让你家猫主子疯狂迷恋的猫薄荷是怎样进化的?

作者:晴空飞燕/编译来源:蝌蚪五线谱发布时间:2020-05-22

在进化过程中,猫薄荷的祖先已经丧失了产生环烯醚萜的能力。

猫薄荷以其对猫的兴奋作用而闻名。引起猫奇怪行为的气味来自荆芥内酯——一种由猫薄荷产生的挥发性环烯醚萜化合物。

现在,一个国际研究团队通过基因组分析发现,在进化过程中,猫薄荷的祖先已经丧失了产生环烯醚萜的能力。因此,荆芥内酯的生物合成是“反复进化”的结果。然而,这种特殊的环烯醚萜化合物在其化学结构、性质,尤其是生态功能方面与同类天然产物中的其它化合物有很大的不同。

环烯醚萜化合物是萜烯类的植物次生代谢产物。许多植物产生这些物质来防御草食动物或保护自己免受病原体的侵害,许多薄荷科的植物能产生这样的物质。唇形科植物中种类丰富的亚科荆芥亚科包括许多著名的草药,如罗勒、牛至、迷迭香、柠檬香脂和薄荷等,它的祖先在进化过程中丧失了产生环烯醚萜化合物的能力。

但是,作为荆芥属植物的猫薄荷是一个重要的例外。猫薄荷产生的环烯醚萜化合物中有一种被称为荆芥内酯的特殊形式,这是一种能激发猫情绪的挥发性物质。据推测,它的实际功能是阻止食草动物以猫薄荷为食。

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图自John Innes Centre, Norwich, UK

由德国耶拿马克斯·普朗克化学生态研究所天然产物生物合成系主任Sarah O'Connor领导的国际研究团队目前正在研究猫薄荷如何、为何能产生荆芥内酯,以及这种独特的化学分子的生物合成途径是如何演化的。

为了回答这个问题,他们对猫薄荷的基因组进行了测序。研究的第一作者、来自英国约克大学的Benjamin Lichman解释说:“我们发现了一组异常酶,这些酶会生成荆芥内酯分子。但却均未在任何相关的植物物种中被科学家发现。并且这种酶在猫薄荷中得到了独特的进化。当我们第一次看到猫薄荷的基因组序列时,我们意识到所假设的会在荆芥内酯的形成中起作用的基因,在基因组中是彼此相邻的。而这一点让我们能更轻松地解决问题。”

重复进化

科学家将两种都能产生荆芥内酯的猫薄荷基因组与猫薄荷的唇形科近亲、既不能产生荆芥内酯也不能产生任何其他环烯醚萜化合物的药用植物牛膝草(Hyssopus officinalis)进行了比较。这种比较方法和对古代基因的重建以及全面的系统发育分析使研究人员能够了解导致荆芥内酯生物合成出现事件的时间顺序。他们能够确定猫薄荷中环烯醚萜化合物在进行生物合成后受到的损失和随后重新进化的机制。这些新发现为植物新陈代谢和多样性的进化提供了更广阔的经验。

尤其是荆芥内酯的路径是作为基因簇发现的,所谓的基因簇就是一组相似的基因在基因组中的距离很近。通过观察基因簇、基因“化石”和复活的古代酶,科学家阐明了导致该基因簇形成的重要步骤。许多植物谱系中令人印象深刻的植物代谢多样性的演变也是因为同样的步骤而引发的。

“猫薄荷为研究这些过程提供了一个很好的范例。我们现在正在尝试改良猫薄荷中存在的化学物质。这将有助于了解我们是否完全了解该路径的各个方面,也能使我们了解荆芥内酯的生态功能。反过来,对相关路径和生态功能的了解又能帮我们发现导致损失和重新获得该路径的选择性压力。我们还正在寻找其他会产生异常环烯醚萜化合物的荆芥属物种。”Sarah O’Connor总结了她的未来研究计划。

自去年以来,该研究的负责人一直是德国耶拿马克斯·普朗克化学生态研究所天然产物生物合成系的新主人和负责人。她的研究重点是植物代谢产物的生物合成,该产物不仅在介导植物与其环境的相互作用中具有多种生态作用,而且在医学上具有广阔的发展潜力。她想了解植物如何以及为什么会应用如此复杂的化学反应来产生这种引人入胜的分子多样性。“植物正在不断发展出新的化学特性。通过我们的研究,我们希望记录这种演变。”


蝌蚪五线谱编译自scitechdaily,译者晴空飞燕,转载须授权

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