猫薄荷中的欣快武器从何而来？

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猫薄荷（Nepeta cataria）因其对猫的麻醉作用而闻名。 这种看似普通的植物却能让许多动物兴奋不已。

猫薄荷（Nepeta cataria）属于唇形科荆芥属。 它对猫的影响是众所周知的| Phil Robinson，约翰英尼斯中心，诺维奇，英国

其中，导致猫行为怪异的罪魁祸首是一种叫做荆芥内酯的化学物质。 这是由猫薄荷产生的挥发性环烯醚萜化合物（iridoid）。 尽管这种化合物导致三分之二的家猫物种，以及包括狮子、老虎和豹猫在内的许多野生动物表现出奇怪的行为，但它们的真正目的是保护猫薄荷免受害虫侵害。

环烯醚萜类化合物是在唇形科不同物种中发现的一类物质，许多猫薄荷亲戚使用某些环烯醚萜类作为化学武器。 然而近日，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丢失了一个与产生环烯醚萜类化合物相关的关键基因，从而一度失去了产生环烯醚萜类化合物的能力。 那么猫薄荷中仍然存在的荆芥内酯是从哪里来的呢？

研究人员发现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和性质方面以及很可能在其生态功能方面与其他植物中发现的此类化合物非常不同。 他们在最近一期的《科学进展》杂志上发表了这些新发现。

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环烯醚萜类化合物是萜烯的次生代谢物，许多植物使用它来防御食草动物并保护自己免受病原体侵害。 在这些植物中，有许多属于唇形科的物种。 唇形科有一个较细的分支，称为荆芥亚科。 这个特殊的亚科物种非常丰富，许多常见的草药，如罗勒、牛至、迷迭香、柠檬香脂和薄荷都属于这个亚科。

研究人员发现，荆芥科的祖先在进化过程中已经失去了产生环烯醚萜类化合物的能力。 然而，在这个亚科下，有一个例外，那就是荆芥，也就是猫薄荷。 猫薄荷仍然产生环烯醚萜类化合物，包括一种非常特殊的形式，荆芥内酯。 正是这种物质让猫“一碰就兴奋”。

在这项新研究中，研究人员对两种猫薄荷以及与猫薄荷密切相关的药用植物牛膝草的基因进行了测序。 两种猫薄荷都能产生荆芥内酯，而牛膝草不仅不能产生荆芥内酯，而且不能产生其他环烯醚萜类化合物。

通过比较基因组、分析薄荷家族的进化树以及研究祖先基因和古代酶，研究人员将环烯醚萜类化合物的消失追溯到 55 至 6500 万年前以及数千万年前导致猫薄荷的祖先。 。 几年后再次出现的一系列事件的记录。 因此确定了猫薄荷中环烯醚萜合成机制的丧失和重新进化。

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目前，研究人员还不确定基因无法合成环烯醚萜是否是由于突然突变引起的，或者是由于植物转向其他化学防御而导致环烯醚萜丢失。 逐步“淘汰”的结果。

但对于猫薄荷来说，虽然缺少了这个至关重要的环烯醚萜类基因，生命却必须“找到办法”——大约2000万年前，猫薄荷就开始利用相关基因构建了一条新的生化途径来制造环烯醚萜类化合物。 新途径产生了荆芥内酯，它保留了环烯醚萜的一些标志性特征，但具有独特的化学结构和性质。 通过基因组比较，研究人员发现负责产生荆芥内酯分子的酶仅在猫薄荷中发现，而在任何其他相关植物中都没有发现。

图片来源| 菲尔·罗宾逊和本杰明·利奇曼 / 约翰·英尼斯中心

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这些新发现使研究人员能够进一步了解植物代谢进化的新颖性和多样性。 如果我们知道一个性状在进化上有多灵活，我们就可以推断通过植物育种、基因工程或基因编辑来改变另一个物种的性状是多么容易。 更具体地说，如果我们知道一个物种的近亲已经重新进化，产生了一种曾经丢失的化合物，那么就有可能提高该物种对害虫的抵抗力。 猫薄荷提供了此类研究的一个很好的例子。

现在，研究人员正在尝试修改猫薄荷植物中的一些化学物质，以检查我们是否完全了解这些生物途径的各个方面，并了解荆芥内酯的生态功能。 这些信息反过来可以帮助我们发现导致该通路丢失和恢复的选择压力。 同时，他们也在筛选是否有其他荆芥植物能够产生一些不寻常的环烯醚萜类化合物。

此外，研究植物代谢产物的生物合成具有重要意义，因为植物代谢产物不仅在调节植物与环境的相互作用中发挥多种生态作用，而且在医学上也具有广阔的应用前景。 通过这些研究，我们可以了解植物如何以及为何利用复杂的化学反应来产生奇怪的分子多样性。

随着植物的进化，许多性状和性状来了又去。 但每次“相同”的事物再次进化，总是会出现略有不同的结果。 了解这些植物的潜在生化途径可能是未来利用它们保护人类健康的关键。 至于为什么猫薄荷能够重新进化出产生环烯醚萜类化合物的能力，这将是研究人员要研究的下一个大问题。