當作物遭遇蟲害乾旱等脅迫時，則發出不同情況的熒光作為農民採取相應措施的信號....？
如題，植物生理課的課程論文題目，老師要求我們設計一種植物，我就想設計一種新型作物，能夠發出熒光，當這樣作物遭遇蟲害、乾旱、或者養分不充足等脅迫時，則發出不同情況的熒光作為農民採取相應措施的信號。
利用轉基因技術就能夠使植物發光，這我明白，但是如何讓作物在遭遇不同情況時能夠相應發出不同的熒光呢？沒有思路了，求各路大神開導，么么么么么么噠！
謝邀。你們老師出題的路子很野啊，設計植物應該可以說是植物合成生物學的終極理想了吧，全世界基本上能像模像樣地做點基礎設計的基本上只有劍橋OpenPlant一家，大多數都還停留在簡單的轉基因層面。
閑話不多說，就你這個問題，想法是很不錯的，理論上也很簡單，歸根結底就是這麼一個系統：
脅迫信號 → 感受器 → 報告基因
我們拆開了說：
1. 報告基因
你需要的是自發熒光的系統，一般來講就是各種來源的熒光素-熒光素酶反應系統。這些系統中也有不同的顏色可供選擇。這個說起來也不是太難，現在已有的兩個成功的例子。
一個例子是螢火蟲的熒光素酶，早在1986年就曾經植入過煙草，不過需要額外施加熒光素（http://dx.doi.&o&
1986年第一個自發熒光的植物
另一個是將海洋熒光細菌Aliivibrio fischeri群體感應中使用的熒光素酶lux操縱子系統植入到葉綠體中，從而使植物自發熒光（Autoluminescent Plants）。這個項目後來申請了專利，成立了個叫BioGlow的公司，現在改名叫一個更繞口的GLEAUX? | Beautifully Bioluminescent | Welcome to GLEAUX?。
他們的二代植物Celestine，59美刀一株
在他們的推（hu）廣（you）中，這個發光系統就想你想的一樣，可以作為脅迫的預警報告基因。
2. 感受器
很多植物對脅迫信號是有天然的感受器的。以研究最清楚的植物模式生物擬南芥為例，DREB蛋白（dehydration-responsive element-binding protein）可以感受一系列物理性的傷害，比如低溫、高鹽、乾旱等，下游調控rd29A基因的表達，那麼對於這一類的脅迫，你的感受器就可以直接採用rd29A的啟動子。
http://www.plantcell.org/content/plantcell/10/8/1391/F13.large.jpg
除了植物原有的感受器之外，還有可能從其他物種尋找合適的感受器，「嫁接」給你的植物，比如最無腦的，用CRISPR/Cas9檢測植物病毒的入侵。
有時候，天然的感受器並不足夠專一，可能同時會受很多種不同轉錄因子的複雜調控，那你就需要人工設計特異性的感受系統。比如擬南芥UVR8可以感受UV-B，在UV-B激發下，解離出有活性的蛋白單體，激活下游的抗性基因表達。
http://www.cell.com/cms/attachment/2002995650/2011442577/gr3.jpg
這個系統激活的下游一系列基因都和抗紫外線，損傷修復有關，但是其中的調控機制相當複雜，不但感受UV-B，也受正常的白光影響，還有複雜的反饋關係。這種情況下你就需要建立一個相對「乾淨」的感受系統。
比如說你可以人工設計一個啟動子區，只受UVR8調控，而不受如HY5等其他蛋白的影響。為了設計這樣的啟動子，你就需要一系列的生信挖掘、生化和遺傳實驗檢測，鑒定出只和UVR8特異DNA結合和調控位點。
更進一步的，一旦了解了UVR8對紫外線的感應機制，實際上是通過Trp285，Trp233等色氨酸在紫外線激活下的構象改變導致蛋白質從二聚體變成單體的過程，你就可以人工設計全新的蛋白「UVRX」，使用相似的結構、相同的機制，但卻可以不再依賴於COP1激活下游基因，也不受RUP1/2抑制。通過這個全新的「UVRX」以及對應的人工啟動子，作為紫外線的感受器。
實際操作中的困難：
我不覺得另一個回答中所說的DNA轉化是一個問題。農桿菌轉化等技術是非常成熟的，足夠你用來做對植物進行改造。
我覺得有些更嚴重的問題是紙上談兵就可以想得到的。
1. 一株植物最多能響應幾件事？
我從網上隨便摘了一個葉綠素和類胡蘿蔔素的光吸收圖譜如下圖
