被Nature亮点报道！华南农业大学创造出“会发光的多肉”，登上顶刊Matter！

多年来，生物发光现象一直吸引着人类的目光。随着基因工程的发展，科学家已成功培育出能发出绿光的植物，例如美国Light Bio公司于2024年推出的发光矮牵牛。然而，这类基因编辑发光植物仍存在发光效率低、颜色单一、技术复杂、成本高、周期长、消耗光合能量以及潜在基因漂移风险等问题。为了克服这些限制，研究者开始尝试将功能性材料引入植物组织，开发出第二类发光植物，但以往方法往往造成植物损伤、发光弱且持续时间短，难以实际应用。

华南农业大学张学杰、雷炳富和中山大学第三附属医院邹睿合作，提出了一种创新的材料工程策略，通过将微米级余辉颗粒（>5 μm）引入多肉植物“美尼娜”石莲花（Echeveria ‘Mebina’）中，成功实现了阳光激发的多色、高亮度、均匀且长余辉的发光植物。该方法利用多肉植物紧密的微观结构和丰富的细胞间隙，促进了大尺寸颗粒的高效传输与分布，打破了粒径与发光性能之间的传统权衡，为可持续的植物基照明解决方案奠定了基础。

长余辉无机微颗粒（>5 μm）在400–700 nm波长范围内发光，通过短距离和长距离扩散，在非多肉植物和多肉植物中实现均匀发光。

在接受Nature采访时，作者表示让植物接触特定波长的光线或阳光后，其发光时间可持续长达120分钟，发光颜色包括蓝绿色、蓝紫色、绿色、红色和白色等多种色调。并在研究开展的10天时间内，可反复触发植物的发光效果。研究人员估计，一株发光植物的材料成本约为10元人民币。相关报道以“Glow-in-the-dark houseplants shine in rainbow of colours”为题，刊登在Nature杂志。

研究人员首先对商用绿色长余辉材料SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺（SA）进行磷酸（H₃PO₄）包覆处理，显著提高了其耐水性和生物相容性。通过球磨和筛分，获得了三种不同粒径的PO₄-SA颗粒（P1: 1.02 μm, P2: 7.11 μm, P3: 9.25 μm）。尽管小粒径颗粒在研磨中引入更多表面缺陷导致发光性能下降，但包覆后的PO₄-SA在水中和植物提取液中均表现出良好的稳定性，pH值稳定，发光性能未出现明显衰减，细胞毒性低，生物相容性优异。

图1.SA荧光粉的表征 （A）余辉发光机制示意图；（B–D）筛分后三种不同粒径PO₄-SA的扫描电镜图：（B）PO₄-SA-P1，（C）PO₄-SA-P2，（D）PO₄-SA-P3；（E）不同粒径PO₄-SA的余辉衰减曲线（激发波长365 nm，发射波长512 nm）；（F）未包覆与包覆SA（PO₄-SA）在水中浸泡0–10天后的发光颜色与亮度变化；（G）未包覆与包覆SA在水中浸泡过程中pH随时间变化；（H、I）PO₄-SA在水中浸泡0–10天后的余辉衰减曲线（H）和荧光发射光谱（I）。

通过X射线显微CT（microCT）和显微镜观察，团队比较了非多肉植物（如黛粉叶）与多肉植物（如“美尼娜”）的叶片结构。尽管黛粉叶具有更多、更大的气隙通道（占叶片体积29.6%），实验却意外发现，微米级PO₄-SA-P2颗粒（7.11 μm）在多肉植物中扩散更均匀、负载量更高。其原因在于多肉植物致密的细胞结构和均匀的细胞间隙有效防止了颗粒聚集，而非多肉植物中的大气隙反而加剧了颗粒阻塞，限制了传输。

图2.不同形态植物中颗粒传输的均匀性 （A、B）通过X射线显微CT和显微镜观察的叶片结构：（A）黛粉叶‘Tropic Marianne’和（B）‘美尼娜’石莲花；pp：栅栏组织，sp：海绵组织，m：叶肉组织；（C）六种不同植物中加载微米级PO₄-SA-P2颗粒后在日光和紫外光下的图像；（D）三种非多肉植物中加载PO₄-SA-P1颗粒后在日光和紫外光下的图像；（E）三种多肉植物中加载微米级PO₄-SA-P2颗粒后在日光和紫外光下的图像。

