猫薄荷（catmint，也叫 catnip）因其让猫沉迷的作用而闻名。猫的这一奇怪行为是由荆芥内酯引起的，这是一种由猫薄荷产生的挥发性环烯醚萜。一个国际研究团队通过基因组分析发现，猫薄荷的祖先在进化过程中曾丧失制造环烯醚萜的能力，因此，荆芥内酯生物合成是“重复演化”（repeated evolution）的结果。然而，这种特殊的环烯醚萜与此类天然产物中其他化合物在化学结构和性质甚至生态功能上有相当大的不同。
猫薄荷散发出的荆芥内酯气味会让性成熟的猫着迷：它们会在嗅闻猫薄荷后兴奋不已，在地板上打滚，并表现出一种不常见的顽皮行为。图片来源：Phil Robinson, John Innes Centre, Norwich, UK
环烯醚萜是植物从萜类得到的次生代谢产物，其功能是防御食草动物或病原体的侵袭。许多该类物种来自薄荷家族（唇形科，Lamiaceae）。唇形科中一个物种丰富的亚科的祖先是荆芥亚科（Nepetoideae），其中包括许多众所周知的草本植物，如罗勒、牛至、迷迭香、柠檬香脂和薄荷。
荆芥亚科在进化过程中失去了产生环烯醚萜的能力。然而，一个重要特例就是被称为猫薄荷的假荆芥属（Nepeta）。猫薄荷植株能产生环烯醚萜类化合物，其中包括一种非常特殊的形式：荆芥内酯，一种已知的、能刺激猫的挥发性物质。据推测，它的实际作用是防止食草动物以其为食。
莎拉•奥康纳（Sarah O'Connor）是德国耶拿的马克斯·普朗克化学生态研究院（Max Planck Institute for Chemical Ecology）天然产物生物合成部门的主管。如今，她领导的国际团队对猫薄荷的基因组进行了测序，揭示了猫薄荷产生荆芥内酯的方法和原因，以及这种独特化学分子的生物合成通路的进化过程。他们对猫薄荷的基因组进行了测序。
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“我们发现了一组不常见的酶，可以生成荆芥内酯分子。这些酶此前未在猫薄荷以外的任何相关的植物物种中发现。当看到猫薄荷的基因组序列时，我们意识到在荆芥内酯形成过程中活跃的重要基因在基因组中是相邻的，而这让解开谜题变得简单了些。”这项研究的第一作者本杰明•里奇曼（Benjamin Lichman）解释道，他来自约克大学（University of York）。
科学家们对比了两种能产生荆芥内酯的猫薄荷与药用植物牛膝草（hyssop, Hyssopus officinalis）的基因组。牛膝草与猫薄荷关系密切，却既不能产生荆芥内酯，也不能产生其他环烯醚萜。这种比较方法是对古代基因的重建和对进化发育的全面分析，并揭示了荆芥内酯生物合成功能出现的时间顺序，以及猫薄荷中环烯醚萜生物合成功能的丢失与重新进化的机制。这些新发现为植物代谢新颖性和多样性的进化研究提供了更广泛的知识。
荆芥内酯合成通路作为一个基因簇（一组位置相邻的类似基因）被发现，而通过观察这个簇，结合基因“化石”和复活的古代酶，科学家们阐明了导致这个簇形成的重要步骤。这种机制塑造了许多植物谱系中令人惊叹的代谢多样性的进化。
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“猫薄荷为研究这些进化过程提供了一个很好的范例。我们现在正尝试改造猫薄荷植物中的化学物质。这将帮助我们了解自己是否掌握了该生物通路的所有方面，以及荆芥内酯的生态功能。这反过来又能帮助我们探索导致这条通路丢失和恢复的进化筛选压力。我们也在关注其他能产生罕见的环烯醚萜类化合物的假荆芥属物种。”萨拉·奥康纳在总结她未来的研究计划时说道。
自去年开始。奥康纳担任该部门的主管并专注于植物代谢产物的生物合成。这些代谢产物不仅在调节植物与环境的相互作用中具有多种生态功能，也在医学上具有广阔的应用前景。她想了解植物运用高度复杂的化学反应来产生令人着迷的分子多样性的机制和原因。她说：“植物一直在不断产生新的化学物质。我们希望通过自己的研究抓拍到这种实时演化。”
翻译：页一
审校：张之典
引进来源： MAX PLANCK INSTITUTE FOR CHEMICAL ECOLOGY
本文来自：中国数字科技馆
