“追萤”24载 他终于解开萤火虫“发光谜题”丨科技圆桌派

封面新闻记者 谭羽清 

夏夜忽闪的萤火是让人向往的美丽景观。通常，萤火虫爱好者会选择在乡野间感受它们的奇妙与美好，而华中农业大学植物科学技术学院的付新华教授，却将对萤火虫的喜爱反映到了更深层次的行动中。

付新华在野外“追萤”

在2000年与萤火虫初遇后，他就大胆地将研究方向指向了它们，十年如一日地推进着相关工作，希望用科学方法“读懂”这些闪耀的精灵。

这二十余年间，付新华的萤火虫研究遭遇过质疑，也走入过困境，但他最终坚持了下来，并终于带领团队破解了萤火虫领域的重大谜题——萤火虫成虫发光器发育及发光调控的分子机制。相关成果于前段时间发表于国际著名学术期刊《自然-通讯》上。

近日，付新华教授接受封面新闻记者采访，分享了这一研究成果以及自己24年的“追萤”故事。

基因组深度测序组装

将萤火虫研究带到“现代社会”

萤火虫发光是一种生物化学反应，由其腹部特有的发光器发出。它们的发光器分为幼虫形态和成虫形态。其中，成虫的发光器是在蛹期独立发育而成。在短短5至7天的蛹期，成虫发光器从无到有，快速发育成熟并具备发光功能。

萤火虫幼虫

付新华很早就注意到了这一过程，诸如“萤火虫成虫发光器如何在短期内迅速发育而成？”“其背后的机制是什么？”这样的科学问题一直在他的脑海中挥之不去。但由于当时缺乏研究手段，这些问题就被暂时搁置了。

萤火虫成虫

这两个问题其实是萤火虫研究领域最基础却也最难回答的问题。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，却没有人能解答萤火虫的发光器为何产生和其闪光机制。它们的答案就像两颗“皇冠上的宝石”，在很长一段时间里仍然蒙着神秘“面纱”。

2015年前后，随着生物技术不断发展，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：“或许从比较基因组层次开展研究，才有希望从本质上解决科学问题，摘取那两颗‘宝石’。”

2017年，在付新华的努力及带领下，他们团队不仅发表了世界上第一个深度测序并组装的萤火虫基因组，而且更将多种中国独有的萤火虫基因组进行了深度测序组装，将萤火虫研究带到了“现代社会”，“当时美国和日本团队都在力争首先发表世界上第一个萤火虫基因组。我是最后启动的，但我攒着一股劲，排除万难，最终拔得头筹。”

此后，付新华团队又对珍稀水栖萤火虫雷氏萤基因组进行了深度的测序和组装。不过，令人费解的是，他们通过比较基因组的基因收缩扩张研究，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。

灵光一闪

透过千余只萤蛹看见答案

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，而进化出了发光的功能？同时，他还萌生出一个新想法：因为萤火虫发光的部位是在腹部，如果从与腹部发育相关的基因入手，也许能更快命中目标。

在7天的蛹期中，成虫发光器从无到有地发育成熟并闪光，白色箭头为幼虫形态发光器，而红色箭头部分为成虫形态发光器

随后，新冠疫情来了，付新华被封在了学校，但幸运的是，他被允许去实验室工作。当时武汉的天气很冷，但为了防止新冠病毒通过空调传播，实验室关闭了空调，他就穿着羽绒服，外面套着实验服，进行解剖取样。

在那段特殊的时间里，大学的大楼空荡荡的，付新华的实验室却彻夜亮灯。他一个人解剖了1000多只水栖萤火虫雷氏萤蛹的发光器，对雷氏萤蛹的前、中、后期及成虫进行转录组测序之后，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，付新华团队对这类基因逐一开展干扰的实验，每天给萤火虫蛹“打针”，然后观察羽化后的萤火虫。一天，当干扰了两个关键基因后，他们看到萤火虫竟然不发光，甚至发光器黑化了，付新华高兴得跳了起来。