可以想見，不管你的熒光報告系統的最強激發光是什麼顏色，最後能從植物表面顯現出來的，也就只有這麼一小段綠-黃-橙（530-630nm）的區段。換句話說，就算我們有著完美的報告系統（那是不可能的），你最多最多也就只能給農民伯伯報告可區分的3件事。這對於複雜的農作而言，是否足夠呢？
而在現實世界，報告系統的激發波段是相當寬闊的，100nm寬的窗口，估計也只能報告一件事——植物有病了。當然這對於早期診斷可能也是很有價值的，但是與你最初設想相差甚遠。
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2. 求救 vs 自救？
如果我們的系統是為了報告逆境，那麼這就產生了一個悖論。既然植物已經處於逆境了，是否還會浪費能量產生熒光？換句話說，我們所設想的這些系統，在逆境的生理活性下是否能夠成立。
即使能夠成立，這本身難道不是對植物抵抗逆境有害的嗎？畢竟自發熒光所需的能量都是植物自己出的。
因此整個系統很可能只有在脅迫的早期警示才有應用的實際價值。
那麼問題又來了：
3. 是不是能夠設計一個系統能夠足夠靈敏地響應某種脅迫？
天然的系統很可能對於脅迫是有一定耐受性的，而我們如果需要預警，那就要使用更加靈敏的感受器。那麼這是不是可以實現呢？
退一步，對於我們感興趣的脅迫，能不能一定找到合適的感受器，其實都是未知數。
如果脅迫是化學的、或者生物的，我們總能夠通過體外定向進化的方式找出特定的蛋白或RNA感受器/抗體等去響應信號。先不論是不是足夠靈敏，至少理論上是可能的。
但對於物理脅迫，比如說高溫、低溫、滲透壓、凍害、乾燥，這些對所有生物大分子都起作用的參數，很可能是找不到特異的系統的。
4. 不同系統如何協作？
前面提到了，不可能整合無限多的感受系統。那麼來自不同感受器的信號就要整合到一起，由一個報告基因給出結果。這就帶來了一個新的問題，脅迫的輸入信號組合和熒光的輸出信號如何mapping。
對於植物來講，不同的脅迫可能是線性相加的，可能是相互拮抗的，也可能是相互協作的。為了讓熒光信號能夠真實地反應植物所面臨的威脅，我們的感受器系統的輸出也需要進行一定的計算才能進一步地反應到報告基因上，這本身也是比較困難的。
因此我個人認為，不妨因地制宜，如果了解一時一地的某種作物經常受到卻又難以預測的嚴重災害，就設計系統去預警這種脅迫。一招鮮吃遍天的設計，在實際操作中往往是低效的。
希望對你有所幫助。
你的問題是如何在不同的逆境下發出不同的熒光。
首先：不同逆境環境下，植物下游所表達的基因也不一樣，假設乾旱誘導基因A，蟲害誘導基因B。
其次：不同的熒光蛋白會發出不同顏色的熒光，比如GFP是綠色，RFP是紅色，YFP是黃色，這應該也是你的idea裡面比較重要的一環（如果我沒理解錯的話），但是這些熒光蛋白都有缺點就是必須使用激光設備才能觀測到，肉眼是看不到的，所以這類的熒光蛋白可能無法滿足你的需求。但是請參考這兩篇文章，他們開發了肉眼可以看到的熒光蛋白。
https://www.nature.com/articles/ncomms2248.pdf
https://www.nature.com/articles/ncomms13718.pdf
綜合上兩條，你可以製作一種轉基因植物，利用基因A或者B的promoter，來啟動你所需要的熒光蛋白，來觀測以及區別特定逆境下的下游信號。
難點就是：
1， 這個熒光蛋白在植物中貌似沒有利用（可能是我閱讀量不夠），植物細胞和動物細胞差別大，不實踐一下是不行的。
2， 你需要在植物里同時表達多種熒光蛋白，質粒的合成是個難題。有一個文章介紹給你，他們用一個質粒轉移三個基因，說不定能給你一點思路。
Improving photosynthesis and crop productivity by accelerating recovery from photoprotection
如果你往植物里一個一個的轉多種質粒，不僅費時間，還有很多其他因素出來干擾你的目的，但是這可以花精力來克服。
3， 選擇特異性十分高的下游基因來區別各種逆境，這需要多讀一些文獻，並且結合實驗驗證，最終才能確定。我認為最重要的是選那些在沒有逆境的時候不要亂表達的基因。。。
具體論文內容我就不詳細介紹了，如果你有任何問題，可以交流。
我也不確定我是否回到到了你的問題點（也許我說的太小兒科，這些你早就了解），如有偏差，請諒解。
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