研究团队采用微针刺结合无针注射器将PO₄-SA悬浮液注入“美尼娜”叶片。结果显示，PO₄-SA-P2颗粒在6秒内即可实现全叶均匀扩散，形成明亮且一致的发光。粒径对比表明，P2颗粒在植物中的发光强度最高，达P1的3.6倍、P3的2.3倍，是目前报道最亮的发光植物。注射压力、体积和叶片孔隙率也显著影响扩散均匀性，最佳条件下可在10分钟内完成制备。

图3.不同尺寸PO₄-SA颗粒注入‘美尼娜’多肉植物 （A）使用PO₄-SA与多肉植物构建发光植物的示意图；（B）注射后整株植物图像；（C）从叶片背面注射，在紫外激发下从正面或背面观察颗粒扩散；（D）注入不同尺寸PO₄-SA颗粒（P1、P2、P3）的多肉植物，各植物在测量前经UV-LED激发120秒；（E、F）发光多肉植物在360 lx WLED（E）或10,000 lx sunlight（F）激发120秒后的强度衰减特性。

通过荧光显微镜、激光共聚焦、显微CT和扫描电镜（SEM）等多种成像技术，团队深入观察了颗粒在植物体内的扩散路径与分布情况。颗粒主要通过细胞间隙迁移，而非细胞内或维管束传输，其运动速度可达2.81 cm/s。SEM和EDS分析确认颗粒存在于细胞间隙，元素分布与PO₄-SA成一致，植物组织完整性未受破坏，进一步证明了该方法的生物相容性。

图4.PO₄-SA颗粒在多肉植物叶片中的扩散与分布 （A）PO₄-SA悬浮液在叶肉细胞内的扩散过程示意图；（B）在365 nm紫外激发下活体‘美尼娜’叶片中PO₄-SA颗粒扩散的实时成像；（C）未改性与改性叶片中叶肉区域、细胞间隙、维管束和细胞内的SEM图像，细胞间隙中的PO₄-SA颗粒用假绿色标注；（D）改性植物细胞间隙的EDS-SEM元素分布图。

在实际应用方面，改性后的植物可在室内白光（360 lx）或室外阳光（10,000 lx）下激发，发光持续1至2小时，发光强度与持续时间随激发光强增加而提升。10天的稳定性测试表明，发光性能未出现明显衰减，植物生理指标（叶绿素、可溶性糖、可溶性蛋白含量）与对照组相当，催化酶活性变化表明植物具备应对材料胁迫的保护机制。

图5.改性及未改性‘美尼娜’多肉植物的光学特性 （A）PO₄-SA粉末（λem=512 nm）与改性叶片（0天和10天，λem=519 nm）的激发光谱；（B）未改性叶片的紫外-可见吸收光谱；（C）PO₄-SA粉末与改性叶片（0天和10天）的发射光谱（λex=365 nm）；（D）改性植物的余辉衰减曲线；（E、F）改性后（E）0天和（F）10天的多肉植物强度衰减特性。

研究还成功构建了蓝、绿、红、蓝紫等多种颜色的发光植物，覆盖可见光主要波段（400–650 nm）。通过混合红、蓝绿和绿色余辉材料，实现了暖白光发光植物，并可调控发光颜色。团队用56株PO₄-SA-P2改性植物打造出一面发光墙，亮度达0.9–1.3 lx，足以在暗环境下照亮人脸、书本和小型模型。此外，利用紫外光掩模技术在叶片表面写入图案（如“SCAU”、动物形象），实现了光学信息存储与读取，展示了其在景观照明、低碳发光与信息编码中的潜力。

图6.材料工程多色发光植物及其应用 （A）使用不同化学成分与发光颜色的余辉颗粒构建发光植物；（B）发光植物墙照亮人物、书本和小型模型的图像；（C）通过紫外光激发在活体叶片表面编码“SCAU”字母与多种图案。

该研究通过结合微米级余辉材料与多肉植物特有的结构，成功开发出亮度高、余辉时间长、颜色丰富的发光植物，制备方法简单、快速、成本低，且具有良好的稳定性和生物相容性。这不仅为植物基可持续照明系统的商业化奠定了基础，也为未来植物-材料融合技术在光信息存储、低碳城市照明等领域的应用提供了新思路。

来源：高分子科学前沿

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