通过进一步实验，他们发现，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，他们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蛋运进过氧化物酶体中。

这一连串的发现，让付新华终于找到了萤火虫成虫发光器发育和发光调控的答案，摘下了一颗在从前看起来遥不可及的“皇冠上的宝石”。

24年“追萤”

热爱可渡载途荆棘

付新华研究萤火虫24年了。虽然现在萤火虫受到了很多关注，但其实早年这方面的研究并不被认可。

付新华拍摄的萤火虫群

在2005年至2013年左右，付新华遇到了许多质疑甚至反对萤火虫研究的声音，“他们认为我研究萤火虫没有太大意义，拿不到研究经费，甚至建议我放弃萤火虫的研究。”连他的父亲也反对他研究萤火虫，建议他“做点应用性的研究，能做出点名堂的东西。”

但付新华有些“叛逆”，面对反对的声音，他只是笑一笑，然后继续坚持自己选定的道路。

在拿不到研究经费的困难时期，他用自己的工资进行研究；在没有标志性研究成果、屡受质疑时，他自学重金属摇滚电吉他来调整心态，“关起门来，‘铮铮扎，铮铮扎’，所有的烦恼全部烟消云散，继续研究。”现在，付新华的电吉他练得颇有成效，“朋友来我的办公室，觉得像琴房。”

2017年到2018年间，研究陷入困局，付新华对萤火虫却热情不减。在断断续续尝试摸索方向的同时，他一边一如既往地开展萤火虫的野外考察工作，一边还写了《一只萤火虫的旅行》《故乡的微光》等10多部科普书。其中，他的两部科普书还获得了科技部颁发的“全国优秀科普奖”。虽然面对同事和同行“科普做得好”的表扬，他也会想到实验上的困局，有点不服气。

付新华在野外拍摄萤火虫

让付新华印象深刻的是，那段时间一次在湖北咸宁的野外考察，还让他差点为萤火虫科研工作“献身”。当时他在茂密的森林中勘察萤火虫生境特点时，脚一滑掉进一个深潭中，“很快就缺氧了，眼前开始‘过电影’。 ”但突然，好不容易取得的国家自然科学基金项目浮现在了他的脑海中，“不能白瞎了啊！”想到这里，他使出全身力量，用力浮出水面，最后被人救上了岸。

那么，是什么在支撑着付新华面对荆棘载途仍初心不改？他回答：“发自内心的热爱，纯粹的热爱和澎湃的激情驱使我持续投入这项工作。”

建设“萤火虫工厂”

探索与保护共生

十余年的坚守，让付新华终于“守得云开见月明”。萤火虫研究逐渐引起社会关注，他也取得了丰硕成果。而在付新华探索萤火虫奥秘的旅程中，他的这群研究对象也受益良多。

漫天飞舞的萤火虫

在攻克萤火虫成虫发光器发育的科学高峰时，付新华团队为了保证有充足的萤火虫蛹进行研究，通过10年左右时间，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”，实现了反季节、全天候、工厂化萤火虫培育。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。

在科考中，见证穹宇萤的壮美光芒和种群消亡的经历让付新华走上了保护萤火虫的道路。近几年，他带领团队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，和青神县共建了“守望萤火·西南萤火虫研究中心”，保护青神县内上亿只野生的三叶虫萤，同时建立现代化的萤火虫繁育基地、四季赏萤馆和萤火虫科普馆，为中国萤火虫保护及可持续利用事业提供了典范。

谈到未来，付新华表示除了进一步研究萤火虫的两个最基本科学问题，努力去摘下第二颗“宝石”——揭示萤火虫闪光控制的机制外，他还将继续这些“闪耀精灵”的保护事业。

“（在萤火虫保护方面）我的目标是在中国建立更多的萤火虫保护地，让更多的萤火虫物种成为保护动物，通过法律手段得到保护，让野生萤火虫抓捕和贩卖彻底被制止。我还梦想着让萤火虫的保护可以助力乡村振兴，成为一种新质生产力。”

（本文图片由受访人提供）