作者:付新华等 来源:《自然—通讯》 发布时间:2024/3/8 11:43:05
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“黑化”成功!萤火虫发光之谜揭晓

 

“黑了!”

盯着眼前的萤火虫蛹,付新华颤抖着说出这两个字。

那是2018年的一个夏日,华中农业大学植物科技学院教授付新华团队通过“敲低”两个转录因子的表达,终于使萤火虫不再发光。这意味着,他们为揭开萤火虫成虫发光器发育和发光之谜开展的科学实验取得了关键性进展。

当天晚上,付新华激动得失眠到天亮。为了这一天,他已经付出了近20年的努力。

不久前,这一发现在《自然—通讯》发表。他们研究发现,有两个与萤火虫腹部发育相关的转录因子通过互作,能够启动并调控发光蛋白的表达。沉默其中任何一个转录因子,都导致萤火虫不发光甚至“黑化”。

“都说做基础研究是坐‘冷板凳’,我从事萤火虫研究有24年,还差点儿在野外考察中送了命,相当于造了一个‘板凳’,还把它焐热。”作为论文第一作者兼通讯作者,付新华感慨万千。

付新华在野外拍摄萤火虫。受访者供图

“入坑”萤火虫

萤火虫的发光是一种生物化学反应,是由荧光素酶、荧光素、氧气、镁离子、腺嘌呤核苷三磷酸等经过高效生化反应而产生的冷光。“萤火虫成虫发光器的发育机制和闪光控制机制是萤火虫研究中两个最基本的问题,也是最难的问题。”付新华告诉《中国科学报》,“我下定决心,要摘下这两颗‘皇冠上的宝石’。”

从小在城市长大的付新华,很少有机会见到萤火虫。2000年夏天的一个晚上,他在路边杂草丛中发现了一个非常亮的光点,“结果掏出来一条四五厘米长并且发光的肉虫”。

那是付新华第一次见到萤火虫。当时他就被这只幼虫巨大的球形发光器和长时间闪烁的光而震惊,从此便入了萤火虫的“坑”。

付新华注意到,在短短7天的蛹期,成虫发光器就能快速地、从无到有地发育成熟,并发出耀眼的闪光。那么,萤火虫成虫发光器如何在短期内迅速发育成熟?其背后的机制又是什么?

要想研究萤火虫,首先要把虫子养好,但养虫过程充满艰辛,稍有不慎就会全军覆没。养了10年左右的萤火虫,付新华团队终于建立起高效的“水栖萤火虫工厂化繁育技术体系”和“萤火虫错峰繁育技术体系”。

这不仅成为他们开展后续科研工作的基础,还顺带解决了萤火虫保护和景观复育的难题。近几年,付新华在四川眉山青神县帮助当地政府大力发展萤火虫旅游观光和萤火虫生态保护产业,助力乡村振兴和县域经济发展。

困局中的坚守

一直以来,科学家对萤火虫的研究始终围绕着荧光素酶和荧光素打转。发光器为何产生以及其闪光机制是什么,这两颗“皇冠上的宝石”仍然蒙着神秘面纱。

2015年前后,随着生物技术的不断发展,付新华打起了对萤火虫进行全基因组测序的主意。他敏锐地意识到,“或许从基因层面开展研究,才有希望从本质上解决科学问题,摘下那两颗‘宝石’”。

2017年,在付新华与测序公司的共同努力下,世界上第一个深度测序并组装的萤火虫基因组出炉,将萤火虫研究带到了“现代社会”。

不过,令人费解的是,付新华通过比较基因组的研究,并没有发现与萤火虫成虫发光器的发育和闪光控制直接相关的新基因。研究就此陷入困局。

“当时我们找不到方向,只能断断续续地去尝试。”付新华回忆说,那段“压力山大”的日子里,当前辈和领导来访并关心他什么时候出个“大成果”时,他只能微微一笑。

科研工作之余,付新华热衷科普,写了《一只萤火虫的旅行》《故乡的微光》等10多部科普书。面对同事和同行对他“科普做得好”的表扬,又想到实验上的困局,付新华有点不服气。

那段时间,在一次湖北咸宁的野外考察中,付新华差点儿送了命。在茂密的森林中勘察萤火虫生境特点时,他脚一滑掉进一个深潭中。“当时很快就缺氧了”,他使出“洪荒之力”,好不容易才浮出水面求救,幸运地被人救到岸上。他回忆说当时脑子里就像“过电影”。“突然画面中闪现出一个场景——好不容易中了国家自然科学基金项目,不能白瞎了。”

常见基因的进化

转机发生在2018年。一天,付新华突然想到,有没有可能萤火虫只是利用了常见的基因进化出了发光的功能?他同时萌生另一个新想法:因为萤火虫发光的部位是腹部,如果从与腹部发育相关的基因入手,也许能更快命中目标。

对水栖萤火虫雷氏萤蛹的前、中、后期及成虫进行转录组测序之后,付新华锁定了“Homeobox转录因子”。这是一类发育调控基因,掌管着动物形体的发育,包含近百个基因。

随后,他们对这类基因逐一开展干扰实验。实验发现,其中有两个关键的转录因子“AlAbd-B”和“AlUnc-4”通过互作启动并调控荧光素酶,也就是发光蛋白的表达。让其中任何一个转录因子“沉默”,都会导致萤火虫不发光甚至“黑化”。

同时,科研人员还弄清了这两个转录因子的工作机制。从细胞层面上看,萤火虫发光靠的是“荧光素酶”在“过氧化物酶体”这个细胞器中发挥作用。而荧光素酶往往在细胞质中大量表达,要让荧光素酶进入过氧化物酶体,则离不开过氧化物酶体的跨膜转运蛋白。

“这两个转录因子还调控了过氧化物酶体的跨膜转运蛋白,从而将细胞质中的荧光素酶运进过氧化物酶体中。”付新华介绍说。

萤火虫成虫发光器发育及发光的关键调控机制。受访者供图

“轻舟已过万重山”

花了5年左右完成实验后,2023年,付新华团队将完成的论文投到《科学》,但很快被拒。他们仔细分析原因后认为,问题可能出在语言上。于是,付新华邀请澳大利亚学者莱斯利对论文的语言加以润色,又把修改后的论文投给了《自然》。

不久后,他们又收到了一封拒稿信。“是不是我们这个工作没那么牛?”付新华和助手朱馨蕾面面相觑,第一反应是自我怀疑。

两周之后,转机到来。就在付新华心灰意冷时,他竟然在电子邮箱的垃圾过滤系统中发现了一封来自《自然》编辑的信,信中建议他们将文章转投到《自然》子刊。

付新华立刻向《自然—通讯》投稿。很快,编辑决定送审。一个月后,审稿人反馈认为,该工作非常有意义,并给出了一些积极的修改意见。

他们又花了3个月修改,再次将论文投出,最终得到了几位同行评审专家较高的评价。此后,论文被《自然—通讯》顺利接收。

对付新华而言,可谓“轻舟已过万重山”。“再给我3年时间,我要去摘下第二颗‘宝石’——揭示萤火虫闪光控制的机制。”他对《中国科学报》说。(来源:中国科学报 甘晓)

相关论文信息:http://doi.org/10.1038/s41467-024-45559-7

 
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