Catnip最出名的是它能让猫兴奋起来,但是它吸引猫的化学物质的来源是进化创新的一个显著例子。

虽然nepetalactone这种化合物能让三分之二的猫发狂,可能是通过模仿性信息素,但它的真正目的是保护猫薄荷免受虫害。Nepetalactone属于一种名为iridoids的化学物质,可以像避蚊胺一样有效地驱虫。

在薄荷家族中,猫薄荷的许多亲戚使用环烯醚萜作为化学武器。但是一个国际研究小组发现,猫薄荷的远古祖先丢失了一个关键的制造铱的基因。罗勒(basil)、牛至(oregano)、迷迭香(rosemary)、柠檬香脂(lemon balm)和薄荷(mint)等这类草本植物的后代不得不依靠其他的防御手段,只有一个显著的例外:猫薄荷(catnip)。

发现今天,《科学进展》杂志发表了对猫薄荷的nepetalactone配方的首次详细研究。他们提供了重要的见解,了解植物如何失去和重新获得防御化合物,研究的共同作者说帕梅拉Soltis佛罗伟德注册里达自然历史博物馆馆长,佛罗里达大学特聘教授。

“如果我们知道的是如何进化灵活的一个特点,我们可以假设它可能是多么容易或难以修改通过植物育种,基因工程或基因编辑另一个物种性状,”她说。“这可能是可能使作物更耐虫害,如果我们知道自己的直系亲属再进化,以前曾失去的化合物。”

唇形科许多植物也具有重要的药用化合物,说研究的合着者道格拉斯Soltis弗罗里达博物馆馆长、佛罗里达大学特级教授,以伊瑞多伊德衍生的癌症治疗为例。

“了解这些植物的基本生化途径的关键是利用它们为人类的健康,”他说。

研究人员对两种猫薄荷和牛膝草进行了基因组测序,这两种植物是近亲,不产生环烯醚萜。通过比较基因组、分析薄荷家族树、研究祖先基因和酶,他们能够追踪导致猫薄荷祖先在5500万至6500万年前失去环烯醚萜的事件序列,并在数千万年后重新出现。

一个基因的缺失消除植物亚科Nepetoideae使环烯醚萜的能力。无论是基因缺失是一个突然的突变或逐渐环烯醚萜生产的“淘汰”,因为这些植物切换到其他化学防御的结果尚不明朗,帕梅拉SOLTIS说。

没有这个基因,猫薄荷不得不从大约2000万年前开始,利用一个相关的基因来建立一个制造环烯醚萜的新的生物化学途径,Douglas Soltis说。

“这有点像,‘我把螺丝刀弄丢了,这把不太一样,但它可以用,’”他引用《侏罗纪公园》(Jurassic Park)中的人物伊恩·马尔科姆(Ian Malcolm)说:“‘生活,呃,总会有办法的。’”

猫与猫薄荷
三分之二的家猫和一些野生猫科动物,如老虎、狮子和豹猫,会对猫薄荷内的nepetalactone做出反应,做出一些好玩的行为,比如翻滚、摩擦脸颊和吃这种草药。

茱莉亚·沃尔夫的《公共领域》

研究人员说,新途径产生了奈帕他酮,它保留了一些标志性的环烯醚萜特征,但具有独特的化学结构和性质。参与其生产的酶在任何相关的植物中都没有发现。

“有很多的进化回往复在植物中的各种特性 - 比如多汁的仙人掌产地,玉种,芦荟,或在亲缘关系较远的物种的红色或紫色颜料多个推导,”帕梅拉SOLTIS说过。“但每当‘相同’的事情再发展,它总是事实证明,它已经这样做略有不同 - ‘扭曲’总是与”

道格拉斯·索蒂斯说,为什么猫薄荷重新进化出了产生环烯醚萜的能力,这是“下一个大问题”。

“由于薄荷家族横跨欧亚大陆迁移,半干旱的栖息地可能带来的新的选择压力,”他说。“也许是环烯醚萜在这些环境中的防御化合物更有效。这不能说明新途径的起源,但它可以解释为选择它,一旦它起源“。

这项研究是薄荷基因组计划,即揭开薄荷家族的化学性质的美国国家科学基金会资助的倡议是植物化合物,它们是如何产生的。

“植物在不断地发展新的化学,说:”这项研究的首席研究员莎拉·奥康纳,主任天然产物生物合成系德国马克斯·普朗克化学生态研究所。“通过我们的研究,我们想要捕捉到这一进化过程的快照。”


佛罗里达博物馆的Grant Godden, Tal Kinser和Miao Sun也参与了这项研究。

国家科学基金会资助了这项研究,并通过《哈奇法案》(Hatch Act)和英国研究与创新未来领袖奖学金(UK research and Innovation Future Leaders Fellowship)资助了该研究的两名共同作者。

上面引用的奥康纳的话最初出现在a新闻稿马普学会化学生态学出版。


资料来源:Pamela Soltis, psoltis@flmnh.ufl.edu;
道格拉斯·Soltis dsoltis@ufl.edu;
莎拉•奥康纳oconnor@ice.mpg.de

您可能还喜欢