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“黑了！”
盯著眼前的螢火蟲蛹，付新華顫抖著說出這兩個字。
那是2018年的一個夏日，華中農業(yè)大學植物科技學院教授付新華團隊通過“敲低”兩個轉錄因子的表達，終于使螢火蟲不再發(fā)光。這意味著，他們?yōu)榻议_螢火蟲成蟲發(fā)光器發(fā)育和發(fā)光之謎開展的科學實驗取得了關鍵性進展。
當天晚上，付新華激動得失眠到天亮。為了這一天，他已經付出了近20年的努力。
不久前，這一發(fā)現在《自然—通訊》發(fā)表。他們研究發(fā)現，有兩個與螢火蟲腹部發(fā)育相關的轉錄因子通過互作，能夠啟動并調控發(fā)光蛋白的表達。沉默其中任何一個轉錄因子，都導致螢火蟲不發(fā)光甚至“黑化”。
“都說做基礎研究是坐‘冷板凳’，我從事螢火蟲研究有24年，還差點兒在野外考察中送了命，相當于造了一個‘板凳’，還把它焐熱?！弊鳛檎撐牡谝蛔髡呒嫱ㄓ嵶髡?，付新華感慨萬千。
付新華在野外拍攝螢火蟲。受訪者供圖
“入坑”螢火蟲
螢火蟲的發(fā)光是一種生物化學反應，是由熒光素酶、熒光素、氧氣、鎂離子、腺嘌呤核苷三磷酸等經過高效生化反應而產生的冷光?！拔灮鹣x成蟲發(fā)光器的發(fā)育機制和閃光控制機制是螢火蟲研究中兩個最基本的問題，也是最難的問題?！备缎氯A告訴《中國科學報》，“我下定決心，要摘下這兩顆‘皇冠上的寶石’。”
從小在城市長大的付新華，很少有機會見到螢火蟲。2000年夏天的一個晚上，他在路邊雜草叢中發(fā)現了一個非常亮的光點，“結果掏出來一條四五厘米長并且發(fā)光的肉蟲”。
那是付新華第一次見到螢火蟲。當時他就被這只幼蟲巨大的球形發(fā)光器和長時間閃爍的光而震驚，從此便入了螢火蟲的“坑”。
付新華注意到，在短短7天的蛹期，成蟲發(fā)光器就能快速地、從無到有地發(fā)育成熟，并發(fā)出耀眼的閃光。那么，螢火蟲成蟲發(fā)光器如何在短期內迅速發(fā)育成熟？其背后的機制又是什么？
要想研究螢火蟲，首先要把蟲子養(yǎng)好，但養(yǎng)蟲過程充滿艱辛，稍有不慎就會全軍覆沒。養(yǎng)了10年左右的螢火蟲，付新華團隊終于建立起高效的“水棲螢火蟲工廠化繁育技術體系”和“螢火蟲錯峰繁育技術體系”。
這不僅成為他們開展后續(xù)科研工作的基礎，還順帶解決了螢火蟲保護和景觀復育的難題。近幾年，付新華在四川眉山青神縣幫助當地政府大力發(fā)展螢火蟲旅游觀光和螢火蟲生態(tài)保護產業(yè)，助力鄉(xiāng)村振興和縣域經濟發(fā)展。
困局中的堅守
一直以來，科學家對螢火蟲的研究始終圍繞著熒光素酶和熒光素打轉。發(fā)光器為何產生以及其閃光機制是什么，這兩顆“皇冠上的寶石”仍然蒙著神秘面紗。
2015年前后，隨著生物技術的不斷發(fā)展，付新華打起了對螢火蟲進行全基因組測序的主意。他敏銳地意識到，“或許從基因層面開展研究，才有希望從本質上解決科學問題，摘下那兩顆‘寶石’”。
2017年，在付新華與測序公司的共同努力下，世界上第一個深度測序并組裝的螢火蟲基因組出爐，將螢火蟲研究帶到了“現代社會”。
不過，令人費解的是，付新華通過比較基因組的研究，并沒有發(fā)現與螢火蟲成蟲發(fā)光器的發(fā)育和閃光控制直接相關的新基因。研究就此陷入困局。
