在進化過程中，貓薄荷的祖先已經喪失了產生環烯醚萜的能力。
貓薄荷以其對貓的興奮作用而聞名。引起貓奇怪行為的氣味來自荊芥內酯——一種由貓薄荷產生的揮發性環烯醚萜化合物。
現在，一個國際研究團隊通過基因組分析發現，在進化過程中，貓薄荷的祖先已經喪失了產生環烯醚萜的能力。因此，荊芥內酯的生物合成是「反覆進化」的結果。然而，這種特殊的環烯醚萜化合物在其化學結構、性質，尤其是生態功能方面與同類天然產物中的其它化合物有很大的不同。
環烯醚萜化合物是萜烯類的植物次生代謝產物。許多植物產生這些物質來防禦草食動物或保護自己免受病原體的侵害，許多薄荷科的植物能產生這樣的物質。唇形科植物中種類豐富的亞科荊芥亞科包括許多著名的草藥，如羅勒、牛至、迷迭香、檸檬香脂和薄荷等，它的祖先在進化過程中喪失了產生環烯醚萜化合物的能力。
但是，作為荊芥屬植物的貓薄荷是一個重要的例外。貓薄荷產生的環烯醚萜化合物中有一種被稱為荊芥內酯的特殊形式，這是一種能激發貓情緒的揮發性物質。據推測，它的實際功能是阻止食草動物以貓薄荷為食。
圖自John Innes Centre, Norwich, UK
由德國耶拿馬克斯·普朗克化學生態研究所天然產物生物合成系主任Sarah O'Connor領導的國際研究團隊目前正在研究貓薄荷如何、為何能產生荊芥內酯，以及這種獨特的化學分子的生物合成途徑是如何演化的。
為了回答這個問題，他們對貓薄荷的基因組進行了測序。研究的第一作者、來自英國約克大學的Benjamin Lichman解釋說：「我們發現了一組異常酶，這些酶會生成荊芥內酯分子。但卻均未在任何相關的植物物種中被科學家發現。並且這種酶在貓薄荷中得到了獨特的進化。當我們第一次看到貓薄荷的基因組序列時，我們意識到所假設的會在荊芥內酯的形成中起作用的基因，在基因組中是彼此相鄰的。而這一點讓我們能更輕鬆地解決問題。」
重複進化
科學家將兩種都能產生荊芥內酯的貓薄荷基因組與貓薄荷的唇形科近親、既不能產生荊芥內酯也不能產生任何其他環烯醚萜化合物的藥用植物牛膝草（Hyssopus officinalis）進行了比較。這種比較方法和對古代基因的重建以及全面的系統發育分析使研究人員能夠了解導致荊芥內酯生物合成出現事件的時間順序。他們能夠確定貓薄荷中環烯醚萜化合物在進行生物合成後受到的損失和隨後重新進化的機制。這些新發現為植物新陳代謝和多樣性的進化提供了更廣闊的經驗。
尤其是荊芥內酯的路徑是作為基因簇發現的，所謂的基因簇就是一組相似的基因在基因組中的距離很近。通過觀察基因簇、基因「化石」和復活的古代酶，科學家闡明了導致該基因簇形成的重要步驟。許多植物譜系中令人印象深刻的植物代謝多樣性的演變也是因為同樣的步驟而引發的。
「貓薄荷為研究這些過程提供了一個很好的範例。我們現在正在嘗試改良貓薄荷中存在的化學物質。這將有助於了解我們是否完全了解該路徑的各個方面，也能使我們了解荊芥內酯的生態功能。反過來，對相關路徑和生態功能的了解又能幫我們發現導致損失和重新獲得該路徑的選擇性壓力。我們還正在尋找其他會產生異常環烯醚萜化合物的荊芥屬物種。」Sarah O』Connor總結了她的未來研究計劃。
自去年以來，該研究的負責人一直是德國耶拿馬克斯·普朗克化學生態研究所天然產物生物合成系的新主人和負責人。她的研究重點是植物代謝產物的生物合成，該產物不僅在介導植物與其環境的相互作用中具有多種生態作用，而且在醫學上具有廣闊的發展潛力。她想了解植物如何以及為什麼會應用如此複雜的化學反應來產生這種引人入勝的分子多樣性。「植物正在不斷發展出新的化學特性。通過我們的研究，我們希望記錄這種演變。」
蝌蚪五線譜編譯自scitechdaily，譯者晴空飛燕，轉載須授權