生物技術：薄荷如何晉級為貓薄荷？


貓薄荷散發出的荊芥內酯氣味會讓性成熟的貓著迷：它們會在嗅聞貓薄荷後興奮不已，在地板上打滾，並表現出一種不常見的頑皮行為。圖片來源：Phil Robinson, John Innes Centre, Norwich, UK
貓薄荷（catmint，也叫 catnip）因其讓貓沉迷的作用而聞名。貓的這一奇怪行為是由荊芥內酯引起的，這是一種由貓薄荷產生的揮發性環烯醚萜。一個國際研究團隊通過基因組分析發現，貓薄荷的祖先在進化過程中曾喪失製造環烯醚萜的能力，因此，荊芥內酯生物合成是“重複演化”（repeated evolution）的結果。然而，這種特殊的環烯醚萜與此類天然產物中其它化合物在化學結構和性質上甚至生態功能上有相當大的不同。
環烯醚萜是植物從萜類得到的次生代謝產物，其功能是防禦食草動物或病原體的侵襲。許多該類物種來自薄荷家族（唇形科，Lamiaceae）。唇形科中一個物種豐富的亞科的祖先是荊芥亞科（Nepetoideae），其中包括許多眾所周知的草本植物，如羅勒、牛至、迷迭香、檸檬香脂和薄荷。
荊芥亞科在進化過程中失去了產生環烯醚萜的能力。然而，一個重要特例就是被稱為貓薄荷的假荊芥屬（Nepeta）。貓薄荷植株能產生環烯醚萜類化合物，其中包括一種非常特殊的形式：荊芥內酯，一種已知的、能刺激貓的揮發性物質。據推測，它的實際作用是防止食草動物以其為食。
莎拉•奧康納（Sarah O'Connor）是德國耶拿的馬克斯普朗克化學生態研究院（Max Planck Institute for Chemical Ecology）天然產物生物合成部門的主管。如今，她領導的國際團隊對貓薄荷的基因組進行了測序，揭示了貓薄荷產生荊芥內酯的方法和原因，以及這種獨特化學分子的生物合成通路的進化過程。他們對貓薄荷的基因組進行了測序。


圖片來源：pixabay
“我們發現了一組不常見的酶，可以生成荊芥內酯分子。這些酶此前未在貓薄荷以外的任何相關的植物物種中都被發現。當看到貓薄荷的基因組序列時，我們意識到在荊芥內酯形成過程中活躍的重要基因在基因組中是相鄰的，而這讓解開謎題變得簡單了些。”這項研究的第一作者本傑明•裏奇曼（Benjamin Lichman）解釋道，他來自約克大學（University of York）。
科學家們對比了兩種能產生荊芥內酯的貓薄荷與藥用植物牛膝草（hyssop, Hyssopus officinalis）的基因組。牛膝草與貓薄荷關係密切，卻既不能產生荊芥內酯，也不能產生其它環烯醚萜。這種比較方法是對古代基因的重建和對進化發育的全麵分析，並揭示了荊芥內酯生物合成功能出現的時間順序，以及貓薄荷中環烯醚萜生物合成功能的丟失與重新進化的機製。這些新發現為植物代謝新穎性和多樣性的進化研究提供了更廣泛的星空体育官网入口网站。
荊芥內酯合成通路作為一個基因簇（一組位置相鄰的類似基因）被發現，而通過觀察這個簇，結合基因“化石”和複活的古代酶，科學家們闡明了導致這個簇形成的重要步驟。這種機製塑造了許多植物譜係中令人驚歎的代謝多樣性的進化。


圖片來源：pixabay
“貓薄荷為研究這些進化過程提供了一個很好的範例。我們現在正嚐試改造貓薄荷植物中的化學物質。這將幫助我們了解自己是否掌握了該生物通路的所有方麵，以及荊芥內酯的生態功能。這反過來又能幫助我們探索導致這條通路丟失和恢複的進化篩選壓力。我們也在關注其它能產生罕見的環烯醚萜類化合物的假荊芥屬物種。”薩拉·奧康納在總結她未來的研究計劃時說道。
自去年開始。奧康納擔任該部門的主管並專注於植物代謝產物的生物合成。這些代謝產物不僅在調節植物與環境的相互作用中具有多種生態功能，也在醫學上具有廣闊的應用前景。她想了解植物運用高度複雜的化學反應來產生令人著迷的分子多樣性的機製和原因。她說：“植物一直在不斷產生新的化學物質。我們希望通過自己的研究抓拍到這種實時演化。”
翻譯：頁一
審校：張之典
引進來源： MAX PLANCK INSTITUTE FOR CHEMICAL ECOLOGY
引進鏈接：https://eurekalert.org/emb_releases/2020-05/mpif-ham050520.php
本文來自：環球科學


關注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回複【最新活動】，了解近期科普活動
回複【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回複【研學營】，了解最新科普研學營
回複【科普課堂】，了解最新科普課堂
回複【科普書籍】，了解最新科普書籍
回複【團體定製】，了解最新團體定製活動
回複【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回複【觀鳥星空体育官网入口网站】，學習觀鳥相關科普星空体育官网入口网站
回複【博物學院】，了解更多博物學院活動詳情