这种能力成为可能，它将彻底改变农业以及我们与植物的关系。

琼斯博士说:“如果我们能警告植物即将爆发的疾病或虫害，植物就能激活它们的自然防御机制，防止大面积的损害。”“我们还可以通知植物即将到来的极端天气事件，如热浪或干旱，让它们调整生长模式或节约用水。这可能会导致更有效和可持续的农业实践，并减少对化学品的需求。”

在SLCU设计Highlighter的Bo Larsen通过将光控基因表达系统(光遗传学系统)从原核系统设计成适合植物的真核系统，使我们离与植物“对话”的目标又近了一大步。 

光遗传学可以为植物的生物分子过程带来光明

为了了解细胞活动，生物学家需要能够在细胞水平上控制生物分子过程。光遗传学是一种利用光刺激来激活或关闭特定过程的科学技术。琼斯博士说:“光刺激便宜、可逆、无毒，而且可以以高分辨率传输。”

为了做到这一点，科学家们设计了光敏蛋白(光感受器)来控制目标过程，然后将这些光遗传“致动器”传递给他们想要控制的细胞。

光遗传学已经彻底改变了许多领域，包括神经科学，生物学家可以分离单个神经元的功能。

然而，光遗传学一直难以应用于植物。这是因为植物已经含有大量的光感受器，需要广泛的光谱来生长。从黑暗到光明的转换也激活了原生植物的光感受器和无数的细胞系统。

雪上加霜的是，许多性能最好的光遗传致动器使用来自植物的基因部分，这意味着如果在植物中使用，它们可以与天然光感受器进行串扰。 

研究背后的故事

琼斯博士正在寻找一种光基因表达开关，这种开关可以在正常的园艺光条件下应用，而不会影响内源植物的生理和发育，他向加州大学戴维斯分校的j·克拉克·拉加里亚斯(J. Clark Lagarias)寻求建议，拉加里亚斯是光敏色素和蓝藻色素光开关的专家。

他建议重新利用原核生物CcaS-CcaR光遗传系统，该系统最初来源于光合微生物，并使用绿(开)-红(关)光信号的比例。通过调节植物生长所需的白光光谱，基因可以通过微创刺激打开或关闭。

但当将荧光笔开发成真核生物光遗传系统时，拉森博士发现了一种意想不到的蓝变行为。转换是否改变了CcaS光感受器的红绿光谱特性?

他们与国家物理实验室(NPL)的亚历克斯·琼斯、伊内斯·卡马乔和理查德·克拉克合作，发现新系统仍然能够像原来的系统一样使用绿光和红光。但是国家物理实验室的光谱分析也显示了一个独立的蓝光感应的证据。合著者罗伯托·霍夫曼注意到，除了红绿感应域外，CcaS还有一个与蓝光光感受器同源的称为趋光蛋白的域。似乎工程上的努力无意中解锁了潜在的CcaS蓝色感应行为，提供了一种控制CcaS- ccar活动的替代方法。 

荧光是植物的光遗传学工具

当在植物中部署时，Highlighter使用微创光信号进行激活和灭活，并且不受生长室内光暗循环的影响。

目前的荧光笔系统在蓝光条件下是无效的，在黑暗、白光、绿光和神秘的红光条件下是有效的。下一步的工作计划是推进Highlighter的开发，但该团队已经证明了光遗传学对植物免疫、色素生产和黄色荧光蛋白的控制，后者在细胞分辨率上。

琼斯博士补充说:“荧光笔是植物光遗传学工具发展的重要一步，它的高分辨率基因控制可以应用于研究一系列基本的植物生物学问题。”“具有不同光学特性的植物生长工具箱也为作物改良开辟了令人兴奋的机会。例如，在未来，我们可以使用一种光条件来触发免疫反应，然后使用不同的光条件来精确地计时特定的特征，例如开花或成熟。”

文章标题

Highlighter is an optogenetic actuator for light-mediated, high resolution gene expression control in plants