我们能否向植物提供即将发生的危险的预先警告

想象一下，如果人类可以与植物“交谈”并预先警告它们即将发生的害虫袭击或极端天气。剑桥大学塞恩斯伯里实验室(SLCU)的植物科学家团队希望利用基于光的信息与植物“对话”，将这一科幻小说变成现实。

尽管他们的新光遗传学工具正处于开发的初始阶段，但亚历山大·琼斯的研究团队已经证明，他们只需改变光就可以控制植物免疫和色素产生。

光是人类日常交流的通用手段，例如交通信号灯、人行横道或商店的开闭状态。

琼斯团队还利用光作为开发工具的信使，使植物能够与人类交流，以及人类与植物进行交流。

剑桥大学团队此前设计了一系列生物传感器(ABACUS2和GPS1)，使用荧光灯以视觉方式实时传达植物细胞水平上发生的情况，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如何对环境压力做出反应——植物如何与人类对话。

他们在《PLOSBiology》上发表的最新研究描述了一种名为“荧光笔”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——人类与植物交谈。

人类能够与植物进行有意义的交流的概念长期以来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：“如果我们能够警告植物即将发生的疾病爆发或害虫袭击，植物就可以激活其自然防御机制，以防止大范围的损害。”“我们还可以告知植物即将发生的极端天气事件，例如热浪或干旱，使它们能够调整生长模式或节约用水。这可能会导致更高效和可持续的农业实践，并减少对化学品的需求。”

植物光遗传学

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停用细胞内特定过程的科学技术。

为此，科学家将光敏蛋白(光感受器)插入他们想要控制的细胞中，然后用光照射细胞以使目标过程活跃或不活跃。

在过去的十年中，光遗传学使生物学家能够分离单个神经元的功能，从而彻底改变了神经科学。这带来了关于大脑的突破性发现，并增加了我们对癫痫、脊髓损伤和帕金森病等疾病的了解。

然而，光遗传学很难应用于植物。这是因为植物已经含有大量的光感受器并使用广谱的光来协调它们的生长和发育。从黑暗到光明的转变也会激活天然植物光感受器和无数的细胞系统。

加剧这个问题的是，许多性能最好的光遗传学执行器都使用植物的遗传部分。这意味着如果在植物中使用它们，它们会与其他光感受器发生串扰并干扰。

荧光笔还可以为植物的生物分子过程带来光明

BoLarsen在SLCU期间设计了荧光笔，通过将光控基因表达系统(光遗传学系统)从原核系统设计为定制的真核系统，使我们向与植物“对话”的目标迈进了一大步对于植物。

当部署在植物中时，荧光笔使用微创光信号，能够被激活和灭活，并且不受生长室中光暗循环的影响。

当前的荧光笔系统在蓝光条件下处于非活动状态，而在黑暗以及白光、绿光和神秘的红光条件下处于活动状态。计划进一步开展荧光笔的开发工作，但该团队已经展示了对植物免疫、色素产生和黄色荧光蛋白的光遗传学控制，后者在细胞分辨率下。

“荧光笔是植物光遗传学工具发展的重要一步，其高分辨率基因控制可用于研究广泛的基本植物生物学问题，”琼斯博士补充道。

“具有多种光学特性的植物生长工具箱也为作物改良提供了令人兴奋的机会。例如，将来我们可以使用一种光照条件来触发免疫反应，然后使用不同的光照条件来精确计时特定性状，例如开花或成熟。”

研究背后的故事

琼斯博士正在寻找一种可以在正常园艺光照条件下应用而不影响内源植物生理和发育的光遗传学基因表达开关，他向加州大学戴维斯分校的J.ClarkLagarias寻求建议，他是光敏色素和蓝藻色素光方面的专家。开关。

他建议重新利用原核CcaS-CcaR光遗传系统，该系统最初源自光合微生物，并使用绿(开)红(关)光信号的比率。通过可逆地调节植物生长所需的白光光谱，可以使用微创刺激来打开或关闭基因。

但当将荧光笔开发成真核光遗传学系统时，拉森博士发现了一种意想不到的蓝关行为。这种转换是否会改变CcaS光感受器的绿-红光谱特性?他们与国家物理实验室(NPL)的AlexJones、InesCamacho和RichardClarke合作，发现新系统仍然能够像原始系统一样使用绿光和红光。但NPL的光谱分析也显示了独立蓝光传感的证据。

合著者RobertoHofmann注意到，除了红绿传感域之外，CcaS还有第二个与蓝光光电传感器具有同源性的域，称为趋光素。看来Highlighter已经解锁了潜在的CcaS蓝色传感行为，提供了另一种控制CcaS-CcaR活动的方法。