“黑化”成功！螢火蟲發光之謎揭曉

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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光。這意味著，他們為揭開螢火蟲成蟲發光器發育和發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，這一發現在《自然—通訊》發表。他們研究發現，有兩個與螢火蟲腹部發育相關的轉錄因子通過互作，能夠啟動并調控發光蛋白的表達。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。”作為論文第一作者兼通訊作者，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。“螢火蟲成蟲發光器的發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。”付新華告訴《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，成蟲發光器就能快速地、從無到有地發育成熟，并發出耀眼的閃光。那么，螢火蟲成蟲發光器如何在短期內迅速發育成熟？其背后的機制又是什么？

要想研究螢火蟲，首先要把蟲子養好，但養蟲過程充滿艱辛，稍有不慎就會全軍覆沒。養了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展螢火蟲旅游觀光和螢火蟲生態保護產業，助力鄉村振興和縣域經濟發展。

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，并沒有發現與螢火蟲成蟲發光器的發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，只能斷斷續續地去嘗試。”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”。“突然畫面中閃現出一個場景——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光的功能？他同時萌生另一個新想法：因為螢火蟲發光的部位是腹部，如果從與腹部發育相關的基因入手，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”。這是一類發育調控基因，掌管著動物形體的發育，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，螢火蟲發光靠的是“熒光素酶”在“過氧化物酶體”這個細胞器中發揮作用。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。”付新華介紹說。

螢火蟲成蟲發光器發育及發光的關鍵調控機制。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。“是不是我們這個工作沒那么牛？”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中發現了一封來自《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”。“再給我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。”他對《中國科學報》說。