“當時我們找不到方向，只能斷斷續(xù)續(xù)地去嘗試。”付新華回憶說，那段“壓力山大”的日子里，當前輩和領導來訪并關心他什么時候出個“大成果”時，他只能微微一笑。
科研工作之余，付新華熱衷科普，寫了《一只螢火蟲的旅行》《故鄉(xiāng)的微光》等10多部科普書。面對同事和同行對他“科普做得好”的表揚，又想到實驗上的困局，付新華有點不服氣。
那段時間，在一次湖北咸寧的野外考察中，付新華差點兒送了命。在茂密的森林中勘察螢火蟲生境特點時，他腳一滑掉進一個深潭中。“當時很快就缺氧了”，他使出“洪荒之力”，好不容易才浮出水面求救，幸運地被人救到岸上。他回憶說當時腦子里就像“過電影”?！巴蝗划嬅嬷虚W現出一個場景——好不容易中了國家自然科學基金項目，不能白瞎了。”
常見基因的進化
轉機發(fā)生在2018年。一天，付新華突然想到，有沒有可能螢火蟲只是利用了常見的基因進化出了發(fā)光的功能？他同時萌生另一個新想法：因為螢火蟲發(fā)光的部位是腹部，如果從與腹部發(fā)育相關的基因入手，也許能更快命中目標。
對水棲螢火蟲雷氏螢蛹的前、中、后期及成蟲進行轉錄組測序之后，付新華鎖定了“Homeobox轉錄因子”。這是一類發(fā)育調控基因，掌管著動物形體的發(fā)育，包含近百個基因。
隨后，他們對這類基因逐一開展干擾實驗。實驗發(fā)現，其中有兩個關鍵的轉錄因子“AlAbd-B”和“AlUnc-4”通過互作啟動并調控熒光素酶，也就是發(fā)光蛋白的表達。讓其中任何一個轉錄因子“沉默”，都會導致螢火蟲不發(fā)光甚至“黑化”。
同時，科研人員還弄清了這兩個轉錄因子的工作機制。從細胞層面上看，螢火蟲發(fā)光靠的是“熒光素酶”在“過氧化物酶體”這個細胞器中發(fā)揮作用。而熒光素酶往往在細胞質中大量表達，要讓熒光素酶進入過氧化物酶體，則離不開過氧化物酶體的跨膜轉運蛋白。
“這兩個轉錄因子還調控了過氧化物酶體的跨膜轉運蛋白，從而將細胞質中的熒光素酶運進過氧化物酶體中?！备缎氯A介紹說。
螢火蟲成蟲發(fā)光器發(fā)育及發(fā)光的關鍵調控機制。受訪者供圖
“輕舟已過萬重山”
花了5年左右完成實驗后，2023年，付新華團隊將完成的論文投到《科學》，但很快被拒。他們仔細分析原因后認為，問題可能出在語言上。于是，付新華邀請澳大利亞學者萊斯利對論文的語言加以潤色，又把修改后的論文投給了《自然》。
不久后，他們又收到了一封拒稿信?！笆遣皇俏覀冞@個工作沒那么牛？”付新華和助手朱馨蕾面面相覷，第一反應是自我懷疑。
兩周之后，轉機到來。就在付新華心灰意冷時，他竟然在電子郵箱的垃圾過濾系統(tǒng)中發(fā)現了一封來自《自然》編輯的信，信中建議他們將文章轉投到《自然》子刊。
付新華立刻向《自然—通訊》投稿。很快，編輯決定送審。一個月后，審稿人反饋認為，該工作非常有意義，并給出了一些積極的修改意見。
他們又花了3個月修改，再次將論文投出，最終得到了幾位同行評審專家較高的評價。此后，論文被《自然—通訊》順利接收。
對付新華而言，可謂“輕舟已過萬重山”?！霸俳o我3年時間，我要去摘下第二顆‘寶石’——揭示螢火蟲閃光控制的機制?！彼麑Α吨袊茖W報》說。
相關論文信息：http://doi.org/10.1038/s41467-024-45559-7
本文鏈接：http://www.3ypm.com.cn/news-8-2143-0.html“黑化”成功！螢火蟲發(fā)光之謎揭曉
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