近日，浙江大学农业与生物技术学院都浩团队在Cell旗下权威期刊《Trends in Biotechnology》上发表题为“Biotechnologies based on the fungal bioluminescence pathway”的特邀综述论文，系统阐述了真菌生物发光途径（Fungal bioluminescence pathway , FBP ）的最新研究进展。近年来通过底物供应优化、关键酶工程改造及代谢网络重构等系列技术突破，研究人员已在多种植物中成功实现高效、稳定的自主发光，为可持续生物光源的应用奠定了坚实基础。该综述全面梳理了FBP技术体系的发展现状、面临挑战与未来前景，重点阐释了其在创造自发光植物、开发新型生物传感器以及推动可持续照明技术等领域的突破性潜力，为基于FBP的合成生物学与生物技术领域的交叉创新提出系统性解决思路。

早期植物生物发光研究曾面临关键瓶颈。例如，20世纪80年代将萤火虫荧光素酶导入烟草的尝试，虽实现初步发光，却因亮度微弱且需持续添加昂贵外源底物而难以广泛应用。真菌生物发光途径（FBP）的发现从根本上突破了这一局限。该途径源自发光蘑菇（如Neonothopanus nambi），其核心是由四个酶（HispS、H3H、Luz与CPH）构成的代谢循环。该系统以植物体内天然存在的咖啡酸为起始底物，经HispS催化生成hispidin，再由H3H转化为最终发光底物3-羟基hispidin；随后，Luz催化其氧化，发射出波长约520纳米的绿光。尤为关键的是，反应产物caffeylpyruvic acid可被CPH水解并重新生成咖啡酸，从而形成一个自我维持的封闭代谢循环。这一内在的自主性使FBP能够在植物中实现全生命周期持续发光，无需任何外源底物投入，因此在异源表达系统中展现出显著优于传统发光体系的实用优势（图1）。

图1 FBP系统的分子机制

自FBP途径阐明以来，通过代谢工程与酶工程两大策略（图2），研究人员在提升自发光植物性能方面取得系列突破。在代谢工程层面，通过优化内源咖啡酸合成途径及引入异源底物生产系统，显著增强了发光底物供给；在酶工程方面，则通过定向进化获得高性能酶变体，并筛选天然优质直系同源酶，大幅提升了催化效率。值得关注的是，通过设计合成荧光素类似物及改造荧光素酶结构，研究人员还成功实现了发光光谱的调控，获得了红移发射等特性，为拓展发光植物的应用场景提供了新可能。这些系统优化使工程植物的发光强度提升了1-2个数量级，达到了肉眼可见、无需暗适应的亮度水平，突破了商业化应用的关键瓶颈。目前，FBP系统已在矮牵牛、杨树、番茄等多种植物中成功实现功能表达，展现出广泛的物种适应性。

图2 优化FBP系统的策略

基于FBP系统的自发光植物，正从实验室走向实际应用，并在多个领域展现出颠覆性潜力。在可持续照明领域，人工照明占据了全球约20%的电力消耗。FBP植物利用光合作用将太阳能转化为化学能，驱动生物发光，无需外部电力，被视为一种有前景的可持续照明替代方案。这一“植物灯”概念旨在提供足以实用照明的光强，未来有望作为新型生物照明系统应用于城市绿地与景观建设。2024年初，首款基于FBP的自发光矮牵牛已成功商业化，标志着这项技术正走向日常生活。与此同时，FBP系统还发展成为高性能的生物报告平台。其独特的底物自主性、高灵敏度和实时响应特性，使其能够作为生物传感器对植物生理状态进行非侵入式监测。例如，研究人员通过将Luz基因与干旱响应启动子pRAB18耦合，构建了能够通过发光强度变化实时报告水分胁迫的生物传感系统。这种将生物发光与信号转导通路整合的策略，为植物生理监测和环境响应研究提供了全新的技术路径。

图3 基于FBP技术的应用

尽管FBP系统具有优于传统发光技术的性能和优势，但要实现大规模应用，仍有挑战需要克服。目前的植物发光强度仍需大约一个数量级的提升，才能满足商业照明标准。同时，也需要解决基因逃逸（如通过花粉传播）等生物安全性问题。值得关注的是，人工智能（AI）和合成生物学的深度融合正在加速解决这些问题。AI能够通过预测突变效果，对发光酶进行定向进化和从头设计，从而提升酶的活性和稳定性。此外，AI还支持系统层面的代谢通路优化，以识别瓶颈并增强底物流。这些先进的工具正在推动FBP技术更快地从理论走向实际应用，将我们带入一个可持续的、由“活体照明”点亮的新时代。

本研究由浙江大学农业与生物技术学院，浙江大学杭州国际科创中心及俄罗斯科学院生物有机化学研究所合作完成，俄罗斯科学院的Ilia V. Yampolsky教授和浙江大学的都浩研究员为文章共同通讯作者，浙江大学农业与生物技术学院为第一单位。博士后葛洁瑜、研究生王天歌和瞿成杙为共同第一作者，俄罗斯科学院的Anastasia V. Balakireva参与了论文修改。目前浙江大学都浩课题组招聘博士后，主要研究方向为植物能量调控及合成生物技术体系创建，招聘生物化学、酶优化与设计、人工智能+生物学领域博后，年薪30万以上，博后期限2年或3年。近三年内，都浩研究员主持包括国家自然科学基金原创探索项目及面上项目等多项国家级和省部级项目，以主要通讯作者在Nature Food、Molecular Plant、Plant Cell、Trends in Biotechnology、New Phytologist、Plant Communications、Plant,  Cell  &  Environment、BioDesign Research等国际重要期刊发表论文十余篇。